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全球范围内野火活动持续加剧，对生态系统、公众安全、城乡交界（WUI）基础设施造成毁灭性影响，火灾防控成本与治理难度显著提升，而人类定居点向野生区域扩张进一步加剧WUI区域火灾风险。
现有野火防控材料主要分为灭火剂与阻燃剂两大类，均存在难以突破的应用局限：传统水基灭火剂（如 A 类泡沫、消防水凝胶）粘附性差、仅在含水状态下有效，水分蒸发后阻燃能力急剧下降，无法用于长期预防性防护；商用磷系、金属氢氧化物类阻燃剂与植被/基材表面结合力弱，易被雨水冲刷、风力侵蚀流失，难以实现数天至数周的长效防护。
2.1 实验材料
2.2 材料制备
（1）将明胶在40 ℃以上加热溶解，配制成均匀溶液；依次加入质量分数0.2 wt% SDS、1 wt% PolyQ，再加入疏水SiO₂颗粒，搅拌至分散均匀得到前驱液。
（2）采用两支医用注射器和软管连接的装置，通过反复推拉实现气液充分混合；混合液在注射器出口处自发爆破分散为微气泡，形成多孔水凝胶；通过调整膨胀比（ER）精准控制水凝胶密度。
（3）将配制好的前驱液置于50 ℃恒温压力罐中保温；通入0.5 MPa压缩空气，在S-K静态混合器内与热液强制混合发泡，制成适用于粘弹性液体的稳定多孔水凝胶；通过调节气体流量控制ER。
（4）将制得的多孔水凝胶直接置于常温常压环境下干燥，无需超临界干燥、冷冻干燥或其他后处理，即可得到结构完整、不开裂、不塌陷的类泡沫气凝胶。
图2A为常温条件下合成多孔水凝胶气凝胶的方法，通过调控ER可精准控制材料密度、孔隙率与孔结构。图2B显示，最优配比GSiP-10/15/1水凝胶具备优异的可注射、可喷涂性能，可直接适配野外泵送、喷雾设备；图2E对比验证，不含明胶的对照组（GSiP-0/15/1）在1小时内孔结构完全坍塌，而GSiP-10/15/1经4天常温干燥仍保持完整宏观形貌，成功转化为力学稳健的气凝胶；图2F、G、H进一步证实，该气凝胶具备优异阻燃性、高承重能力（可承受自身重量约1000倍）与规模化制备潜力（最大直径可达30 cm）。
2.3流变特性与界面稳定机制
流变测试结果（图2C、D）表明，纯明胶水凝胶储能模量（G'）低、界面稳定性差，加入PolyQ/SDS 复配体系后，气-液界面形成物理交联网络，显著提升凝胶弹性与抗形变能力；疏水SiO₂的引入进一步强化界面强度，完全抑制液相排水、气泡合并与歧化现象，保障水凝胶在长时间放置与干燥过程中结构稳定。
2.4 多基材强粘附性能与作用机制
如图2I、J所示，GSiP水凝胶在水合态通过低能形变完全贴合基材表面，干燥后模量从1358 Pa大幅提升至0.2 MPa以上，实现物理锁合与化学粘附双重强化：在木材表面剪切强度超过2.0 MPa，显著优于商用胶粘剂；同时可牢固粘附钢板、硬质聚氨酯（RPU）、挤塑聚苯乙烯（XPS）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）等WUI 区域典型建材。如图2K所示，其强粘附源于明胶分子中氨基、羧基、羟基与基材间形成氢键、金属配位、阳离子‑π、静电相互作用、偶极‑偶极相互作用的多重非共价协同作用，木材表面丰富羟基与微观粗糙形貌进一步提升结合牢度。
