三维 (3D) 微纤维网络代表了各种天然组织和合成气凝胶的重要结构设计。尽管付出了巨大的努力，实现合成3D微纤维网络的高机械性能仍然具有挑战性。在这里，我们报告了涉及芳纶纳米纤维复合材料自组装3D网络的超强聚合气凝胶。纳米级成分之间的相互作用导致组装网络具有高节点连接性和原纤维之间的强交联。正如3D网络的理论模拟所揭示的那样，即使在固体含量恒定的情况下，纤维接头处的这些特征也可能导致宏观力学性能提高几个数量级。事实上，聚合物气凝胶实现了的高比拉伸模量和断裂能，这对于不同的结构应用是有利的。此外，它们简单的加工技术允许制造成各种功能设备，例如可穿戴电子设备、热隐身和过滤膜。这些坚固的微纤维气凝胶提供的机械见解和可制造性可能为材料设计和技术创新创造更多机会。

图文简介

a CNA的组装过程示意图。b CNA 中 ANF 和 PVA 之间的分子间相互作用示意图。c CNA 示意图，涉及 3D 网络中原纤维的捆绑和连接。d, e各向同性 CNA ( d ) 和高度定向的各向异性 CNA ( e )的 SEM 图像。f密度为 0.02 g cm -3的散装 CNA 样品的照片。g半透明 CNA 膜的照片。h用红外激光加工图案化的 CNA 样品。i , j压缩下的 CNA 样本照片 ( i) 和张力 ( j )。

a孔隙率在 76% 到 91% 之间的 CNA 的拉伸响应。b不同孔隙度水平的CNA的压缩应力-应变曲线。c CNA 的拉伸模量作为其密度的函数，从实验表征和理论拟合中获得。d CNA 的断裂能作为其孔隙度的函数。e具有高取向原纤维的 CNA 样品的各向异性拉伸响应，分别从平行和垂直于原纤维取向的方向测量。F与其他具有高机械性能的聚合物气凝胶相比，CNA 的韧性和比拉伸模量。

a销接桁架网络示例说明了源自不同节点连通性的不同刚度水平。b、c CNA 的 SEM 图像显示具有高连接性节点的随机 3D 网络。d带有连接每对交联原纤维的线性和旋转弹簧的示意图。如果一个焊接节点包含三个交联的原纤维，将引入对线性和旋转弹簧来表示它们之间的互连。e表示CNA的3D 网络，平均节点连通性为。f , g平均节点连通性对压缩和模拟随机 3D 网络的拉伸( g )响应。的模拟结果与 CNA-76 的实验观察结果相匹配。h, i交联剂的结合能E ( h )表示的节点强度和交联剂的弹簧常数ks( i )表示的节点刚度对具有平均节点连接性的模拟 3D 网络的拉伸响应的影响的。

a用作空气过滤器的 CNA 膜的示意图。b具有不同孔隙率水平的CNA的孔径分布。c在 0.05 m s -1的面速度下测量的 20 µm 厚 CNA 膜上的气压下降。d与商业 MCE 膜相比，CNA 膜对空气传播细菌的过滤效率。600 nm 波长处的光密度 (OD 600 ) 与细胞浓度成正比。e具有渗透到多孔结构中的导电墨水图案的剪纸 CNA 膜，用作可穿戴电子设备的电极和互连。f, g与没有剪纸的膜 ( f )相比，剪纸 CNA 膜在人体皮肤的动态 3D 表面 ( g ) 上的顺应性。h具有不同孔隙率水平的 CNA 的热导率。i CNA 和纯 ANF 的红外透射光谱，与人体辐射光谱的比较。j一张照片和一张红外热图像，显示了 CNA 膜与硅胶相比的热隐身行为。

讨论

总之，我们开发了一类聚合物气凝胶，其具有出色的机械性能，源于它们的超连接纤维网络。在这项工作中开发的理论模型准确地描述了观察到的 CNA 的机械行为，揭示了纤维接头的配置与宏观材料特性之间的定量关系。从这些模型中获得的机理见解应该适用于涉及纤维网络的一系列多孔材料的工程。进一步的分析将受益于先进的表征技术，揭示微纤维网络的 3D 拓扑细节，以及包括额外微观结构因素的复杂模型。

论文信息

论文题目：Ultrastrong and multifunctional aerogels with hyperconnective network of composite polymeric nanofibers

通讯作者：Yuan Lin，Lizhi Xu

通讯单位：香港大学

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