近期，清华大学材料学院伍晖教授课题组、航天航空学院赵立豪教授课题组与瑞士联邦材料科学与技术研究院赵善宇高级研究员课题组合作开发了一种全新的、均匀湍流驱动的无针头溶液气纺丝技术，提出利用滚筒式装置连续输送纺丝溶液进行均匀湍流纺丝制备超细卷曲纤维的方法，成功实现了超细卷曲纤维的高通量制备，为规模化生产提供了新思路。经中国质量认证中心审核，该系统制备超羽绒保暖服装具备良好的环境友好性，14项环境影响指标优于羽绒制品。

弯曲的纤维结构在自然界中广泛存在。在自然演变过程中，许多耐寒动物具备了独特的毛发形态以适应严寒环境。卷曲的毛发结构在安哥拉山羊、瓦莱黑鼻羊、西伯利亚狐、冰岛羊以及林肯郡卷毛猪等极地或高纬度地区物种中普遍存在。更重要的是，这种特殊的纤维结构通过复杂的空间排列方式，显著提升了毛发系统的蓬松度和孔隙率。相互交错的卷曲纤维能够有效阻滞空气流动，形成稳定的隔热层，从而显著降低热传导效率。这种精妙的结构适应性不仅增强了动物的体温调节能力，更使其在极端寒冷环境中维持理想的热舒适状态。

在材料科学领域，超细纤维海绵材料因其独特的物理化学特性，成为最具发展前景的新型功能材料之一。这类材料凭借其优异的高孔隙率、超低密度和出色的热阻性能，在高效保暖领域展现出显著优势。有效调控超细纤维的卷曲度，可显著提升其隔热性能与力学特性。因此，开发可大规模制备具有高度均匀卷曲结构的超细纤维技术，不仅对推动功能性保暖材料的创新发展具有科学意义，更为实现高性能隔热材料的工业化应用提供了技术支持。

前人发现，在包含多尺度涡旋的湍流中，流体微团受到流动拉伸和弯曲作用会发生显著变形，从侧面展现了湍流驱动超细纤维卷曲变形的潜力。在传统纺丝方法中，气流通过单个纺丝孔时，形成的射流从层流发展到湍流需要较长时间，而且湍流均匀性较差。本项工作采用风洞实验中常用的格栅诱导湍流方法生成了具有显著强度的均匀湍流，为制备具有较好均一性的超细卷曲纤维提供了流动环境。

图1.以安哥拉山羊毛发为灵感的高度卷曲超细纤维衣物制备示意图

图2.格栅诱导的均匀湍流制备高度卷曲超细纤维材料过程

计算流体力学模拟揭示了，本项工作中气流穿过格栅产生的均匀湍流中存在多尺度、强随机脉动的涡旋结构，这些涡旋对超细纤维产生了明显的拉伸和弯曲作用，实现高度卷曲超细纤维的大规模制备。这种高度卷曲的超细纤维构建了高效保暖结构，其超细级卷曲形貌提高了材料孔隙率，减少固体成分，延长热传导路径，增强界面热阻，有效降低热桥效应。同时，纤维结构中形成的封闭/半封闭气穴可阻碍空气流动，显著抑制对流传热。卷曲结构还能吸收与分散外力、扩大接触面积，提升整体机械稳定性。

该高性能卷曲超细纤维材料有望作为可持续的下一代保暖服装内衬，替代传统羽绒填充，减少对动物饲养、屠杀等环节的依赖。通过将羽绒替换为该材料，并搭配罗纹面料作为外层，在极寒环境下依然能够提供卓越的保暖性能。暖体假人测试结果显示，该材料的单位厚度克罗值是850蓬松度白鹅绒的两倍以上，展现出优异的御寒能力。此外，超细纤维结构带来的气流滑移效应有效提升了透气性和透湿性，显著改善了穿着时的舒适度。国家纺织品服装服饰产品质量检验检测中心（广州）的耐久性测试结果进一步验证，该材料在防油性、耐光性、抗水压性、紫外线防护、抗螨性及防霉等级等七项关键指标上均表现优异，具备良好的耐久性和健康保障性能，适用于长期使用。

图3.HCNFs作为服装内衬可达到超过羽绒的保暖效果

上述研究成果以“仿生超细纤维用于可持续隔热材料”（Biomimetic nanofibres for sustainable thermal insulation）为题，于7月29日在线发表在《自然·可持续》（Nature Sustainability）上，并已公开了3项发明专利。

清华大学材料学院2021级博士研究生程泽堃、清华大学航天航空学院博士后（现为湖南大学机械与运载工程学院副教授）崔智文为共同第一作者。清华大学材料学院伍晖教授、航天航空学院赵立豪教授与瑞士联邦材料科学与技术研究院赵善宇高级研究员为本论文的通讯作者。论文工作得到国家自然科学基金基础科学中心等项目支持。本项工作的合作单位还包括安踏（中国）有限公司、中国质量认证中心、北京工业大学材料低碳循环国家重点实验室、清华大学合肥公共安全研究院。