陶瓷气凝胶作为新一代热防护材料，在航空航天、能源存储等领域具有广阔应用前景，但长期以来面临一个核心难题：高强度与高柔性难以兼得——高孔隙率虽能带来优异的隔热性能，却往往以牺牲力学连续性为代价，严重限制了其在极端环境下的实际应用。近日，北京理工大学先进结构技术研究院徐宝升团队从蜘蛛网和植物藤蔓中汲取灵感，成功开发出一种具有“蜘蛛网内嵌弹簧”结构的纤维陶瓷气凝胶（SI-FCAs），以创纪录的力学性能和卓越的宽温域稳定性突破了这一困境。相关成果以“Bioinspired rubber-like superelastic fibrous ceramic aerogels with record-high strength-flexibility”为题，发表在材料科学领域顶级期刊《Materials Today》上。

自然界中，蜘蛛网凭借优化的网状构型实现了优异的强度与柔性协同，而植物藤蔓的螺旋环结构则赋予了其出色的层间拉伸能力。受此启发，研究团队提出了一种梯度纤维长度设计策略：利用长纤维提供柔性与弹性，短纤维通过增强纤维间缠结来提升刚度与强度(见图1)。显微计算机断层扫描(micro-CT)的结构分析表明，随着剪切压力增大，纤维长度梯度分布发生显著变化：最大纤维长度从SP-9.5的135 μm降至SP-10.5的115 μm，并进一步降至SP-11.5的95 μm。对纤维空间取向的分析进一步揭示了"蛛网内嵌弹簧"构型的形成规律：纤维长度与面外角（相对于z轴）之间呈非线性关系，SP-10.5样品中纤维在60–80°范围内呈现多角度倾斜，形成了面内蛛网纤维层与面外X形弹簧单元交织的特征构型。相比之下，三种样品在面内方向（相对于x轴）的取向均表现出随机分布，表明剪切压力主要调控纤维的长度梯度和面外排列，而非层内的横向分布。

该材料的制备工艺摒弃了传统陶瓷气凝胶所依赖的高成本冷冻干燥或超临界干燥技术，仅通过程序化剪切、过滤、干燥和煅烧四步常规工序（见图2），即可实现低成本、大尺寸的制备。在程序化剪切产生梯度长度纤维后，纤维在过滤过程中逐层堆叠形成波浪状宏观构型，建立了基础的蛛网纤维层。随后在煅烧阶段，氧化硼在450 °C以上熔融，黏度显著降低后充分包裹纤维，在纤维搭接处形成牢固的粘结点，最终构建出由波浪状蛛网纤维层与沿z轴穿插的X形可变形弹簧单元组成的稳健结构。

图1 仿生结构设计策略

图2 制备与结构表征

通过垂直于纤维层的单轴压缩测试，系统评估了纤维长度对蛛网内嵌弹簧结构力学性能的影响（见图3）。在力学性能上，该材料展现出了超越现有陶瓷气凝胶纪录的绝对优势。其压缩强度在10%应变下达到0.17MPa，在90%应变下高达4.22MPa，比此前文献报道的同类材料提升约两个数量级。为阐明纤维长度与宏观强度的反向关系，研究团队开展了多尺度分析。有限元模拟表明，在微观尺度下，较短纤维在相同应变下产生更高应力，固有刚度更大。当组装成蜘蛛网结构时，这些更刚硬的短纤维共同形成更为致密互联的刚性网络，实现更高效的载荷分配，从而从宏观层面增强了压缩强度与模量。尤为值得注意的是，材料在压缩过程中呈现出近零泊松比（约0.0089），意味着受压时几乎不发生横向膨胀，为热防护应用提供了宝贵的尺寸稳定性。

SI-FCAs成功克服了多孔陶瓷强度与柔性之间的经典权衡，展现出类似工程弹性体的“橡胶式”柔韧性和强度（见图4）。在落球冲击试验中，4毫米厚样品承受了13毫米的大弯曲挠度而未断裂；相同冲击下，传统刚性陶瓷瓦立即脆断，弹性陶瓷海绵虽具柔性但因强度不足而无法恢复（见补充材料）。与之形成鲜明对比的是，SI-FCAs以约315.35 mm s⁻¹的高速将陶瓷球以弹簧方式弹回，并在315至346毫秒间以每周期8毫秒的速度完成自由阻尼振荡。三点弯曲标准测试中，4毫米厚样品可承受13毫米的完全可恢复挠度而不发生断裂，弯曲强度高达90kPa。 

为揭示弯曲变形机理，研究团队进行了多尺度结构分析。宏观上，SI-FCAs呈波浪层状构型，由纤维层的逐序堆叠形成，弯曲时一侧压缩、一侧拉伸，如同弹簧。微观上，纤维层由X形单元互连，FIB探针力学测试表明，X形单元在高达50%的压缩变形下可完全回复，展示了纤维的高可变形性；而在约50%的拉伸变形下，纤维在固定端点发生断裂。综合而言，SI-FCAs的优异弯曲柔性源于宏观波浪层状结构提供的可变形空间、微观X形单元的可逆变形能力以及纤维本身的柔性这三个层次因素的协同作用。

得益于简便的制备工艺，SI-FCAs可低成本、大规模制造，已成功制备尺寸为30 cm × 30 cm × 6 cm的样品（见图5）。采用模块化设计，SI-FCAs可组装成主动可变形热防护系统，实现从圆柱形到圆锥形的形状变换，模拟高超声速飞行器矢量喷管的动态变形，也可从梯形重构为长方体构型。在隔热性能方面，该气凝胶在80 mg/cm³密度下实现了96.36%的超高孔隙率，沿垂直纤维层方向的导热系数低至0.029 W m⁻¹ K⁻¹，沿面内方向为0.041 W m⁻¹ K⁻¹，呈现出结构诱导的各向异性隔热特征。在实际工况模拟测试中，20毫米厚样品在1000℃加热100秒的条件下，冷面温度稳定控制在约123℃，且压缩至23%应变后隔热性能不受影响，验证了其在真实热-力耦合环境中的可靠性。

该工作中所展现的仿生结构设计策略，为研制下一代可变形热防护系统、可重复使用航天器组件等提供了全新的材料平台。凭借“高强度+超弹性+卓越隔热”的多重优势，这类弹性陶瓷气凝胶有望在高超声速飞行器及深空探测等前沿技术领域发挥关键作用。