在航空航天、智能装备、交通运输和建筑节能等高技术领域，亟需结构稳定同时兼具隔热、吸声等多功能集成的材料，以同时满足节能降耗、噪声控制等综合需求。开发此类轻质、机械稳定的集成化材料不仅能够简化系统设计、减轻结构负担，也对节能和可持续发展具有重要意义。然而，当前的聚合物基多孔材料存在力学脆弱和功能单一等局限，尤其通常不具备可拉伸性和柔性，这严重限制了它们在复杂场景下的实际应用。

近日，山东大学于美杰教授/王成国教授/周传健教授团队在期刊《Composites Science and Technology》上，发表了最新研究成果“Biomimetic all-fiber hierarchical multiscale composite aerogels for multifunctional thermal, acoustic, and oil absorption applications”。研究团队受鸟巢中多尺度纤维互嵌结构的启发，提出了一种结构稳定的多功能全纤维多尺度气凝胶（MCA）设计策略。研究者通过调控芳纶纤维（AF）的剥离程度，创新性地获得了超宽直径分布的多尺度芳纶纤维（MAF），并与电纺聚酰亚胺纳米纤维（PINF）协同复合，构建出类鸟巢的纤维直径横跨纳米至微米级的复合有机纤维多尺度结构。

该策略制备的MCA兼具良好的力学性能与多功能性。得益于全纤维复合体系独特的开孔结构与多尺度孔径分布，MCA表现出优异的综合性能，包括低热导率（28.3–32.6 mW m-1 K-1）、宽频高效吸声（1920–6400 Hz范围内吸声系数大于0.9）以及极高的吸油能力（吸附量超过自身质量的107倍）。此外，MCA在–196至500°C的宽温度范围内结构保持稳定和柔韧性，并可通过喷涂低发射率材料实现红外隐身功能。这种仿生策略显著提升了MCA的力学性能，实现了压缩强度、柔性与拉伸性的协同优化。

图1：MCA的制备流程、多尺度结构及多功能展示。

受鸟窝中多尺度组成的启发，本工作创新性地制备了宽直径分布的多尺度芳纶纤维（MAF）作为刚性骨架，并将其与电纺聚酰亚胺纳米纤维（PINF，柔性网络）共混。制备过程通过冷冻铸造、冷冻干燥和热亚胺化，最终获得仿生多尺度气凝胶（MCA）。所得MCA具有超低密度（11.9-14.6 mg cm⁻³），可轻松站立在吊兰叶上，并可定制成多种形状。宏观展示证明，该材料同时具备优异的机械性能（可拉伸、压缩、扭转）、高温隔热性能（400℃下保护鲜花）和红外隐身潜力。

图2：多尺度复合气凝胶的力学性能。

MCA克服了传统短切纤维气凝胶的力学脆弱问题，兼具拉伸、压缩和弯曲性能。拉伸测试表明，MCA-1/1拥有最大的拉伸强度（47.8 kPa）和断裂伸长率（21.8%）。压缩测试显示，MCA-1/1在经过300次压缩循环后，仍能保留85.3%的最大压缩强度。更重要的是，MCA-1/1在液氮超低温（-196°C）中依然表现出良好的回弹性和柔韧性，可在液氮中弯折而不发生破坏。

图3：多尺度复合气凝胶的隔热性能。

MCA均具有较低的热导率，其中MCA-1/1最低，仅为28.3 mW·m-1·K-1。在300℃的高温隔热实验中，MCA-1/1的表面温度最低（101.7℃），与热板温差近200℃，隔热效果显著。Comsol仿真进一步证实，MCA-1/1的多尺度孔隙结构相比均匀孔隙结构，能更有效地抑制固相、气相和辐射传热，从而实现优异的隔热性能。

图4：多尺度气凝胶的吸声、吸油性能。

MCA-1/1表现出宽频高效的吸声性能，在1920-6400 Hz频率范围内吸声系数均大于0.9。同时，材料表面呈疏水（水接触角128.1°）亲油性。得益于其低密度和高孔隙率，MCA-1/1展现了超高的吸油能力，对二氯甲烷的吸附量超过自身质量的107倍，远超传统吸附剂。10次循环后仍能保持高达90.2%的吸附容量，并可实现水上浮油和水下重油的高效选择性分离。

图5：多尺度复合气凝胶的红外隐身性能

性能对比雷达图直观地显示了本工作在密度、可拉伸性、热导率、吸声带宽和吸油量五个维度的综合优势。此外，MCA-1/1作为优异基体，与低发射率材料MXene复合后，可实现红外发射率的有效调控（最低降至0.223）。动态红外隐身测试表明，复合材料（M8/MCA-1/1）可将高温热板（~300℃）的表观辐射温度降低至约110℃，并在对热水杯、高温塑像等目标的遮挡中展现出优异的红外隐身效果。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2025.111445

人物简介：

于美杰，山东大学教授，博士生导师。山东省复合材料学会理事。主要研究方向为低红外辐射、电磁波吸收与电磁屏蔽，以及高性能碳纤维的制备、表面改性与功能化。主持国家自然科学基金、山东省重点研发计划等科研项目16项。已发表学术论文50余篇，授权专利10余项。

王成国，山东大学教授，博士生导师。山东省有突出贡献的专家。担任山东省复合材料学会副理事长。主要研究领域包括材料表面强化、碳纤维及其复合材料。作为首位获得山东省科技进步二等奖4次，教育部科技进步二等奖5次。主持863、973等国家级重点项目10余项。已发表论文160余篇，其中SCI、EI收录120余篇，主编教材2部。

周传健，山东大学教授，博士生导师。现任山东大学材料科学与工程学院院长、山东大学威海工业技术研究院院长。兼任中国化工学会特种化学品委员会副主任委员、山东省新材料产业协会会长。主要研究和教学领域为有机硅材料和生物医用材料，侧重于面向极端环境、生物医用及荧光材料的新型有机硅材料结构设计与合成。作为负责人承担了国家重点材料研制计划、国家自然科学基金、山东省重大创新项目等20余项。获山东省技术发明二等奖、山东省医学科技奖等省部级奖励2项。在Acta Materialia, ACS Applied Materials & Interfaces等期刊发表论文60余篇，授权发明专利30余项，牵头起草国家标准1项、企业标准3项。