奥卢大学亨里基·利马泰宁教授团队通过引入芳纶纳米纤维（ANF）作为增强材料，增强了纳米纤维素（CNF）气凝胶的机械强度和热稳定性。
结果表明，50%的ANF负载显著增加了杂化气凝胶的杨氏模量（从16.7 kPa增加到176.3 kPa）。更重要的是，气凝胶表现出非常低的导热系数（0.032 W/(m·K)）。
通过3D打印制备的气凝胶具有广泛的适用性，并克服了传统基于模具的制造技术的低效率和低精度。此外，气凝胶表现出优异的可回收性，因为它们可以通过分散干燥循环反复重整。通过管理5G智能手机主板上的热点区域，展示了3D打印气凝胶作为定制隔热材料的先进性能。
1. CNF/ANF气凝胶的制备
其制备过程如图1所示，由CNF和ANF组成的3D打印混合气凝胶通过四步连续工艺制备而成：首先对聚对苯二甲酰胺（PPTA）纤维进行化学剥离和结构修复，获得ANF分散体；接着通过TEMPO氧化法制备阴离子CNF水凝胶；将二者混合均匀后形成可打印的油墨，经3D打印、冷冻和冻干处理，最终形成多孔气凝胶。
ANF与CNF凭借亲水表面和丰富官能团形成强氢键，构成稳定均匀的分散体，适用于挤出式3D打印。ANF增强了CNF网络的机械性能，而CNF贡献了优良的隔热特性，使该气凝胶可作为高性能热防护基材，应用于便携式电子产品如5G手机主板的热管理。
图1 通过3D打印技术制备用于便携式电子设备隔热的CNF/ANF气凝胶示意图。
2. CNF/ANF气凝胶的机械特性
通过冻干制备的CNF/ANF混合气凝胶（C/A）具有超低密度（12–16 mg/cm3）和高孔隙率（99%左右），质地极轻且柔软，可随意卷折。含有50%ANF的C/A混合气凝胶（C/A50%）结构稳定、无开裂；但含量提高到70%时会出现结构破损。
该气凝胶机械强度高，可承受远超自身重量的负载，这归因于ANF的刚性形态与CNF之间形成的强氢键网络，共同增强了纳米纤维网络的承载能力。XRD和FT-IR分析证实两组分间存在氢键作用，ANF的加入提高了材料的热稳定性，使其分解温度升至520℃以上。压缩测试显示混合气凝胶模量显著提高，50% ANF添加时杨氏模量达到纯CNF气凝胶的10倍，并在多次循环压缩后仍保持良好形状恢复能力和结构稳定性。
图2 (a) CNF、C/A10%、C/A30%和C/A50%气凝胶立在花朵上的照片。(b) C/A50%气凝胶在弯曲和滚动下的照片。(d) CNF、C/A10%、C/A30%、C/A50%和AN气凝胶分别的XRD图样、(e) 傅立叶变换红外光谱和 (f) TG曲线。(g）CNF、C/A10%、C/A30%和C/A50%气凝胶的压缩ε-σ曲线。(h) 相应的杨氏模量和屈服应力值。(i) C/A50%气凝胶在50次循环（ε=20%）疲劳试验中的高度保持率。
3. CNF/ANF气凝胶的隔热性能
C/A气凝胶具有低密度、高孔隙率和曲折多孔结构，使其成为优异隔热材料，导热系数均低于0.035 W/(m·K)。ANF的加入对导热性能影响不大，但略微提升了C/A50%气凝胶的隔热性，这归因于更均匀的多孔结构和增强的界面声子散射。经多次回收后，其隔热性能依然稳定。
红外热成像显示，该气凝胶在高温和低温环境下均能有效阻隔热传递，表面温度变化远小于聚苯乙烯泡沫和棉纺织品，表明其在恶劣条件下具备良好的保温性能。
图3 (a) CNF、C/A10%、C/A30%和C/A50%气凝胶的导热系数。(b) 105 ℃下加热气凝胶的热图像俯视图。(c) 30分钟后观察到的热图像侧视图。 (d) 热/冷环境下的测试装置示意图。(e) C/A50%气凝胶、棉织品和聚苯乙烯泡沫在高温（96 ℃）和低温（-50 ℃）下的温度-时间曲线。
