综述：基于微/纳米纤维的多孔材料在高性能隔热领域的进展

《Advanced Functional Materials》：Advances in Micro/Nanofiber-Based Porous Materials for High-Performance Thermal Insulation

热绝缘材料作为关键组件在日常生活和工业过程中至关重要，能有效抵御寒冷环境、减少能耗并促进可持续发展。近年来，微/纳米纤维基多孔热绝缘材料因其低热导率（通常<0.1 W m?1 K?1）和优异的轻量化特性备受关注。本文系统综述了该领域的技术进展：从2D纤维膜到3D纤维多孔材料，重点分析了纤维直径调控（纳米至微米级）、孔隙结构优化（多级孔道设计）及复合技术（如金属纳米线涂层、相变材料掺杂）对热绝缘性能的影响。制备技术涵盖静电纺丝、冻干法、溶液吹喷等，其中3D多孔材料通过层叠、冻干或直接电纺实现三维互联结构，显著提升机械强度和耐高温性能（>1300°C）。应用方面，该材料已成功应用于个人防护装备（如温控服装）、航空航天热防护系统、新能源汽车电池热管理及建筑防火隔热等领域。挑战包括规模化生产（当前成本较高）、长期稳定性（如陶瓷纤维的晶粒生长）及多功能集成（如自修复、主动温控）。未来需在绿色制备（如生物基溶剂）、结构-性能协同设计（如仿生分级孔隙）及智能响应材料（如温敏变色纤维）等方面突破。

　　热能绝缘材料在日常生活和工业领域中扮演着至关重要的角色，它们不仅能够保护人类免受寒冷环境的侵袭，还能有效降低能源消耗，推动可持续发展。近年来，新型微纳米纤维基多孔热能绝缘材料因其远低于传统主流材料的热导率而受到广泛关注。这些材料展现出卓越的热能阻隔能力，成为提升能源效率和开发先进热管理系统的理想选择。本文对微纳米纤维热能绝缘材料的最新进展进行了系统性的综述，涵盖了材料的结构设计、制备技术以及应用领域。同时，也分析了当前面临的挑战和未来研究方向，如新的热能阻隔机制、长期结构稳定性以及可持续的制备技术。

微纳米纤维热能绝缘材料的开发，源于对传统热能绝缘材料局限性的突破。天然纤维材料，如棉花、木棉、羊毛和羽绒，虽然因其广泛可用性和历史应用而受到青睐，但其较大的纤维直径（通常大于15微米）和吸湿性限制了其热能阻隔能力，导致相对较高的热导率。此外，天然纤维材料易受虫害影响，这会显著降低其长期性能。相比之下，化学纤维材料因其防潮性、成本效益和应用性能而被广泛使用，而且可以引入工程结构如孔隙和三维卷曲结构以增强热能阻隔效果。例如，工业级聚酯纤维填充材料展现了先进的热能工程特性，其热导率（28.9毫瓦每米开尔文）相比传统棉纤维填充材料（38.2毫瓦每米开尔文）提高了20%。然而，尽管化学纤维具有综合性能优势，但微米级纤维直径限制了空气滞留效率，而制造限制则阻碍了进一步降低材料密度和热导率的尝试。

近年来，微纳米纤维技术为开发高性能热能绝缘材料提供了革命性的解决方案。通过精确控制纤维尺寸在亚微米尺度（直径范围从几十纳米到几十微米），研究人员实现了优化的空气/固体矩阵配置，从而同时最小化热传导和对流损失。这种尺寸精细化结合先进的二维膜材和三维体材料结构工程，使得微纳米纤维多孔热能绝缘材料具备了前所未有的热阻能力。过去十年中，关于微纳米纤维热能绝缘材料的研究成果持续增加，表明该领域正在快速发展。多种原材料，包括凯夫拉、纳米纤维素、碳、蚕丝蛋白、二氧化硅（SiO?）和氧化铝（Al?O?）等，已经被加工成二维或三维热能绝缘材料。这些微纳米纤维多孔材料由于纤维直径的减小、孔隙率的提升以及分层孔隙结构，展现出超轻量和卓越的热能阻隔性能。在过去十年中，微纳米纤维多孔热能绝缘材料被分类为三种形式：二维纤维膜材、二维纤维纺织品以及三维纤维体材料。技术突破包括2016年通过冻干法开发的碳纳米纤维气凝胶材料、2018年通过冻纺法开发的气凝胶纤维以及2022年通过电纺法制造的陶瓷纤维海绵。此外，规模化生产和实际应用的进展大大提升了这些材料在热能绝缘领域的实用性。已有综述文章探讨了微纳米纤维材料在不同领域的应用，但目前对新兴创新、最新进展以及战略发展路径的深入探讨仍显不足。因此，有必要进行系统且全面的综述，以明确微纳米纤维多孔热能绝缘材料在不同应用中的发展。