图2 (A) 常温条件下合成多孔水凝胶气凝胶的方法示意图；(B) 常温下气体与液体比例为4:1时可注射多孔水凝胶的形貌特征；(C，D) 常温下ER=4时多孔水凝胶的流变学测试结果；(E) 常温下气体与液体比例为4:1时不同时间点多孔水凝胶形貌变化；GSiP-10/15/1多孔水凝胶经常压干燥后最终形成坚固气凝胶；(F) 干燥状态下GSiP-10/15/1气凝胶暴露时间=30秒耐火性能定性验证；(G) 该气凝胶可承受自重约1000倍的载荷而不发生形变；(H) 大尺寸气凝胶样品照片；(I) 定性粘附测试结果证实干燥水凝胶具有优异粘附性能；(J) 干燥状态下多孔水凝胶在不同基材上的剪切强度测试结果与若干传统及商用粘合剂对比；(K) 明胶、PolyQ与基材表面官能团间的相互作用机制
3.1 力学稳定性、密度与导热性能调控
（1）组分对气凝胶结构完整性的影响
如图3A所示，不含SiO₂时，明胶分子间强氢键导致气凝胶严重收缩、开裂；不含明胶时，SiO₂无法形成连续框架，孔结构瞬间坍塌；仅当明胶与疏水SiO₂合理配比时，气凝胶才能在常温干燥后保持无裂纹、高完整度的宏观结构。
（2）ER对密度与导热系数的调控
如图3B、C所示，通过改变初始发泡ER，可精准调控气凝胶的密度、孔隙率与导热性能。随ER增大，气凝胶密度线性降低，导热系数同步下降；当ER=6时，导热系数低至≈26.9 mW·m⁻¹·K⁻¹，显著优于XPS（35-45 mW·m⁻¹·K⁻¹）、RPU泡沫（30-40 mW·m⁻¹·K⁻¹）等传统石油基保温材料，具备优异的隔热潜力。
（3）多级孔结构与力学性能
如图3D-G的SEM形貌与EDS图谱显示，GSiP‑10/15/1气凝胶形成孔径50-100 μm 的多级连通孔结构，疏水SiO₂均匀分布于孔壁表面，形成桁架状刚性支撑；图3H压汞测试证实材料存在多尺度孔道，大量固–气界面与固–固界面大幅增强声子散射效应，这是导热系数极低的核心原因。图3I小角X射线散射（SAXS）表明，随ER增大，材料从纳米有序孔结构转变为宏观无序多孔形态，孔结构可控性强。图3J压缩力学测试显示，GSiP‑10/15/1气凝胶压缩屈服强度达1700 kPa，力学性能优异，可进行切割、雕刻等机械加工，适配复杂工程应用。
3.2 阻燃机制与水环境适应性抗性能力
（1）高温火焰防护行为
采用约1500℃丁烷火焰模拟野火高温冲击，GSiP‑10/15/1水凝胶遇火瞬间自发膨胀，快速形成黑色致密炭质隔热壳，随灼烧时间延长，表层进一步生成白色连续SiO₂烧结层（图4A、D），双重层状结构高效阻隔热量、氧气与可燃挥发分；移除防护层后，木材基底无任何灼烧、炭化痕迹（图4B），防护效果显著。
（2）阻燃性能定量对比
对比燃烧测试（图4C、E）表明，GSiP‑10/15/1 水凝胶与干燥后气凝胶均可保护木材耐受5分钟连续火焰灼烧，炭化率接近0；而纯水、商用A类泡沫仅能保护基材不足3分钟，水分蒸发后立即失效；低SiO₂配比样品防护能力显著下降。极端热防护测试（图4J）中，3 cm厚GSiP气凝胶板材经200 秒高温火焰灼烧，背温（L2点）稳定低于40℃，中心温度（L1点）低于75℃，而商用RPU泡沫瞬间引燃、温度急剧突破600℃，隔热防火差距显著。
