轻质高强材料，也就是我们经常说的轻量化材料，在航天航空、汽车能源等领域一直是广受关注，要想达到轻质高强的特性，也就意味着材料具有高的比强度。碳纤维增强聚合物复合材料正是近年来在轻量化材料中大放异彩的复合材料体系之一，但是该材料体系存在一个极为限制其应用的困境，即纤维与聚合物基体间界面结合力较差，从而制约材料整体的综合力学性能。

面对这一问题，传统的解决手段是通过特定的涂层或是表面处理手段来改善界面的结合力，但这些手段往往存在着成本高昂、工业化难度大等问题，就例如在航天航空领域，目标零件的尺寸普遍偏大，无论是增加涂层亦或是表面处理，都会大大增加成本，这一成本不仅仅是体现在涂层本身的价格，更意味着要有配套的流程设备，且更大的问题是这些传统的手段效果有限。

美国橡树岭国家实验室位于美国的田纳西州，简称ORNL，是美国能源部下属的最大、最多样化的综合性国家实验室，实验室的Gupta研究团队通过引入PAN碳纳米纤维增强界面结合，最终该团队成功提升了50%的强度与近2倍的韧性，成果在《Advanced Functional Materials》上发表。

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

在这项研究中，Gupta团队引入结构可控的PAN纳米纤维作为桥联材料，成功构建了共连续界面结构，随着PAN纳米纤维直径减小，其表面积显著提升，分子链排列更加有序，这种微观结构演化增强了纤维本体的机械性能，还提升了其与ABS基体间形成化学交联的能力。同时团队还发现PAN纳米纤维可以发生链内和链间环化反应，并能够与ABS基体发生共价交联，形成过渡界面，该物理化学有序结构在有效提升了载荷转移路径的连续性，增强了界面剪切强度，最终在宏观层面表现为强度和韧性的协同提升。

纳米纤维增强碳纤维复合材料共连续界面机理示意图

结构设计方面，研究团队构建了一系列不同直径与取向度的PAN纳米纤维，其直径范围控制在0.21–0.40 μm之间，并通过WAXS与DSC验证其分子链排列与自环化行为。

实验表征方面，以PAN-ABS复合材料为研究对象，通过多维测试手段揭示纳米纤维对复合体系中共价交联程度与刚性分布的影响，并在此基础上，通过Frontier超级计算平台构建全原子MD模型，模拟了PAN纳米纤维与ABS基体及碳纤维表面之间的界面相互作用。

① 纳米纤维调控构筑共连续界面

PAN纳米纤维沉积形成桥联界面，既与碳纤维产生机械结合，又可与聚合物基体发生化学键合，这种物理化学双结合的模式相当于在碳纤维和聚合物之间建立了一个多尺度的桥梁，形成了一个共连续网络，促进了负载在界面处的传递，大幅增强界面强度和黏结性。

静电纺丝PAN纳米纤维形貌的电压/转速依赖性

PAN纳米纤维分子链取向与热性能的多尺度表征

② 界面交联验证：PAN-ABS体系的多角度分析

团队通过溶胀实验、流变测试、DSC和AFM纳米力学成像等方法，系统验证了小尺寸PAN纳米纤维促进PAN-ABS共价交联网络的形成，此时复合材料具有更好的化学完整性、粘弹性和热稳定性。

PAN纳米纤维直径调控的ABS交联作用机制

纳米纤维直径梯度调控的PAN-ABS微区力学性能AFM表征

③ 原子尺度建模验证：小尺寸PAN纤维更优界面性能

借助 Frontier 超级计算机模拟 500万原子的完整 PAN 纳米纤维/碳纤维/基体体系模型，研究表明直径约 6nm 的 PAN 纳米纤维具有更优的链取向度和界面活性位点，从而实现界面载荷同步分配与应力转移能力提升。

纳米复合材料多尺度分子动力学模拟与界面力学响应

④ 宏观验证：拉伸强度提升56%，断裂能提升175%

实验在含PAN纳米纤维的碳纤维增强ABS复合材料中进行单纤拉拔与宏观拉伸测试，单纤拉拔测试中，PAN0.21μm增强复合材料的IFSS高达0.075GPa，是未增强基准材料的近3倍，PAN0.21μm复合材料的拉伸强度达64MPa，断裂能达133N-mm，分别较基准提升56%与175%，纤维与基体结合更加紧密。

PAN纳米纤维直径调控的复合材料界面剪切强度演变

纳米纤维界面修饰的碳纤维复合材料多尺度性能演变

Gupta团队结合实验与超级计算机模拟，提出并验证了PAN纳米纤维桥联界面设计策略，显著提升碳纤维复合材料的强度与韧性。这一方法无需复杂处理流程，具有低成本、高可扩展性的特点，具备广阔的产业化前景，尤其在航空、汽车、国防与基础建设等高性能结构材料需求场景中。在报道中团队也指出，未来团队计划进一步优化静电纺丝参数及纳米纤维尺寸，并探索该方法在不同纤维/基体体系中的通用性与智能功能集成，如自感知复合材料等。