在极端寒冷环境的户外活动及特种作业中，兼具轻量化、持久舒适和高效隔热的纺织材料需求正日益增长。气凝胶纤维因其纳米级多孔网络和极低的热导率，被视为下一代保暖纺织品的理想候选材料。然而，追求极致隔热所必需的高孔隙率，往往会严重削弱材料的机械强度，导致纤维极其脆弱，难以满足现代纺织加工及严苛环境下的实际应用需求。如何打破机械强度与隔热性能之间“鱼与熊掌不可兼得”的固有矛盾，是该领域亟待攻克的核心挑战。
针对这一行业难题，江南大学魏取福教授、王清清副研究员团队从自然界企鹅抵御极寒的绒毛层级结构中汲取灵感，提出了一种创新的材料设计方案。该团队通过同轴湿法纺丝技术结合质子供体辅助结构化策略，成功开发出一种具有核壳架构的仿生羽绒气凝胶纱线（Bionic down aerogel yarn, 简称BDAY）。相关研究成果以“Bioinspired down aerogel yarns with decoupled thermal-mechanical properties for adaptive thermal management”为题，发表在国际工程技术领域权威期刊《Chemical Engineering Journal》上。
图1：仿生羽绒气凝胶纱线的结构设计与成型机制。
企鹅羽毛具有精密的分层双层结构，其内层羽绒作为主要的隔热层，由提供机械支撑的中心羽轴和周围密集的羽支、羽小支协同构成。受此启发，团队设计了具有核壳架构的BDAY，高强度的商业纱线充当承重骨架（类比羽轴），而外层高度纠缠的ANF气凝胶网络则完美复制了天然羽绒细微的分枝交织结构。
图2：ANF/PVA水凝胶纤维形成过程及其对连续湿法纺丝的支撑作用凝固浴质子供体对纤维成型与梯度结构的精准调控。
在连续的同轴湿法纺丝过程中，甲酸凝固浴提供的酸性环境显著加速了ANF的溶胶-凝胶转变速率，有效稳固了中心纱线的位置。更重要的是，这种质子触发机制诱导气凝胶壳层形成了外密内疏的梯度多孔网络；传热模拟和红外热成像直观证实，这种独特的孔道结构构建了更曲折的热传导路径，大幅提升了纤维的隔热性能。
图3：BDAY气凝胶孔隙结构的精准调控。
为进一步逼近天然企鹅羽绒的蓬松隔热效果，研究团队在溶剂置换阶段引入了叔丁醇（TBA）。该图详细展示了TBA对冰晶生长的调控机制：高浓度的TBA有效抑制了冰晶的过度生长和孔壁的毛细管塌陷，使得干燥后的气凝胶壳层具备了高达91.6% 的孔隙率和更致密的纳米纤维纠缠网络。极低的密度与纳米级孔隙有效锁住了静止空气，显著抑制了热对流与热传导，使纱线获得了最佳的热阻断表现。
图4：再生ANF/PVA纤维的力学性能以及调控机理。
得益于力学与隔热性能的空间解耦设计，BDAY的机械强度完全由核心纱线主导。以玄武岩纱线为内核的复合气凝胶纱线，其断裂强度高达 84.0 MPa，彻底克服了纯气凝胶纤维本征脆弱的缺陷。单根纱线即可轻松提起 1.9 kg 的重物，并且在拉伸断裂动态测试中，内部纱线能够有效桥接外壳裂纹以维持整体载荷传递。
图5：BDAY织物在极寒环境中的被动隔热与主动焦耳加热。
将 BDAY 编织成型的织物不仅展现出全面超越传统棉、羊毛及芳纶织物的被动隔热保暖能力（BDAY织物的导热系数低至 40.8 mW/(m·K)），还能利用内置的不锈钢导电内核实现高效的主动焦耳加热功能。在1.5 V 至4.5 V的施加电压下，织物表面可在60秒内迅速升温，输出温度覆盖38.4°C 至101.6°C，实现精准的自适应热调节。
图6：面向航空航天等极端环境的多功能综合防护。
系统评估了BDAY织物在模拟太空等极端严苛环境下的多任务防护潜力。研究表明，除了在-40°C 超低温环境中展现出卓越的动态热调节能力外，该复合织物在X波段的电磁干扰（EMI）屏蔽效能高达38.5 dB。其屏蔽机制在于高孔隙气凝胶壳层作为理想的阻抗匹配层，促使电磁波透射进入内部，随后在导电内核界面发生多重内反射与欧姆耗散。同时，得益于芳纶基气凝胶网络的本征热稳定性，BDAY纱线在承载100 g 载荷的直接焰烧测试中，展现出优异的阻燃自熄性与结构完整性。此外，落球冲击实验证实，气凝胶壳层的渐进式形变耗散与核心纱线的应力重分布产生显著的协同效应，实现了对局部机械冲击能量的高效吸收与缓冲防护。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894726055956?via%3Dihub
人物简介：
魏取福，江南大学教授，博士生导师，主要研究方向为纳米纤维功能材料、生物基纤维材料、智能可穿戴材料及其应用。入选教育部新世纪优秀人才。主持和承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项、教育部创新团队、新世纪人才计划、教育部重点项目等科研项目20余项。相关成果获教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、纺织工业协会教学成果一等奖等科研奖励。主编有Woodhead Publishing出版的英文学术专著2部。2020和2025连续六年入选爱思唯尔“中国高被引学者”。