热能传输理论是理解热能绝缘材料性能的基础。傅里叶定律描述了材料的热通量，其计算涉及热导率、横截面积以及温度梯度的乘积。在微纳米尺度，材料的热导率主要由能量载体的运动决定。一般来说，具有高度多孔结构的热能绝缘材料表现出较低的热导率（<0.1瓦每米开尔文）。热能传输行为可以分为四个主要组成部分：热对流（λ?）、热辐射（λ?）、固体热传导（λ?）和气体热传导（λ?）。了解这些机制对于设计先进热能管理材料至关重要，特别是在极端条件下的应用。热能绝缘材料的总热导率（λ）可以通过多种方式估算，包括对热传导路径的优化，以及对热辐射、热对流和热传导的协同调控。

评估热能绝缘性能的标准对于确定材料在不同应用中的适用性至关重要。为了确保一致性和可靠性，已经建立了标准化的测试方法，包括稳态法和瞬态法。稳态法用于评估在温度差保持恒定的情况下材料的热导率，这种方法在低至中等热导率材料的测试中具有高度准确性。常见的稳态测量设备包括热板和流量计。热板方法通过将样品夹在两个板之间，一个保持高温，一个保持低温，从而测量样品两侧的温度差和热通量，以确定材料的热传导能力。这种方法适用于热导率较低的均质材料，如纤维毡。流量计方法则通过热流传感器测量样品的热通量，温度传感器监测样品两侧的温度差。通过分析流体吸收的热量、流速和温度梯度，可以确定材料的热导率。这种方法特别适用于热导率适中的纤维复合材料。

相比之下，瞬态法在非稳态条件下测量样品，经常用于快速评估小样品的热导率。瞬态方法主要包括瞬态平面源法和激光闪光法。瞬态平面源法利用平面传感器同时作为热源和温度传感器，记录样品随时间的热传输过程。通过分析温度上升和热扩散速率，可以同时测量材料的热导率和热扩散率。这种方法具有高度的灵活性，适用于各种材料，包括二维膜材和三维体材料。激光闪光法是一种非接触、非侵入性的瞬态方法，用于测定热扩散率。该方法通过在样品的一侧施加短脉冲激光能量，迅速加热表面。通过分析时间相关的温度响应，可以获取材料的热扩散率。激光闪光法具有极高的测量精度，同时保持样品完整性，适用于从导电合金到工程陶瓷和多相复合材料的各种材料系统。然而，瞬态法仍存在一定局限性。首先，对于高度多孔或各向异性材料，测量精度可能受到热渗透不足或热分布不均的影响。其次，瞬态方法通常假设理想边界条件，这在热能绝缘性能要求极高的超轻纤维材料中可能不成立。此外，某些特殊热能绝缘材料，如树脂基纤维材料，在高温条件下会发生热解，这给测试热物性带来了显著挑战。树脂基纤维材料的热物性在热解过程中可以通过实验和计算方法进行表征。关键的技术包括热重分析用于热解动力学、瞬态热丝法用于热导率以及激光闪光分析用于热扩散率。此外，多物理场建模，如有限元分析结合反应动力学，可用于解决热和质量传输的耦合挑战。

二维微纳米纤维膜材和纺织品作为热能绝缘材料，在保持轻量和紧凑特性的同时，提供了优异的保暖性能，受到学术界和工业界的广泛关注。特别是，二维材料的超薄特性有助于节省空间并增强设计的灵活性，使其能够轻松集成到各种应用中。近年来，各种超薄热能绝缘材料被报道，主要分为两类：热能绝缘微纳米纤维膜材和气凝胶纤维纺织品。本文对上述两种材料的结构调控和热能绝缘性能优化进行了总结和讨论。

在二维热能绝缘材料中，微纳米纤维膜材因其舒适的使用体验、易得性和低成本，长期以来被认为是各种保暖材料中的理想选择。然而，这些纤维絮状材料，如棉花、聚酯和羊毛，由于相对较大的孔径和有限的孔隙率，其热能绝缘性能较为一般。与传统纤维相比，先进的微纳米纤维因其小孔径和增强的孔隙率，能够有效捕获静止空气，从而限制热传导，展现出在高效热管理应用中的巨大潜力。近年来，制造微纳米纤维热能绝缘膜材的方法层出不穷，可以分为两种类型：聚合物基纤维膜材和无机纤维膜材。以下是这两种类型的详细描述。

