北京
国际纳米科学领域重要期刊《ACS Nano》发表文章Advanced Deformable Ceramics: The Origin, Evolution, and Prospectives of Electrospun Ceramic Nanofiber Materials（DOI: 10.1021/acsnano.6c08357），围绕静电纺陶瓷纳米纤维的发展历程，梳理了其制备技术、结构设计、力学增强机制及多功能应用，并对规模化制造与未来发展方向进行了讨论。文章通讯作者为：东华大学俞建勇院士、韩国Il-Doo Kim院士、江南大学强思雨。
论文原文：
https://doi.org/10.1021/acsnano.6c08357
传统陶瓷具有优异的耐高温、耐腐蚀和抗氧化性能，但固有脆性限制了其在柔性器件及复杂服役环境中的应用。近年来，随着纳米纤维成形技术与微观结构调控方法的发展，具有柔性、弹性甚至室温塑性变形能力的陶瓷纳米纤维相继出现，为突破传统陶瓷的力学性能局限提供了新的研究思路。该文章重点关注陶瓷纳米纤维的结构演化及其可变形机制，探讨其从传统脆性材料向先进可变形陶瓷发展的科学基础。
1、静电纺陶瓷纳米纤维的起源与制备
文章回顾了静电纺丝技术从早期电流体力学研究到现代纳米纤维制造的发展历程，并重点介绍了陶瓷纳米纤维的主要制备方法。传统聚合物模板法虽然能够有效改善无机前驱体的可纺性，但高温煅烧过程中有机组分的分解容易引入孔洞、微裂纹等缺陷。近年来发展的自模板静电纺丝技术，通过调控无机前驱体的水解与聚合反应，构筑具有链状特征的无机分子结构，为制备高致密、高性能陶瓷纳米纤维提供了新的技术路径。此外，文章还总结了核壳、中空、多孔及多级复合结构等典型纤维形态及其制备策略。
图1.静电纺陶瓷纳米纤维的典型微观结构，包括核壳、中空、多孔、多级复合结构及不同形式的纤维膜。
2、陶瓷纳米纤维的可变形机制与力学增强
陶瓷纳米纤维的柔性不仅取决于其纳米尺度特征，还与晶粒尺寸、晶界状态、晶相组成及缺陷分布密切相关。文章总结了晶粒细化、离子掺杂、多相结构设计及缺陷调控等增强策略。例如，Zr⁴⁺掺杂能够使TiO₂纳米纤维的平均晶粒尺寸由29.1 nm降低至17.5 nm，并改善其柔性表现。同时，纤维间的黏结、缠结及网络结构设计，也是实现二维纤维膜和三维纤维气凝胶宏观弹性的重要因素。文章从单根纤维到宏观纤维集合体的不同尺度，讨论了微观结构与力学性能之间的内在联系。
图2.陶瓷纳米纤维柔性形成机制及微观结构调控的代表性研究
3、陶瓷纳米纤维的前沿应用
随着材料结构与力学性能的不断改善，陶瓷纳米纤维的应用已由传统隔热和过滤逐渐拓展至能源、环境及生物医用等领域。文章重点介绍了其在极端隔热、宽频吸声、柔性储能、光电催化、精细过滤、高灵敏传感、抗菌及组织修复等方面的研究进展。其中，三维陶瓷纳米纤维网络兼具高孔隙率、低热导率和优异的高温稳定性，在航空航天及极端环境热防护领域展现出良好的应用前景。通过进一步的组分与结构设计，陶瓷纳米纤维有望实现力学性能与多种功能特性的协同提升。
图3.陶瓷纳米纤维在隔热、吸声、储能、催化、过滤、传感及生物医用等领域的代表性应用
4、规模化制造与未来展望
陶瓷纳米纤维的工程化应用仍面临产率较低、前驱体稳定性不足及连续热处理困难等问题。传统单针静电纺丝的陶瓷纤维产率通常仅为0.05～1 g/h，而部分交变电场静电纺丝技术已将产率提升至4.8～6.4 g/h，体现出规模化制造的潜力。未来，仍需进一步加强前驱体化学、微观结构与力学机制研究，并推动高通量纺丝及连续化热处理技术的发展，为高性能陶瓷纳米纤维的实际应用奠定基础。
图4.静电纺陶瓷纳米纤维规模化生产线示意图及设备实物图
本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文团队支持。
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