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北化工《Polym Composite》：一种基于电纺的共轭丝碳纤维芯纺纱线，用于先进高模量碳纤维复

出处：材料分析与应用　　录入日期：2026-03-03　　点击数：13

　　1成果简介
　　高模量碳纤维（HMCF）具有固有的脆性且易受加工损伤，导致其增强复合材料的成型效率降低且抗冲击性较差。本文，北京化工大学张学军研究员、孙江曼副教授等在《Polymer Composites 》期刊发表名为“A Conjugated Electrospinning-Based Silk-Carbon Fiber Core-Spun Yarns for Advanced High-Modulus Carbon Fiber Composites”的论文，研究采用共轭电纺技术，制备了以HMCF为芯、蚕丝蛋白纳米纤维为包覆层的丝-碳纤维芯包覆纱线（SCFs）。
　　丝质纳米纤维的环向缠绕形成能量吸收缓冲层，显著提升了SCFs的柔韧性。其中线密度达184.5 g km⁻¹的SCF-4样品，其环强度达到40.43 N，较纯HMCF提升168.82%。SCFs/环氧树脂（EP）复合材料的抗冲击性能及整体力学性能同样显著提升，冲击强度达31.18 kJ m⁻²，较纯HMCF/EP复合材料提高54.2%。该成果为先进HMCF应用领域开创了新型混合纤维复合材料。
　　2图文导读

　　图1、(a) Schematic diagram of the principle of conjugate electrospinning; (b) SCFs sample; (c) fiber loop strength test; (d) schematic diagram of SCF synthesis; (e) flexural and impact test specimens of SCF-4/EP; (f) tensile test specimens of SCF-4/EP.

　　图2、SEM images showing the axial surface morphology of (a, e) SCF-1 (b, f) SCF-2 (c, g) SCF-3 (d, h) SCF-4; and transverse cross-sectional morphology of (i) SCF-1, (j) SCF-2, (k) SCF-3, and (l) SCF-4.

　　图3、(a) Fiber tensile test results; (b) fiber loop strength test results; (c) HMCF knot strength test; (d) SCF-4 knot strength test.

　　图4、(a) ILSS of the composite; SEM images of axial cross-section morphology of different composites: (b) HMCF/EP; (e) SCF-4/EP; cross-sectional SEM images of different composites: (c, d) HMCF/EP; (f, g) SCF-4/EP.

　　图5、(a) Tensile performance test results of impregnated fiber bundles; (b) composite bending strength and bending modulus.

　　图6、Composite impact strength.
　　3小结
　　在本研究中，制备了一系列线密度各异的丝绸-碳纤维包芯纱（SCFs），并将其有效应用于构建新型混合纤维复合材料（HMCF）的单向纤维增强层。通过引入丝绸纳米纤维层，不仅保留了HMCF固有的机械性能优势，还显著提升了纤维的可织性。同时，均匀分布的蚕丝纳米纤维层在维持复合材料界面结合性能的同时，有效弥补了HMCF的表面缺陷并发挥能量吸收垫作用，从而显著提升了混合纤维复合材料的静态机械强度与抗冲击性能。典型示例中，线密度为184.5 g km⁻¹的SCF-4相比HMCF展现出168.82%的环强显著提升，其对应复合材料的冲击强度较纯碳纤维复合材料提高54.2%。综上所述，本研究制备的柔性SCF兼具卓越柔韧性与可编织性，适用于构建兼具优异整体力学性能与增强抗冲击性的新型混合纤维复合材料。该方法有望推动HMCF材料的进一步应用。
　　文献：