近日，校区材料科学与工程学院张涛教授团队博士研究生李淼在溶液喷吹纺丝近喷嘴流场调控与纳米组分空间组装方面取得重要研究进展，相关成果以《L形进料针诱导非对称气动剪切调控溶液喷吹碳纳米纤维中钴域组装以实现宽带微波吸收》（Asymmetric Aerodynamic Shear via L-Shaped Needle Directs Cobalt-Domain Assembly in Solution-Blown Carbon Nanofibers for Broadband Microwave Absorption）为题，发表于国际材料科学期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。该研究将进料针几何构型引入近喷嘴流场设计，为功能纳米纤维微观组织的工艺调控提供了新思路。

溶液喷吹纺丝利用高速气流牵伸聚合物射流，可实现纳米纤维的连续高效制备。对于含纳米组分的复合纤维，成纤过程中纳米组分的团聚、取向和接触状态会影响最终微观组织。以往研究多关注材料配方和热处理，而对于近喷嘴气流对纳米组分重排和空间分布的影响尚缺乏系统研究。

针对这一问题，团队将进料针几何构型作为流场设计变量，设计了采用L形进料针的溶液喷吹装置。大尺度流体漩涡模拟结果显示，L形进料针打破了环形气流的近似对称状态。在60米/秒的模拟气流速度下，针头附近局部气相剪切率超过3.0×10⁵/秒，并形成显著的相干涡结构；而在相同气流速度的无针头环形喷嘴对照中，未观察到类似的相干涡结构。进一步估算表明，作用于前驱体射流的有效拉伸应力可达10⁴～10⁵帕，比文献报道的碳纳米管束范德华内聚应力至少高出一个数量级，为硼碳氮纳米管负载钴（Co@BCN）复合纳米结构的分散与重新排布提供了动力学基础。

L形进料针作用下的溶液喷吹纺丝近喷嘴流场特征：（a）近喷嘴流场及Co@BCN复合纳米结构重排示意；（b，c）时间平均剪切率分布；（d，e）瞬时Q准则等值面；（f，g）瞬时y向涡量分布

团队进一步结合无针头喷嘴和直针头数值对照，考察近喷嘴气动环境与成纤组织之间的关系。显微表征显示，复合纤维经1200 ℃碳化后仍保持连续形貌。当前驱体中Co@BCN与聚丙烯腈（PAN）的质量比为百分之二时，含钴区域呈较好的空间分离状态；当该质量比提高至百分之三时，部分含钴区域出现局部重新接触。上述结果表明，近喷嘴气动条件能够影响成纤过程中纳米组分的重新排布，并进一步影响碳化后组织的空间分布。

该研究将近喷嘴气动环境作为可设计、可调控的成纤过程变量，建立了进料针几何构型、近场流动特征与纳米组分空间组织之间的联系，为通过喷嘴结构和流场设计调控纳米组分的分散状态、空间定位及界面组织提供了新的工艺途径，也为连续纤维材料的组织调控与制备工艺优化提供了参考。

哈尔滨工业大学（威海）为第一通讯单位，校区材料科学与工程学院博士研究生李淼为论文第一作者，张涛教授为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金、山东省自然科学基金联合基金重点项目、山东省重大科技创新工程等项目支持。（

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.77369