文章来源：材料十，作者Matplus

牵引蛛丝以其强度和韧性的结合而闻名，但这种优势的链接在合成纤维中很难复制。在材料科学中，强度和韧性之间存在矛盾。一般来说，强度高的材料，其韧性较差；韧性高的材料，其强度较低。这种难题，只有通过改进设计原理，使用创新方法才能解决。

2019年12月13日，德国拜罗伊特大学高分子化学和聚合物研究所Andeas Greiner教授团队在国际顶级期刊《Science》发表名为“High strength in combination with high toughness in robust andsustainable polymeric materials”的研究文章。第一作者为江西师范大学的校友廖孝剑，合作作者还包括来自江西师范大学侯豪情教授。

研究预览：制造业需要高度抗变形和抗断裂的先进材料。该团队克服了人造纤维中的强度和韧性的冲突，制造出多纤维聚丙烯腈纱线，韧性高达137±21J/g、拉伸强度为1236±40MPa。原纤维在有连接分子的张力下退火，其单轴取向近乎完美，对纱线的力学性能具有至关重要的作用。这一原理可用于从其他商业聚合物中制造类似的强韧纤维，并用于生物医学、卫星技术、纺织品、飞机和汽车等应用领域。

针对该研究成果，来自澳大利亚斯威本科技大学制造业期货研究所的Bronwyn Fox发表名为“Making stronger carbon-fiber precusors”的评论文章。他认为超过96%的商业碳纤维来自高温加热（1700°C）和聚丙烯腈（PAN）制成的前体纤维。在此过程中，PAN环化以创建梯形结构，然后将其碳化以生成最终的涡轮层结构。

碳纤维高强度和刚度很大程度上取决于前体纤维，并受到材料缺陷（孔隙或者异物）的限制。通常需要在拉伸强度和韧性之间进行权衡，Liao等人报告了提高PAN纤维的两种性能的方法，即将多根缠绕在一起的细丝比单根细丝更加坚固。

图文解读

具有高强度和高韧性的合成材料是非常少见的，且是非常重要的技术挑战。其中合金、金属玻璃复合材料、碳基材料等是具有这些组合性能的少数材料。通过电纺的方法，可以获得同时具有高强度和高韧性的纳米纤维。然而这些单纳米纤维在实际应用时并不牢固，很难进入商业市场。天然纤维如蜘蛛丝等具有高强度和高韧性，但由于其来源少和价格高等原因也受到限制。

该团队采用交联结晶相结合的方法制备得到高强度、高韧性的PAN纤维。采用商品化的聚丙烯腈Dolan和二叠氮聚乙二醇（PEG-BA）混合后，对其进行电纺获得连续的纱线。其中PEG-BA作为交联剂，用于“点击”反应，其中PEG-BA的质量分数为0-6％之间。在空气气氛中，160℃下预拉伸。拉伸后的纱线在120°、130°和140°C下进一步退火数小时，获得高强度和高韧性的纱线（i-EASY）。

纱线的图片和SEM图

SI数据中的结果表明纱线中PEG－AB的质量分数在0-4％之间对于拉伸直径和退火纱线没有明显的影响。为了分析PEGBA对纱线力学性能的影响，研究了不同含量的PEG-BA的拉伸纱线相对于PAN的韧性和比强度。结果表明，最大应力和模量随着伸缩比（SR）的增加而增加；而韧性不同，与SR的增加并没有线性增长关系。
 
强度和韧性的最佳值在4％的PEG-BA、160℃时SR为8、随后在130℃下退火4h的条件下取得。这些纱线（i－EASY）的拉伸强度为1236±40MPa、模量为13.5±1.1GPa、韧性约为137±21J／g，这些组合性能可与牵引绳索相媲美。更为重要的是其拉伸模量高达13.5GPa，非常接近无规晶体PAN纤维的理论极限。

 不同纱线应力－应变曲线对比

根据研究结果，假设只有在一定数量的PEG-BA作为交联分子存在的情况下，通过拉伸和退火而形成的高纤取向相结合，才能获得高强度、高韧性和高结晶度。显然，在纱线中PAN的结晶度本身不足以实现高强度和高韧性的结合。SI中极化拉曼光谱证实了热拉伸过程引起了PAN大分子沿纱线主轴方向的取向，并与所占比例成正比，纱线从无拉伸时的66.1%增加到SR8时的83.3％。 

为了理解i－EASY力学性能优异的原因，该团队做了一个模型，强调了应变诱导结晶和收缩后无馏分体积的减少，从而导致PAN基质中的PEG-BA大分子扩散到无纤维的表面，此处是高效纤维间反应的最佳位置。过多的PEG－BA可能导致PEG微相结构，这一缺陷结构可能会降低材料的机械性能。

得到高强度和高韧性双优性能的材料，除了定向和结晶处理外，还需要退火过程。虽然单聚合物纳米纤维能够具有较高的强度和韧性，但是加工过程中的高难度阻止他们在实际应用程序中的使用。该团队确信，超细聚合物纱线如同文中所示，并不会局限在某一个系统。这项工作接下来的挑战是碳化这些电纺纱线，并测量由此产生的碳纤维性能，结合上述的策略可以创造新一代的高性能碳纤维。

拉伸强度和韧性的对比图

研究总结：Liao等人将物理和化学方法结合起来，采用少量的PEG－BA进行修饰，制备并研究了多纤化纤维的力学性能，其中PEG-BA部分的质量分数从0到6％之间。结果表明该项工作取得了突破性进展——高强度和高韧性之间的矛盾，强度达到了0.76－1.27GPa/g/cm3、韧性达到了118到166J/g。产生这种结果的原因在于点击化学交联反应纺丝过程中纤维间的张力计退货过程中的张力的增大。

DOI：10.1126/science.aay9033

10.1126/science.aaz7928

侯豪情，1998年中科院长春应用化学研究所理学博士学位，1999年至2002年德国马尔堡大学化学系博士后，2002年至2003年美国Akron大学高分子科学系研究助理，2004年至今江西师范大学教授、博士生导师。学科方向：有机高分子材料，研究兴趣：电纺聚合物纳米纤维、电活性高分子、碳纳米纤维、化学电源。

现从事有机高分子材料教学与研究工作。先后承担国家基金项目5项、科技部“973”（前期）重大基础专项1项，教育部重大项目2项及国际合作项目2项，省科技厅和教育厅及企业横向项目等20余项。