背景：随着航空航天、高速轨道交通等领域向轻量化、集成化和多功能化发展，舱内结构材料面临热、声、机械等多物理场耦合的严苛服役环境。传统商用芳纶蜂窝（commercial HC）虽具轻质高强特性，但其酚醛树脂节点脆性大、界面韧性差，且缺乏宽频吸音和高效隔热能力，长期服役还面临紫外、热氧老化导致的性能衰退。此外，热固性树脂体系使得材料难以回收再利用，环境负担重。因此，开发集高力学稳定性、高效隔热、宽频吸音和可回收于一体的新型蜂窝结构材料，成为当前高性能结构功能一体化研究的热点。
近日，91传媒
王桦/王罗新团队熊思维副教授在期刊《Advanced Functional Materials》 上发表了题为“Thermo‑Acoustic‑Mechanical Coupling in Polyarylate Nanofiber‑Built Aerogel Honeycombs Driven by Skeleton Blocking and Core Dissipation”的研究成果。论文第一作者为91传媒
硕士王敬贤，通讯作者为熊思维副教授。
图文导读：
图1 SiO2空心微球/聚芳酯纳米纤维复合气凝胶蜂窝的制备流程与多功能应用
该研究基于“骨架阻隔-芯层耗散”协同机制，以自制热致液晶聚芳酯纳米纤维（PAR NFs）和SiO₂空心微球（SiO₂ HMs）为构筑基元，通过原位热焊接结合冷冻干燥的制备策略，成功制备了纳米复合气凝胶蜂窝结构（SiO₂ HM/PAR NCAH）。该结构中，蜂窝骨架层由PAR NFs与SiO₂ HMs构成“微-纳双尺度互锁结构”，显著增强了材料的承载能力与抗屈曲性能；芯层则为高孔隙率的PAR NF气凝胶，借助Knudsen效应、多级散射及粘性耗散作用，实现了宽频范围内的高效吸声。该材料在力学性能、热学行为、声学特性及可持续性方面，均展现出优于商业材料的综合性能表现。
图2 SiO2 HM/PAR NCAH的微观结构与力学性能
图2展示了SiO₂ HM/PAR NCAH的微观形貌与力学性能。相比于商用芳纶蜂窝节点区可见明显孔隙与界面脱粘现象，SiO₂ HM/PAR NCAH节点区致密无缺陷，PAR纳米纤维均匀包覆SiO₂空心微球，形成以“氢键协同物理缠结”为特征的牢固界面。力学测试结果显示，该材料压缩强度为114 MPa，杨氏模量为411 MPa，韧性达到51 MJ/m³，分别为商用芳纶蜂窝的18倍、5倍和34倍。有限元模拟进一步揭示，在30 wt.%的SiO₂ HM含量下，应力能够均匀传递；而过高的含量（60 wt.%）则会因SiO₂ HM发生团聚，导致力学性能显著下降。
图3 SiO2 HM/PAR NCAH的热管理性能
图3对SiO₂ HM/PAR NCAH的热管理性能进行了系统评估。SiO2 HM/PAR NCAH的热导率低至0.0538 W·m⁻¹·K⁻¹，显著低于商用聚氨酯泡沫（0.102 W·m⁻¹·K⁻¹）和橡胶泡沫（0.0817 W·m⁻¹·K⁻¹）。在100℃热台上放置60 s后，其表面温度仅升至46.5℃，而相同条件下两种商用泡沫表面温度分别达到71.5℃和60.5℃；在-10℃冷台上60 s后，材料表面仍可维持在19.8℃，表现出优异的保温性能。有限元热流密度模拟进一步表明，高热阻区域主要集中于材料底部，并沿厚度方向迅速衰减。这一现象可归因于气凝胶的纳米孔结构有效抑制了气体热传导，同时SiO₂空心微球延长了声子传递路径并增加了界面热阻。
图4 SiO2 HM/PAR NCAH的吸音、降噪与电磁透明性能
图4展示了SiO₂ HM/PAR NCAH的吸声性能与电磁波透明特性。在1000-6300 Hz频率范围内，该材料的平均吸声系数达到0.484，显著高于商用聚氨酯泡沫（0.093）和橡胶泡沫（0.325）。在实际隔声测试中，其可将80.1 dB的噪声降至69.6 dB，表现出明显的降噪效果。材料的宽频高效吸声源于多尺度协同机制：宏观蜂窝骨架起到声波反射作用，气凝胶芯层通过粘性效应耗散声能，SiO₂空心微球构成Helmholtz共振单元，而纳米纤维则借助振动进一步耗散声能量。同时，该材料在电磁特性方面表现出优异的透明性，其介电常数实部约等于1，损耗角正切低于0.04，屏蔽效能接近于零，因而在需要兼具声学隐身与电磁兼容的集成应用场景中具有良好潜力。
图5 SiO2 HM/PAR NCAH的双尺度结构稳定性与抗冲击性能
图5对材料的抗冲击性能与微观力学均匀性进行了系统验证。经2.5 kg钢球从1.5 m高度落冲后，蜂窝骨架结构仍保持完整，未发生明显坍塌或胞壁屈曲。纳米压痕测试结果表明，其模量分布于3 ~ 4 GPa之间，硬度在0.4 ~ 0.6 GPa范围内，二者在空间上均呈现均匀分布；界面接触刚度集中于3.3 ~ 4.8 μN/nm，无明显失配现象。上述性能可归因于PAR纳米纤维构成的弹性网络与SiO₂空心微球刚性增强相之间的协同能量耗散机制。
图6 SiO2 HM/PAR NCAH的闭环可回收性能
图6展示了该材料的闭环可回收性能。通过“分离-解离-再制造”工艺，材料经过1次和3次回收循环（分别记为R1、R3）后，仍保持优异的综合性能：R1样品的压缩强度为110 MPa，热导率为0.064 W·m⁻¹·K⁻¹，降噪后声压级为70.9 dB；R3样品对应性能分别为103 MPa、0.0671 W·m⁻¹·K⁻¹和71.1 dB。尽管循环后性能略有下降，但仍显著优于商用蜂窝及泡沫材料。该结果证实了材料具有良好的结构可逆性与循环稳定性，为发展可持续的高性能结构材料提供了新方法。
小结：该工作通过“骨架阻隔与芯层耗散”的多尺度耦合机制，成功设计并制备了一种集高力学强度、高效隔热、宽频吸音、电磁透明及闭环可回收于一体的纳米复合气凝胶蜂窝材料。SiO2 HM/PAR NCAH在压缩强度（114 MPa）、热导率（0.0538 W·m-1·K-1）、平均吸音系数（0.484）等方面均显著优于商用芳纶蜂窝、聚氨酯和橡胶泡沫，展现出在航空航天、高速轨道交通等复杂环境下的广阔应用前景。
论文链接：
//doi.org/10.1002/adfm.75446
