中国科大龚兴龙教授 Compos. Part B-Eng.：坚固且具有冲击防护、隔热和防冰功能的多尺度仿生ANF/PMSQ气凝胶

2025-02-24 来源：高分子科技

随着人类活动持续污染全球生态系统，自然灾害和极端天气事件的日益频繁构成了严峻的挑战。在这种情况下，个人和工程设备都面临着复杂的威胁，包括机械冲击、极端温度、湿气腐蚀和冰侵蚀.因此，在个人健康保障和工业安全方面迫切需要更高的标准，这需要开发在各种工作条件下具有多功能保护性能的新型材料。在自然界中，生物体在数百万年的时间里进化出独特的结构，以适应复杂的环境。例如，蜂窝结构表现出非凡的承载能力，可以通过薄壁屈曲吸收大量的冲击能量。利用相互关联的复杂多孔结构的变形和损伤，柚子皮可以有效地吸收冲击和振动能量，从而防止果实掉落时受到损坏。此外，这种结构还表现出优异的保温效果。这些仿生机制为设计功能性材料和实现最佳防御效率与便携性提供了新的思路。

基于此，中国科学技术大学龚兴龙教授团队创新性地将具有定向蜂窝结构的芳纶纳米纤维气凝胶（ANF）与具有多孔仿柚皮结构的聚甲基倍半硅氧烷（PMSQ）相结合，设计了一种具有抗冲击性、隔热性和延迟结冰能力的多尺度仿生ANF-PMSQ纳米复合气凝胶（ANFP）。首先，通过定向冷冻铸造和酸辅助质子化制备了具有高强度蜂窝导向骨架结构的ANF气凝胶;随后，PMSQ在蜂窝骨架中生长，构建连续多孔柚皮状结构。合成的ANFP气凝胶表现出优异的力学性能。同时，该材料的冲击防护能力得到了显著提高。而粗糙的表面结构和大量疏水基团的存在也赋予了气凝胶超疏水性，能够有效地延缓水分在表面的结冰时间。这些卓越的特性表明，ANFP气凝胶在未来轻质和多功能防护材料领域具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

相关研究成果以“Robust multi-scale bionic ANF/PMSQ aerogel featuring impact protection, thermal insulation and anti-icing functions”为题，发表在国际期刊《Composites Part B: Engineering》。论文第一作者为中国科学技术大学工程科学学院硕士生胡志豪，通讯作者为龚兴龙教授与王胜副教授。

图1. ANFP气凝胶的制备与表征

ANFP气凝胶的制备过程包括单向冷冻浇铸、酸辅助再质子化、冷冻干燥、溶胶-凝胶处理和空气干燥等步骤。该气凝胶具有低密度，可通过静电吸附在手上。并且分别在微米尺度与纳米尺度上存在两种不同的仿生结构。多尺度仿生结构与独特的材料特性协同作用赋予了ANFP气凝胶多重防护性能。

图2. ANFP气凝胶的力学性能

蜂窝状定向骨架赋予了ANFP优异的力学性能，并且骨架内原位生长的PMSQ进一步增强了其机械强度。在拉伸性能方面，ANFP2轴向拉伸强度比纯ANF提高约22.7%，并且ANFP2则有较好韧性和抗疲劳性。在压缩性能上，多尺度仿生结构赋予其优异压缩性能，ANFP2能支撑70千克重物仅变形1.5%，比传统气凝胶更为坚固，增加PMSQ的含量可显著提高压缩模量和屈曲强度。其轴向压缩可被分为线性弹性、平台、致密化三个阶段，这种特殊的变形行为可以有效耗散压缩能量。此外，ANFP的压缩模量不受应变率影响，具有极佳稳定性好。

图3. ANFP气凝胶的抗冲击性能

多尺度仿生策略还赋予了ANFP优异的冲击防护性能。定向蜂窝骨架结构的屈曲可以耗散大量的动能。介孔PMSQ在骨架内原位生长，形成了类似柚子皮的结构，其孔隙结构的的变形与破坏进一步提升了其能量耗散能力。其中，在多次重复冲击下ANFP气凝胶具有更好的耐久性。与商用防护材料相比，ANFP2的密度低、碰撞时间长、耗散冲击力多，玻璃保护测试也证明其防护性能优异。在高速弹道测试中，ANFP2气凝胶防弹能力也优于ANF-O，表明ANFP2在不同冲击环境下抗冲击性能优异，在防护领域应用有广阔的应用前景。

图4. ANFP气凝胶的隔热和阻燃性能

多尺度仿生结构显著降低了气凝胶的轴向热导率。ANFP2热导率远低于ANF-O，在极端高低温下仍能保持良好隔热。在高温环境下，具有比商用防护材料更优异的热防护能力。更重要的是，ANFP2在多次浸水后仍能保持稳定隔热性能。并且ANFP2能有效防护热辐射，保护巧克力熊猫模型20分钟不融化。此外，ANFP的压缩模量对温度依赖性弱，具有良好的热稳定性，PMSQ的加入进一步提高了材料的阻燃性能。

图5. ANFP气凝胶的疏水和防冰特性

由于其粗糙的表面结构以及疏水基团的存在，ANFP2的水接触角达到了151.1°，达到超疏水状态。并且在胶带循环剥离实验，高温实验以及耐酸碱盐实验中，其疏水性依然良好。超疏水表面和多孔结构也使ANFP气凝胶具有了防冰特性，水滴在ANFP2表面完全结冰时间远长于普通玻璃和ANF气凝胶。

图6. ANFP气凝胶在防冰、保温和抗冲击方面的应用

由于全球气候变化导致户外设备结冰风险剧烈，而ANFP气凝胶因其防冰特性成为了防冰领域极具潜力的材料。通过构建低温装置验证了ANFP在管道防冰中以及电池安全防护中的应用潜力，与PU和EVA泡沫相比，ANFP2表面的结霜时间更晚，且在低温下抗冲击性能优于EVA和PU泡沫。同时开展了对锂电池的保护测试，实验表明，有ANFP2保护的锂电池在低温环境中能够保温更长时间，电压下降幅度更小。受落锤冲击后电压变化小且无明显损坏，而未保护的电池电压变化大且明显变形。

本工作通过定向冷冻浇铸和溶胶-凝胶法制备了一种多尺度仿生ANF/PMSQ复合气凝胶。ANFP2气凝胶继承了取向骨架的高拉伸强度和高屈曲强度。介孔PMSQ显著地将轴向热导率，并大幅提升其阻燃性能。此外，ANFP2表现出优异的抗冲击保护能力。其主要的能量耗散机制包括骨架屈曲、层间分层以及介孔网络变形破碎。由于其超疏水性，ANFP2还表现出令人印象深刻的防冰能力。ANFP能够有效实现管道防冰保护和电池安全防护。这项工作凸显了轻质多功能防护材料广阔的应用前景和巨大的市场潜力。

原文链接：

Zhihao Hu, Sheng Wang, Jianpeng Wu , Zimu Li, Shuai Liu, Yue Yao, Shilong Duan, Guilin Mei and Xinglong Gong. Robust multi-scale bionic ANF/PMSQ aerogel featuring impact protection, thermal insulation and anti-icing functions. Composites Part B: Engineering. 2025, 112304. DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.112304.

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112304

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（责任编辑：xu）

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