聚合物基纤维膜材以其低密度、超薄厚度、低热导率和柔韧的表面特性，在热能绝缘领域展现出广阔的应用前景。目前，许多策略被用于构建高性能的热能绝缘纤维膜材，其中最常见的方法是提高红外反射能力和减少纤维膜材的热传导。据报告，人体约40–60%的热量损失源于热辐射。为了减少热辐射散失，Hsu等人首次尝试在普通棉布上涂覆银纳米线（AgNWs）。银纳米线网络因其反射人体红外辐射、低发射率和良好的等离子体特性，使得设计的AgNW-布不仅具备优异的热能绝缘性能，还能通过焦耳加热实现被动绝缘。与传统棉布（1.3%）相比，AgNW-布实现了高达40.8%的人体热辐射率。更令人印象深刻的是，AgNW-布在施加0.9伏电压后，可在45秒内迅速升温至38°C，这比人体平均体温（37°C）还要高。这些令人鼓舞的结果证明了在纤维基材表面涂覆金属纳米线的方法在开发高效保暖材料中的有效性。

受到AgNW-布的启发，许多研究人员通过将金属纳米线与微纳米纤维结合，开发了具有主动保暖性能的聚合物基膜材。例如，Gao等人通过在聚酰亚胺（PI）纳米纤维膜材表面涂覆AgNWs，制备了具有可调透气性和热性能的柔性双面PI非织造布材。与普通纺织品相比，所开发的复合膜材表现出超过80%的红外反射率和低电导率（0.23欧姆每平方）。显著的是，通过施加低电流0.2安培，膜材表面温度可迅速升至37°C，这与人体皮肤温度相似，展示了其在个人热管理设备中的应用潜力。然而，Ag材料在暴露于空气时容易氧化并从纤维膜材基材上脱落，导致其在节能领域中的应用受限。为了解决这一瓶颈，提出了在1D纳米纤维中掺杂AgNWs的有效策略，以保护AgNWs免受污染、腐蚀和氧化。一个典型的例子是将AgNWs掺入聚偏氟乙烯（PVDF）前驱体溶液中，通过电纺技术形成纳米纤维膜材（图3a）。该方法基于溶液的剪切效应和高压静电场的拉伸作用，使得AgNWs被包裹在PVDF纤维中并沿纤维方向排列（图3b）。最终，所开发的PVDF/AgNWs纳米纤维膜材表现出良好的透气性（75毫米?1）和低热导率（18毫瓦每米开尔文）。有趣的是，源自于纳米结构的膜材在5分钟的光照后，其表面温度可达到约43°C，并且几乎能保持恒定温度，展示了其稳定的热能绝缘性能（图3c）。

除了上述策略外，将相变材料或湿度刺激自加热材料掺入纤维中也已被开发，以提升热能绝缘材料的性能。例如，Chen等人报告了利用铝核-液态金属壳微粒作为填料，开发了湿度刺激的自加热材料。这些材料能够与周围水分子反应生成热量，从而在极端条件下提供热保护。尽管已经开发出一系列聚合物基热能绝缘膜材，但仍存在一些挑战。其中一个主要问题是实现高热阻和机械强度的同时，因为减小厚度往往会影响耐用性。此外，维持在极端温度或恶劣环境下的性能一致性仍然是一个重大挑战。解决这些问题对于提升热能绝缘纤维膜材的应用性能至关重要。

无机纤维膜材因其高温耐受性、良好的化学稳定性和轻质特性，被广泛应用于严苛的热能保护领域。目前，商用无机纤维膜材主要包括二氧化硅纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、铝硅酸盐纤维等。常见的无机纤维的一个问题是纤维直径较大（通常>5微米），导致热导率较高。人们普遍认为，将纤维直径减小到纳米尺度可以增加热传导路径，从而提升热能绝缘性能。近年来，已经报道了多种方法，包括溶胶-凝胶、模板合成和电纺技术，用于制造无机纳米纤维膜材。其中，电纺技术被认为是一种制造无机纳米纤维的有前途的方法，因为它具有广泛的原料来源、相对简单性和易于扩大的特点。目前，用于高温绝缘的电纺无机纳米纤维主要包括二氧化硅、氧化锆（ZrO?）、氧化铝等。这些材料因其出色的热能绝缘性能和适合多种工业应用的高温条件而被广泛研究。

