武汉纺织大学徐卫林院士AFM：类吐司结构复合气凝胶助力热伪装与隔热技术
文摘
2025-01-07 09:11
山东
转自高分子科学前沿
随着全球能源需求的增长和环保法规的不断加强，再生回收材料的研发正面临功能化和高值化的双重挑战。另一方面，随着红外探测技术的不断进步，传统伪装材料在军事及工业应用中的性能不足逐渐显现。高性能材料的研发需要在实现优异功能的同时兼顾可持续性与环保性。为了解决这一问题，近日，武汉纺织大学徐卫林院士团队在国际知名期刊 Advanced Functional Materials 上发表了题为 “Regenerated Cellulose/Lignin Composite Aerogel with Unique Toast-Like Structure and Their Potential Applications in Thermal Camouflage” 的研究论文。研究团队提出了一种创新的仿生策略，利用废旧棉纤维和碱木质素制备具有独特“类吐司”结构的再生纤维素复合气凝胶（CLA-TiO2），并通过原子层沉积（ALD）技术进一步赋予其优异的红外屏蔽与隔热性能。该材料在军事伪装和建筑节能等领域展示了广阔的应用潜力。
自然启发：类吐司结构的仿生设计
为了实现红外屏蔽与热管理性能的提升，研究团队受自然木材的多孔结构、生物矿化机制和爬行动物鳞片的仿生特性启发，开发了一种可持续的复合气凝胶制备方法。材料以废旧棉纤维为再生纤维素来源，结合造纸工业副产物碱木质素为天然交联剂，利用湿度诱导自组装技术构建出具有外层致密、内部多孔的“类吐司”结构。
![]()
（a）集成仿生气凝胶片的设计概念；（b）气凝胶的制备流程；（c）基于CLA-TiO2的特种披风及其功能和特性示意图。
![]()
CA（a）和CLA（b）浅层截面的SEM图像；CLA（c）和CLA-2000（d）表面的SEM图像；CLA（e）和CLA-2000（f）内部的SEM图像；（g）再生纤维素气凝胶片的类吐司结构及表面的ALD反应过程。
结构到性能
通过原子层沉积（ALD）技术沉积二氧化钛（TiO2），进一步提高机械性能，同时赋予材料红外反射性能以及沙漠色彩。其在拉伸强度上表现出显著提升，达到 3.77 MPa，相比未改性材料提升了 51.41%。其独特的结构使材料在保持轻量化的同时具备优异的结构稳定性。气凝胶片的热导率低至 45.17 mW/(m·K)。在8-14 µm中红外波段，气凝胶片也展现对热成像探测设备的干扰效果。材料在沙漠模拟环境下的热伪装能力能够满足军事领域的隐身需求。
![]()
（a）再生纤维素复合气凝胶片的机械性能；（b）对比再生纤维素复合气凝胶片的机械性能；（c）多尺度结构适配策略对再生纤维素复合气凝胶片的增强机理。
![]()
（a）气凝胶片上表面的温度随加热（冷却）时间而变化；（a）气凝胶片的导热率；（c）不同气凝胶的保温性能比较(ANF：芳纶纳米纤维，NF：纳米纤维，CS：壳聚糖，MT：蒙脱石，CNT：碳纳米管，CNF：纤维素纳米纤维，PI：聚酰亚胺）；（d）气凝胶片的红外发射率；（e）CLA-TiO2的隔热机理。（a）放在手上的气凝胶片的热红外图像；（b）迷彩布和集成仿生披风模型放在背部的热红外图像；（c）集成仿生披风应用于战场的示意图。本研究通过仿生策略与先进制造技术的结合，开发了一种兼具环保与高性能的复合气凝胶，为热伪装和隔热材料的设计开辟了新路径。该研究成果不仅展示了可持续气凝胶材料在军事领域的应用潜力，还为绿色建筑与高端工业材料的开发提供了理论指导。
