引言：无机纳米纤维的机遇与挑战

近年来，无机纳米纤维因其独特的结构各向异性、高比表面积和优异的化学稳定性，在能源转换、航空航天、智能传感等领域展现出巨大潜力。然而，其固有的脆性问题严重制约了实际应用——在弯曲或冲击载荷下易发生断裂，难以满足极端环境下的机械性能要求。东南大学代云茜教授/吉林大学卢晓峰教授团队在《ACS Nano》发表的综述论文《Revolutionizing Inorganic Nanofibers: Bridging Functional Elements to a Future System》系统梳理了脆性机制与增韧策略，为产业化突破提供了重要理论支撑。本文从材料尺度、微观结构、加工技术与模拟表征等多个维度出发，系统回顾了无机纳米纤维“脆性”成因与增强策略，并提出从“架构”与“功能”两个层面重塑其发展路径。

创新亮点：从分子设计到宏观应用的全面突破

1. 多尺度脆性机制解析

论文从分子尺度、纳米尺度和微米尺度三个维度深入分析了无机纳米纤维的脆性成因：

 ◆ 分子尺度：强离子键和共价键限制了原子滑移，导致应力无法有效释放。

 ◆ 纳米尺度：晶界缺陷和应力集中引发脆性断裂。

 ◆ 微米尺度：纤维排列无序和界面相互作用弱化导致机械稳定性下降。

通过分子动力学模拟（MD）和有限元分析（FEA）等计算技术，研究团队揭示了纳米纤维在不同尺度下的力学行为，为后续的增韧策略提供了理论基础。

2. 增韧策略的创新突破

论文提出了六大增韧策略，覆盖从分子结构设计到宏观组装的全链条优化：

 ◆ 分子结构设计：通过优化界面相互作用，形成刚性分子与可变形结构的互联网络（如TiO₂/PVP复合纤维）。

 ◆ 晶粒生长抑制：通过非晶涂层（如Al₂O₃）或掺杂（如SiO₂）抑制晶粒粗化，提升高温稳定性。

 ◆ 晶界调控：引入高熵氧化物或纳米颗粒（如Pd）填充晶界缺陷，阻断裂纹扩展。

 ◆ 纤维直径精细化：通过静电纺丝参数调控，减小纤维直径以降低缺陷密度（如Zr掺杂SrTiO₃纤维）。

 ◆ 组装结构优化：通过定向排列、螺旋结构或3D打印技术，构建应力自适应网络（如仿鸟巢结构的SiO₂-Al₂O₃气凝胶）。

 ◆ 3D打印技术：实现复杂几何形状和梯度结构的精准定制（如陶瓷螺旋纤维）。

3. 原位表征技术的应用

论文强调了原位表征技术（如原位TEM、SEM和数字图像相关技术DIC）在实时监测纳米纤维力学行为中的重要性。例如，通过原位TEM观察到单根纳米纤维在弯曲过程中的塑性变形，为理解其增韧机制提供了直观证据。

4. 实际应用的广阔前景

论文列举了无机纳米纤维在多个领域的应用潜力：

 ◆ 隔热材料：如超低导热系数的ZrO₂-SiO₂纳米纤维气凝胶，适用于航空航天热防护。

 ◆ 催化与环保：TiO₂纳米纤维膜兼具高光催化活性和柔性，可用于水净化。

 ◆ 能源转换：高熵氧化物纳米纤维电极在极端条件下表现优异。

 ◆ 智能传感：柔性纳米纤维网络可用于可穿戴设备的实时健康监测。

 ◆ 吸波材料：多级孔结构纳米纤维有效吸收电磁波和噪声。

图文解析

                             

                         

性机制。

                         

图3.(a) 使用LAMMPS构建的单层氧化石墨烯（GO）纳米片模型、无定形MnO₂结构模型和单层晶体MnO₂模型中界面相互作用的分子动力学（MD）模拟结果。(b) 晶态、无定形和亚晶态氧化物纳米纤维单元在机械与热激发下的变形模式及其对应的泊松比（ν）和热膨胀系数（α）。通过基于局部熵的指纹方法表征模拟体系中每个原子的结晶度，彩色标尺表示氧化物从无定形向晶态的变化过程。

                         

 图4.分子动力学（MD）模拟揭示了弯曲差排介导的三维（3D）晶界弯曲与迁移机制。(a, d) 弯曲差排的连续形核、传播与湮灭在三维空间中引发晶界的持续弯曲与迁移。黑色箭头表示弯曲差排的运动方向。(e, i) 在沿x轴拉伸加载下，晶粒尺寸为6.1 nm的纳米多晶铝的原子结构演化过程。

