综述：多功能碳纳米增强聚合物纳米纤维——架起基础研究到技术应用的桥梁

《Journal of Polymer Materials》：Multifunctional Carbonaceous Nanoreinforced Polymeric Nanofibers—Bridging Fundamental Aspects to Technological Resolves

　　阿耶沙·考萨尔
巴基斯坦伊斯兰堡奎迪-阿扎姆大学国家物理中心

本文旨在探讨高性能聚合物纳米复合纳米纤维的当前科学价值，鉴于该领域日益增长的科研兴趣。为此，这篇前沿论文被系统地分为以下几个部分：(i) 碳基纳米增强体的基础理论；(ii) 不同类别的聚合物纳米复合纳米纤维（包括导电聚合物、热塑性和热固性材料与碳纳米填料（碳纳米管、石墨烯、富勒烯）的设计-结构-性能关系；(iii) 现有的科学应用（能源设备、电子学、航空航天/国防、环境领域）、未来前景、挑战及结论。根据现有文献，聚合物/碳纳米复合纳米纤维具有多种优越的物理特性（形态、电/电荷传导性、热传导性、机械/耐热性、抗腐蚀性、渗透性、辐射吸收能力）。特别是在导电聚合物纳米纤维中，聚苯胺/碳纳米管纳米纤维由于界面协同作用和电子/电荷传输效应表现出优异的比电容（约380 Fg?1）。此外，聚(3-己基噻吩):苯基-C61-丁酸甲酯/富勒烯纳米纤维的能量转换效率达到了约3.6%。在热塑性体系中，聚（乙烯醇）/碳纳米管纳米纤维被用于制造压电传感器（压力灵敏度约为0.28 kPa?1）和有毒金属离子传感器（铅(II)）。此外，纤维素/碳纳米复合纳米纤维还被应用于超级电容器电极（比电容约为250 Fg?1）和电磁干扰屏蔽（屏蔽效果约为64–70 dB）。环氧树脂/碳纳米复合材料由于负载传递性能的提升，其拉伸强度和剪切强度分别提高了20%–40%。研究表明，这些材料的技术性能取决于聚合物和纳米碳的类型及用量，以及所采用的加工方法和参数。由于本综述的主题新颖性、内容全面性及文献覆盖范围的广泛性，它将为相关领域的研究人员提供一份全面的指南，帮助他们进一步推动纳米复合纳米纤维的技术发展。

1. 引言
基于碳基纳米颗粒的纳米增强体在不同聚合物基体中的应用大大扩展了高性能纳米材料的应用范围[1–3]。聚合物/纳米碳复合材料领域的进一步发展催生了多种新型纳米结构，如纳米复合纳米纤维[4]。将传统的碳基增强聚合物纳米复合材料转化为纳米纤维可以有效提升其设计性能、微观结构、物理特性（主要是电学、机械、热性能、抗腐蚀性和辐射防护性能）及相关应用效果[5,6]。需要明确的是，聚合物纳米纤维、纳米复合纳米纤维和混合纳米纤维之间的区别。根据定义，聚合物纳米纤维是指直径从几纳米到超过100纳米的超细纤维，由纯聚合物制成而不含纳米颗粒；而聚合物纳米复合纳米纤维（也称为聚合物混合纳米纤维）则含有纳米颗粒增强体，属于聚合物纳米复合材料的范畴。常用的碳纳米添加剂包括碳纳米管、石墨烯和富勒烯C60/C70[7,8]。对这些纳米复合纤维，已经采用了多种高效的加工技术（如纺丝、拉拔、打印等）[9–11]。在已报道的纳米纤维加工方法中，电纺法被认为是制备碳基纳米复合纳米纤维最有效的方法之一[12]。因此，电纺制备的多功能纳米复合纳米纤维在能源/电子设备、航空/汽车工程、膜材料、涂层等领域展现出广泛的应用潜力[13]。

近年来，为了实现当前的环境和可持续发展目标，亟需关注基于生物材料的聚合物纳米复合纳米纤维。除了机械、热性能、电学和物理特性外，这些材料的生物降解性也是关键考量因素，以确保其可规模化、经济性和可重复性制造。近期的一些研究尝试包括基于聚（丁酸亚油酸酯-对苯二甲酸酯）或壳聚糖基体及无机纳米颗粒（如金属氧化物和纳米粘土）的生物基纳米复合材料，应用于包装[14–16]和抗菌领域[17–19]。不过，未来还需进一步开发改进型的生物基纳米复合纳米纤维[20–22]。此外，也有一些关于自修复和仿生设计的聚合物纳米复合材料的尝试，这些材料具有显著的机械稳定性和导热性能[23,24]。尽管这些纳米材料还需要进一步改进才能满足未来的应用需求。

