气凝胶是极端环境热防护的重要候选材料，但实际应用既要求其贴合目标表面以减弱热交换，又要求其承受复杂机械载荷。传统气凝胶骨架本征脆性严重限制应用；纳米纤维气凝胶（NFAs）虽可借助纤维柔性提升力学性能，但一维纤维重构网络以点接触和弱重叠为主，载荷传递效率低、结构能量泄漏有限，直接三维纤维构建又易因大孔丰富而增加气相传热并削弱热绝缘。层状NFAs虽具各向异性热障优势，却常受层间空隙常未被充分考虑、层间结合弱和分层失效困扰。因此，协调调控宏观构型与层间结构，成为同时实现低热导率与机械稳健性的关键挑战。

广西大学黄崇杏教授团队提出折纸启发的结构工程策略，构建折叠互锁纳米纤维气凝胶。研究将折叠互锁折纸骨架与定制层间结构结合，引入几何约束和纤维介导层间增韧。所得气凝胶在80%应变下压缩强度达548.02 kPa，接近零泊松比；层间网络增强抗分层能力，使材料在层间失效前可承受约40%拉伸应变。层间引导热流重分布带来0.035 W／(m·K)的低轴向热导率和显著各向异性热绝缘。该工作为航空航天等苛刻环境热防护提供了新架构策略。相关论文以“Origami-inspired folded-interlocked nanofiber aerogels for thermal insulation”为题，发表在Nature Communications上。

图1 折叠互锁O-PAN／BCs的制备策略与结构表征

研究以电纺PAN纳米纤维膜为起点，经260 ℃空气氧化1.5 h得到O-PAN，使其形成热稳定共轭梯形结构并保留可折叠性；随后将两片O-PAN膜折叠组装为弹簧状三维骨架，浸入BC分散液并真空浸渍，再经定向冷冻铸造和冻干，在层间构筑连续多孔BC网络。折叠互锁结构具有由自由侧、铰链侧和层间BC网络层组成的分级层压构型；层间区域由BC纤维形成多孔网络，且可通过BC浓度调控其疏松或致密程度；O-PAN／BCs-2密度为0.149 g／cm³，可置于花瓣上而不明显变形；XRD、XPS和FT-IR结果共同证实O-PAN与BC成功复合，并存在氢键相互作用。

图2 折叠互锁O-PAN／BCs的结构前提与轴向运动学

O-PAN膜在大折叠变形下无明显塌陷或断裂；材料具有介孔-大孔分级孔结构；随BC浓度增加，拉伸强度和剥离强度提高，O-PAN／BCs-4极限拉伸强度达14.37 MPa，最大剥离强度3.38 kPa，且分层最大拉伸应变接近40%。轴向拉伸时材料不发生简单层间平移，而表现出拉伸-扭转耦合，BC纳米纤维桥接相邻层并激活纤维介导层间增韧，耗散能量并抑制裂纹扩展；压缩-恢复过程接近零泊松比也得到证实。

图3 O-PAN／BCs的机械鲁棒性、超弹性和动态机械稳定性

力学性能方面，O-PAN／BCs 在高压缩应变下具有高比压缩强度，并可支撑500 g重物；在20%应变下经历1000次循环后塑性变形仅12.92%；压缩-恢复中的微观结构演化和面片弯曲、折叠角减小的超弹机制得到展示；DMA 结果表明，其储能模量、损耗模量和阻尼比在0.1~100 rad／s及-50~200 ℃范围内保持稳定，兼具高承载、超弹性和宽温域稳定性。

图4 O-PAN／BCs 的热稳定性、热绝缘性能与传热机制

热绝缘方面，O-PAN／BCs在100~280 ℃保持较好热稳定性；其与120 ℃热板的稳态温差达57.7 ℃，优于PU泡沫和棉；火焰防护演示中，热侧达306 ℃时冷侧仅136 ℃，花心仅56.3 ℃。BC浓度0.2 wt%时轴向热导率最低，为0.035 W／(m·K)，各向异性因子达1.74；层间BC网络可促进径向热流重分布、延迟轴向热穿透，并抑制气相传导，从而降低服务方向热导率。

综上，该研究通过折叠互锁折纸骨架与定向冷冻铸造层间BC网络的耦合，建立了多尺度架构，使互锁几何约束和纤维介导层间增韧协同抑制分层，并实现稳定弹簧状变形、近零泊松比和优异抗疲劳性；定制层间多孔网络则作为定向传热调节器，重分布热流并增强各向异性热绝缘。该结构-机制-性能关系使O-PAN／BCs成为航空航天、精密器件和高温制造等苛刻环境热防护的潜力平台，并有望扩展至其他纤维体系，通过卷对卷纤维膜制造和自动折叠实现规模化生产。

（来源：高分子科学前沿）