气凝胶凭借超轻超隔热特点已经被广泛作为航空航天和军事领域中的隔热材料，其低导热性源于内部大量的微纳米孔隙，能够有效地减少热量的传导和对流。然而微纳米孔隙同时造成了气凝胶骨架的稀疏性，在面临一些极端载荷或环境时，如冲击、撕扯、挤压、水侵蚀、高温炙烤等，这些骨架极易被破坏并永久地丧失隔热保温功能。以往的研制工艺尝试通过微纤维的取向组装来提高拉伸强度，但无法彻底改善气凝胶的高刚度和高脆性。因此，如何保证原有的隔热性能，并提高气凝胶的强度和韧性，对轻量化多体防护装备的发展具有重大意义。
图1. 芳纶气凝胶的制备过程、骨架和纤维网络的拉伸过程模拟、以及气凝胶实物图
芳纶纳米纤维，商品名为Kevlar，是一种高强度耐燃烧的合成纤维，通过脱质子化作用可溶解在极性碱溶液中，经过凝胶化和冻融过程可再次重质子化形成轻质多孔的芳纶气凝胶。目前合成的芳纶气凝胶块体都具有出色的隔热保温性能，但仍然表现出较差的力学强度，限制了在力承载构建方面的应用，主要原因是重质子化时纳米纤维的交联度较低。针对这一问题，中国科学技术大学龚兴龙课题组近日提出了一种酸辅助原位交联强化方法制备具有取向结构的芳纶气凝胶（图1a-b）。通过定向冷冻构建微米级阵列片层，进一步利用乙酸的质子供应效应原位促进纳米纤维间的氢键联结，由纤维交联而成的片层因此逐渐致密化。该芳纶气凝胶不仅保持了超低的导热系数（15.8 mW m-1 K-1）和低密度（42-82 mg cm-3），可实现极端温度下的热阻隔和长时间的燃烧保护，还具有超高的拉伸比强度（89 MPa cm3 g-1）和韧性（1.3 MJ m-3），即使受到30天的高温烘烤和7天的水侵蚀，仍然保留了90%以上的拉伸强度。此外，该芳纶气凝胶还具有出色的抗穿透和抗冲击性能，其子弹冲击能的吸收效果是同密度下商用缓冲泡沫的2~3倍，优异的热稳定性和结构强韧性使得气凝胶材料有望在轻量化多体防护中开拓广泛的应用。该工作已发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，题为“Acid-assisted toughening aramid aerogel monoliths with ultralow thermal conductivity and superior tensile toughness。”
图2. 不同凝固浴重质子化后芳纶气凝胶的微纳结构和力学性能
图3. 芳纶气凝胶的拉伸和抗撕裂性能
图4. 芳纶气凝胶的压缩性能
图5. 芳纶气凝胶的隔热阻燃性能
图6. 芳纶气凝胶的抗穿刺性能
图7. 芳纶气凝胶的弹道冲击测试
因此，该芳纶气凝胶可以作为抗冲击隔热层应用于宇航员的防护服中，以抵御太空中可能遇到的高速飞行的陨石或太空垃圾（图7a）。弹道测试证明该气凝胶对子弹冲击能（~140 m s-1）的吸收是同密度泡沫的2.8倍（图7c），且在60 m s-1的冲击演示中能够保证宇航员黏土模型的完好无损（图7e-h）。
综上所述，该工作通过定向冷冻和酸辅助交联强化方法制备了一种高强韧高隔热阻燃的芳纶气凝胶，可通过快速的空气干燥方式进行大批量制备，因此有望作为轻量化防护材料应用于冲击-热耦合的多体防护。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307072
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