芳纶蜂窝材料，作为典型的仿生结构，由周期性排列的六边形单元构成，表现出优异的力学稳定性、载荷分散能力以及轻量化优势，使其广泛应用于航空航天、军工、轨道交通等重要领域。蜂窝结构能够有效降低局部应力集中，并在高强度与轻量化之间实现最佳平衡，成为多种工程应用中的理想材料。然而，传统芳纶蜂窝的制备工艺面临工艺复杂性和生产效率低下的挑战。同时，由于芳纶纤维的较小的长径比、较低的比表面积和较强的刚性限制了纤维间的接触面积，影响蜂窝结构的均匀性和致密性，从而制约其力学性能提升。此外，过度依赖粘结剂会导致界面脱粘、双层壁和孔格嵌套等缺陷，进而影响蜂窝的结构均匀性和稳定性，同时还会增加工艺难度和成本。因此，简化制备工艺、提高蜂窝结构的均匀性与稳定性，并减少对外加粘结剂的依赖，是提升纤维基蜂窝综合性能的关键。
近日，武汉纺织大学熊思维副教授在期刊《Chemical Engineering Jouranl》上，发表了最新研究成果“Thermotropic liquid crystal-driven interfacial fusion of high-aspect-ratio polyarylate nanofibers for ultrastable honeycomb with closed-loop recyclability”。论文第一作者为武汉纺织大学在读硕士王敬贤，通讯作者为熊思维副教授。
图1 PAR纳米纤维蜂窝的制备示意图
研究通过可扩展化的模板热焊接工艺调控纳米纤维间界面结合能，实现蜂窝单元壁面拓扑结构的定向组装与高强界面融合。具有高长径比的PAR纳米纤维在热压驱动下构筑了致密的三维纤维网络结构，形成了复杂的应力耗散路径。与商业芳纶蜂窝相比，PAR纳米纤维蜂窝表现出优异的机械性能，同时在极端环境下仍能保持优异的力学性能稳定。此外，通过有限元仿真模拟探究了PAR纳米纤维蜂窝在外部压力作用下的微观结构演变规律，其蜂窝结构能够通过自适应变形优化应力分布，提升PAR纳米纤维蜂窝的形变抗性与恢复能力。
图2 PAR纳米纤维蜂窝的力学性能。
随着热压温度的升高，PAR纳米纤维蜂窝的压缩强度、比强度和杨氏模量呈现出先增加后趋于稳定的趋势。当热压温度达到140℃时，压缩强度上升至161 MPa。进一步提高热压温度至160℃时，压缩强度进入平台期，稳定在164 MPa。这是因为热压温度升高显著增强了PAR纳米纤维间的界面结合力，使其三维结构更加致密且激活了更多的应力分散点，在外部载荷作用下能够更有效地分散应力，减少局部应力集中，从而提高抗压能力和结构稳定性。PAR纳米纤维蜂的压缩强度、杨氏模量以及比强度分别是商业芳纶蜂窝的约41倍、12倍和4倍。
图3 PAR纳米纤维蜂窝的加载过程有限元仿真。
通过Micro-CT技术可以清晰地观察到，PAR纳米纤维蜂窝的整体结构具有良好的对比度，其长度、宽度和体积等尺寸均匀一致，整体结构连贯，厚度分布均匀，未观察到显著的孔洞或微裂纹。此外，蜂窝内部孔隙较少，且分布均匀，未形成连续的大孔洞结构，进一步验证了其内部结构的致密性和紧凑性。利用有限元仿真模拟探究PAR纳米纤维蜂窝的压缩变形行为、应力传递特性及破坏模式。可以看到，压缩应力均匀分布于整个蜂窝结构中，未出现明显的应力集中区域，说明PAR纳米纤维蜂窝结构能够有效分散外部载荷。这种均匀的应力传递特性归因于其高度互联的纤维网络，该网络能够通过拓扑结构调整适应形变，从而抑制局部应力集中，提升结构的整体稳定性。
图4 PAR纳米纤维蜂窝的力学性能稳定性
蜂窝材料广泛应用于航空航天、汽车、建筑等领域，要求其具备优异的耐候性。商业芳纶蜂窝在200℃的高温环境下处理24 h后，商业芳纶蜂窝的压缩强度、比强度及杨氏模量分别下降至原始值的46.8%、46.8%和26.7%，分别为1.8 MPa、38 kN·m/kg和21.6 MPa。相比之下，PAR纳米纤维蜂窝在24 h的高温老化后，PAR纳米纤维蜂窝的三项性能仍能保持79%（126.6 MPa）、87%（251 kN·m/kg）和89%（873.3 MPa）的初始性能，远优于商业芳纶蜂窝。商业芳纶蜂窝在24 h照射后，其压缩强度、比强度和杨氏模量分别降至1.9 MPa、40 kN·m/kg和22 MPa，较原始样品降低约49.7%、49.7%和27.2%。相比之下，PAR纳米纤维蜂窝在相同条件下仅下降9.7%、7.3%和7.7%，对应146 MPa、268 kN·m/kg和902 MPa，显示出更优异的抗紫外老化性能。
图5 PAR纳米纤维蜂窝的热稳定性、柔韧性和轻质性
商业芳纶蜂窝在动态热载荷下出现显著的尺寸收缩、质量损失和性能下降。相比之下，PAR纳米纤维蜂窝的网络结构通过强界面相互作用与丰富的应力分散点，增强了蜂窝结构的整体稳定性，降低了高温收缩和形变趋势。此外，PAR纳米纤维蜂窝的Y型节点在承受自身质量的8000倍负载后仍保持完整。在单侧固定和双侧同时施压的情况下，仍可实现可恢复形变，表明其在复杂载荷环境下维持稳定的力学性能。值得注意的是，PAR纳米纤维蜂窝的超轻量化特性同样显著。在实际应用中，PAR纳米纤维的可逆熔融特性赋予了其闭环回收特性，大大降低了长期使用成本，为轻质高强结构材料的绿色可持续发展提供了一条新的技术途径。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.164614
人物简介：
熊思维，副教授，四川大学博士，硕士导师。已在Advanced Fiber Materials，Chemical Engineering Journal，Composites Science and Technology等期刊等国际期刊发表SCI论文20余篇，申请中国专利6项，主持国家自然科学基金，湖北省自然科学基金、湖北省教育厅等类科研项目10余项，获得湖北省科技进步二等奖和三等奖各1项，中国纺织工业联合会科技进步奖1项，第十八届挑战杯全国一等奖1项，第十八届挑战杯湖北赛区特等奖1项。
相关进展
四川大学张帆教授团队 Nat. Commun.：直接利用塑料封端剂 - 将废弃商品聚合物升级再造为高性能聚芳酯材料
中国科大刘江涛教授团队 Sci. Adv.：基于三维酚酞分子构建微孔聚芳酯膜用于精准分子筛分
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