2002年，Shao等人首次通过溶胶-凝胶电纺技术，利用聚乙烯醇（PVA）作为模板和四乙氧基硅烷溶胶作为硅源，报道了二氧化硅纳米纤维。制备二氧化硅纳米纤维的过程包括PVA/SiO?前驱体溶液的制备、电纺和煅烧。该研究还探讨了煅烧温度对二氧化硅纳米纤维形态和结晶行为的影响。结果表明，得到了直径为200–400纳米的非晶态二氧化硅纳米纤维。为了增强机械性能，Si等人通过在溶胶-凝胶溶液中掺杂NaCl，生成纳米纤维之间的键合结构，从而制备了超柔软且提高抗拉强度的二氧化硅纳米纤维膜材。此外，通过调节NaCl含量和煅烧温度，系统优化了材料的形态和机械性能。所开发的二氧化硅纳米纤维膜材表现出5.5兆帕的高强度、40毫牛的超柔软性以及超低热导率（0.0058瓦每米开尔文）。这些柔软的无机纳米纤维膜材被认为是防护服的潜在候选材料。类似地，为了提高抗拉强度，Liu等人提出了自模板电纺策略，制备了无需添加聚合物模板的二氧化硅纳米纤维。该方法的核心在于控制水与TEOS的比率约为2，从而形成可纺的线性二氧化硅分子链。所得到的纳米纤维具有致密且无缺陷的结构，表现出令人满意的抗拉强度（1.41吉帕）。尽管目前开发的二氧化硅纳米纤维具有高韧性和强度，但由于纳米纤维之间缺乏稳定的界面连接，其机械和热能绝缘能力仍有提升空间。因此，Mao等人通过交联二氧化硅-氧化锆纳米纤维和蒙脱石（MMT）纳米片，开发了一种简便的增强方法，用于构建具有卓越高温耐受性的无机纳米纤维膜材（图4a）。该方法的系统包括制备聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、氧化锆乙酸盐和TEOS的前驱体溶液，基于一步电纺和煅烧生成氧化锆-二氧化硅纳米纤维，再与MMT纳米片进行交联。图4b显示了纳米片与纳米纤维之间的相互作用，使得膜材表现出低热导率（0.026瓦每米开尔文）和在-196到1000°C之间保持温度不变的机械稳定性。此外，通过加热板加热后，膜材的表面温度约为39.6°C，突显了其出色的热能绝缘能力（图4c）。考虑到相对湿度对热能绝缘性能的影响，Di等人制备了由酸处理的芳纶纳米纤维和tempo-氧化的纤维素纳米纤维组成的超级绝缘气凝胶。这些混合气凝胶在20%到80%的相对湿度范围内仍表现出低热导率。为了提高制备效率，Li等人提出了一种通用的冰模板法，包括在旋转低温鼓上冷冻材料、碎片处理以及随后的冷冻干燥。气凝胶的生产易于规模化，其面积可超过1.2平方米。这种大面积的纳米纤维气凝胶很少被报道。

尽管有机纤维基气凝胶表现出优异的热能绝缘性能、超轻特性和可调机械强度，但其实际应用往往受到固有挑战的限制，如可燃性和极端温度下的热稳定性。因此，研究人员越来越多地转向无机纤维基气凝胶，这些材料在高温下具有优异的热稳定性、防火性能和在恶劣环境中的坚固性，使其成为高温绝缘应用的理想选择。2018年，Si等人通过将二氧化硅纳米纤维整合到铝硅酸盐基体中，报道了具有层状结构的陶瓷纳米纤维气凝胶（图8a）。该气凝胶的制备过程包括二氧化硅纳米纤维的制备、均匀分散、冷冻干燥以及煅烧。根据该策略，2018年Si等人报告了具有层状结构的陶瓷纳米纤维气凝胶。结果表明，陶瓷气凝胶在暴露于高温丁烷吹管火焰后，其对面的温度仍保持在35°C左右。此外，气凝胶展现出超低密度（>0.15毫克每立方厘米）和在高达1100°C时仍能保持超弹性。这种创新的陶瓷设计为下一代高温绝缘系统提供了变革性的机会。然而，当前陶瓷气凝胶的固有脆性会导致在轻微变形（<5%应变）下立即发生结构失效，限制了其在需要机械灵活性的应用中的使用。因此，Dou等人提出了一种通用的方法，通过将高长宽比的二氧化硅纳米纤维组装成坚固且相互连接的细胞结构，制备了具有优异灵活性和压缩性的陶瓷纳米纤维气凝胶（图8c）。图8d显示了气凝胶在100,000次循环中的疲劳抵抗能力，其压缩率可恢复85%。此外，气凝胶表现出极低的热导率（22.3毫瓦每米开尔文）。同样，Zhang等人通过构建坚韧的纳米纤维骨架网络，制备了具有超弹性、无机硅碳气凝胶。创新点来源于通过流变学调控AlBSi溶胶在疏水纳米纤维表面的结合，以及随后的界面耦合。所得到的硅碳气凝胶在极端空气环境中展现出温度不变的超弹性，其在1000次压缩循环后仅有5%的永久变形，并且具有极低的热导率（19毫瓦每米开尔文）。为了进一步增强机械性能，Liu等人受混凝土建筑外层的启发，设计了相互嵌套的纤维界面和相互交织的正交结构。陶瓷气凝胶的制造涉及纤维基框架的组装、超分子排列和矿物沉积。值得注意的是，所制备的BN/C/Al?O?陶瓷气凝胶的最大应力达到11.3千帕，这表明气凝胶可以承受6000倍于自身重量的负载（图8d）。有趣的是，体积为2立方厘米的气凝胶能够压缩通过直径为0.5厘米的薄管，展示了其卓越的机械坚固性（图8e）。此外，气凝胶在寒冷（-196°C）和高温（1300°C）环境中表现出出色的热冲击抵抗能力和红外伪装性能（图8f,g）。除了提升机械强度外，一些研究还聚焦于增强气凝胶的耐热温度。例如，Chang等人通过多相序列和多尺度结构制备了莫来石-碳混合纳米纤维气凝胶。该创新点在于将碳增强的莫来石样陶瓷纳米颗粒与1D纳米纤维结合，然后通过分层组装形成具有层状细胞框架的坚韧3D气凝胶。组件之间的协同作用有效抑制了陶瓷晶粒粗化和碳热分解，从而确保了热稳定性。最终，陶瓷-碳气凝胶在极端空气环境中展现出热力学和机械稳定性，温度可达1600°C。

