多流体复合电纺制备多通道纤维及其微观力学性质研究

由于微纳米纤维材料具有独特的性质和功能，如轻质高强纤维在航空航天、国防、材料工程等领域具有重要的应用价值，因此制备结构可控的微纳米纤维成为近年来的研究热点之一。本课题采用新颖的多流体复合电纺技术，将有重要应用价值的碳材料前驱体聚丙烯腈、聚乙烯醇等为原料，制备具有新颖多核－壳、多通道结构的复合纤维/管，再经过预氧化、碳化等后处理得到多级结构的碳纤维/管。相比传统的纤维材料，这种新型的复合结构纤维将具有更大的比表面积以及更轻的质量。该课题还将研究不同结构对纤维微观力学性质的影响，探索其在轻质高强碳纤维材料方面的进一步应用。该项目将为复杂结构碳纤维材料的可控制备提供一个简单、通用的方法，关于复杂结构纤维微观力学性能的研究对轻质高强碳纤维材料的理论研究及其实际应用具有重要的意义。

一维纳米纤维由于其独特的性质和功能，一直是国内外的研究热点，如何通过简单的方法构筑具有特殊结构的微纳米纤维更是科学工作者追逐的目标。相比传统的纤维材料，这种新型的复合材料将具有更大的比表面积以及更轻的质量。静电纺丝技术具有显著的简易性、易操作性、普适性和多功能性，为我们制备具有特殊微纳米结构的一维材料提供了一个有效的手段。本课题的研究目的是通过复合电纺的方法，制备具有多核－壳、多通道复合结构的微纳米纤维，并探索其微观结构对其力学性能的影响。本课题所制备的复合纤维及其微观力学性能的研究，既具有创新性，又具有重要的科学意义和应用前景，有望在轻质高强材料上得到应用。. 本课题基本按原计划进行了研究工作，设计改进了多流体复合电纺实验装置，优化实验条件，制备了具有多通道结构的微纳米纤维，并实现了其内部结构可控。采用微弱力测试系统对纤维的微观力学性质进行研究。在实验中我们发现，单根纤维的刺破过程很难直接观察并测量，因此我们改进了实验方案，利用微电子天平系统研究了拉伸断裂性质与纤维内部结构的关系。实验结果显示，具有不同相比例的复合纤维具有不同的断裂强度，且与两种聚合物的比例密切相关，我们还进一步研究了电纺纤维膜的拉伸断裂强度与材料组分、组成的关系。此外，我们还观察了几种生物体的内部结构，利用静电纺丝技术，仿生制备了具有多孔结构的纤维材料。在近几年工作的基础上，我们总结了一维微纳米材料的多级结构、性质、及制备方法等，撰写了相关的综述性文章。本项目的研究为复杂结构纤维材料的可控制备提供一个简单的方法，同时，关于复杂结构纤维力学性能的研究对轻质高强纤维材料的理论研究及其实际应用具有重要的意义。