超轻陶瓷气凝胶因具有低密度、导热性、高比表面积、高孔隙率以及化学惰性和热惰性等特点，广泛应用于热、电、磁、医疗、光学和化学等领域。然而，具有典型珍珠项链状结构的传统陶瓷气凝胶往往具有脆性，在较大的外部应力或应变下，易发生结构塌陷。当用作保护人体和设备的主要介质时，陶瓷气凝胶的拉伸性能较差，限制了其在航空航天和国防等极端环境中的应用范围。因此，开发一种简单、快速、低成本的大规模生产方法，制备具有复杂形状的陶瓷纳米纤维是可拉伸陶瓷气凝胶取得进展的关键。

鉴于此，东华大学丁彬教授和斯阳研究员展示了一种电流体动力学方法，采用三维反应静电纺丝直接制备了具有交织卷曲纳米纤维结构的陶瓷纳米纤维气凝胶。这种三维交织卷曲纳米纤维结构陶瓷气凝胶(ICCAs)具有超轻、柔韧性、拉伸性、压缩性、耐疲劳性和超低导热性等优异性能。ICCAs可以在不断裂的情况下从原始形态拉伸到100%的拉伸应变，同时在超过40%的拉伸应变、60%的压缩应变或90%的屈曲应变的大变形下表现出优异的恢复性能，以及100,000次循环的抗疲劳能力。

莫来石相为陶瓷气凝胶提供了-196 ~ 1400℃的热稳定性，在1300℃下煅烧1 h后仍具有可重复拉伸性能。最后，作者证明了ICCAs可以作为高性能保温材料。同时，作者通过该方法制备了长170 cm、宽130 cm、高12 cm的大型纳米纤维气凝胶。本研究对个人防护设备、太空飞行器热防护系统和柔性可穿戴电子设备具有广泛的技术和工程意义。相关研究内容以“Direct synthesis of highly stretchable ceramic nanofibrous aerogels via 3D reaction electrospinning”为题目发表于期刊《Nature Communications》上。

图1 ICCAs的设计和制备。a-c直接制备陶瓷纳米纤维气凝胶的三维反应静电纺丝示意图。d前驱气凝胶和ICCAs的图像。e-f ICCAs从原始形态拉伸到100%应变，没有任何断裂。

三维反应静电纺丝制备陶瓷纳米纤维气凝胶

为了直接将陶瓷纤维气凝胶与纳米纤维卷曲结构交织在一起，作者设计了一种三维反应静电纺丝方法，该方法由射流中的溶胶-凝胶反应控制。通过调整胶体粒子的质子化程度，控制溶胶射流的凝胶化速率，在毫秒内实现对射流形状的精确控制。该过程使用高导电率(12910 μs/cm)和低粘度(18.76 cp)的溶胶溶液进行静电纺丝。通过添加少量(0.1% wt%)的高分子量聚合物，将锥形液滴的喷射模式改变为多喷射模式，而胶体颗粒之间的凝结不受影响。

图2 ICCAs的材料表征。a,b不同放大倍率下的icca截面SEM图像。c, d交织结构和纳米纤维之间交联点的SEM图像。e莫来石纳米纤维的透射电子显微镜(TEM)和高角度环形暗场STEM (HAADF-STEM)图像。f莫来石纤维的XRD谱图。g卷曲的纳米纤维从其原始结构拉伸到120%应变而不断裂。h单根陶瓷纳米纤维的拉伸应力-应变曲线。i纤维拉伸断裂前后的图像。J,k  ICCAs可以拉伸和打结而不会粉碎。

该方法的单喷丝孔速度比传统电纺丝法制备陶瓷纳米纤维的速度高5~10倍，实现了工业化规模生产。射流的稳定性明显下降，射流在高表面势作用下被拉长为细长的直射流后，经历鞭打失稳，形成三维卷曲结构。高反应性的胶体颗粒往往会通过凝结和射流凝固形成高度交联和坚固的骨架(图1b)，抑制三维卷曲纳米纤维结构的变形和坍塌。随后，通过调整纺丝喷嘴和收集器的垂直运动，将卷曲的纳米纤维互编，得到三维交织卷曲纤维结构的纳米纤维气凝胶前驱体。最后，将气凝胶前驱体在空气中1000°C焙烧1 h，得到ICCAs。

图3 ICCAs的可拉伸性能。a ICCAs的拉伸应力-应变曲线。b ICCA原位拉伸，显示拉伸-恢复性能。c普通陶瓷纳米纤维膜的拉伸应力-应变曲线。d 1000次拉伸试验，拉伸应变40%。e杨氏模量、能量损失系数和最大应力随拉伸周期的变化。f ICCA在100000次拉伸-释放疲劳循环中的储能模量、损耗模量和阻尼比。g ICCA在高温条件下保温1 h后的拉伸应力应变曲线。h ICCAs在1300℃和1400℃处理1 h后的SEM图像。i 1300℃保存1 h，拉伸应变20%，1000次循环拉伸试验。

最终制备的陶瓷纳米纤维气凝胶具有良好的热稳定性和拉伸性能。ICCAs的整体陶瓷特性使其能够承受1300°C的高温火焰，没有任何损坏或变形，并且可以从原始形态拉伸到100%应变下不会断裂。有趣的是，作者利用不同的高反应性溶胶纺丝溶液，制备了多种陶瓷纳米纤维气凝胶，如莫来石、Al₂O₃、ZrO₂和Al₂O₃-ZrO₂。

图4 ICCAs的隔热和耐火性能。a ICCAs的热导率随密度的变化。b比较不同类气凝胶材料的导热系数和最高工作温度。c大尺寸前驱体ICCA的光学图像。d由ICCAs保护的丁烷喷嘴在30分钟加热过程中的红外图像，彩色比例尺显示温度。e ICCAs暴露于丁烷喷灯10分钟的光学和红外图像。

文章信息：

Cheng, X., Liu, YT., Si, Y. et al. Direct synthesis of highly stretchable ceramic nanofibrous aerogels via 3D reaction electrospinning. Nat Commun 13, 2637 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-30435-z