图4 (A) 含水状态下GSiP-10/15/1多孔水凝胶（膨胀比ER=4）的燃烧过程；(B) 去除保护性炭层后的木质基材；(C) 经配方#1至#6处理的燃烧木材样本在火焰暴露3分钟和5分钟后的图像；(D) 由GSiP-10/15/1水凝胶（含水状态，ER=0）、含水多孔水凝胶（含水状态，ER=4）及气凝胶（干燥状态，ER=4）形成的保护性炭层；(E) 经配方#1至#6处理的燃烧木材样本在燃烧3分钟和5分钟后的炭化速率；(F) 不同火焰暴露时间下，经GSiP-10/15/1多孔水凝胶（含水状态，ER=4）和气凝胶（干燥状态，ER=4）处理的燃烧木材炭化速率；(G) 不同二氧化硅含量的GSiP-10/y/1气凝胶在燃烧5分钟后的炭化速率；(H)不同膨胀比及二氧化硅含量的GSiP-10/15/1多孔水凝胶（含水状态）最大膨胀高度；(I) GSiP-15/15/1气凝胶（干燥状态）在水浸泡前后的阻燃性能；(J) 用于评估干燥状态下GSiP-15/15/1气凝胶板与商用 RPU 泡沫隔热性能的定制实验装置示意图，以及板材中心区域与未暴露表面的温度变化曲线
（3）多层次阻燃机理解析
如图5A、B热重分析（TGA）与微商热重曲线（DTG）显示，纯明胶气凝胶在200-400℃快速分解，800℃残炭率仅约18%；随SiO₂含量提升，热分解速率显著降低，分解峰向高温移动，GSiP‑10/15/1气凝胶800℃残炭率超过75%，形成稳定炭–SiO₂复合防护层。图5D-G的XPS光电子能谱与元素分析证实，火焰灼烧后气凝胶表层明胶充分分解，SiO₂富集并形成Si‑O‑Si 致密网络，碳、氮含量自上而下显著降低，硅含量显著升高，形成梯度防护结构。图5H、I的SEM微观形貌显示，灼烧初期表层SiO₂保持颗粒态，随时间延长逐步烧结连通，孔道自发收缩封闭，彻底阻断热传导、热对流与氧气扩散，实现高效阻燃。
3.3 WUI多基材通用防火防护性能
（1）材料本征阻燃性
如图6A所示，GSiP‑10/15/1气凝胶具备本征不燃特性，酒精灯直接灼烧无引燃、无火焰蔓延、无熔滴，仅缓慢炭化形成防护层。
（2）极限氧指数（LOI）提升效果
将气凝胶涂覆于木材、RPU、XPS、PET、PE 等典型易燃基材后，材料LOI从17%-22% 大幅提升至大于40%，并通过UL‑94V‑0最高阻燃等级测试（图6B），防火等级实现质的飞跃。
（3）真实燃烧行为优化
如图6C-E锥形量热测试显示，在35 kW·m⁻²辐射热流条件下，未涂层基材10秒内快速引燃，热释放速率峰值（PHRR）、产烟速率（SPR）、CO₂生成速率（CO₂P）急剧升高；涂覆GSiP气凝胶后，基材引燃时间延长至超过350秒，PHRR降低74%-83%，产烟与有毒气体释放量显著降低，火灾危险性大幅下降。
（4）防火安全指数定量评价
如图6F防火性能指数（FPI）与火灾增长指数（FGI）计算结果表明，GSiP气凝胶涂层使木材、RPU 等基材FPI 提升一个数量级，FGI降低80%以上，防火安全性显著优于未涂层样品；与图6G现有文献报道的木材阻燃涂层相比，本材料在引燃时间、LOI、PHRR 降低率等核心指标上均实现全面超越。
3.4 植被防火带实际应用效果
（1）模拟野火测试装置
如图7A所示，以西南林区典型可燃物——干松针搭建1 m×1 m燃料床，构建200 mm宽人工防火带，模拟真实野火蔓延场景，系统评价GSiP材料的阻火能力。
（2）不同防火带材料阻火效果对比
如图7B、C所示纯水与SiO₂分散液，在松针表面粘附性极差，喷涂后快速流失，防火带完全失效，火焰300秒内烧穿整个燃料床；
