北京理工大学研发多功能生物基气凝胶 一材解四难

现代航空器、大功率电子设备、电动汽车以及节能建筑正面临日益严峻的多重风险挑战：电磁干扰、火灾隐患、热量积聚以及噪音污染。传统工程实践中，工程师通常采用分层叠加不同材料的方式来分别应对这些威胁。虽然这种策略在短期内有效，但不可避免地增加了系统的重量、复杂性和成本，且往往依赖石油基成分。近日，一项Zui新研究提出了一种全新的解决方案：一种单一、轻质的多功能材料，旨在同时解决上述四大难题。

这项由北京理工大学潘业唐教授和陈攀教授团队与昆士兰大学宋平安教授团队合作完成的研究，于2026年2月6日发表在《Research》期刊上。研究聚焦于气凝胶——一类以卓越隔热性能著称的超轻、高孔隙率材料。然而，传统气凝胶往往存在易碎、易燃或功能单一等局限。研究团队决定利用可再生材料和纳米级工程手段，重新构想气凝胶的结构。

“现代工程系统很少只面临单一挑战，”潘业唐教授指出，“我们旨在设计一种可持续的气凝胶，能够同时管理电磁波、提升防火安全、提供隔热效果并吸收声音。”该材料的核心基础是纤维素，这是地球上Zui丰富的天然聚合物，也是植物细胞壁的主要结构成分。纤维素具有可再生、可生物降解且能形成强三维网络的特点，是先进材料的理想基底。但未经处理的纤维素气凝胶易燃且电磁功能有限。

为克服这些局限，研究人员将镍基金属有机框架（MOFs）直接引入纤维素网络中。金属有机框架是由金属离子通过有机分子连接而成的多孔晶体材料，其结构可调且比表面积大，广泛应用于气体存储和催化领域。在本研究中，镍基金属有机框架在纤维素骨架中均匀生长，形成了互连的纳米级架构。随后，该复合材料经过受控的两步碳化过程。加热过程中，部分纤维素转化为导电碳骨架，而镍物种则转变为嵌入多孔基质中的纳米级磷化镍颗粒。

“碳化过程中形成的层级结构至关重要，”潘业唐解释道，“它创造了导电通路和丰富的界面，这对于强微波吸收至关重要。”值得注意的是，Zui终的气凝胶填料重量占比仅约5%，在保持超轻特性的同时增加了多重防护功能。电磁测试显示，该气凝胶在宽频范围内表现出强烈的微波吸收能力，Zui小反射损耗超过-50分贝，意味着入射电磁波被大量耗散而非反射。研究人员还观察到雷达散射截面显著降低，暗示其在电磁干扰屏蔽和隐身应用中的潜力。这一性能得益于导电碳网络与多孔结构内界面极化的协同效应。

防火安全是研究的另一核心焦点。在燃烧测试中，与传统未处理纤维素气凝胶相比，该材料将峰值热释放率降低了60%以上。碳化结构和镍衍生颗粒促进了稳定保护性炭层的形成，从而减缓热量传递并限制可燃气体的释放。“在不使用传统卤素基添加剂的情况下实现显著的阻燃效果是一项重要进展，”潘业唐表示，“它在增强安全性的同时保持了环境责任。”

尽管增加了多功能性，该材料的隔热性能依然强劲。高孔隙结构 trapping 空气并限制热传导，使其导热系数与商业绝缘材料相当。这使得材料能够在提供电磁隐身和防火保护的同时有效管理热量。声学测试进一步证明，该材料在宽频范围内具有有效的吸音效果。互连的孔隙网络和分层微观结构通过反复反射和内摩擦耗散声能，使其适用于需要降噪的环境。

潘业唐教授及其团队承认，该研究仍处于实验室阶段。未来工作需要评估其长期耐久性、机械强度以及在真实世界环境条件下的性能。“我们希望这一策略能激发下一代可持续防护材料的发展。”潘业唐说道。