               

图5.(a) 在相同弯曲状态下，无机YSZ@SnO₂与YSZ/SnO₂纳米纤维的应力分布模拟图。(b, c) 在压缩载荷下，无（b）和有（c）内嵌类气凝胶网络的层状桥结构的有限元模拟结果。(d) 在不同拉伸应变下的变形与应力响应的有限元分析（FEA）结果。

               

图6.(a) 非晶碳化硅(SiC)纳米纤维与AlBSi溶胶之间异质界面结构演变示意图。(b) 多力学协同陶瓷气凝胶的键合示意图。(c) 前驱体流体中的分子间作用力。(d) SiO₂基纳米纤维膜柔韧性的可能机制。

                   

图7. (a) 未涂层纳米纤维表面诱导晶粒粗化现象及其纳米涂层抑制机制示意图。(b) 涂层纳米纤维表面的透射电子显微镜(TEM)图像，红色虚线标示纤维表面晶粒的二面角。(c) 不同晶相体积分数(29.0%、38.2%、47.8%和77.1%)的双相纳米纤维在相同曲率半径(2.0μm)弯曲时玻璃相的等效应变分布图。(d) 纳米纤维经100次弯曲循环后的TEM放大图像。(e) TiO₂、ZrO₂及TiO₂/ZrO₂纳米纤维膜柔韧机制示意图。

               

图8. (a) 螺旋纱线在拉伸过程中解旋变形的光学照片。(b)扭转过程中的扭转角、(c)均匀直立的聚氨酯纳米纤维纱线以及(d)具有弹簧状螺旋结构的螺旋纱线的扫描电子显微镜(SEM)图像。(e) 两种溶液同步静电纺丝制备具有核壳结构的前驱体纳米纤维。煅烧后获得高质量陶瓷螺旋纳米纤维。(f) TiO₂弹簧结构的SEM图像。(g) 柔性Al₂O₃/TiO₂纳米纤维毡。(h) 改进型柔性纳米纤维毡的SEM图像。

   

图9. (a) 单根纳米纤维弯曲变形的原位透射电子显微镜(TEM)观测结果。(b) 单根碳管弯曲过程的原位TEM观测图像。(c) 740℃高温条件下的原位扫描电子显微镜(SEM)观测图像。

图10. (a) 用于测量无机纤维毡在CH₄气体或电解液流动环境下微应变的数字图像相关(DIC)测试示意图。(b) 无机纤维毡在100 mL/min流速CH₄/电解液循环作用下的DIC图像(上)及实时微应变曲线(下)。(c) 具有均匀纳米层状结构的复合材料在拉伸变形过程中应变分布的演变(DIC测试结果)。(d) 具有异质纳米层状结构的复合材料应变分布。

 图11. (a) 纳米纤维海绵在横向和纵向的拉伸应力-应变曲线，插图为海绵的高拉伸状态展示。(b) 不同应变水平(20%、40%、60%和80%)下加载-卸载循环的压缩应力(σ)-应变(ε)曲线及对应实验快照。(c) 仿生陶瓷气凝胶的三点弯曲应力-应变曲线。(d) 压缩应变、弯曲应变和拉伸强度的实验示意图。(e) 纳米纤维气凝胶在高温丁烷火焰(约1300°C)和液氮环境(约-196°C)下的压缩状态快照。

图12. 隔热、催化、环保、能量转换、智能传感和噪声吸收等领域中压缩应变、弯曲应变与拉伸强度的性能对比。

                 

总结与建议：未来发展方向

1. 技术挑战

尽管增韧策略取得了显著进展，但大规模生产中的烧结工艺优化、多尺度模拟的精度提升以及极端环境下的性能验证仍是亟待解决的问题。

2.  未来方向

仿生设计：借鉴自然材料（如骨骼、贝壳）的多级结构，开发自修复纳米纤维。

智能化制造：结合人工智能优化静电纺丝工艺，实现纤维结构的精准调控。

跨学科融合：推动3D打印、高通量计算与原位表征技术的协同创新。

3. 产学研合作呼吁

文章提及静电纺丝可以灵活地生产一维纳米纤维和二维纤维毡，但直接制造三维结构仍然具有技术挑战，无机纳米纤维的产业化需要设备制造商（如静电纺丝设备企业、煅烧工艺设备）、科研机构与终端用户的紧密合作。