輕質高強多功能纖維在航空航天、智能織物、柔性電子等領域具有重要應用前景。碳化鈦納米片具有優異的力學和電學性能，是構筑此類纖維的理想基元材料。濕法紡絲策略可以在室溫下將碳化鈦納米片組裝成宏觀纖維，然而碳化鈦層間界面作用弱、取向度低、孔隙率高等問題，大幅降低了宏觀纖維的力學和電學性能，制約其實際應用。界面交聯策略雖然可以增強碳化鈦層間應力傳遞效率，然而高分子交聯劑往往阻礙了層間電子傳遞，降低纖維的電學性能。相比之下，拉伸取向策略可以同時提升纖維的力學和電學性能，然而，其宏觀性能仍遠低于單層碳化鈦納米片，這主要是由于干燥過程中毛細收縮會誘導納米片褶皺，產生孔隙。因此，如何在室溫下構筑兼具優異力學和電學性能的碳化鈦纖維仍然是一個巨大挑戰。
近期，中國科大程群峰教授、北航萬思杰研究員團隊發明了徑向限域結合軸向拉伸新方法，室溫下連續化制備了高性能碳化鈦纖維。
2026年1月7日，該工作以“Continuous MXene fibers with near-gigapascal tensile strength via radial confinement and axial stretching”為題發表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2026, DOI: 10.1038/s41467-025-68038-z），北航博士生黃超杰、北大口腔醫學院陳英副研究員、碩士生張騰元、武漢大學高恩來教授為本文共同第一作者，中國科大程群峰教授和北航萬思杰研究員為本文通訊作者。
首先在同軸絲紡過程中，通過原位交聯海藻酸鈉（SA）皮層徑向限域，消減碳化鈦納米片層間孔隙，而后通過卷對卷輔助拉伸，使納米片沿軸向定向排列，從而室溫制備高取向、密實、強界面交聯的碳化鈦纖維（圖1）。該限域、拉伸碳化鈦（CSM）纖維兼具高力學和電學性能，以及優異的抗氧化、抗機械變形和抗超聲損傷性能，其中拉伸強度和電導率分別高達1 GPa和13692 S cm-1，為目前文獻報道最高值。此外，該CSM纖維可以編織成大面積柔性織物，具有優異的電磁屏蔽、焦耳熱、使役穩定性和生物相容性，在可穿戴智能織物領域具有重要應用前景。該工作為將來其他二維納米片室溫組裝成高性能纖維提供了新的研究思路。
圖1. CSM纖維的制備流程、結構模型和性能：（a）制備過程示意圖和相應的結構卡通圖；（b）CSM纖維實物圖；（c）CSM織物實物圖；（d）CSM纖維與文獻報道碳化鈦纖維的拉伸強度、韌性和電導率；（e）CSM織物與文獻報道纖維織物的厚度平均電磁屏蔽性能
該工作首先系統研究了碳化鈦纖維的微觀結構（圖2）。未處理的濕紡碳化鈦（MXene）纖維內部存在大量孔隙，孔隙率高達15.3%，且納米片褶皺，排列松散、不規整，軸向取向度僅為0.717，層間距為1.32 nm，這主要是由于纖維干燥過程中存在毛細收縮。相比之下，CSM纖維具有規整密實的結構，孔隙率和層間距分別低至7.47%和1.20 nm，而取向度高達0.903，且在干燥過程中具有較高的取向度保持率，這證實原位交聯SA皮層徑向限域和軸向拉伸過程，有效抑制了納米片毛細收縮。此外，粗粒化分子動力學模擬結果表明，徑向限域和軸向拉伸過程協同提高了碳化鈦纖維的取向度和密實度。
圖2. MXene和CSM纖維的結構：（a, b）聚焦離子束切割的橫向和軸向斷面掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）照片以及理論模擬結構；（c）孔隙率；（d）取向度；（e）納米片層間距