总之，冷冻干燥法已被证明是一种适用于有机和无机微纳米纤维气凝胶的多功能且高效的技术。通过使用冰晶作为模板，这种方法能够制造出轻质、高度多孔且结构坚固的材料。尽管取得了这些进展，但实现大规模生产的一致性质量、进一步降低热导率以及在动态应力下增强机械耐久性仍然是需要解决的挑战。解决这些问题将为开发适用于节能建筑、航空航天和极端环境的下一代热能绝缘材料铺平道路。

直接电纺技术作为制造具有卓越热能绝缘性能的3D微纳米纤维海绵的有前景方法，近年来取得了显著进展。与传统的电纺技术相比，这种先进方法能够制造出轻质、高度多孔且分层结构的材料，从而增强热能管理能力。通过优化溶液粘度、溶剂蒸发速率和集电器设计等参数，直接电纺技术允许对纤维形态和空间排列进行精确控制，从而制造出热导率极低且机械灵活性优异的材料。本文探讨了通过直接电纺技术制造的3D微纳米纤维海绵的原理、进展和热能性能，突显了其在热能绝缘领域的独特优势和前景。

目前，基于直接电纺技术的微纳米纤维热能绝缘海绵主要包括聚合物基微纳米纤维海绵和陶瓷基微纳米纤维海绵。聚合物基微纳米纤维海绵的制备过程包括选择特定的聚合物、制备均匀的聚合物溶液、优化电纺参数（如集电器距离、电纺温度和湿度）以及热处理。目前，一些研究人员认为，具有蓬松结构的海绵的形成机制依赖于在高相对湿度下纺丝喷射的快速相分离。系统中更快的相分离导致生成大直径的刚性纤维，从而提供足够的强度以维持海绵的3D结构。到目前为止，已经探索了多种聚合物，如聚苯乙烯（PS）、聚砜（PSU）、聚苯撑醚砜（PPSU）和PI，用于制造3D海绵。2012年，Lin等人首次通过调节溶剂组成，报告了3D PS纤维海绵的制备。然而，PS海绵在外部力的作用下结构容易塌陷，限制了其在热能绝缘领域的应用。为了解决这个问题，Wu等人提出了一种简便的方法，通过在纤维内构建刚柔聚合物网络和纤维间的键合结构，制造出超轻且机械坚固的保暖海绵。刚性PS赋予海绵结构刚度，而柔性PU则在变形时提供能量吸收能力。最终，制备的纤维海绵表现出70%的断裂伸长率、在-50°C下能承受100次压缩循环的优异回弹性能，以及低热导率（27.6毫瓦每米开尔文）。此外，一些研究人员还关注于提高微纳米纤维海绵的耐热性和保暖性能。例如，Wang等人通过在电纺过程中构建3D互锁网络的卷曲纳米纤维，制备了热能绝缘PI纤维海绵。通过精确控制喷射与水分子的相互作用，促使电纺喷射的相分离形成卷曲纳米纤维，从而促进3D结构的形成。结果表明，PI纳米纤维海绵在-196至300°C的广泛温度范围内表现出优异的耐热性和机械稳定性。此外，海绵在高温环境下展现出出色的热能绝缘能力，其热导率为22.3毫瓦每米开尔文。然而，微纳米纤维海绵仅依赖于多孔结构来防止热量扩散，导致其在极端环境中的热能性能不足。整合可调主动热能调控与有效的被动辐射吸收能力可以解决上述瓶颈问题。一个典型的例子是基于直接电纺和碳化处理的碳纤维海绵。通过操控溶液的电荷密度和PAN/水相互作用，增强库仑斥力和相分离速率，从而生成内部纳米孔的卷曲纳米纤维（图9c,d）。随后，通过预氧化和石墨化制备了碳纳米纤维海绵。如图9e所示，碳海绵的metafabric能够根据环境条件动态调节其热能性能。海绵在吸收液氮后，能在2分钟内保持稳定温度，展示了其出色的冷却绝缘能力。更重要的是，海绵可以通过直流电源和阳光加热，体现出卓越的电热、光热和被动保暖性能。

