近期，中国科学技术大学苏州高等研究院仿生界面材料科学全国重点实验室程群峰教授与万思杰研究员课题组在室温连续化制备高性能碳化钛复合纤维的研究中取得重要进展。该研究成果以《Continuous MXene fibers with near-gigapascal tensile strength via radial confinement and axial stretching》为题发表在国际期刊《Nature Communications》上[Nat. Commun. 2026, DOI: 10.1038/s41467-025-68038-z]。
图1. 径向限域和轴向拉伸室温连续化制备高性能碳化钛复合纤维示意图及性能
轻质高强多功能纤维在航空航天、智能织物、柔性电子等领域具有重要应用前景。碳化钛纳米片具有优异的力学和电学性能，是构筑此类纤维的理想基元材料。湿法纺丝策略可以在室温下将碳化钛纳米片组装成宏观纤维，然而碳化钛层间界面作用弱、取向度低、孔隙率高等问题，大幅降低了宏观纤维的力学和电学性能，制约其实际应用。界面交联策略虽然可以增强碳化钛层间应力传递效率，然而高分子交联剂往往阻碍了层间电子传递，降低纤维的电学性能。相比之下，拉伸取向策略可以同时提升纤维的力学和电学性能，然而，其宏观性能仍远低于单层碳化钛纳米片，这主要是由于干燥过程中毛细收缩会诱导纳米片褶皱，产生孔隙。因此，如何在室温下构筑兼具优异力学和电学性能的碳化钛纤维仍然是一个巨大挑战。
针对该问题，本研究发明了径向限域结合轴向拉伸新方法，室温下连续化制备了高性能碳化钛纤维。首先在同轴丝纺过程中，通过原位交联海藻酸钠皮层径向限域，消减碳化钛纳米片层间孔隙，而后通过卷对卷辅助拉伸，使纳米片沿轴向定向排列，从而室温制备高取向、密实、强界面交联的碳化钛纤维（图1）。该限域、拉伸碳化钛（CSM）纤维兼具高力学和电学性能，以及优异的抗氧化、抗机械变形和抗超声损伤性能，其中拉伸强度和电导率分别高达1 GPa和13692 S cm-1，为目前文献报道最高值。此外，该CSM纤维可以编织成大面积柔性织物，在8.2-12.4 GHz频段内的厚度平均电磁屏蔽系数高达6509 dB cm-1，超过了文献报道的聚合物、金属、碳、碳化钛复合纤维织物，且具有优异的焦耳热、使役稳定性和生物相容性（图2），在电磁防护、电热管理、可穿戴智能织物等领域具有重要应用前景。
图2. 高性能碳化钛复合纤维织物的电磁屏蔽、焦耳热及使役性能
这项开创性研究成果对高分子二维纳米复合纤维材料研究领域的发展具有里程碑的意义，其核心是发展了高性能碳化钛复合纤维室温连续化制备新技术，解决了碳化钛纳米片湿法纺丝过程中界面作用弱、取向度低、孔隙率高等问题，不仅为碳化钛复合纤维在可穿戴智能织物领域的应用奠定了理论基础，而且为其他二维纳米片室温组装成高性能纤维提供了新的启示。
该工作得到武汉大学高恩来教授团队以及北京大学口腔医学院邓旭亮教授和陈英副研究员团队的大力合作和帮助，得到中国科大苏州高等研究院、北京航空航天大学和仿生界面材料科学全国重点实验室等平台的大力支持。该工作还得到了北京市科技新星计划、国家自然科学基金、苏州市仿生界面科学重点实验室、苏州实验室开放课题基金、中央高校基本科研业务费、国家级大创项目、科学探索奖等项目的资助。
该论文的原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68038-z
（纳米科学技术学院、仿生界面材料科学全国重点实验室、科研部）
