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。
近期，中国科大程群峰教授、北航万思杰研究员团队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。
2026年1月7日，该工作以“Continuous MXene fibers with near-gigapascal tensile strength via radial confinement and axial stretching”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2026, DOI: 10.1038/s41467-025-68038-z），北航博士生黄超杰、北大口腔医学院陈英副研究员、硕士生张腾元、武汉大学高恩来教授为本文共同第一作者，中国科大程群峰教授和北航万思杰研究员为本文通讯作者。
首先在同轴丝纺过程中，通过原位交联海藻酸钠（SA）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，具有优异的电磁屏蔽、焦耳热、使役稳定性和生物相容性，在可穿戴智能织物领域具有重要应用前景。该工作为将来其他二维纳米片室温组装成高性能纤维提供了新的研究思路。
图1. CSM纤维的制备流程、结构模型和性能：（a）制备过程示意图和相应的结构卡通图；（b）CSM纤维实物图；（c）CSM织物实物图；（d）CSM纤维与文献报道碳化钛纤维的拉伸强度、韧性和电导率；（e）CSM织物与文献报道纤维织物的厚度平均电磁屏蔽性能
该工作首先系统研究了碳化钛纤维的微观结构（图2）。未处理的湿纺碳化钛（MXene）纤维内部存在大量孔隙，孔隙率高达15.3%，且纳米片褶皱，排列松散、不规整，轴向取向度仅为0.717，层间距为1.32 nm，这主要是由于纤维干燥过程中存在毛细收缩。相比之下，CSM纤维具有规整密实的结构，孔隙率和层间距分别低至7.47%和1.20 nm，而取向度高达0.903，且在干燥过程中具有较高的取向度保持率，这证实原位交联SA皮层径向限域和轴向拉伸过程，有效抑制了纳米片毛细收缩。此外，粗粒化分子动力学模拟结果表明，径向限域和轴向拉伸过程协同提高了碳化钛纤维的取向度和密实度。
图2. MXene和CSM纤维的结构：（a, b）聚焦离子束切割的横向和轴向断面扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）照片以及理论模拟结构；（c）孔隙率；（d）取向度；（e）纳米片层间距
由于高取向密实的结构和较强的界面作用，CSM纤维的力学和电学性能大幅提升，其拉伸强度为958 ± 29 MPa、杨氏模量为26.7 ± 1.5 GPa）、韧性为66.3 ± 3.7 MJ m-3、断裂伸长率为10.7 ± 0.3%、电导率为13692 ± 116 S cm-1，分别是MXene纤维的9.96、3.07、76.1、6.99、1.47倍（图3）。由于SA皮层和密实结构可以阻止氧气和水分渗入碳化钛层间，提高碳化钛纤维的抗氧化性能，因此，当储存在潮湿空气中14天时，CSM纤维相比于MXene纤维具有更稳定的电导率。此外，相比于MXene纤维，CSM纤维在循环拉伸和弯折时具有更优异的抗疲劳性能，这主要是由于结构致密化大幅减少了起始裂纹数量，且较强的界面作用有效抑制了裂纹扩展。再者，CSM纤维具有优异的焦耳热服役稳定性，在弯曲和打结过程中，其结构保持完整，性能稳定。
图3. MXene和CSM纤维的性能：（a）应力-应变曲线；（b）拉伸强度、杨氏模量、韧性、断裂伸长率和电导率；（c）潮湿空气中储存14天过程中的电导保持率；（d）应力幅为50 MPa、频率为1 Hz时的疲劳寿命曲线；（e）CSM纤维在4V电压下循环电加热时的温度变化；（f）弯曲的MXene纤维和打结的CSM纤维的SEM照片
柔性CSM纤维可以编织成大面积织物，具有优异的电磁屏蔽性能（图4）。得益于CSM纤维优异的导电性能，CSM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，其主要屏蔽机制是吸收，可能是由于碳化钛纳米片高度取向排列的结构。由于CSM纤维优异的抗疲劳性能，CSM织物在循环弯折和洗涤过程中可以保持较高的电磁屏蔽性能，例如，在180°循环弯折105次和循环洗涤103次后，其电磁屏蔽系数保持率分别高达96.3%和92.0%。此外，CSM织物在不同变形状态下，具有稳定的焦耳热性能，且生物相容性好，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4. CSM织物的电磁屏蔽和焦耳热性能：（a）8.2-12.4 GHz频段的电磁屏蔽系数；（b）8.2 GHz电磁波的总屏蔽系数、吸收系数和反射系数；（c）电磁屏蔽机制示意图；（d）在不同弯折次数下的电磁屏蔽系数保持率；（e）在不同变形状态下的焦耳热性能保持率
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。该工作还得到了国家优秀青年科学基金、国家杰出青年科学基金、北京市科技新星计划、国家重点研发计划、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。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68038-z