聚合物基微纳米纤维海绵已展现出优异的热能绝缘性能、轻质特性和机械灵活性。然而，它们在极端环境中，如高温或腐蚀性条件，往往面临热稳定性低和机械退化的问题。为了解决这些挑战，研究人员转向了陶瓷基微纳米纤维海绵，这些材料在高温下具有卓越的热稳定性、防火性能和机械强度。2022年，Cheng等人首次通过反应电纺技术合成了具有3D互锁卷曲纳米纤维结构的陶瓷纳米纤维海绵。陶瓷海绵的制备过程主要包括莫来石溶胶的制备、直接电纺以及煅烧。通过调节溶胶喷射的胶凝速率，使得纳米纤维具有卷曲结构（图9f）。与之前报道的高性能陶瓷绝缘体相比，陶瓷基微纳米纤维海绵表现出最低的热导率（0.0228瓦每米开尔文）和在高达1400°C时的优异结构稳定性（图9g,h）。基于该设计概念，一系列无机纳米纤维海绵已被合成，包括TiO?、CaCu?Ti?O??、SrTiO?、In?TiO?等。这些高性能无机海绵的成功开发为航天器中的下一代热保护系统奠定了坚实的基础。

总之，直接电纺技术已被证明是制造3D微纳米纤维热能绝缘海绵的高效方法。通过精确控制前驱体溶液、电纺条件和后处理，可以得到有机或无机的微纳米纤维海绵，这些材料具有轻质、超弹性以及卓越的保暖性能。然而，可扩展性、机械强度和在恶劣条件下的长期稳定性仍然是需要解决的问题。未来的研发应集中在克服这些限制，探索创新的材料组合，以进一步提升3D纤维海绵在热能绝缘中的性能和适用性。

层叠式堆叠法将微纳米纤维膜材构建为3D气凝胶结构，成为设计高性能热能绝缘材料的创新方法。与依赖间歇性纤维段连接的3D体材料相比，基于层叠式堆叠的纳米纤维气凝胶具有层状多拱结构，展现出优异的压缩强度和变形抵抗能力。本文深入探讨了层叠式气凝胶的制备技术、结构创新和热能性能。

