航空航天工程领域的快速发展，推动了具备极端温度耐受性、机械耐久性以及在极端环境下监测生理信号能力的特种材料的进步。碳基气凝胶因其低密度、高孔隙率、低导热系数、高导电性、化学惰性及优异的热稳定性，被广泛研究并应用于航空航天、国防等极端环境领域。然而，传统碳基气凝胶多为典型层状结构，质脆且刚性强，在承受大应变时，相邻界面的不稳定接触会引发三维（3D）结构的不可逆坍塌。此前已有研究通过添加交联剂或构建层状结构，制备出具有连续结构单元的碳基气凝胶，以期改善材料的力学性能。尽管如此，交联点/键合面与层片之间的接触机理尚不明确且难以表征，且交联剂在极端环境下会丧失本征力学性能；因此，实现兼具极端温度耐受性和超强力学稳定性的碳基气凝胶规模化制备，仍是一项亟待解决的挑战。

在此，上海工程技术大学辛斌杰教授、香港理工大学寿大华副教授、东华大学王黎明研究员合作，首创了一种基于挥发 - 吸湿协同诱导相分离的 3D 静电纺丝成型技术，实现了碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的规模化制备。其先进的结构赋予碳纳米纤维气凝胶优异的抗压性能（15000 次循环）、极低的密度（20.15 mg・cm⁻³）以及超低的热导率（0.028 W・m⁻¹・K⁻¹）。因此，碳纳米纤维气凝胶在–196 至 1500℃的温度范围内仍能保持原始形貌和力学性能。这一突破为设计和制备适用于太空探索等前沿领域的功能材料铺平了道路。相关研究成果以“Extreme Resilience: Scalable Electrospun Carbon Nanofiber aerogels with Ultrahigh Elasticity and Temperature Tolerance”为题目，发表在期刊《Engineering》上。

图 1 碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的应用及性能。(a) CNFA-1200 在月球环境中的潜在应用。(b) CNFA-1200 的综合性能对比，包括极端环境耐受性、压缩循环次数、热导率、低密度特性及规模化制备能力，与其他已报道的碳基三维结构材料的相关性能进行比较。

碳纳米纤维气凝胶（CNFA）的形成机制

本研究选取优质碳源材料聚丙烯腈（PAN）作为纺丝溶液中的煅烧前驱体，添加尿素作为结构 - 功能改性固化剂并充分搅拌，以改善纺丝溶液的吸湿性能。将高挥发性的 N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）与丙酮（AC）按固定比例搅拌混合，作为纺丝体系的溶剂。在静电纺丝过程中，尿素的高吸湿性促进其吸收周围空气中的水分，加速诱导纺丝射流的相分离；同时，丙酮的强挥发性推动纳米纤维快速凝固。

静电纺丝对湿度的严苛要求及规模化生产难题，是阻碍 3D 静电纺丝成型技术发展的主要障碍。与现有报道方法相比，挥发 - 吸湿协同诱导相分离 3D 静电纺丝成型技术的核心特征的是：电荷射流在流体阶段可同时实现溶剂蒸发与外部水分子主动吸附，使电荷射流在流体阶段提前凝固。溶剂蒸发与水分子吸附的协同作用，使该工艺在宽湿度范围内均能保持基本一致的纤维质量。

本研究在三种典型相对湿度条件（30%、60%、90%）下制备了 CNFA，并进行压缩应力 - 应变测试。结果显示，不同湿度下制备的 CNFA 的应力 - 应变曲线趋势高度一致，进一步证明所提出的 3D 静电纺丝成型技术适用于宽范围纺丝湿度条件。此外，借助自研设备可实现批量生产（图 2 (e)）。在煅烧前驱体批量制备的基础上，利用大型热解炉可实现 CNFA 的批量制备（图 2 (f)）。

