輕質高強材料，也就是我們經(jīng)常說的輕量化材料，在航天航空、汽車能源等領域一直是廣受關注，要想達到輕質高強的特性，也就意味著材料具有高的比強度。碳纖維增強聚合物復合材料正是近年來在輕量化材料中大放異彩的復合材料體系之一，但是該材料體系存在一個極為限制其應用的困境，即纖維與聚合物基體間界面結合力較差，從而制約材料整體的綜合力學性能。

面對這一問題，傳統(tǒng)的解決手段是通過特定的涂層或是表面處理手段來改善界面的結合力，但這些手段往往存在著成本高昂、工業(yè)化難度大等問題，就例如在航天航空領域，目標零件的尺寸普遍偏大，無論是增加涂層亦或是表面處理，都會大大增加成本，這一成本不僅僅是體現(xiàn)在涂層本身的價格，更意味著要有配套的流程設備，且更大的問題是這些傳統(tǒng)的手段效果有限。

美國橡樹嶺國家實驗室位于美國的田納西州，簡稱ORNL，是美國能源部下屬的最大、最多樣化的綜合性國家實驗室，實驗室的Gupta研究團隊通過引入PAN碳納米纖維增強界面結合，最終該團隊成功提升了50%的強度與近2倍的韌性，成果在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表。

文章鏈接： 

https://doi.org/10.1002/adfm.202502972

在這項研究中，Gupta團隊引入結構可控的PAN納米纖維作為橋聯(lián)材料，成功構建了共連續(xù)界面結構，隨著PAN納米纖維直徑減小，其表面積顯著提升，分子鏈排列更加有序，這種微觀結構演化增強了纖維本體的機械性能，還提升了其與ABS基體間形成化學交聯(lián)的能力。同時團隊還發(fā)現(xiàn)PAN納米纖維可以發(fā)生鏈內和鏈間環(huán)化反應，并能夠與ABS基體發(fā)生共價交聯(lián)，形成過渡界面，該物理化學有序結構在有效提升了載荷轉移路徑的連續(xù)性，增強了界面剪切強度，最終在宏觀層面表現(xiàn)為強度和韌性的協(xié)同提升。

納米纖維增強碳纖維復合材料共連續(xù)界面機理示意圖

結構設計方面，研究團隊構建了一系列不同直徑與取向度的PAN納米纖維，其直徑范圍控制在0.21–0.40 μm之間，并通過WAXS與DSC驗證其分子鏈排列與自環(huán)化行為。

實驗表征方面，以PAN-ABS復合材料為研究對象，通過多維測試手段揭示納米纖維對復合體系中共價交聯(lián)程度與剛性分布的影響，并在此基礎上，通過Frontier超級計算平臺構建全原子MD模型，模擬了PAN納米纖維與ABS基體及碳纖維表面之間的界面相互作用。

① 納米纖維調控構筑共連續(xù)界面

PAN納米纖維沉積形成橋聯(lián)界面，既與碳纖維產(chǎn)生機械結合，又可與聚合物基體發(fā)生化學鍵合，這種物理化學雙結合的模式相當于在碳纖維和聚合物之間建立了一個多尺度的橋梁，形成了一個共連續(xù)網(wǎng)絡，促進了負載在界面處的傳遞，大幅增強界面強度和黏結性。

靜電紡絲PAN納米纖維形貌的電壓/轉速依賴性

PAN納米纖維分子鏈取向與熱性能的多尺度表征

② 界面交聯(lián)驗證：PAN-ABS體系的多角度分析

團隊通過溶脹實驗、流變測試、DSC和AFM納米力學成像等方法，系統(tǒng)驗證了小尺寸PAN納米纖維促進PAN-ABS共價交聯(lián)網(wǎng)絡的形成，此時復合材料具有更好的化學完整性、粘彈性和熱穩(wěn)定性。

PAN納米纖維直徑調控的ABS交聯(lián)作用機制

納米纖維直徑梯度調控的PAN-ABS微區(qū)力學性能AFM表征

③ 原子尺度建模驗證：小尺寸PAN纖維更優(yōu)界面性能

借助 Frontier 超級計算機模擬 500萬原子的完整 PAN 納米纖維/碳纖維/基體體系模型，研究表明直徑約 6nm 的 PAN 納米纖維具有更優(yōu)的鏈取向度和界面活性位點，從而實現(xiàn)界面載荷同步分配與應力轉移能力提升。

納米復合材料多尺度分子動力學模擬與界面力學響應

④ 宏觀驗證：拉伸強度提升56%，斷裂能提升175%

實驗在含PAN納米纖維的碳纖維增強ABS復合材料中進行單纖拉拔與宏觀拉伸測試，單纖拉拔測試中，PAN0.21μm增強復合材料的IFSS高達0.075GPa，是未增強基準材料的近3倍，PAN0.21μm復合材料的拉伸強度達64MPa，斷裂能達133N-mm，分別較基準提升56%與175%，纖維與基體結合更加緊密。

PAN納米纖維直徑調控的復合材料界面剪切強度演變

納米纖維界面修飾的碳纖維復合材料多尺度性能演變

Gupta團隊結合實驗與超級計算機模擬，提出并驗證了PAN納米纖維橋聯(lián)界面設計策略，顯著提升碳纖維復合材料的強度與韌性。這一方法無需復雜處理流程，具有低成本、高可擴展性的特點，具備廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，尤其在航空、汽車、國防與基礎建設等高性能結構材料需求場景中。在報道中團隊也指出，未來團隊計劃進一步優(yōu)化靜電紡絲參數(shù)及納米纖維尺寸，并探索該方法在不同纖維/基體體系中的通用性與智能功能集成，如自感知復合材料等。