预应力拓扑与多稳态约束协同构建的自适应机械陶瓷纤维气凝胶

针对陶瓷气凝胶在动态热冲击下易损的难题，研究人员通过整合陶瓷纳米纤维与传统纺织针织拓扑结构，开发出具有机械自适应性的陶瓷纤维气凝胶(MAFAs)。该材料通过预应力针织拓扑网络(KTNs)与纳米纤维多孔网络的协同作用，实现了356.6 kPa的拉伸强度和109.1 kPa的抗压强度，断裂能达117.26 kJ m-3，并在1000次压缩/500次拉伸循环后仍保持优异回弹性。这项发表于《Nature Communications》的研究为新一代抗冲击系统和超材料设计提供了新思路。

　　

在极端环境应用领域，陶瓷气凝胶因其超轻重量（密度可低至4 mg cm^-3）和超低热导率（0.0261 W m^-1 K^-1）被誉为"3U"热绝缘材料。然而传统陶瓷气凝胶的"珍珠项链"结构存在固有脆性，在反复动态热冲击下易发生灾难性断裂，这严重制约了其在航天器再入舱热防护等关键场景的应用。尽管通过引入纳米纤维构建三维网络可改善压缩性能，但拉伸强度仍局限在12.7 kPa量级，且缺乏机械自适应能力——即材料无法根据外部刺激自主调节力学行为以实现应力重分布。

针对这一挑战，东华大学的研究团队创新性地将古老纺织技艺与现代纳米技术相结合，通过预应力拓扑与多稳态约束的协同设计，成功制备出机械自适应纤维气凝胶(MAFAs)。这项突破性研究揭示了多尺度结构调控对材料性能的影响机制，相关成果发表在《Nature Communications》上。研究人员采用冻干辅助组装策略，首先通过计算机横机编织陶瓷微纤维的针织拓扑网络(KTNs)，随后在预应力状态下将其浸入SiO₂纳米纤维/硅溶胶分散液，经液氮速冻和冷冻干燥后，通过800°C煅烧构建Si-O-Si共价交联网络。关键创新在于将KTNs的几何可变形性与纳米纤维网络的能量耗散特性有机结合。

结构设计
通过SEM表征证实MAFAs具有双网络架构：KTNs框架提供宏观力学支撑，而冰模板自组装的纳米纤维网络形成次级增强相。预应力诱导的残余应力场使纳米纤维网络呈现收缩构型，赋予材料高弹性势能存储能力。这种多尺度应力同步机制使MAFAs同时具备170.38 MPa的拉伸强度和超弹性。

力学机制
基于欧拉-伯努利梁理论建立的连续表示模型显示，KTNs的拉格朗日能量泛函包含四项：总弹性能、局部拓扑约束、纱线长度守恒和外力做功项。公式化表示为?=??(1/m+?/n)dxdy-?T·(1/m*·?m/?y-1/n*·?n/?x)dxdy+α?(m+δn)dxdy-?T(x)e_y·ndxdy。这种设计使材料在拉伸时呈现独特的锯齿形应力下降曲线，通过"隐藏长度"释放实现能量耗散。

拉伸性能
MAFAs展现出117.26 kJ m^-3的断裂能，是纯纳米纤维气凝胶(p-NFAs)的2345倍。有限元分析显示应力主要分布在KTNs框架，而纳米纤维网络通过顺序屈曲耗能。500次拉伸循环(ε=30%)后最大应力保持率达85%，能量损耗系数稳定在0.64。

压缩与弯曲
在90%应变下抗压强度达109.1 kPa，1000次压缩循环后无明显塑性变形。三点弯曲测试中，MAFAs可承受38 mm挠度而不断裂，而未经预处理的对照组(NP-MAFAs)在中跨位置发生脆性破坏。频率扫描测试(0.01-100 Hz)显示阻尼比稳定在0.14，证实其宽频域弹性响应。

热稳定性
但烷喷枪测试(1200°C)中，材料背面温度仅143.5°C，热导率最低达0.0261 W m^-1 K^-1。有限体积法模拟显示，纳米纤维网络作为气体扩散屏障可建立陡峭的温度梯度。

这项研究通过多组分结构工程策略，将KTNs的动态力学特性与陶瓷纳米纤维的固有强度相结合，解决了传统陶瓷气凝胶机械适应性与热稳定性不可兼得的矛盾。所提出的预应力拓扑设计原则可推广至其他纤维气凝胶体系，为开发适用于航天热防护、国防装备等极端环境的新型智能材料提供了范式。特别是KTNs作为机械支点的作用，使得材料在保持结构完整性的同时，能够通过拓扑单元激活实现可控的能量存储与释放，这一发现对冲击吸收系统的理性设计具有重要指导意义。