氣凝膠因其超低熱導率被譽為“21世紀神奇材料”，在隔熱領域極具潛力。然而，傳統氣凝膠固有的脆性、加工性差及機械強度不足等問題，使其難以承受紡織應用中的彎曲、拉伸和洗滌，易發生結構坍塌導致隔熱失效。現有氣凝膠纖維制備技術（如凍紡、濕紡）雖能實現纖維化，但仍面臨三大挑戰：（1）納米纖維基（尤其是高性能纖維）氣凝膠纖維犧牲了約95%的原纖維強度；（2）纖維紡絲與干燥分步進行，難以實現連續化生產；（3）功能性填料的加入會降低紡絲原液的可紡性，從而制約功能化改性。因此，開發兼具高機械韌性、可編織性及規模化制備潛力的氣凝膠纖維，是推動其實際應用的關鍵。
研究方案圖加捻氣凝膠紗線的織物結構及隔熱機制示意圖
針對上述挑戰，東華大學朱美芳院士、成艷華研究員創新性提出卷對卷連續加捻組裝策略（Roll-to-Roll Twisted Assembly）：該策略以二維納米纖維膜為結構骨架，通過一步法噴涂-加捻工藝，成功將高含量（體積分數78%）的商用介孔SiO?氣凝膠顆粒復合到紗線中，這一方法摒棄了傳統氣凝膠纖維制備必需的復雜溶劑交換與特殊干燥流程，實現了氣凝膠紗線的高效連續生產，也提高了紗線的隔熱性能；同時，經加捻角優化（35°）形成阿基米德螺旋結構，顯著提升了紗線的機械性能與結構穩定性。兩者協同作用，有效突破了氣凝膠材料規模化應用的瓶頸。所制備的 NF-TAY 氣凝膠紗線呈現核殼結構，其芯層由 SiO2 氣凝膠顆粒與 PAN 納米纖維加捻而成，外層為 PAN 納米纖維封裝層。該設計賦予NF-TAY優異的力學和隔熱性能：其拉伸強度達16.3 MPa，可承受自重3.3×104倍的載荷；同時具有32.3 mW m-1 K-1的低熱導率，性能優于商業羊絨和棉材料。此外，NF-TAY展現出優異的耐久性：在極端溫度（-196~100 °C）、反復折疊/壓縮以及100次水洗后，仍能保持良好的力學和隔熱性能。通過外層納米纖維功能化改性，NF-TAY還兼具疏水性（接觸角146°）、可染色性和焦耳加熱功能，能夠滿足不同應用場景和個性化需求。
2025年6月16日，相關研究以Roll-to-Roll Twisted Aerogel Yarns with Reinforced Structure and Low Thermal Conductivity發表于Advanced Materials上。文章第一作者是東華大學材料科學與工程學院鄭俊杰博士，理論計算也得到了江南大學魏寧教授團隊的幫助。
圖1 氣凝膠紗線的制備流程及其微觀形貌表征
圖3 氣凝膠紗線的熱防護性能與服役穩定性
圖4 氣凝膠紗線多功能應用拓展
該工作是團隊近期關于柔性復合氣凝膠材料相關研究的最新進展之一。針對氣凝膠材料普遍存在的機械性能弱、功能單一等問題，團隊已發展了一系列制備策略，開發出系列適用于不同場景的功能性柔性復合氣凝膠材料。團隊基于跨維度、跨尺度的結構適配工作原理，制備得到了雙網絡復合氣凝膠（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1806407），通過優化工藝方法，常壓干燥獲得了仿貝殼納米復合氣凝膠（Adv. Mater. 2023, 35, 2300813）。此外，還開發了“潤濕和礦化”的優化界面工程，構建了具有高機械壓縮率（≈99％）和超疏水性（≈168°）的復合氣凝膠（Adv. Funct. Mater. 2021, 2009349）；進一步，通過工業化海島熔融紡絲技術，成功制備了連續的超細纖維，將其作為氣凝膠的基本構筑單元，經冷凍成型技術組裝，獲得具有波紋層狀結構的氣凝膠氈（Adv. Mater. 2024, 2414731）。在此基礎上，該團隊通過親疏水結構設計，開發得到了高性能的太陽能驅動界面蒸發復合氣凝膠（Nano-Micro Lett. 2023, 15, 64）；并利用工業廢熱（如光伏電池產生的余熱）作為熱源，設計了一種生物基吸濕性氣凝膠（Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 7489），驅動大氣集水-蒸發系統協同運行（Adv. Funct. Mater. 2025, 2423063）。
原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202507289