图 2 碳纳米纤维气凝胶（CNFA）的设计与制备。(a) 用于直接制备碳纳米纤维骨架的 3D 静电纺丝成型技术示意图。(b–d) 不同放大倍数下碳纳米纤维气凝胶（CNFA）的扫描电子显微镜（SEM）图像，展示其纤维缠绕及焊接结构。(e) 挥发 - 吸湿协同诱导相分离 3D 静电纺丝成型技术在静电纺丝 3D 结构领域的突出优势。(f) 纳米纤维前驱体骨架及 1200℃下制备的碳纳米纤维气凝胶（CNFA）照片，体现其规模化制备能力。（g）展示碳纳米纤维气凝胶（CNFA）高导电性及传感性能的光学图像。(h) 碳纳米纤维气凝胶（CNFA）优异隔热性能的验证。

碳纳米纤维气凝胶（CNFA）的力学性能

CNFA-1200 展现出优异的超弹性，这一特性源于其微/纳尺度交织焊接纤维结构 —— 该结构在受到外力时可有效分散应力。与传统低维纤维基材料的内部结构及纤维分布不同，CNFA-1200 呈现空间结构化、随机缠结的卷曲 3D 纤维骨架，包含互锁卷曲纤维与焊接节点。这种结构源于碳化与预氧化过程中相邻纤维前驱体之间的交联与融合。

图 3 (a) 进一步展示了 CNFA-1200 在 10%~50% 载荷范围内的应力（σ）- 应变（ε）曲线，该范围内的应力 - 应变曲线具有高度重叠性。在相邻两种压缩应变（如 10% 和 20% 应变）对应的压缩循环中，一个压缩循环的峰值基本位于下一个压缩循环之上，凸显了 CNFA-1200 的优异弹性。在 800℃和 1000℃下，碳化后的 CNFA 密度较低，50% 压缩应变下的最大应力小于 4 kPa；在 1400℃下，CNFA 出现局部结构坍塌，50% 压缩应变下的应力低于 2 kPa。

通过加载 - 卸载循环测试了 CNFA-1200 的循环耐久性，结果显示，即使经过 15000 次压缩循环，CNFA-1200 仍能保持可逆的应力 - 应变循环（图 3 (b)）。为提供更具说服力的 CNFA 结构稳定性证据，随机选取 3 个 CNFA（命名为 CNFA 1、CNFA 2、CNFA 3）进行 15000 次压缩循环测试，并对其应力应变进行误差对比。结果显示，3 个随机选取的 CNFA 的应力应变误差极小，再次证实 CNFA 具有优异的压缩循环耐久性。

图 3 多种极端环境下碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的力学性能表征。(a) 碳纳米纤维气凝胶（CNFA）在不同压缩应变下的应力 - 应变曲线。(b) CNFA-1200 在 30% 应变下的 15000 次循环压缩性能。(c) CNFA-1200 微观结构演变的原位SEM观察。(d) CNFA-1200 的杨氏模量、最大应力及能量损失系数随压缩测试循环次数的变化关系。(e) CNFA-1200 在压缩 - 恢复过程中微观结构演变的有限元模拟结果。(f、g) CNFA-1200 在 (f) –196℃和 (g) 200℃下不同压缩应变的应力 - 应变曲线。(h) 极端环境（火焰和液氮）下的压缩性能验证，以及经 1500℃碳化和–196℃冷冻处理后的SEM图像。

碳纳米纤维气凝胶（CNFA）的隔热性能及传热机制

除上述优异力学性能外，CNFA-1200 还具有出色的隔热性能与阻燃性能。本研究对比了室温下 CNFA 与常用服装纺织品、高隔热聚氨酯（PU）泡沫的热导率（图 4 (a)），结果显示，CNFA-1200 的热导率极低（0.028 W・m⁻¹・K⁻¹），接近空气的热导率，且显著低于 PU 泡沫和纺织品。值得注意的是，即使在 100℃下，其热导率仍保持在 0.0309 W・m⁻¹・K⁻¹。此外，得益于碳纳米纤维优异的温度惰性，CNFA-1200 在液氮或火焰环境中放置 180 秒以上，结构与性能仍无变化。因此，CNFA-1200 在高低温环境中均能有效阻挡热传递（图 4 (b)），其散热性能处于领先水平。

