复合电纺法制备多级结构微纳米纤维及其力学性质研究

With the advancement in materials science, considerable research has concentrated on one dimension nanofibers because the special properties and function at home and abroad. Many scientists focus on how to fabricate micro/nanofibers with special structure in a simple way. Lives in nature have synthesized all kinds of biomaterials that have achieved almost prefect structure and fantastic properties through long-term evolution. We have successfully fabricated multi-channel fibers in previous work. In this project, we will design and prepare multilevel hierarchical fiber materials combine with special structure in living organisms through complex electrospinning technique. Compared with traditional composite materials, these novel fiber materials will have high specific surface area, more light weight and excellent performance. Besides, the relation between the inner structure in fibers and the mechanics and the way how to measure single fiber tensile properties will be mainly studied. This item tries to provide a simple method to fabricate multilevel hierarchical fiber materials. Moreover, it is extraordinary important for the academic research and practical application in lightweight and high strength materials.

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。自然界的生物经过数亿年的进化，形成近乎完美和独特的结构，同时拥有优异的功能。本课题在前期成功制备多通道纤维的基础上，将进一步发展复合电纺技术，结合生物体独特的内部结构，设计构筑具有多级结构的纤维材料。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，更轻的质量以及更优异的性能。本课题将重点研究纤维内部结构对其力学拉伸性质的影响，探索单根纤维拉伸性质的研究方法以及多尺度微纳米纤维内部结构与性能的关系。该项目将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。

由于一维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，因此通过简单的方法构筑结构可控的微纳米纤维是近年来的研究热点之一。近年来，静电纺丝技术发展迅速，其显著的简易性、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主要通过静电纺丝的方法，制备具有多级结构的微纳米纤维，并探索其微纳米结构对力学性能的影响。本课题所涉及的复合纤维力学性能的研究，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。. 虽然电纺纤维应用十分广泛，但其机械性能却不是很理想，这就严重限制了纤维的进一步应用。所以如何提高电纺纤维的力学性能以及了解纤维的力学性能变化规律显得尤为重要。本课题的研究内容就是如何提高电纺纤维的力学性能并且探讨一维纤维材料的力学性能变化规律。基于此，本课题的研究目的就是在深入了解材料复合原理和机制后，致力于探究纤维的组成、结构对纤维力学增强的影响，并进一步研究组成、结构、力学性能三者的关系。在具体的研究过程中，通过静电纺丝法制备了多组分复合纤维，并对其组成和力学性质关系进行研究；利用电纺技术构筑了核壳结构、多层结构的纤维膜，研究了内外部结构对纤维膜力学性质的影响；进一步，我们利用对取向的纤维膜进行加捻，得到了加捻螺旋结构纤维，探讨了由螺旋圈和纳米纤维所共同构成的微米尺度结构和纳米尺度结构对纤维力学拉伸性能的影响；此外，我们还研究了绿色植物复合纤维的力学增强性质。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高性能纤维材料的理论研究及其实际应用具有重要的意义。