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【CNF/SiO2氣凝膠的制備】

CNF/SiO2氣凝膠是通過冰模板法制備獲得的，將纖維素納米纖維（TEMPO-CNF）和電紡制二氧化硅納米纖維（SiO2）經過高速均質機均質混合，再添加一定量的甲基三甲氧基硅烷（MTMS）作粘合劑。冰模板法能夠幫助氣凝膠獲得蜂窩狀的微觀結構，而雙網絡納米纖維相互纏結，進一步提升了機械強度和結構穩定性。在簡單的原位負載聚吡咯后，可以獲得具備電活性的PPy@CNF/SiO2。

圖1. CNF/SiO2氣凝膠的合成示意圖

【CNF/SiO2氣凝膠的機械性能】

合成的CNF/SiO2氣凝膠可以被大范圍的壓縮且能夠恢復到原本的高度，穩定的雙網絡纖維和蜂窩狀孔結構可以有效分散應力，并且能夠在撤去外力后恢復至初始狀態。在抗疲勞測試中，僅觀察到輕微的塑性變形（第 100 次循環時為 3.57%，第 1000 次循環時為 7.14%），具備出色的抗疲勞性能。且在低溫（液氮）和液體（乙醇）條件下也保持了超彈性和環境適應性。

圖2. CNF/SiO2氣凝膠的機械強度和形狀恢復

【CNF/SiO2氣凝膠的隔熱性能】

由于SiO2納米纖維和甲基三甲氧基硅烷的加入可以明顯提高CNF基氣凝膠的熱穩定性，結合各向異性的CNF/SiO2氣凝膠的超高孔隙率（99.37%），該材料在隔熱應用領域也具備廣闊的前景。CNF/SiO2氣凝膠顯示出最低的徑向和軸向熱導率分別為29.7 和 34.5 mW m-1K-1，顯著低于純CNF氣凝膠的44.3和46.3 mW m-1 K-1。在150°C加熱平臺持續加熱1h后，表面溫度保持在45.4°C，僅略高于初始溫度。結果表面表明，所設計的CNF/SiO2氣凝膠具備出色的熱穩定性和隔熱性能。

圖3. CNF/SiO2氣凝膠的熱穩定性和各向異性隔熱性能

【PPy@CNF/SiO2氣凝膠用于傳感器】

得益于CNF/SiO2氣凝膠的優異結構穩定性、抗疲勞性能和環境穩定性，僅通過簡單的原位聚合生長聚吡咯，在氣凝膠中形成三維導電網絡，即可使所得的PPy@CNF/SiO2氣凝膠表現出良好的線性壓縮靈敏度（在18 kPa下，S = 6.63）和高應變靈敏度（在4%應變下，GF = 9.38），不僅優于其他纖維素基氣凝膠，也高于多數已報道的碳基氣凝膠。優異的靈敏度可歸因于聚吡咯均勻覆蓋和高度可壓縮、彈性、有序的蜂窩狀結構。此外，PPy@CNF/SiO2氣凝膠也能夠準確的捕捉和記錄人體運動信號和脈搏等，有望應用于可穿戴電子設備、電子皮膚和人體檢測等。

圖4. 壓力傳感測試和基于PPy@CNF/SiO2氣凝膠的傳感器在測量生理信號中的應用

【小結】

綜上所述，該研究提出了一種基于雙納米纖維組裝的氣凝膠成型策略，該氣凝膠包含由冰晶形成的蜂窩狀孔結構，具有超彈性、隔熱和電活性特性。CNF與柔性SiO2納米纖維相互纏繞交織組成三維網絡，從而形成高度有序的多孔結構。表現出顯著的彈性、抗疲勞性、環境適應性和良好的隔熱性（29.7 mW m-1 K-1）。經原位聚合生長聚吡咯后，可進一步開發應變傳感器材料，具有出色的靈敏度（4%應變下應變靈敏度高達 9.38，18kPa下壓縮靈敏度高達18 kPa）。該雙納米纖維氣凝膠為創建高性能、多功能和超彈性平臺提供了一條可行的途徑，為下一代可穿戴傳感器材料開發提供了解決方案。