在航空航天、无人装备及高功率电子器件快速发展的背景下，防护材料已经不再只需要解决单一问题。实际服役环境往往同时伴随着电磁干扰、热冲击、火灾风险以及机械载荷，这对轻质防护材料提出了更高要求。气凝胶具有低密度、高孔隙率和优异隔热性能，被认为是极具潜力的多功能防护材料。然而，传统气凝胶的结构设计通常集中于单一尺度孔结构调控，很难同时兼顾电磁波衰减、热传输抑制和机械稳定性。尤其是在引入高导电或高损耗填料后，又容易形成连续热传导通路，进一步加剧电磁性能、隔热性能和力学性能之间的矛盾。
针对这一问题，北京理工大学潘也唐研究员团队联合陕西科技大学黄文欢教授、天津大学吴凡教授及清华大学林涛高级工程师，提出了一种功能网络与多尺度孔结构协同设计策略，通过冷冻3D打印制备了梯度Gyroid气凝胶，并进一步引入MX@MOF/PPy纤维功能网络，实现从纳米、亚微米、微米到毫米尺度结构的协同调控。
2026年9月15日，相关成果以“Gradient Gyroid Aerogels With Programmable Multiscale Pore Architectures and Fibrillated Loss Networks for Electromagnetic, Thermal/Fire, and Mechanical Protection”为题发表于《Advanced Materials》。
01从“单尺度孔结构”走向“跨尺度协同设计”
区别于以往单尺度孔设计，这项工作借助冷冻打印墨水与打印过程的设计实现了跨尺度孔结构的制备。研究团队首先构筑MX@MOF异质结构。通过MOF插层MXene片层，一方面抑制MXene堆叠，另一方面构建大量异质界面。进一步地，研究团队利用TB诱导PPy由传统颗粒状结构转变为纤维状结构，使原本相对孤立的MX@MOF单元被连续PPy纤维“桥接”起来，最终形成更加连续的导电与损耗网络。与普通颗粒型PPy相比，纤维化PPy不仅能够增强导电损耗，还可以减少PPy颗粒对力学性能带来的破坏。
图1（a）MX@MOF制备过程示意图；（b）MX@MOF的SEM图像；（c）纤维状PPy合成过程示意图；（d）颗粒状PPy合成过程示意图；（e）纤维状PPy生长机理示意图；（f）CS-4气凝胶中MX@MOF和PPy纳米纤维的SEM图像及其局部放大图。
在上述基础上，研究团队进一步在打印墨水中引入CTAB获得了复合 MX@MOF/PPy纤维/CS功能墨水，并通过冷冻3D打印制备了具有壁厚梯度的Gyroid超结构。最后通过冷冻干燥获得了多尺度孔结构梯度Gyroid气凝胶。
图2 （a）MOF-1（孔径结构更加开放的Ni-MOF）和MOF-2 N?吸附-脱附等温线以及MOF-1和MX@MOF的SEM图；（b）CTAB 自组装示意图；（c）冷冻打印制备梯度Gyroid结构示意图及其对应的 micro-CT 重构图；（d）在 -80 ℃、-50 ℃ 和 -20 ℃ 冻干温度下制备的气凝胶形貌示意图及 SEM 图像；（e） CTAB诱导形成亚微米孔的示意图及其对应的SEM图像。
02多尺度孔结构 + MX@MOF/PPy纤维网络协同强化电磁吸收
电磁吸收性能方面，最终获得的多尺度梯度Gyroid气凝胶表现出优异的性能。其最低反射损耗达到：RLmin = -71.5 dB；有效吸收带宽达到：EAB = 6.26 GHz。机理研究表明，其优异的电磁波吸收性能源于MX@MOF/PPy纤维网络提供的强电磁损耗能力，以及多尺度梯度孔结构对阻抗匹配的优化、对电磁波传播路径的延长和对多重反射/散射的增强。
图3 吸波性能及其机理展示
03：多尺度孔结构协同实现隔热与力学增强
Gyroid连续曲面拉长宏观热流路径，提升整体隔热能力。同时，Gyroid结构具有连续曲面和良好的三维连通性，可将局部载荷逐渐传递至周围骨架，有效缓解局部应力集中，从而显著提升材料的力学承载能力。该材料在室温下的压缩应力可达到4.375 MPa。即使在 300 ℃ 条件下，仍能够保持较高的机械稳定性。
图4 （a-b）梯度Gyroid超结构中的模拟温度场分布及热流矢量分布；（c）压缩测试示意图;（d-e）不同温度下的应力-应变曲线；（f）梯度 Gyroid超结构的有限元力学分析结果。
04燃烧初期快速成炭提升火安全性
除电磁与热机械性能外，该气凝胶还表现出优异的阻燃和抑烟性能。研究发现MX@MOF/PPy纤维/CS能够在燃烧初期促进快速形成致密碳层，阻隔外部热量和内部可燃裂解产物之间的传递。
图5（a）CS-4 点燃测试的数码照片；（b-c）不同样品的SPR和TSP曲线；（d-e）CS-1 和 CS-4 的三维 TG-IR 光谱图；（f-g）不同样品的HRR和THR曲线；（h）不同样品燃烧残炭的 XRD 图谱；（i）CS-4 燃烧残炭的数码照片、SEM 图像及 EDS 分析结果。
小结
得益于功能网络与多尺度结构协同设计策略，最终制备的MX@MOF/PPy纤维/壳聚糖梯度Gyroid气凝胶展现出优异的综合防护性能：最低反射损耗达到-71.5 dB，有效吸收带宽达到 6.26 GHz，同时具备优异的隔热与阻燃性能。此外，该气凝胶在室温下可承受约 4.375 MPa 的压缩应力并表现出优异的热-机械稳定性。该研究为极端环境下轻质、多功能防护材料的设计提供了新的设计思路。
全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.74996
