摘要：航空航天、国防、民用工业等前沿领域的发展，需要耐热、轻量化、结构稳定的保温材料。陶瓷气凝胶因其耐高温和低热导率在高温环境中具有良好的应用前景。溶液喷射纺丝（SBS）是一种利用空气湍流实现构建和堆叠蓬松纤维层来生产三维陶瓷气凝胶纤维组件的简单方法。然而，现有的研

关注易丝帮，获取最新静电纺丝科研成果！

易丝帮开放实验室现已启用，为您提供全方位的实验支持与技术服务，欢迎预约体验。

青岛大学龙云泽教授&张俊副教授：在湍流场中原位构建用于极端条件下隔热的三维微/纳纤维气凝胶

航空航天、国防、民用工业等前沿领域的发展，需要耐热、轻量化、结构稳定的保温材料。陶瓷气凝胶因其耐高温和低热导率在高温环境中具有良好的应用前景。溶液喷射纺丝（SBS）是一种利用空气湍流实现构建和堆叠蓬松纤维层来生产三维陶瓷气凝胶纤维组件的简单方法。然而，现有的研究缺乏三维纤维组件的形成和组装机理的探索。

近日，青岛大学龙云泽教授和张俊副教授团队在期刊《Chemical Engineering Journal》上，发表了最新研究成果“3D self-supportive structures of micro/nanofiber assemblies constructed in situ in air turbulent flow fields for thermal protection at extreme conditions”。研究者基于SBS提出了一种可在高速气流冲击下原位制备三维纤维组件的自支撑组装策略。通过高速摄像机原位观察和有限元分析等手段揭示了三维纤维组件在空气湍流流场中的组装机理。并基于此技术成功制备了具有层状结构、超低密度(9.5 mg cm−1)和极低热导率(0.0254 W·m−1 K−1)的氧化锆陶瓷纳米纤维气凝胶(ZCFAs)。ZCFAs在高达90%应变下表现出可恢复压缩性，在50%应变下具有1000次循环的高抗压缩疲劳性能。此外，气凝胶在1300 °C下的拉伸断裂应变（约23.5%）与室温下相同。这项工作对于高性能3D纤维气凝胶的开发、大规模生产和应用具有重要意义。

图1：制备纤维组件的自支撑组装。

团队基于PVA/TEOS溶液，在不改变纺丝和收集装置的前提下，仅通过控制溶液粘度和气流速度，实现了从纤维组件从二维到三维的转变，还确定了一个稳定组装三维纤维组件的气流速度-溶液粘度区域，称之为“3D区域”。研究指出，必须有足够的溶液粘度来提高纤维的刚度从而提高其抵抗气流冲击的能力，这对于稳定实现三维自支撑结构的构建至关重要。另外，气流速度和溶液粘度之间的相互作用对于有效调控所得纤维的结构至关重要。这两个参数必须保持在“3D区域”内，过低或过高的气流速度或溶液粘度都会阻碍三维结构的纤维组件的原位构建。

图2：ZCFAs的材料特性。

基于上述结果，通过调整符合“3D区域”的纺丝液粘度与气流速度，并通过煅烧得到具有低密度和高孔隙率（99.4％）的ZCFAs。ZCFAs表现出层状结构且纤维表面形貌光滑。陶瓷纤维由嵌入非晶基质中的ZrO2纳米颗粒组成，这有助于增强ZCFAs的柔韧性。

图3：ZCFAs的力学性能。

ZCFAs具有高热稳定性(1300 °C)，且在1300°C下具有与室温条件下相同的高拉伸断裂应变(~23.5%)。层状ZCFAs的可恢复压缩应变高达90%、在50%应变下具有1000次循环的高抗压缩疲劳性，并在宽温度范围内表现出稳定的粘弹性能。

图4：ZCFAs的隔热性能。

此外，由于层状和低密度的纤维结构，ZCFAs具有多种抑制热传导的方式。因此，ZCFAs具有各向异性的低热导率，室温下轴向热导率低至0.0254 W·m−1 K−1。借助丁烷喷灯的进一步实验表明，ZCFAs具有良好的隔热性能，可用于极端条件下的热防护。该研究对于高性能3D纤维气凝胶的开发、大规模生产和应用提供了新的思路。ZCFAs对于深海和深空的热防护具有重要的应用前景和意义。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725023587

人物简介：

龙云泽，青岛大学物理科学学院教授，先进纳米纤维创新研究院院长，生物多糖纤维成形与生态纺织国家重点实验室PI，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，山东省高等学校国际合作联合实验室（静电纺丝功能微纳米纤维）主任，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者，山东省有突出贡献的中青年专家，山东省杰青，国际先进材料学会会士。长期从事静电纺丝功能纳米纤维的制备以及在能源催化、伤口敷料、过滤分离、传感器、纺织面料等方面的应用。在Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, Prog Mater Sci, Nature Mater, Nature Commun, Adv Mater, Angew Chem, ACS Nano, Adv Funct Mater, Nano Energy等发表论文480多篇（入选全球前2%顶尖科学家以及中国高被引学者）；参编英文专著13本；授权国内专利140余项，国外专利7项，转让/许可专利17项。获中国发明创业奖创新奖一等奖、国防科技创新大赛一等奖、山东省自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖二等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖等；承担国家重点研发计划、国家自然科学基金等30余项。

张俊，青岛大学物理科学学院副教授，青岛大学特聘教授，硕士生导师。目前主要围绕物理学、材料学、化学、医学等多学科交叉，以静电纺丝技术制备功能性纳米纤维为目标，重点开展了荧光传感检测、信息防伪加密、新型医用敷料、药物靶向释放、纳米发电机、接触电催化等应用研究。当前课题组拥有完整的材料制备、性能表征、应用测试平台及研发队伍。近年来，在Adv Funct Mater, Nano Energy, Chem Eng J, Adv Fiber Mater等发表SCI论文80多篇，许可/转让中国专利2项，荣获中国发明创业奖创新奖一等奖、国防科技创新大赛一等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖。目前作为项目负责人主持国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金、中国博士后基金、青岛市博士后基金等；作为项目主要人员，参与国家自然科学基金面上项目等5项。担任Chem Eng J, ACS Appl Mater Interfaces, Adv Opt Mater, Opt Express等国际期刊审稿人。

感谢阅读！如果您对静电纺丝技术感兴趣，或者有相关实验需求，欢迎随时联系易丝帮静电纺丝开放实验室。

我们的实验室不仅提供先进的设备和技术支持，还能帮助您解决从实验设计到产业化过程中遇到的各种难题。

来源：星寻科学