芳纶纳米纤维@氧化铝复合气凝胶：面向智能建筑被动热管理的超高热红外透射率与低导热性材料设计

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Aramid nanofiber@Al2O3 composite aerogels toward ultra-High near infrared transmittance and low thermal conductivity for robust passive thermal managements

本文报道了一种通过微相分离策略制备的ANF@Al2O3复合气凝胶材料，成功解决了传统芳纶纳米纤维气凝胶在近红外透射率、导热性和阻燃性方面的技术瓶颈。研究表明，该材料通过狭缝孔结构调控光传输和Al2O3的阻燃效应，实现了30 mW/(m·K)的超低导热系数、>90%的近红外透射率和显著提升的耐火性能，在677.6 W/m2太阳辐射下可实现72.22%的相对加热增强，为智能建筑被动式热管理提供了创新解决方案。

　　

在追求碳中和的时代背景下，智能建筑对节能材料的需求日益迫切。传统建筑材料往往难以兼顾保温隔热与太阳能利用的双重需求，而气凝胶作为一种极具潜力的轻质隔热材料，其应用却长期受限于光学性能和耐火性能的不足。芳纶纳米纤维（ANF）气凝胶虽具有优异的机械强度和热稳定性，但其无序孔结构导致强烈的米氏散射，使近红外透射率大幅降低，且有机聚合物的本质使其难以同时实现超低导热性和高耐火性。更关键的是，现有ANF气凝胶的导热系数（30-50 mW/(m·K)）仍高于理想阈值（<20 mW/(m·K)），在明火条件下的耐火性能也难以满足建筑安全要求。这些技术瓶颈严重制约了其在智能窗户、航天热防护等高端领域的应用。

针对这一挑战，南京工业大学材料科学与工程学院陈亚男等研究人员在《Advanced Composites and Hybrid Materials》发表最新研究，创新性地提出微相分离策略，通过将水相Al₂O₃溶胶引入油相ANF溶胶，成功制备出具有狭缝孔结构的ANF@Al₂O₃复合气凝胶。这种独特的结构设计不仅有效降低了光散射，还显著提升了材料的综合性能。

研究团队通过溶胶-凝胶法结合超临界CO₂干燥技术，精确调控Al₂O₃的质量分数（0-39.3 wt%），系统表征了材料的微观结构、力学性能和功能特性。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，Al₂O₃纳米颗粒的引入使气凝胶从均匀孔结构转变为狭缝状介孔结构，这种形态演变对光传输和热传导产生了决定性影响。

材料设计与合成策略

研究人员采用对苯二甲酰氯（TPC）、对苯二胺（PDA）和2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑（APBIA）聚合构建芳纶网络结构，以六水合氯化铝为铝源，通过环氧丙烷（PO）诱导形成Al₂O₃前驱体。微相分离过程促使三维多孔结构向狭缝孔形态演变，乙醇溶剂交换和超临界CO₂干燥有效避免了结构收缩。当Al₂O₃含量达到10 wt%时，材料密度降至0.064 g/cm³，孔隙率高达97.09%，且具备良好的柔韧性和可加工性。

微观结构与物理性能

SEM分析表明，纯Al₂O₃气凝胶由致密堆积的纳米颗粒组成，而ANF@Al₂O₃-10复合气凝胶呈现出更致密的链状结构和狭缝状介孔。氮气吸附-脱附等温线显示，随着Al₂O₃含量增加，比表面积从392.18 m²/g（纯ANF）降至178.10 m²/g，孔径分布明显变窄，出现H3型滞后回线，证实了狭缝状介孔的形成。X射线衍射（XRD）图谱中逐渐增强的γ-AlOOH特征峰，表明Al₂O₃在复合体系中形成了有序结晶相。

热重分析（TGA）显示，Al₂O₃的引入显著提升了材料的热稳定性。纯ANF气凝胶在560°C剧烈分解，残留质量仅10%，而ANF@Al₂O₃-10的残留质量超过50%，分解过程更为平缓。值得注意的是，复合材料的分解峰向低温区（450-520°C）移动，这可能源于γ-Al₂O₃表面路易斯酸位点的催化作用及氢键网络的破坏。

力学性能与阻燃特性

力学测试表明，Al₂O₃的加入显著改变了材料的机械行为。当Al₂O₃含量为3 wt%时，弹性模量达到41.869 MPa，是纯ANF气凝胶的2.1倍。然而随着含量进一步增加（10 wt%），断裂伸长率从10.250%降至1.102%，拉伸强度从1.129 MPa降至0.238 MPa，表明过量纳米颗粒会限制分子链延展性。有限元模拟显示，Al₂O₃纳米颗粒的引入改变了应力传递路径，局部应力水平显著提高，从而增强了整体刚度。

阻燃测试显示，Al₂O₃纳米颗粒在高温下形成致密隔热屏障，有效阻隔热量传递和可燃挥发物扩散。纯ANF气凝胶接触明火后迅速碳化，而ANF@Al₂O₃-10则表现出显著抑制的燃烧过程。能谱（EDS）分析显示燃烧残留物中Al含量达22.92 wt%，XRD证实形成了热稳定性优异的γ-Al₂O₃和θ-Al₂O₃晶相。

热绝缘性能突破

导热系数测试显示，ANF@Al₂O₃-10的导热系数降至30 mW/(m·K)，较纯ANF降低12.02%。在100°C热板上加热30分钟后，复合材料表面与热板间温差超过25°C，而纯ANF仅8°C。在400°C极端条件下，ANF@Al₂O₃-10表面温度仅为219.54°C，隔热性能达42.74%。Maxwell-Eucken模型计算与COMSOL模拟均证实，Al₂O₃纳米颗粒有效阻碍了沿纤维方向的热传导。

光学特性与太阳能热行为

光学测试揭示了材料独特的光学性能：在可见光区域（380-780 nm），透射率随Al₂O₃含量增加而降低；而在近红外区域（780-2500 nm），ANF@Al₂O₃-10透射率高达90.77%，显著优于纯ANF。这种选择性透光特性源于50-100 nm的纳米级孔结构，根据米氏散射理论，当孔径远小于波长时散射强度显著降低。同时，ANF（n≈1.55）与Al₂O₃（n≈1.76）相近的折射率和材料的高孔隙率（>85%），使有效折射率接近空气，进一步增强了光传输性能。

户外实验表明，在29.3°C环境温度和677.6 W/m²太阳辐照度下，ANF@Al₂O₃-10内部温度可达50.46°C，相对加热增强达72.22%。这种优异的太阳能热转换性能归因于材料的高近红外透射率和低导热特性：近红外光穿透气凝胶被底层黑玻璃吸收转化为热能，而低导热性阻止热量散失，实现热量的有效积累。

这项研究通过巧妙的微相分离策略，成功解决了ANF气凝胶在近红外透射率、导热性和阻燃性方面的技术矛盾。所制备的ANF@Al₂O₃复合气凝胶不仅具备超低导热系数（30 mW/(m·K)）和高近红外透射率（>90%），还展现出卓越的耐火性能和机械强度。其独特的狭缝孔结构有效调控了光传输路径，而均匀分散的Al₂O₃纳米颗粒则协同提升了热绝缘性和防火安全性。这种"一材多用"的设计理念为开发新一代智能建筑材料提供了新范式，在航空航天热防护、新能源车辆电池隔膜、节能建筑玻璃等领域展现出广阔应用前景。该研究不仅突破了传统气凝胶材料的性能局限，更为多功能复合材料的设计提供了重要的理论依据和实践指南。