航天器热防护系统需耐受极端温度（大气/深空任务），对材料的热稳定性、力学强度、轻量化要求严苛；纳米纤维气凝胶因多孔、低密度优势，已应用于航空航天、过滤、储能、组织工程等领域，但存在关键瓶颈。传统陶瓷气凝胶脆性大、制备条件苛刻（如高温烧结），易在力学应力或热冲击下结构/功能失效；部分纳米纤维气凝胶，含有机成分或过量元素，高温下可能燃烧或释放有害物质，存在安全风险。开发简单高效的陶瓷纳米纤维材料，解决抗氧化不足问题，实现多尺度隔热优势，同时兼顾力学稳定性与多功能集成。
近期，东南大学代云茜教授团队采用气流纺丝技术，可一步制备 3D 气凝胶，结合煅烧/折叠工艺实现多形态，适配规模化生产。该研究设计了一种分层结构的纤维气凝胶，该气凝胶由具有致密鞘层/多孔核层结构的流线型双氧化物纳米纤维构成，同时克服了材料固有的脆性问题，且具备热防护性能。所制备的气凝胶展现出超低热导率，在高温工作环境下还具有优异的热机械稳定性。这种气凝胶结构由可任意弯曲的纳米纤维构建而成，不仅降低了整体密度，还有效降低了热导率 —— 其最小密度可低至 8 mg・cm⁻³。在 - 196~1300 ℃的宽工作温度范围内，即便承受 80% 的压缩率，这种独特结构仍能提升整个气凝胶的机械稳定性，且其热导率可低至 7 mW・m⁻¹・K⁻¹。
这些优异性能源于以下机制：通过延长热传导路径、提供界面隔热来抑制热传递，同时阻碍纳米孔内的声子传输。在约 1200 ℃的模拟空 - 地一体化实验中，该陶瓷纳米纤维气凝胶展现出卓越的抗热振动能力。此外，这种纳米纤维气凝胶还可作为一体化平台，协同集成吸声降噪与催化转化功能，为未来的实际应用奠定了基础。相关研究成果以“All‐In‐One Thermal Protection: Multifunctional Synergy in Hierarchically Structured Dual‐Oxide Nanofiber Aerogel”为题目，发表在期刊《Advanced Science》上。
图 1 面向热防护的陶瓷纤维气凝胶结构设计（兼具热机械稳定性）：a）隔热（性能）图示、b）应力消散（机制）图示；c）流线型双氧化物纤维气凝胶的结构示意图。
图 1. a）流线型双氧化物纤维气凝胶的示意图。b）（a）中气流作用下的运动轨迹照片。c）低倍率、d）高倍率下纳米纤维气凝胶的扫描电子显微镜（SEM）图像；（c）中的插图为气凝胶照片，（d）中的插图为单根典型纳米纤维的横截面。e）单根纳米纤维的透射电子显微镜（TEM）图像及 f）元素分布图；（e）中的箭头、虚线和圆圈标注出了致密鞘层/多孔核层结构。
图 2. a) 流线型纤维气凝胶、商用泡沫及商用纤维毡的重量与密度对比。b) 气凝胶束与气凝胶块体的弯曲测试及形状适应性（展示）。c) 最大应力测试。d) 不同压缩率下的循环测试。e) 100 次循环、应变率为 80% 时的压缩应力 - 应变曲线。f) 落锤冲击测试快照，以及不同流线型纤维气凝胶随下落高度（随动量）变化的中部凹陷深度。g) 在 1300℃与 - 196℃极端温度下的压缩测试。
图 3. a) 纤维气凝胶的热重分析（TGA）曲线。b) 纤维气凝胶在−100~800 ℃温度范围内的热膨胀系数曲线。c) 纤维气凝胶与近期文献报道（材料）的隔热温度范围对比。d) 不同密度气凝胶的热导率（数据）。e) 气凝胶与粉末状对应物的热导率对比。f) 纤维气凝胶与近期文献报道（材料）的热导率对比。g) 展示纳米纤维气凝胶内部热扩散过程的 COMSOL 模拟图。h) 气凝胶厚度对其隔热性能的影响（曲线）。i) 气凝胶的散热曲线。j) 1300 ℃下压缩状态的气凝胶隔热性能（数据）。k) 模拟空 - 地一体化测试的示意图。
图 4. a) 吸声与降噪性能测试。b) CO 转化（实验）表明，该材料在火灾烟雾环境下具备保障人身安全的能力。c) 面向空天地应用场景的气凝胶成型与器件组装示意图。
结论：
由双层多孔流线型纳米纤维构成的 3D 纳米纤维气凝胶具有优异的阻燃性与隔热性。这种独特结构通过随机缠绕形成多层隔热结构，既赋予纳米纤维气凝胶极低的热导率，又能维持结构完整性并保障良好的力学性能。纤维气凝胶的柔韧性与可塑性使其能够适配不同应用场景，并集成至各类复杂工程系统中。通过结构优化与设计，流线型双氧化物纤维气凝胶形成了多样的分层结构。因此，由具备结构特性与功能稳定性的柔性纤维构成的 3D 陶瓷纳米纤维气凝胶的研发，将为未来热管理技术的发展提供重要指导。这类材料有望为航空航天、汽车及工业领域提供更高效的隔热解决方案。
通过优化结构与性能，研究人员有望实现技术突破，并推动更可靠耐用的热防护系统问世。该材料凭借轻量化、多孔特性及耐高温、耐腐蚀性能，可实现热管理、安全防护、吸声与降噪等多重功能。预计该材料将应用于社会生活的多个领域，包括飞行场景、汽车安全及消防服装等。
原文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202516126
