面向航空航天、消防防护及新能源等极端环境应用，隔热材料不仅需要轻质、低导热，还需具备良好的柔韧性、力学可靠性与宽温域稳定性。传统陶瓷气凝胶虽耐高温、热导率低，但普遍存在脆性大、易粉化或结构塌陷等问题，复杂制备工艺也限制了其进一步应用。因此，如何通过材料组成与结构设计兼顾轻质、柔韧、强韧和耐极温性能，仍是该领域亟待解决的关键问题。

近期，北京科技大学李从举教授研究团队，通过直接3D静电纺丝一步构筑硅铝陶瓷纤维气凝胶（SACFAs），利用二次质子化形成卷曲带状纤维及三维缠结网络，并通过铝掺杂构建非晶/晶体相锁定结构。所得SACFAs密度低至22.70 mg／cm3，可在-196 ℃至1200 ℃下保持良好的结构与力学稳定性，热导率低至0.03254 W／（m·K），单喷头产率达1800 cm3／h，为极端环境隔热材料提供了新的设计与制备思路。相关研究成果以“Direct 3D Electrospinning of Phase-Locked Amorphous／Crystalline Ceramic Fiber Aerogels with Enhanced Mechanical Properties and Thermal Stability”为题，发表在Advanced Fiber Materials上。

研究团队通过直接3D静电纺丝技术调控溶胶的聚合度与电荷密度，引发射流鞭动不稳定，使纤维在固化前形成高度卷曲的带状形貌，并通过相互缠结、自组装形成三维网络结构，从而一步制备硅铝陶瓷纤维气凝胶（SACFA）。加入少量聚氧化乙烯（PEO）可实现多射流模式，大幅提升生产效率（推流速率达10 mL／h，产率达1800 cm3／h）。此外，通过铝掺杂引入Si–O–Al键，不仅增强了纤维柔性，还促进高温下纳米氧化铝和莫来石晶粒均匀嵌入非晶二氧化硅基体，形成多相结构。

图1 SACFAs的设计与制备示意图

扫描电子显微镜（SEM）结果显示，所有样品均由相互缠绕的长卷曲带状纤维构成三维网络。X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）结果进一步证实，铝掺杂能够有效抑制二氧化硅在高温下结晶，并通过形成Si–O–Al键均匀嵌入网络。透射电子显微镜（TEM）进一步揭示SACFAs呈现非晶／晶体锁相结构，该结构能够抑制高温下基体迁移并促进裂纹偏转，为材料优异的力学和热学性能提供微观基础。

图2 SACFAs的微观形貌和化学表征

得益于三维卷曲缠结网络与相锁定结构的双尺度协同设计，SACFAs表现出优异的综合力学性能。在拉伸性能方面，其拉伸应变高达47.58%不断裂，拉伸强度达0.4772 MPa。

图3 SACFAs的拉伸性能

同时，SACFAs经历80%的压缩应变后可完全恢复，最大压缩应力达120.92 kPa；经过500次疲劳循环后，材料仍能保持结构完整。值得注意的是，其泊松比接近零，表明材料在压缩过程中几乎不发生侧向膨胀，具有良好的体积稳定性。

图4 SACFAs的压缩性能

在耐温性能方面，无论处于-196 ℃液氮还是1200 ℃丁烷火焰的极端温差条件下，材料经约50%压缩应变后仍可完全恢复形状；在80%应变下，其最大压缩应力与室温条件下几乎一致，表现出温度不敏感的力学性能。经1200 ℃煅烧50 h后，材料结构仍能在一定程度上保持，并具有一定的拉伸性能。

图5 SACFAs的热稳定性

在隔热性能方面，一块2 cm厚的SACFAs即可将1200 ℃火焰作用下的背面温度隔绝至123 ℃，其热导率低至0.03254 W／（m·K）。

图6 SACFAs的隔热性能

综上，该研究通过直接3D静电纺丝技术与相锁定策略协同设计，突破了陶瓷气凝胶“轻而脆”与“稳而刚”之间的固有矛盾，实现了轻质、柔性、超弹、耐极温和高效隔热等性能的协同提升。该硅铝陶瓷纤维气凝胶有望在航天器热防护系统、消防服高温预警、动力电池热管理、工业窑炉隔热等极端环境防护领域发挥重要作用。

（来源：Advanced Fiber Materials）