2020年，Zhang等人首次报告了具有层状多拱结构的ZrO?-Al?O?纳米纤维气凝胶。气凝胶的制备过程包括前驱体溶液的制备、电纺、层状堆叠在结合剂溶液中以及煅烧（图10a）。首先，通过溶胶-凝胶法制备了ZrO?-Al?O?前驱体溶液，然后通过电纺和煅烧处理制备了ZrO?-Al?O?膜材。随后，膜材被切割成正方形，并在结合剂溶液中逐层堆叠。进一步地，堆叠的膜材经过冷冻干燥和煅烧处理，制备了3D层状纳米纤维气凝胶。如图10b所示，所得ZrO?-Al?O?气凝胶（ZrAlNFAs）厚度为1厘米，能够有效保护新鲜的花朵免受脱水、褪色和碳化，即使暴露于丁烷吹管火焰超过5分钟，也表现出良好的防火和热能绝缘性能。受层叠式堆叠方法的启发，一些研究致力于增强热能绝缘性能。将气凝胶纳米颗粒和纳米片整合到层状多拱结构的气凝胶中，可以减少热扩散，从而提升热能绝缘性能。一个典型的例子是设计和制备具有分层细胞结构和仿生叶脉网络形态的分层陶瓷气凝胶。如图10c所示，气凝胶的横截面SEM图像揭示了具有层状拱形细胞、嵌入硅颗粒气凝胶（SGAs）的纳米纤维壁以及纤维与SGAs之间的相互连接区域。得益于SGAs的热能绝缘能力和陶瓷元素的阻燃特性，复合气凝胶展示了卓越的热能绝缘性能，其热导率低至0.024瓦每米开尔文，同时在1100°C时表现出优异的耐高温性能（图10d）。同样，Li等人通过纤维沉积和层叠式组装策略，制备了具有低热导率（0.034瓦每米开尔文）和在-196至1300°C范围内温度不变的压缩韧性优异的莫来石纤维气凝胶。此外，该方法还允许在组装过程中引入功能添加剂或结构设计，从而增强材料的机械强度、阻燃性和保暖性能。尽管层叠式堆叠气凝胶取得了显著进展，但仍有一些限制阻碍了其广泛应用。首先，组装过程往往耗时，需要多个步骤才能达到所需的结构完整性和性能。其次，实现纤维层的均匀分布和层间强界面结合仍然是一个挑战。此外，可扩展性是一个显著问题，但该方法难以适应大规模生产。通过工艺优化、先进的界面结合策略和可扩展的制造技术，解决这些问题将是推进层叠式堆叠微纳米纤维气凝胶在热能绝缘领域实际应用的关键。

溶液吹纺技术是一种创新且可扩展的微纳米纤维制造方法，近年来在制造具有轻质和高度多孔特性的3D纤维海绵方面引起了广泛关注。通过利用高速气流拉伸和沉积微纳米纤维，这种技术能够精确控制纤维直径、孔隙率和空间排列，这对优化热能绝缘性能至关重要。本文探讨了溶液吹纺技术在制造3D微纳米纤维海绵中的原理、优势和潜力，突显了其在热能绝缘中的独特结构特征和性能。

2017年，Wang等人首次通过有效的溶液吹纺技术，报告了轻质3D陶瓷微纳米纤维海绵的制备。陶瓷海绵的制造过程主要包括前驱体溶液的制备、气流拉伸前驱体溶液形成微纳米纤维，以及高温煅烧（图11a）。当前驱体含有高浓度的无机盐时，电纺过程中在注射器针尖附近通常会发生堵塞效应。相比之下，吹纺技术能够轻松处理含有高浓度无机盐的前驱体。因此，吹纺技术为制备各种陶瓷纤维海绵提供了一种通用方法，如TiO?、SiO?和BaTiO?。此外，该方法不仅高效，而且易于扩展，使得大规模生产高质量的陶瓷纳米纤维海绵成为可能（图11b）。得益于高度多孔的结构，图11c中的红外图像显示，陶瓷纳米纤维海绵在暴露于400°C加热阶段1小时后，其表面温度仍保持在约95°C，突显了其卓越的热能绝缘性能。

基于吹纺技术的设计策略，后续研究主要集中在提升热能绝缘性能、降低纤维直径和提高生产率。例如，Jia等人提出了一种简便的方法，通过吹纺和煅烧制备可压缩和耐热的SiO?-Al?O?复合陶瓷海绵。显著的是，如图11d所示，陶瓷海绵在去除压力后完全恢复其初始形状，没有明显的尺寸变化，展示了其出色的可压缩性。得益于分层结构和多相陶瓷组成，微纳米纤维海绵在-196至1000°C范围内表现出温度不变的压缩韧性，并且具有低热导率（0.034瓦每米开尔文）（图11e,f）。为了降低纤维直径，Cao等人提出了电吹纺技术，该技术结合电场和高速气流，将聚合物溶液拉伸成超细纤维。基于电吹纺的平均纤维直径可调整为约454纳米，显著低于吹纺技术的约613纳米。对于溶液吹纺，研究人员也持续关注纳米纤维的大规模生产。目前，仅报告了基于针头的溶液吹纺方法，其生产吞吐量有限。因此，研究人员专注于针头的溶液吹纺方法以解决上述问题。一个典型的例子是开发了针头无的Kármán涡旋溶液吹纺系统，该系统利用卷对卷尼龙线供纺丝溶液，并结合垂直方向的气流以高效生产高质量的纳米纤维（图11g）。结果表明，该吹纺系统的纳米纤维生产速率可达到5.9克每小时每喷嘴，高于传统电纺方法。得益于该方法的通用性，可以制备多种纳米纤维海绵，如PI、PVDF、PAN、纤维素乙酸酯、聚乙烯吡咯烷酮、碳和陶瓷（图11h）。制备的陶瓷能够承受1300°C的丁烷吹灯火焰，展现出优异的高温耐受性（图11i）。

