在航空航天、汽车防护及极端环境工程中，材料常常同时面临高温、低温及巨大机械载荷的挑战。传统高分子纤维虽然具备轻质和强度优势，但在超过100°C时往往因玻璃化转变或热降解而失效，在低于−100°C时则因分子冻结而脆裂。这种强度与韧性难以兼得、且缺乏热稳定性的矛盾，严重限制了高分子纤维的应用拓展。

芳香族聚酰亚胺(PI)因其分子链中含有刚性的杂环酰亚胺和芳香环，具有较高的模量与热稳定性，被广泛用于轨道交通、航天器和结构材料。然而，如何在保持高强度的同时赋予纤维优异的韧性，并确保其在−196°C至200°C的宽温域下稳定工作，依旧是材料科学界亟待解决的难题。

技术亮点

1.新型结构设计。通过静电纺丝结合冷拉伸、热拉伸、扭绞、复股与退火，研究团队制备出螺旋分级取向的聚酰亚胺多纤维纱线(STAYs)。该结构同时引入柔性–刚性组分，兼顾内在韧性与外在韧化机制。

2.卓越力学性能。优化后的三股纱线(STAYs-3)展现出1145MPa的拉伸强度、350J/g的韧性与90%的断裂伸长率，性能超过蜘蛛丝及大多数已报道的高分子纤维。更为重要的是，其在−196°C下依然保持接近1000MPa的强度与178J/g的韧性。

3.应用潜力验证。在跌落冲击实验中，该轻质纱线成功吸收冲击能量并避免断裂，表现出远优于聚氨酯纤维(韧但不强)和芳纶纤维(强但不韧)的综合防护能力，展示了在航天器安全绳索、汽车约束系统及极端环境防护中的应用前景。

图1. 螺旋分级取向的PI纤维结构与形貌

图2. STAYs纱线的拉伸曲线及强度–韧性对比，性能超越蜘蛛丝与已知高分子纤维

图3. 不同温度下纤维的热–力学性能，宽温域内保持高强高韧

图4. 显微CT与同步辐射原位拉伸揭示纤维取向与韧化机理

研究结论

本研究通过工业化可持续工艺，成功制备出兼具高强度与高韧性的聚酰亚胺多纤维纱线，并在−196°C至200°C的宽温域下保持优异力学性能。研究揭示了柔性–刚性分子结构与螺旋分级取向微纳结构的协同作用：一方面有效缓解局部高应力并提供内在韧性，另一方面通过纤维在受力过程中的渐进解扭和迁移行为实现外在韧化。这一成果不仅为极端条件下的安全关键部件提供了新型候选材料，也为未来高性能聚合物纤维设计提供了新思路。其在航空航天、汽车工程及防护装备中的潜在应用，凸显了其广阔的前景与工程价值。