商用磷系阻燃剂（APP、MAP）：仅在含水湿润状态下具备阻火效果，干燥后耐候性差，易被风雨侵蚀，火焰可快速突破防火带；
GSiP-10/15/1水凝胶：喷涂后均匀附着于松针表面，火焰接触防火带后瞬间自熄，火线温度从400-500℃快速降至100℃以下；常温干燥3天转化为气凝胶后，仍可100% 阻断火势蔓延（图7D、E），实现干湿双态长效防护。
（3）火势传播速率与长期耐候性
图7G火焰前沿推进测试显示，无防火带时野火传播速度高达约3.6cm·s⁻¹，经GSiP 防火带阻隔后火势完全停滞；耐风雨侵蚀测试证实，气凝胶防火带经模拟雨水冲刷（5 L·m⁻²）、户外放7天后，阻燃保留率仍大于40%，图6H、I的燃烧损耗率低于60%，具备满足野外数天至数周长效预防性防火的应用潜力。
图7 (A) 评估防火隔离带抑制PN火灾蔓延效果的实验装置；(B) 由不同材料配方构成的防火隔离带对PN火灾蔓延的灭火性能；(C–F) 设置与未设置防火隔离带时燃料床表面温度随时间的变化曲线；(G) 应用防火隔离带后PN火焰火线位置随时间推移的演变过程；(H) 不同配方防火隔离带的燃烧比例；(I) 经喷水处理及后续干燥后，由GSiP-10/15/1气凝胶（干燥状态）制成的防火隔离带燃烧比例。除非另有说明，ER值固定为4
（1）本研究受陆生蜗牛黏液蛋白–聚电解质双网络生物粘附机制启发，成功构建明胶-PolyQ/SDS-疏水SiO₂多孔水凝胶平台，通过常温干燥模板法实现高粘附、高性能气凝胶的低成本、规模化制备，制备工艺简单、无需复杂设备，可直接用于野外喷涂施工。
（2）所制备GSiP气凝胶兼具四大核心优势：多基材强粘附（木材剪切强度＞2.0 MPa）、超低导热系数（＜27 mW·m⁻¹·K⁻¹）、超高阻燃性能（LOI＞40%、UL-94 V-0）、优异耐水耐候性，彻底突破传统水基灭火剂依赖水分、商用阻燃剂易流失的技术瓶颈。
（3）材料具备独特的双重阻燃机制：遇高温后表面孔道自发收缩，快速形成炭质隔热层与连续SiO₂烧结阻隔层，协同阻断热/质传递，显著延长基材引燃时间、抑制火焰蔓延。
（4）应用场景广泛，既可作为木材、泡沫塑料、金属等WUI基础设施的长效防火涂层，也可直接喷涂于植被表面形成永久性防火带，为全球野火长效防控、城乡交界区域安全防护提供创新型、工程化的材料解决方案。
（5）未来可进一步用生物基可降解表面活性剂替代SDS，提升材料环境友好性，并可拓展其在被动辐射制冷、建筑节能、个人热管理等领域的应用价值。
成果简介
上述研究成果发表在Advanced Functional Materials期刊上；
Xiaoyang Yu, Huan Li, Xuyang Miao, Ning Kang, Ruowen Zong, Shouxiang Lu,Mingjun Xu, Man Pun Wan；
Bioinspired Porous Hydrogel Templating Enables theAmbient Synthesis of Highly Adhesive Aerogels forLong-Term Wildfire Prevention and Infrastructure Protection；
撰稿：王珺
审核：李坤毓
本课题组检测设备推广