4. CNF/ANF气凝胶的可打印性
气凝胶是优异的隔热材料，3D打印技术解决了其难以精确塑造复杂形状的问题。其中以CNF和ANF混合水凝胶（ANF含量50%）作为打印油墨，高粘度ANF分散体可以形成具有所需流变性能的稳定CNF油墨，并且刚性ANF可以减轻冻干过程中气凝胶多孔结构的变形。
经优化后，1 wt% CNF与2 wt% ANF配比的墨水具有良好的流变性能，优化后的油墨配方确定为CNF:ANF=50:50，该组合物易于打印且能保持结构稳定，成功打印出多种高精度复杂形状，并在冻干后仍保持优异的结构完整性和形状保真度。
该墨水具有剪切稀化和快速恢复粘度的特性，利于挤出并维持形态。打印出的气凝胶在不同温度条件下均表现出显著的隔热性能，其效果随厚度增加而提升，展示了在电子隔热领域的应用潜力。
图4 (a-c）将C/A50%气凝胶3D打印成芬兰地图、飞机和戒指的形状。左侧插图为设计模型，右侧插图为干燥后的气凝胶（比例尺：2 cm）。(d) 三维打印纤维素水凝胶网格的光学照片（比例尺：10 mm）。(e）打印物体漂浮在水面上（e1）和自支撑环（e2）。(f) 在频率为1 Hz的恒定条件下，动态应力扫描与C/A50%油墨剪切应力的函数对数图。插图为稳态粘度随剪切速率变化的对数对数值图。(g) 热板上不同厚度的3D打印C/A50%气凝胶的红外图像。(h) 不同厚度的3D打印C/A50%气凝胶在使用干冰冷却的冷板上的红外图像。(i) 热/冷平台与不同厚度气凝胶之间的温差。
5. CNF/ANF气凝胶在智能手机上的应用
本研究通过将3D打印的CNF/ANF混合气凝胶集成至5G智能手机的主板，有效隔离了CPU运行产生的热量。实验显示，在手机高负荷运行时，加装该气凝胶可使表面温度从约47℃显著降低至31℃，极大改善了使用舒适度。
气凝胶的多孔结构有效抑制了热对流、传导和辐射，具备优异的隔热性能，其导热系数低至0.032 W/(m·K)，且长期热稳定性良好。与现有碳、氮化硼、聚酰亚胺及二氧化硅气凝胶相比，该材料在机械强度与隔热性能之间取得了良好平衡，显示出作为电子设备热管理材料的应用潜力。
图5 (a) 5G智能手机（诺基亚 8.3 5G）背面照片。(b) 用气凝胶绝缘体覆盖智能手机主板的方案。(c) C/A50%绝缘体的照片。插图显示了培养皿上印刷的C/A (5:5)水凝胶。(d) 智能手机背面的红外图像：(d1-d3) 主板未覆盖C/A50%绝缘体，(d4) 主板覆盖3D打印的C/A50%绝缘体。(e) 无C/A50%绝缘体和有C/A50%绝缘体的主板的温度与时间的函数关系。(f) 使用气凝胶绝缘体的主板隔热示意图。(g) 不同气凝胶材料的热导率与密度的关系。
本研究通过CNF和ANF的协同组合制造了可定制的3D打印混合气凝胶，具有增强的机械性能和热稳定性。C/A50%由于ANF的刚性和成分之间良好的界面附着力，其压缩模量比纯CNF气凝胶高出十倍。杂化气凝胶表现出独特的多孔和缠结结构，产生超低密度（12-16 mg/cm3）和非常低的导热系数（0.032-0.034 W/(m·K)）。
此外，C/A水凝胶被用作3D打印油墨，可以制备具有定制架构的气凝胶，用于便携式电子产品的隔热。定制3D打印C/A50%气凝胶的热管理能力在5G智能手机的主板上进行了演示，表现出卓越的隔热性能，为下一代高功率设备的热管理提供了可规模化的绿色解决方案。