引言：近年来，静电纺丝技术通过与高温碳化结合，广泛应用于碳及复合纤维的制备，可实现一步法制备。通过静电纺丝制备的碳纤维直径显著减小至纳米级且分布均匀。此外，通过添加不同种类的前驱体，静电纺丝易于实现多种成分的复合 。通过有机前驱体碳化合成的碳纤维已引起广泛研究兴趣。在这些前驱体中，PAN 由于在碳化过程中具有高碳收率，已成为制备高性能碳纳米纤维的最常用选择。
聚丙烯腈（PAN）基碳纤维因其质轻、高强度和耐高温等卓越性能，可应用于航空航天、电容和传感领域。这些领域对材料的性能要求极高，PAN基碳纤维凭借其独特的优势，能够满足这些苛刻条件下的使用需求。不过PAN基碳纤维在高温环境下的氧化问题限制了其实际应用。当温度超过450℃时，碳纤维在氧气氛围中的抗氧化性能显著下降，这不仅影响了材料的使用寿命，也限制了其在更高温度含氧环境中的应用拓展。因此，如何有效提高PAN基碳纤维的抗氧化性能，成为了当前材料科学研究中的一个热点。

近日，中国民航大学航空工程学院刘洪丽教授团队在《Ceramics International》期刊发布了“Electrospinning of Yttrium-doped Carbon Fibers with Enhanced High Temperature Stability and Oxidation Resistance”（静电纺丝法制备具有增强高温稳定性和抗氧化性的钇掺杂碳纤维）的最新研究成果。该团队通过静电纺丝技术成功制备了掺钇碳纤维，显著提高了其高温稳定性和抗氧化性能。这一成果为高性能碳纤维的设计和制备提供了新的思路，有望推动其在高温隔热领域的广泛应用。

在该研究中，团队采用静电纺丝法结合预氧化和高温碳化工艺，制备了涂覆 Y₂O₃的 PAN 基碳纤维。以 PAN 为碳源，乙酰丙酮钇（Y (acac) 3）为钇源，N,N - 二甲基甲酰胺（DMF）为纺丝溶剂。通过 Y (acac) 3 前驱体的分解、重结晶和相分离过程，形成附着在纤维表面的颗粒，从而获得 Y₂O₃改性纤维。

通过调节 Y (acac)₃含量与碳化温度可以实现纤维尺寸的精准控制，在Y (acac)₃与 PAN 质量比为 6%、 1400℃的碳化条件下，纤维直径稳定在 234 nm 附近，较传统 PAN 基碳纤维尺寸均匀性提升 30%，这得益于 Y₂O₃纳米颗粒的界面稳定作用。

该碳纤维表面紧密均匀附着由 Y₂O₃和 Y₂OC 组成的纳米颗粒。与纯碳纤维相比，杂元素的引入使其在空气气氛下的起始分解温度和半分解温度分别提高了 90℃和 140℃，确保了抗氧化性能的提升，同时兼具良好的隔热性和机械性能。这种优异的抗氧化性能表明，所制备的钇掺杂碳纤维可作为优异的高温隔热材料。金属掺杂碳纤维的抗氧化机理为碳纤维的设计与制备提供了理论支持。

图4：Y掺杂碳纤维的TEM图像 a.高分辨率TEM图像 b.-d. Y掺杂碳纤维的元素分布图，亮度区分 e.元素分布 C、O和Y f.-h.

综上所述，该研究提出了一种以 PAN 为碳源、Y (acac) 3 为钇源、DMF 为纺丝溶剂，通过预氧化和碳化结合静电纺丝工艺制备钇掺杂碳纤维的有效方法。所制备的钇掺杂碳纤维具备均匀的尺寸、良好的隔热性、柔韧性和机械性能，可作为一种优异的高温隔热材料，应用到工业、民用和航空航天领域。值得一提的是，在碳纤维的改性研究中，静电纺丝技术展现出不可替代的核心价值，其在碳纤维材料研究中展现出独特的工艺适配性与技术扩展性。该技术通过电场诱导溶液喷射的原理，可实现聚合物前驱体与功能掺杂剂的分子级均匀混合，并通过模块化调节，精准控制碳纤维直径，这种尺寸可控性为不同应用场景，如高温隔热、结构增强，提供了灵活的材料设计空间。

从材料兼容性来看，静电纺丝设备对碳源前驱体（如 PAN、沥青、木质素）及功能添加剂（稀土金属盐、陶瓷颗粒、导电填料）具有广泛适用性，研究者可通过简单的溶液配比调整，实现多元组分的原位复合。尤其在耐高温碳纤维制备中，设备支持前驱体纺丝与高温碳化工艺的一体化集成，使功能相（如 Y₂O₃、SiC）在碳化过程中通过相分离机制均匀锚定在纤维表面，形成连续抗氧化屏障。这种 “纺丝 - 碳化 - 功能化” 的短流程工艺，相比传统涂层技术更易实现工业化放大，且设备成本低、操作门槛低，非常适合高校实验室与企业研发中心开展碳纤维新材料探索。微迈科技自主研发的多功能静电纺丝设备E05，大幅宽、大内腔、还配备超高精度控温控湿系统，可以满足多材料符合样品的高效研究制备。

文献来源：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.06.253