本课题组联合中国安全生产科学研究院、北京理工大学及科邦实验室攻关4年，设计并研发了国内首个集热失控、产气、火灾、爆炸与抑制全链条测试于一体的立式综合实验平台——电池模组火灾爆炸与抑制一体化立式综合实验舱，它不仅填补了国内在电池极端安全测试领域的空白，更成为新能源电池研发、认证与安全评估的“终极考场”。实验舱模型具体见图1。
图1 综合实验舱模型
传统电池测试往往需要多个设备、多次实验，数据分散、流程冗长，难以真实还原电池事故的连续演变过程。我们推出的KB-1000-L 型立式综合实验舱，首次实现了从“热失控—产气—火灾—爆炸—灭火抑爆”的全周期一体化测试。无论是电池单体的热失控行为，还是模组级别的热蔓延与爆炸动力学，亦或是灭火材料的抑制效果，都可在同一平台、一次实验中完成数据采集与分析。综合实验舱的具体功能组成图见图2。
图2 综合实验舱的组成和功能演示图
1 多重耦合，真实还原事故诱因
现实中，诱发电池事故的发生往往是多因素耦合的结果：快充过热、挤压短路、高温环境等，因此单一的测试条件难以模拟真实的事故场景。基于此，我们所推出的实验舱支持“电-热-机械”三重滥用条件耦合加载，能够精准实现过充/快充+针刺/挤压；过充/快充+过热； 过热+针刺/挤压等两种及以上的滥用方式的耦合触发。通过挤压针刺装置、热量施加装置、电池充放电循环仪等模块，实验舱可模拟几乎所有已知的电池滥用场景，为事故溯源与安全防护设计提供真实的数据支撑。
2 极端环境模拟，上天入海无死角
电池不仅在车辆中使用，更广泛应用于高空无人机、深海探测器、井下设备等极端环境，传统测试设备难以模拟这些特殊工况环境，因此对于极端环境下的锂电池的研究处于空白状态。而我们所推出的实验舱具备0–3 MPa超压环境模拟能力，覆盖高空低压、深海高压等复杂气压条件。配合20处气氛喷口，可模拟氩气、甲烷、一氧化碳等多种可燃性气体环境，也能实现模拟对于煤矿等传统采矿业中的电池应用场景，真正实现“上天入海”全场景覆盖。3 快速切换，多维诊断，智能孪生
我们推出的立式综合实验舱可在5分钟内切换“爆炸”与“火灾”模 式，实验舱采用了快开式爆炸腔体结构，可在5分钟内完成从“封闭 爆炸测试”到“开放火灾测试”的模式切换，极大提升了测试效率。同时实验舱还实现了多源异构信号同步采集，实验舱集成了力、电、气、 热、火等多维信号诊断系统，可以同步检测：电池膨胀力、针刺挤压 力、舱内气压、抑制系统气压、爆炸超压等在线压力；CH₄、O₂、CO、CO₂、VOC 等在线气体；在线温度与热通量；500万像素双摄像头（正 视+俯视）可实现在线影像的实时监测。这些数据不仅可以用于实时分析，更可用于辅助构建电池失效数字孪生模型，为电池安全预警与系统设计提供深层洞察。
在城市地下管廊、城市燃气生命线、氢气储运、醚氨醇制氢、锂电储能等行业，面对火灾爆炸安全防控的挑战——我们专注研发与实践，提供系统性解决方案！
🔥主要技术与设备涵盖：
✅锂电池速冷灭火及防复燃新材料
✅锂电池跨温区热管理-阻隔热复合功能材料
✅基于MOF改性或多轴静电纺丝技术的锂电池本质安全隔膜材料
✅首台（套）锂电池热失控-产气-火灾-爆炸-抑制一体化立式综合实验舱
✅大尺度、高风险储能柜、气体（蒸气云）爆炸测试技术及方法
若您在上述领域有技术需求、设备合作或研发意向，欢迎与我们课题组交流联系。期待携手共筑安全防线，助力行业稳健发展！
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