氣凝膠憑借超輕超隔熱特點已經被廣泛作為航空航天和軍事領域中的隔熱材料，其低導熱性源于內部大量的微納米孔隙，能夠有效地減少熱量的傳導和對流。然而微納米孔隙同時造成了氣凝膠骨架的稀疏性，在面臨一些極端載荷或環境時，如沖擊、撕扯、擠壓、水侵蝕、高溫炙烤等，這些骨架極易被破壞并永久地喪失隔熱保溫功能。以往的研制工藝嘗試通過微纖維的取向組裝來提高拉伸強度，但無法徹底改善氣凝膠的高剛度和高脆性。因此，如何保證原有的隔熱性能，并提高氣凝膠的強度和韌性，對輕量化多體防護裝備的發展具有重大意義。
圖1. 芳綸氣凝膠的制備過程、骨架和纖維網絡的拉伸過程模擬、以及氣凝膠實物圖
芳綸納米纖維，商品名為Kevlar，是一種高強度耐燃燒的合成纖維，通過脫質子化作用可溶解在極性堿溶液中，經過凝膠化和凍融過程可再次重質子化形成輕質多孔的芳綸氣凝膠。目前合成的芳綸氣凝膠塊體都具有出色的隔熱保溫性能，但仍然表現出較差的力學強度，限制了在力承載構建方面的應用，主要原因是重質子化時納米纖維的交聯度較低。針對這一問題，中國科學技術大學龔興龍課題組近日提出了一種酸輔助原位交聯強化方法制備具有取向結構的芳綸氣凝膠（圖1a-b）。通過定向冷凍構建微米級陣列片層，進一步利用乙酸的質子供應效應原位促進納米纖維間的氫鍵聯結，由纖維交聯而成的片層因此逐漸致密化。該芳綸氣凝膠不僅保持了超低的導熱系數（15.8 mW m-1 K-1）和低密度（42-82 mg cm-3），可實現極端溫度下的熱阻隔和長時間的燃燒保護，還具有超高的拉伸比強度（89 MPa cm3 g-1）和韌性（1.3 MJ m-3），即使受到30天的高溫烘烤和7天的水侵蝕，仍然保留了90%以上的拉伸強度。此外，該芳綸氣凝膠還具有出色的抗穿透和抗沖擊性能，其子彈沖擊能的吸收效果是同密度下商用緩沖泡沫的2~3倍，優異的熱穩定性和結構強韌性使得氣凝膠材料有望在輕量化多體防護中開拓廣泛的應用。該工作已發表在《Advanced Functional Materials》期刊上，題為“Acid-assisted toughening aramid aerogel monoliths with ultralow thermal conductivity and superior tensile toughness。”
圖2. 不同凝固浴重質子化后芳綸氣凝膠的微納結構和力學性能
圖3. 芳綸氣凝膠的拉伸和抗撕裂性能
圖4. 芳綸氣凝膠的壓縮性能
圖5. 芳綸氣凝膠的隔熱阻燃性能
圖6. 芳綸氣凝膠的抗穿刺性能
圖7. 芳綸氣凝膠的彈道沖擊測試
因此，該芳綸氣凝膠可以作為抗沖擊隔熱層應用于宇航員的防護服中，以抵御太空中可能遇到的高速飛行的隕石或太空垃圾（圖7a）。彈道測試證明該氣凝膠對子彈沖擊能（~140 m s-1）的吸收是同密度泡沫的2.8倍（圖7c），且在60 m s-1的沖擊演示中能夠保證宇航員黏土模型的完好無損（圖7e-h）。
綜上所述，該工作通過定向冷凍和酸輔助交聯強化方法制備了一種高強韌高隔熱阻燃的芳綸氣凝膠，可通過快速的空氣干燥方式進行大批量制備，因此有望作為輕量化防護材料應用于沖擊-熱耦合的多體防護。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307072
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