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【央视新闻客户端】

突破陶瓷气凝胶脆性难题，研制出自适应机械超材料

陶瓷气凝胶作为超轻量、超低导热性的尖端隔热材料，在航空航天和国防领域应用前景广阔，但其固有的脆性导致抗动态热冲击性能差，长期制约着实际应用。传统改进方法如引入纳米纤维三维结构虽提升压缩强度，却未能解决拉伸性能弱的核心瓶颈，此前最优陶瓷纳米纤维气凝胶拉伸强度仅达170.38 MPa。

近日，东华大学俞建勇院士、斯阳研究员团队在《自然·通讯》发表创新成果，通过融合古老纺织针织技术与陶瓷纳米纤维，开发出具有预应力拓扑结构的机械自适应陶瓷纤维气凝胶（MAFAs）。该材料展现出356.6 kPa的拉伸强度、109.1 kPa的压缩强度及117.26 kJ m?3的断裂能，且在500次拉伸或1000次压缩循环后仍保持超90%的形变恢复率，突破了陶瓷气凝胶的力学性能极限。

研究团队首创"预应变针织拓扑框架+纳米纤维网络"协同设计（图1）。计算机横机编织的陶瓷纱线网络经预拉伸后，浸入二氧化硅纳米纤维溶胶，通过液氮冷冻固定定向冰晶生长，再经冻干和800℃煅烧形成共价交联。电镜图像清晰显示双尺度结构：微米级针织框架（黄色高亮）与纳米多孔网络相互嵌套，预应力使纳米纤维网络处于收缩态，赋予其高弹性势能储备。

图1：机械自适应纤维气凝胶（MAFAs）结构设计示意图。

力学机制核心在于多稳态拓扑约束（图2）。针织单元的环形拓扑在受力时通过纱线滑移实现几何自适应，其向量场（m向量，n向量）动态调节应力分布。当MAFAs受拉时，预应力的针织框架与纳米网络协同取向重组，电镜捕获到拉伸后纳米纤维沿受力方向排列的现象（图2b-e）。这种跨尺度联动使材料兼具橡胶般弹性与金属般强度，应力分布图揭示其高效的能量耗散能力。

拉伸性能测试（图3）显示MAFAs的应力-应变曲线呈独特锯齿状——当外部载荷破坏主拓扑单元时，连锁结构通过"解链"释放隐藏长度，避免脆性断裂。有限元模拟证实：针织框架承担主要载荷，纳米纤维蜂窝结构通过逐级屈曲耗散能量。对比实验显示，普通纳米纤维气凝胶（p-NFAs）在2.42 kPa应力下直接断裂，而MAFAs韧性超现有陶瓷气凝胶2倍以上（图3f）。

压缩与弯曲测试（图4）进一步验证其可靠性。90%应变下压缩强度达109.1 kPa，经1000次50%应变循环后杨氏模量保持稳定；三点弯曲试验中，MAFAs在40mm跨度下承受38mm挠度（接近90°折叠）仍无断裂（图4m），而非预应力样品（NP-MAFAs）则瞬间脆断。有限元分析揭示其"倒火山型"应力分布特征：针织框架抑制层间剪切位移，纳米多孔层通过可控塌陷吸收能量。

热管理性能（图5）同样卓越。纳米纤维网络形成气体扩散屏障，室温导热系数低至0.0261 W m?1 K?1。1200℃丁烷火焰灼烧120秒后，材料背面温度仅143.5℃（图4d），红外热像图显示其表面温度比传统SiO?、Al?O?材料低约300℃。雷达图对比证实MAFAs在力学适应性、阻燃性和隔热性上全面超越现有气凝胶。

该研究通过多尺度结构工程策略，将纺织拓扑动力学与纳米陶瓷技术深度融合，为开发新一代抗冲击超材料开辟新路径。团队展望此类自适应材料在航天器返回舱隔热层（图5a）、极端环境防护装备等领域的应用潜力，其设计框架还可拓展至其他纤维气凝胶体系。

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中国先进制造技术论坛 2025-07-23 17:43:22