极端韧性：可扩展的电纺碳纳米纤维气凝胶，具有超高的弹性和耐温性能

《Engineering》：Extreme Resilience: Scalable Electrospun Carbon Nanofiber Aerogels with Ultrahigh Elasticity and Temperature Tolerance

碳纳米纤维气凝胶通过协同相分离3D电纺成型技术实现规模化制备，具备超低密度（20.15 mg·cm?3）、优异热绝缘性（0.028 W·m?1·K?1）及极端温度耐受性（-196至1500℃），其三维纤维互锁焊接结构赋予材料高达15000次压缩循环的机械稳定性。该气凝胶可实时监测极端环境下的生理信号，并成功应用于模拟月球的防护手套系统。

　　
该研究针对航空航天领域极端环境材料的需求，提出了一种新型三维电纺成型技术，成功制备出具有超宽温度耐受性（-196°C至1500°C）、超高压缩循环稳定性（15,000次循环）和超低热导率（0.028 W/m·K）的碳纳米纤维气凝胶（CNFA）。该材料通过溶剂挥发与吸湿性协同诱导的相分离机制，构建了三维纤维互锁网络结构，在热力学稳定性与机械性能方面实现了突破性进展。

在材料制备方面，采用聚丙烯腈（PAN）纳米纤维为前驱体，通过优化溶剂配比（DMF与丙酮9.5:0.5）和添加5%尿素作为湿度响应调节剂，解决了传统电纺材料对湿度敏感的难题。该技术可在30%-90%湿度范围内稳定生产，突破了电纺成型需严格温湿度控制的瓶颈。碳化处理阶段（800-1400°C）通过梯度温度调控，实现了纳米纤维的定向卷曲与界面融合，形成具有自主修复能力的三维互锁结构。

材料性能测试显示，CNFA-1200在-196°C液氮环境和500°C火焰测试中均能保持结构完整性和电学稳定性。其压缩模量达到1.36 kPa，在50%压缩应变下仍能维持超过10,000次循环的力学性能稳定性。热成像分析表明，材料内部孔隙率达92%，通过气体分子散射效应和辐射路径阻断机制，将热导率降低至接近空气（0.028 W/m·K）。这种结构特性使材料在1500°C高温下仍能保持热稳定性，且在-196°C低温下未出现脆性断裂。

在传感应用方面，材料表面电阻随应变产生线性变化（G≈2.3），响应时间在20-30ms范围内。通过集成无线传输模块，实现了极端环境下人体运动信号的实时监测。在模拟月球环境（-183°C至128°C）的穿戴测试中，传感器能准确捕捉手指关节运动，并保持信号稳定性超过72小时。水下测试显示材料防水性能优异（接触角135°），在深海探测装备中具有潜在应用价值。

对比分析表明，CNFA-1200在综合性能上显著优于现有碳基气凝胶材料：密度（20.15 mg/cm3）比商业化气凝胶低40%，压缩循环次数提升3倍，热导率降低至传统材料的1/5。其三维互锁结构使材料具备自主应力分布能力，有限元模拟显示应力峰值可降低28%，且各向异性热传导路径使隔热效率提升至97.6%。

该技术的突破性在于建立了溶剂挥发动力学与湿度响应的协同控制模型。通过引入丙酮作为快速挥发溶剂，在电纺过程中形成纳米级纤维束的定向排列，而尿素调节的湿度响应机制则确保了纤维界面融合的均匀性。这种双机制调控使得材料在-196°C至1500°C温度区间内保持结构稳定性，且制备效率较传统电纺工艺提升15倍。

应用前景方面，该材料在航天服防护层、月球基地热管理、火星探测器隔热罩等方面具有广阔应用空间。特别在生命保障系统中，其复合传感特性可实时监测宇航员生理指标，结合无线传输模块实现应急响应。测试数据显示，在500°C火焰灼烧120秒后，材料仍能保持85%以上的初始机械强度，经真空活化处理后可完全恢复原有性能，为深空探测提供了关键材料支撑。

该研究首次实现了碳基气凝胶在极端温度下结构稳定与力学性能优化的协同突破，为新型多功能材料开发开辟了新路径。其制备工艺可扩展至其他碳纤维基材料，对推动航空航天材料技术进步具有重要参考价值。后续研究将重点优化大规模连续生产装备，并探索其在微重力环境下的性能稳定性。