气凝胶被誉为“能够改变世界的神奇材料”，因其极低的密度和热导率、超高的孔隙率和比表面积，在保温隔热、催化、航空航天等诸多领域展现出广阔的应用前景。将具有优异保温性能的纳米多孔气凝胶加工成一维纤维，不仅能保留气凝胶的纳米多孔特征，还赋予其柔性和可编织性，在个人热管理领域具有巨大应用潜力。然而，气凝胶纤维在实际穿着过程中不可避免地会遭受径向挤压，其内部骨架结构极易发生塌陷且难以恢复，导致其保温性能显著下降，这一直是制约气凝胶纤维从实验室走向实际应用的关键瓶颈。以往的研究多聚焦于提升纤维的拉伸韧性和强度，往往忽视了径向弹性，而日常穿着中不可避免的径向压缩恰恰是导致气凝胶纤维结构塌陷、保温性能衰减的主要因素。因此，如何开发一种具有径向高弹性的气凝胶纤维仍是气凝胶纤维走向个人热管理实际应用亟待突破的关键挑战。
该研究提出了一种普适性的“发泡-同轴纺丝”（Foaming-Coaxial Spinning, FCS）制备策略。利用高速搅拌在芯层纺丝液引入大量空气形成穹顶模板，经过与海藻酸钠（SA）和纤维素纳米纤维（CNF）的混合溶液进行同轴纺丝，最后通过溶剂置换和超临界CO₂干燥将穹顶结构完整保留，并协同化学气相沉积（CVD）调控骨架的刚性，成功解决了气凝胶纤维径向弹性差的难题。通过该策略制备的琼脂糖（AG）气凝胶纤维在径向40%的形变下，弹性恢复率接近100%，30次循环后不可恢复形变仅约5%，即使在80%的极端径向压缩下不可恢复形变也仅为16%。同时，由该纤维制成的纺织品还展现出优异的辐射制冷和保温性能。
图1 使用FCS策略构筑具有穹顶结构气凝胶纤维的示意图
图2 芯层溶液组分的调控
a. 不同质量的十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和不同体积的聚乙烯醇（PVA）对AG体系发泡能力的影响；b. AG体系发泡前、发泡后以及发泡10 min后的光学照片；c. 具有核壳结构的AG气凝胶纤维的SEM图。
溶液发泡能力及所制气凝胶纤维形貌表征结果表明，通过调控SDBS及PVA等组分可实现AG前驱液发泡行为的精准调控。其中，AG-2-18形成了最为完整的微米/亚微米级穹顶结构，因此被选为后续性能研究的代表样品。
图3 AG气凝胶纤维的径向弹性
a. SA empty shell、Non-foam AG和Foam AG的应力-应变曲线；b. Foam AG在不同径向压缩比下的应力-应变曲线；c. Non-foam AG的SEM图；d. Foam AG在径向压缩80%时的压缩和恢复照片；e. Foan AG内部的岛状结构；f. 40%径向压缩下Foam AG和Non-foam AG的有限元模拟；g. SA empty shell、Non-foam AG和Foam AG的红外光谱。
径向弹性测试结果表明，引入穹顶结构后，Foam AG在40%压缩应变下的弹性恢复率接近100%，经30次循环后不可恢复形变仅约5%，并在80%极限压缩下保持较好的形变恢复能力。有限元模拟及微观结构分析表明，穹顶结构通过构建几何约束和额外变形空间，促进纳米骨架协同变形并分散外部应力；CVD改性进一步增强骨架刚性和应力传递能力，二者协同提升了气凝胶纤维的径向弹性，同时赋予其优异的疏水性能。
图4 气凝胶纤维纺织品的辐射制冷和保温性能
a and b. 室外辐射制冷的测试结果；c and d. SA empty shell、Non-foam AG和Foam AG的中红外发射与太阳光反射光谱；e. Foam AG的孔径分布；f. 热板上不同织物的温差；g. 引入穹顶结构后气凝胶纤维辐射制冷和保温性能改善的机理示意图；h. 不同织物的热循环测试结果；i. Foam AG和Non-foamAG传热的有限元模拟。
户外测试及光学表征结果表明，Foam AG织物可实现最高9.2 °C的峰值亚环境冷却和4.5 °C的平均亚环境冷却，其太阳光反射率高达88%，显著高于Non-foam AG和SA空壳。这是由于引入不同尺度的穹顶孔结构，可通过多尺度Mie散射增强太阳光反射，从而显著提升材料的辐射制冷性能。
保温测试及有限元模拟结果表明，穹顶结构将连续的三维网络分隔为大量气室，能够有效抑制气相对流和固相热传导，并通过增加气固界面和红外反射进一步降低热传递。Foam AG的热导率低至0.034 W m–1 K–1，在90°C热源下，Foam AG织物上表面与热板之间仍可维持约30 °C的温差，且经多次加热-降温循环后保持稳定的隔热性能。
图5 Foam AG的全天候热管理性能
a. 全天候热管理的示意图；b. 辐射制冷测试装置的示意图；c and d. 炎热和寒冷天气下不同织物底面的温度；e. 不同织物的温度适应曲线；f. 不同织物的热循环测试结果；g. 不同织物和热板之间的温差。
全天候实地测试结果表明，Foam AG织物能够根据环境变化实现自适应热管理：在炎热正午可实现6.2 °C的平均亚环境冷却效果，净降温功率达到56.8 W m⁻²；随着太阳辐射强度逐渐降低，织物温度在17:45后逐渐高于棉织物，表明其能够有效减少人体热量散失。进一步的等厚度热循环测试表明，在90 °C热源下，Foam AG织物表面温度分别比羊毛和棉织物低5和19 °C。这证明其兼具优异的辐射制冷和保温性能，可实现全天候个人热管理。