总之，溶液吹纺技术已被证明是制造热能绝缘微纳米纤维海绵的高效且可扩展的方法。得益于高孔隙率和分层多孔结构，3D海绵展现出卓越的热能绝缘性能。这些特性结合各种有机、无机和复合纳米纤维的可控制备，使得这些海绵在从节能建筑到先进纺织品等多个领域具有广泛的应用潜力。尽管取得了显著进展，但进一步的研究仍需优化生产参数、增强机械耐久性以及探索环保材料，以满足对可持续和高性能热能绝缘日益增长的需求。

微纳米纤维热能绝缘材料在多个领域的应用展现出显著的潜力。这些材料的轻质、高孔隙率和优异的热能管理性能使其成为解决现代热能管理挑战的关键材料。从个人保暖设备到航空航天和汽车工业的高科技应用，再到节能建筑，纤维基热能绝缘材料在提升热能管理性能方面发挥了重要作用。本文探讨了微纳米纤维热能绝缘材料在个人保暖设备、航空航天工程、汽车工业和可持续建筑等领域的多样化应用，突显了其在这些领域中的重要性和适应性。

在个人保暖设备领域，微纳米纤维热能绝缘材料彻底革新了保暖服装的设计，提供无与伦比的保暖性能和舒适性，同时保持轻质和灵活的特性。这些先进材料利用独特的结构特性，如高孔隙率、低热导率和良好的透气性，创造出在寒冷环境中有效保留人体热量的服装。这些材料不仅增强了个人热舒适性，还通过减少热量损失提升了能源效率。随着研究的深入，预计在耐用性、透气性和可扩展性方面会有进一步的提升，为防寒服装和特种防护织物的广泛应用铺平道路。

在航空航天工业中，微纳米纤维热能绝缘材料的应用代表了应对极端热能挑战的重要进展。航空航天系统，包括航天器、卫星和高空飞机，其运行环境以剧烈的温度波动为特征，从强烈的太阳辐射到太空中的极端寒冷。传统的热能绝缘材料往往无法满足在这些条件下对轻质、高热能阻隔性和耐久性的严格要求。微纳米纤维热能绝缘材料凭借其独特的结构特性和卓越的热能性能，成为一种有前景的解决方案。例如，在高速飞行过程中，航天器表面与周围空气之间的显著摩擦会导致极端的空气动力学热能产生。因此，必须在航天器表面集成热能保护系统，以有效管理累积的热能负荷。此外，轻质热能屏障对于实现长距离飞行至关重要。微纳米纤维热能绝缘陶瓷气凝胶因其高孔隙率（>80%）和高温耐受性，成为航空航天工业中热能绝缘材料的潜在候选者。

为了开发高性能的热能保护系统，研究人员进行了大量工作，主要集中在提升热能绝缘性能、热能阻隔范围和机械性能。例如，Zhang等人受贝壳的耐久保护外壳的启发，通过精确组装纳米纤维和纳米片，构建了具有三维结构的多机械协同陶瓷气凝胶（图13a）。通过工程化分层多拱结构来分散应力，气凝胶表现出出色的压缩韧性、弯曲性和机械强度。此外，气凝胶展现出显著的热能韧性，能在从极低温（-196°C）到超高温（1100°C）的范围内保持结构完整性，同时实现优异的热能绝缘性能（39.72毫瓦每米开尔文）。有趣的是，生物仿生陶瓷气凝胶被施加在400°C的金属模型飞机上，其表面温度保持在室内温度，表明其在高速飞机上的潜在应用，以保护机载仪器（图13b,c）。同样，Wang等人基于层叠式堆叠方法，制备了生物仿生的Bouligand-螺旋陶瓷气凝胶（BcF-CAs）（图13d–f）。所得气凝胶在高温下表现出优异的机械性能和显著的热能稳定性（>1200°C），使其成为航空航天工业中热能屏障的有吸引力的候选材料。然而，在极端高温条件下（>1500°C），无控制的晶粒生长可能导致陶瓷气凝胶发生不可逆的结构损伤，显著加速退化并大大增加灾难性故障的风险。为了解决这一瓶颈，Xu等人设计了具有超低热导率（27毫瓦每米开尔文）和极端条件下热力学-机械稳定性（图13g）的陶瓷meta气凝胶。显著的是，气凝胶在1700°C下保持结构稳定性，归功于氧化铝通过非晶态二氧化硅的相变调控（图13h,i）。这种卓越的热能绝缘性能使meta气凝胶成为在