引言

随着航空航天、新能源汽车等领域的快速发展，对高性能隔热材料的需求日益增长。传统隔热材料如SiO₂气凝胶虽具有优异的隔热性能，但脆性大、机械强度低，难以满足极端环境下的应用需求。近年来，纤维气凝胶因其三维网络结构和良好的力学性能成为研究热点，但如何进一步降低密度、提升隔热性能并实现工业化生产仍是巨大挑战。

近期，四川大学空天科学与工程学院王浩伦团队在《Advanced Materials》上发表了题为“Ultralight and elastic polyimide microtube aerogel viaairflow-induced spinning”的研究论文，首次通过基于同轴气流诱导纺丝技术一步法制备了超轻弹性聚酰亚胺微管气凝胶（PMAS）。该材料不仅具有超低密度（≈50 mg cm⁻³）和极低热导率（37 mW m⁻¹·K），还展现出卓越的弹性、疲劳抗性和宽温域稳定性（77–573 K），为极端环境下的隔热、电池热失控防护等领域提供了全新解决方案。

创新亮点

1. 创新性制备技术：气流诱导纺丝

传统微管制备方法（如共挤出纺丝、模板法、3D打印等）存在工艺复杂、效率低、材料兼容性差等问题。本研究提出的气流诱导纺丝技术具有以下优势：

▪ 高效连续生产：通过同轴针头同步注入壳层（聚酰胺酸溶液）和芯层（硅油），结合高速气流拉伸形成微管结构，实现从1D纤维到3D海绵的多样化成型（图1d）。

▪ 材料普适性：摆脱了静电纺丝对材料导电性的依赖，适用于多种高分子材料。

▪ 结构精准调控：通过调节壳芯溶液注入比例和针头尺寸，可精确控制微管壁厚（1–3.5 μm）和直径（≈13 μm）。

2. 微管结构的协同效应

PMAS的卓越性能源于其独特的微管设计：

▪ 隔热机制：微管内部的静止空气层和复杂的三维网络结构显著延长热传导路径，抑制热辐射和固体传导（图3a）。在300°C时，PMAS的热导率比实心纤维气凝胶低20%。

▪ 力学性能：微管中空结构减轻局部应力集中，提升抗压弹性。PMAS在80%应变下压缩1000次后应力无衰减（图4a），且温域稳定性极佳（-196°C至300°C性能几乎不变）。

3. 多场景应用验证

▪ 电池热失控防护：PMAS填充于电池模块间，可有效阻隔热扩散。实验显示，在400°C高温下，PMAS保护的电池温度比未保护组低25°C（图5c），显著延缓热失控链式反应。

▪ 吸附与储气：微管结构赋予PMAS超高比表面积，对氯仿吸附量达2824 wt.%，且具备快速油水分离能力（10秒内完成）。

▪ 航空航天：其轻量化（可置于狗尾草上不压弯）和宽温域稳定性适合航天器隔热层。

图文解析

 图1：气流诱导纺丝制备PMAS的仿生设计与工艺流程

该图展示了从北极熊毛发的空心结构（图1a）获得灵感，通过同轴针头（图1b）实现壳层（聚酰胺酸溶液）和芯层（硅油）的共纺，结合高速气流拉伸形成微管结构。整个流程包括纺丝、热亚胺化和煅烧（图1c），最终得到不同形状的PMAS（图1d），并可染色实现多样化应用（图1e）

 图2：微管形成机制与结构表征

通过高速摄像（图2a）和染色芯层（图2b）验证了壳-芯结构的完整性，并结合流体模拟（图2c）分析了气流剪切力的作用。PMAS的超轻特性（图2d）和红外光谱（图2e）证实了聚酰亚胺的成功合成，SEM（图2g-i）显示微管直径约13 μm、壁厚1 μm，分布均匀

 图3：PMAS的隔热性能与机理

微管结构通过抑制固体传导、气体对流和热辐射（图3a）实现超低热导率（37 mW m⁻¹·K）。高温下（300°C），PMAS比实心纤维隔热性能提升20%（图3b），且优于商业泡沫（图3c）。红外热像图（图3e-f）和模拟（图3h）证明微管在纵向/横向传热中均优于实心纤维

 图4：PMAS的力学性能与温域稳定性

PMAS在80%应变下压缩1000次后应力无衰减（图4a），且力学强度可调（图4b）。-196°C至300°C范围内弹性几乎不变（图4c-d），动态力学分析（DMA）显示频率/温度稳定性（图4e-f）。应力模拟（图4g）表明微管结构可分散载荷，避免应力集中

 图5：PMAS在电池热失控防护中的应用

模拟电池热失控场景（图5a），PMAS填充后显著降低相邻电池温度（图5b-c），实验组电池电流稳定（图5d），而对照组因热失控电流骤升，验证了PMAS的阻燃隔热潜力

总结与展望

本研究突破了传统微管制备技术的瓶颈，为工业化生产提供了可行路径。同轴气流诱导纺丝技术不仅适用于聚酰亚胺，未来可拓展至其他高性能聚合物（如聚醚醚酮、聚苯并咪唑），推动纤维气凝胶在柔性电子、生物医疗等领域的应用。

此外，该方法产业化潜力巨大：气流诱导纺丝技术在材料兼容性、生产效率和工艺简单性方面的优势，使其成为一种极具前景的工业规模化生产微管材料的方法。相较于传统同轴静电纺丝技术面临的材料导电性限制、高压电场的危险性、大规模生产受限以及设备复杂性等问题，气流诱导纺丝技术提供了一条更安全、更高效且更具通用性的路径。PMAS的多样化产品形态和可染色的商业潜力也为企业开辟了新的产品线。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adma.202503499