由于高取向密實的結構和較強的界面作用，CSM纖維的力學和電學性能大幅提升，其拉伸強度為958 ± 29 MPa、楊氏模量為26.7 ± 1.5 GPa）、韌性為66.3 ± 3.7 MJ m-3、斷裂伸長率為10.7 ± 0.3%、電導率為13692 ± 116 S cm-1，分別是MXene纖維的9.96、3.07、76.1、6.99、1.47倍（圖3）。由于SA皮層和密實結構可以阻止氧氣和水分滲入碳化鈦層間，提高碳化鈦纖維的抗氧化性能，因此，當儲存在潮濕空氣中14天時，CSM纖維相比于MXene纖維具有更穩定的電導率。此外，相比于MXene纖維，CSM纖維在循環拉伸和彎折時具有更優異的抗疲勞性能，這主要是由于結構致密化大幅減少了起始裂紋數量，且較強的界面作用有效抑制了裂紋擴展。再者，CSM纖維具有優異的焦耳熱服役穩定性，在彎曲和打結過程中，其結構保持完整，性能穩定。
圖3. MXene和CSM纖維的性能：（a）應力-應變曲線；（b）拉伸強度、楊氏模量、韌性、斷裂伸長率和電導率；（c）潮濕空氣中儲存14天過程中的電導保持率；（d）應力幅為50 MPa、頻率為1 Hz時的疲勞壽命曲線；（e）CSM纖維在4V電壓下循環電加熱時的溫度變化；（f）彎曲的MXene纖維和打結的CSM纖維的SEM照片
柔性CSM纖維可以編織成大面積織物，具有優異的電磁屏蔽性能（圖4）。得益于CSM纖維優異的導電性能，CSM織物在8.2-12.4 GHz頻段內的厚度平均電磁屏蔽系數高達6509 dB cm-1，超過了文獻報道的聚合物、金屬、碳、碳化鈦復合纖維織物，其主要屏蔽機制是吸收，可能是由于碳化鈦納米片高度取向排列的結構。由于CSM纖維優異的抗疲勞性能，CSM織物在循環彎折和洗滌過程中可以保持較高的電磁屏蔽性能，例如，在180°循環彎折105次和循環洗滌103次后，其電磁屏蔽系數保持率分別高達96.3%和92.0%。此外，CSM織物在不同變形狀態下，具有穩定的焦耳熱性能，且生物相容性好，在電磁防護、電熱管理、可穿戴智能織物等領域具有重要應用前景。
圖4. CSM織物的電磁屏蔽和焦耳熱性能：（a）8.2-12.4 GHz頻段的電磁屏蔽系數；（b）8.2 GHz電磁波的總屏蔽系數、吸收系數和反射系數；（c）電磁屏蔽機制示意圖；（d）在不同彎折次數下的電磁屏蔽系數保持率；（e）在不同變形狀態下的焦耳熱性能保持率
這項開創性研究成果對高分子二維納米復合纖維材料研究領域的發展具有里程碑的意義，其核心是發展了高性能碳化鈦復合纖維室溫連續化制備新技術，解決了碳化鈦納米片濕法紡絲過程中界面作用弱、取向度低、孔隙率高等問題，不僅為碳化鈦復合纖維在可穿戴智能織物領域的應用奠定了理論基礎，而且為其他二維納米片室溫組裝成高性能纖維提供了新的啟示。
該工作得到武漢大學高恩來教授團隊以及北京大學口腔醫學院鄧旭亮教授和陳英副研究員團隊的大力合作和幫助，得到中國科大蘇州高等研究院、北京航空航天大學和仿生界面材料科學全國重點實驗室等平臺的大力支持。該工作還得到了國家優秀青年科學基金、國家杰出青年科學基金、北京市科技新星計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、蘇州市仿生界面科學重點實驗室、蘇州實驗室開放課題基金、中央高校基本科研業務費、國家級大創項目、科學探索獎等項目的資助。
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68038-z
