仿生学以大自然为灵感来源,在各领域蓬勃发展,取得了诸多成果。在微/纳米材料领域,研究人员结合人工合成材料和制备工艺,实现了对天然结构和功能的模仿和复制,研制出了几种典型的结构仿生材料,例如仿生光子晶体、超浸润界面材料和力学结构材料等。其中,北极熊毛因其独特的中空结构和优异的隔热性能而受到广泛的关注和研究。目前,一系列仿北极熊毛结构的多孔纤维和织物相继被成功制备,但制备工艺较为复杂且难以构筑宏观尺度的三维块材。因此,基于北极熊毛的结构特点,发展简单的合成策略并精细调控材料的微观结构,设计制备出宏观尺度的三维块材,实现对材料的功能化及应用探索仍然是一大挑战。本论文着眼于此,以碲纳米线为物理模板,发展了一种简单的基于模板导向的水热合成策略,制备出一系列宏观尺度的仿生中空碳管气凝胶块材。首先,仿照北极熊毛的微观结构,通过优化碳管壁厚和孔隙率,制备了类似北极熊毛的超轻、疏水、隔热的仿生碳管气凝胶材料,该材料展现出优于北极熊毛的超弹性和耐疲劳性能。随后,设计制备了仿生双功能碳管复合气凝胶用于光热水蒸发,并探究了碳管气凝胶隔热层对提高光热转化效率的重要作用。最后,通过设计制备致密多节点交联结构,大幅度提高了中空碳纤维块材的力学强度。取得的主要研究结果如下:1.受北极熊毛中空结构具有良好隔热性能的启发,以直径35 nm的碲纳米线为模板,葡萄糖为碳源,发展了一种基于模板导向的水热合成策略。首先,葡萄糖在水解后包覆于纳米线表面和纳米线交联的结点上,形成核壳纤维水凝胶。随后经高温煅烧除去纳米线模板,最终得到类北极熊毛微观结构的中空碳管气凝胶材料。通过调节反应物的用量可以改变碳壳层的厚度和气凝胶的密度。研究表明,最优碳层壁厚为25 nm,此时的碳管气凝胶轻质疏水,密度仅为9.61kgm-3,接触角为146°。并且其固含量低,孔隙率高达94.3%,因此热导率低于空气,仅为23 mW m-1 K-1。相互交联的碳管网络框架赋予碳管气凝胶优异的超弹和耐疲劳特性,在钢球冲击下具有1434 mm s-1的压缩回复速度,可经受一百万次压缩并保持结构完整。此外,碳管气凝胶还具有突出的稳定性,在高湿度和重复压缩下,其热导率不降级,并且在100 Hz的高频压缩循环中仍能精准输出电学信号。仿生碳管气凝胶优异的隔热和力学性能来源于其独特的中空碳管网络结构,可用于隔热保温和压阻器件领域。2.基于优异的碳管气凝胶,制备了一种仿生双功能中空碳管复合气凝胶,并探索其在光热水蒸发领域的应用。为实现一体两用的效果,轻质疏水的碳管气凝胶直接用作隔热层,并通过复合二氧化硅及金颗粒,分别提高材料的亲水性以及对太阳光的吸收率,得到的复合气凝胶用作吸光层。由此双功能中空碳管复合气凝胶构筑了光热水蒸发装置,实现80%以上的光热转化效率和良好的海水淡化效果。其中,碳管气凝胶隔热层能够有效阻隔热量从吸光层表面到水体的传输,热平衡分析结果表明碳管气凝胶隔热层的存在能使热传导损失降低11%左右,从而有效地提高了光热转化效率。在1个太阳光下,仿生双功能中空碳管复合气凝胶装置海水淡化的光热转化效率达到82.8%,并且在收集的淡水中,Na+、Mg2+、Ca2+、K+、B3+五种离子浓度大幅度降低,符合饮用水的标准。3.受北极熊毛中空结构和竹子管-节点结构的启发,设计制备了致密多节点交联的中空碳纤维块材,实现了力学增强。在水热合成中,合适的纳米线模板浓度可以大幅度增加节点的数目并避免浓度过高带来的纤维聚集,从而得到力学强度高的中空碳纤维块材。其中,中空碳纤维块材的压缩断裂强度最高可达2.6MPa,杨氏模量最高为52 MPa,而密度仅为0.061 gcm-3,热导率低至0.068 Wm-1K-1。与普通木材相比,中空碳纤维块材的密度更低,隔热和力学性能更优。为进一步提高中空碳纤维块材的韧性,在复合质量分数为30%的聚氨酯后,复合材料的韧性大幅度提高,断裂弯曲应变提高两倍,断裂强度提高近一倍。该仿生中空碳纤维块材疏水亲油,浸泡乙醇后可高温常压干燥,可用作工程结构材料、油水分离材料、隔热保温材料等。