图 4 碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的隔热及阻燃性能。(a) 常用服装纺织品、聚氨酯（PU）泡沫及碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的热导率对比。(b) 碳纳米纤维气凝胶（CNFA）阻温效果的红外图像。(c) 提升 CNFA-1200 绝热性能的相关因素示意图。(d) 隔热性能验证：石棉网上的花朵在未覆盖及覆盖一层 CNFA-1200 时，经酒精灯加热的对比情况。(e) 基于有限元模拟（FEM）的 CNFA-1200 温度分布。(f) CNFA-1200 在极端环境下展现出柔韧性，在太空环境等特定特殊场景中具有应用潜力。

碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）在极端环境中的潜在应用

由于传统传感材料对极端环境的耐受性有限，月球等环境下航天员生理信号监测的难题尚未得到解决。CNFA 在极端条件下展现出优异的导电性和力学稳定性，使其成为该环境下人体生理信号监测的潜在候选材料。本研究通过在 CNFA-1200 一侧连接两根铜线作为电极，并涂抹耐高温石墨胶以最小化接触电阻，制备了传感器（1.2 cm×0.6 cm），随后将制备的传感器置于自研压缩传感平台进行测试。

如图 5 (a) 所示，传感器压缩时，电阻与压缩应变呈现良好的线性关系。这一结果源于 CNFA-1200 压缩时纤维网络中形成更多导电桥，与原位电子显微镜下的观察结果一致。当传感器从 12% 依次压缩至 96% 时，其电阻在不同压缩程度下呈现明显差异（图 5 (b)）；对应应变状态的电流 - 电压曲线在 10%~50% 应变范围内呈现均匀偏移。CNFA-1200 的响应时间和恢复时间分别达到 20 ms 和 30 ms（图 5 (c)），表明纤维的 3D 结构最大限度地避免了压缩回弹的滞后性。经过 10000 次压缩循环后，传感器的电阻几乎无变化；暴露在空气中时，传感器电阻可保持 180 天不变，这些结果证实了 CNFA-1200 的优异耐久性和稳定性。

首先在温度（24±2）℃、相对湿度（60%±3%）的受控环境中，对 CNFA-1200 进行火焰暴露和液氮冷冻条件下的压缩传感测试，所得曲线表现出良好性能（图 5 (e)）。即使在极端温度下经过 1000 次加载循环，CNFA-1200 仍具有稳定可靠的电响应，这种稳定性表明其在极端环境中作为穿戴式传感器器件的巨大潜力。

图 5 CNFA-1200 在室温及极端温度下的传感性能。(a) CNFA-1200 在不同压缩应变下的应变系数（GF）。(b) CNFA-1200 在 12% 至 96% 压缩应变范围内的电阻响应。(c) CNFA-1200 的响应恢复时间。(d) CNFA-1200 可应用于月球环境，实现航天员生理信号检测、身体健康预警等高端应用。(e) 由 CNFA-1200 制成的传感器在模拟极端环境（–196℃和 500℃）下的测试结果。(f) 将 CNFA-1200 附着于手套上，在–196℃和 500℃下检测不同弯曲角度的手指弯曲动作。(g) 将 CNFA-1200 与无线传输模块集成，可在极端环境下远程监测使用者的生理信号。

结论

综上，该研究首创了一种新型挥发 - 吸湿协同诱导相分离 3D 静电纺丝成型技术，实现了碳纳米纤维气凝胶（CNFAs）的批量制备，且无需严格控制湿度。所制备的 CNFA-1200 具有 3D 蓬松结构、层间多孔特性、纤维互锁交联及类焊接点状增强结构，这些特性赋予其优异的抗压性能，可在 15000 次压缩循环后仍保持稳定。独特的 3D 结构与构成单元的化学惰性协同作用，使 CNFA-1200 能够适应极宽的温度范围（–196 至 1500℃）。其内部大量的微纳尺度孔隙结构，赋予 CNFA-1200 接近空气的超低热导率（0.028 W・m⁻¹・K⁻¹）和优良的导电路径，使其适用于模拟月球环境（–183 至 128℃）中的温度防护与信号监测。这种兼具多种优异性能的 CNFA-1200，有望作为极端危险环境下的高性能绝缘与传感材料，为人类未来的太空探索及星际驻留提供重要支撑。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2025.11.013