随着全球能源危机的加剧，热管理技术对降低室内温度调节能耗变得尤为重要。传统隔热材料在厚度和隔热能力之间难以取得平衡，因而限制了其舒适度、空间效率及热调节性能。气凝胶纤维因其具有超高孔隙率和极低导热系数，相较合成纤维和天然纤维展现了显著优势，因而被认为是下一代高性能多功能织物的理想材料。然而，在实际应用中，在控制流程和时间成本的情况下，开发兼具优异隔热性能和柔韧性的气凝胶纤维，仍具有挑战性。
近日，重庆大学陈立明教授团队在期刊《Composites Part A: applied science and manufacturing》上，发表了最新研究成果“Two-step phase-separated ANF/polyimide aerogel fibers with tunable in situ core-sheath structure for wearable heat-insulated fabrics.”。研究者采用改进的两步骤相分离技术（2Step）和纳米芳纶纤维（ANF）增强工艺合成了一种具有原位芯鞘结构的聚酰亚胺（PI）气凝胶纤维，以构筑超柔性和超韧性的可穿戴隔热织物。
研究结果表明，气凝胶纤维的鞘厚度和孔隙形态可以通过相分离步骤及凝固浴中乙醇与水的比例进行调节。2Step相分离过程中形成的芯鞘结构和纳米纤维引入后导致的体系缠结度增加显著改善了气凝胶纤维的力学性能。优化后的ANF增强PI气凝胶纤维（ANF/PIAF）在柔韧性和隔热性能上表现优异，拉伸模量（748.53 MPa）、拉伸强度（51.94 MPa）和断裂能（18.28 MJ/m³）分别提高了2.5倍、11.5倍和288.2倍。该研究提出的策略展示了使用改进的相分离技术制造具有芯鞘结构气凝胶纤维的通用方法，有望成为一种经济、高效构筑柔性气凝胶纤维的方案。
图1：不同凝固浴组分比例调控的气凝胶纤维SEM图及力学性能分析
均匀的多孔芯层是构筑柔性气凝胶纤维的关键。相分离法作为一种经济高效生成气凝胶多孔结构的方法，可以通过调控相分离凝固浴组分轻松实现对多孔芯层孔隙均匀化程度的调节，乙醇凝固浴组分比例的提高可以显著促进气凝胶纤维孔隙结构的均匀化（图1a-e），随着乙醇比例的增加，气凝胶纤维的拉伸强度从 7.55 MPa 提高到 18.76 MPa，断裂伸长率从 5.48% 提高到 14.13%（图1f-g），力学性能实现全面提升。
图2：2Step法处理前后气凝胶纤维的形貌图及单轴拉伸性能对比
构筑芯鞘结构是实现气凝胶纤维柔韧化的另一个重要途径。经过改进的2Step处理后，纤维直径从136.69μm显著增加到351.73μm，并且在纤维边缘产生了典型的致密壳层，该致密层厚度从0.53μm扩大到7.69μm，增加了近14.5倍。此外，由于壳层的存在，2Step法处理的纤维表面也更加光滑。改进的气凝胶纤维的拉伸强度从 18.82MPa 增加到 29.07MPa，拉伸模量从 480 MPa 增加到 529 MPa，而断裂功从 19488 kJ/m3 显著增加到 34440 kJ/m3。考虑到纤维直径变化引起的尺寸效应，壳层带来的力学性能提升可能更大（图2）。
图3：2Step法诱导壳层生长机理及三种方法处理所得气凝胶纤维的压汞分析
壳层的成型机理如图3a所示，其本质上是通过更替凝固浴组分，利用组分差造成的渗透压压溃未完全成型的气凝胶纤维外层，进而形成密实化壳层，并最终在纯乙醇凝固浴中完成均匀芯层的成型。压汞分析（MIP）的数据也表明，经过2Step处理的纤维其孔隙分布与纯乙醇凝固浴（EW1-0）的孔隙分布最为接近（图3b-c），这种相似性进一步验证了 EW1-0 实现的均匀多孔芯结构可通过 2Step 方法有效继承，而后一种方法可以设计出能增强气凝胶纤维力学性能的壳结构，进而证明了此方法的优越性。
图4：气凝胶纤维织物图及力热综合性能Ashby图
基于ANF/PIAF编织而成的气凝胶纤维织物的展现出了优异的柔韧性，具有高拉伸强度（51.94 MPa）和高拉伸断裂功（18.28 MJ/m3）的优点。此外，还保持了极低的热导率（0.034 W/（m·K）），凸显了其在柔性隔热织物中巨大的潜在应用前景。
相关成果以“Two-step phase-separated ANF/polyimide aerogel fibers with tunable in situ core-sheath structure for wearable heat-insulated fabrics”为题发表在《Composites Part A: applied science and manufacturing》上。重庆大学航空航天学院硕士研究生陈智霖为论文第一作者，重庆大学航空航天学院陈立明教授和侯先波助理研究员为共同通讯作者。此研究工作得到国家自然科学基金、重庆市杰出青年科学基金、中国博士后科学基金、爆炸科学与安全防护全国重点实验室开放基金的资助支持。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X25000958