近几十年来，聚合物/碳纳米复合纳米纤维的研究趋势日益升温。这一领域的发展得益于它们在航空航天/汽车工程、能源设备、电子电气设备、智能织物等工业领域的广泛应用。尽管聚合物/纳米碳纳米纤维具有重要的技术价值，但目前尚缺乏涵盖最新研究成果的综述文章。虽然有一些旧文献综述和研究报告，但内容并不完整且未及时更新。例如，Scaffaro等人之前的综述文章仅涵盖了电纺聚合物/纳米碳纳米纤维在组织工程方面的应用，缺乏对其基础理论、合成方法、性能及应用方面的全面介绍[25]；Anbazhagan和Mahalingam的综述文章则聚焦于电纺纳米纤维在生物医学领域的应用[26]。2010年之前的相关综述也很少[27,28]。鉴于现有文献的不足，本文旨在全面阐述聚合物/纳米碳纳米复合纳米纤维的基础理论、制造工艺及结构-性能关系，为未来的研究者提供重要参考。

2. 用于聚合物纳米纤维的碳基纳米增强体
碳纳米颗粒因其独特的结构、特性和技术价值而受到广泛关注[29,30]。迄今为止的研究进展催生了多种类型的碳纳米颗粒[31]。图2展示了几种重要的碳纳米颗粒类型，包括富勒烯、石墨烯和碳纳米管及其衍生物[2]。

碳纳米管是一种常见的单向空心碳管状纳米结构（直径<100纳米）[32,33]，由sp2杂化的碳原子构成[34–36]。这些碳纳米结构可通过化学气相沉积、电弧放电、激光烧蚀等多种高效技术制备[37]。大量研究揭示了它们的光学、电学、磁学及其他性质和结构-性能特征[36,38]。碳纳米管已在航空、能源/电子、民用、纺织和生物医学等领域得到应用[37]，尤其在作为聚合物基体的增强材料方面表现出优异性能[39–41]。许多先进的聚合物纳米复合材料和纳米复合纳米纤维都是基于碳纳米管制备的[42,43]。与碳纳米管类似，石墨烯也是一种碳纳米材料，但它呈二维纳米片状结构，同样由sp2杂化的碳原子组成[44,45]。石墨烯的合成方法包括化学气相沉积、水热法、微波法及剥离法（化学法、电化学法、液相法、机械法）[46]。石墨烯具有极高的杨氏模量、热导率和电子导电率（分别约为1 TPa、3000–6000 W/(m·K) 和 200,000 cm2/V·s)[47]，因此在许多领域都有实际应用[48,49]。

3. 导电聚合物/碳纳米颗粒纳米纤维
导电聚合物或共轭聚合物被加工成纳米纤维，并与碳纳米颗粒结合制成纳米复合纳米纤维[69]。Lu和Chen使用电纺法制备了纯聚苯胺纳米纤维，其比电容（约134 F/g）优于块状聚苯胺（约75 F/g），适用于超级电容器和发光二极管器件[70]。类似地，近期也有研究报道导电聚合物在先进电容器和二极管器件中的应用[71–73]。碳纳米颗粒（如碳纳米管）也被用于增强导电聚合物纳米纤维[74]，形成均匀的微观结构和优异的电学/机械性能[75]。已有文献报道聚苯胺和碳纳米复合纳米纤维在能源器件中的应用[76]。Hyder等人采用逐层技术制备了聚苯胺/碳纳米管纳米复合纤维，表现出优异的比电容（>230 F/g）[77]；Chaudhari等人设计的电纺聚苯胺/碳纳米管纳米纤维直径约为200纳米，在1000次循环后仍保持高比电容和86%的容量保持率[78]；Simotwo等人采用电纺法制备了此类纤维（图4A），扫描电子显微镜观察显示其直径较纯聚苯胺纳米纤维（约680纳米）更小（图4B,C），这归因于电纺过程中碳纳米管对聚苯胺基体的影响。图4D展示了无聚集的纳米颗粒分散状态，体现了优异的纤维加工技术[79]。图4E展示了聚苯胺/碳纳米管纳米复合纳米纤维的电流密度与扫描速率之间的关系。可以看出，随着扫描速率的增加，阴极/阳极峰值发生了变化，这是由于充放电行为发生了显著波动。图4F显示了纯聚苯胺和聚苯胺/碳纳米管纳米复合纳米纤维的比电容。在此，纳米复合纳米纤维的比电容明显高于纯聚苯胺纳米纤维（约380 F/g vs 约300 F/g）。因此，聚苯胺/碳纳米管纳米复合纳米纤维的整体优异形态和电荷传导性能可以归因于基质-纳米填料网络的形成以及渗透效应。最近，Gazzato和Frasconi [80]研究了基于碳纳米管的聚苯胺纳米复合纳米纤维的科学价值。这些纳米材料具有优异的电学/电荷传导、电化学和机械性能。聚苯胺/碳纳米管纳米复合纳米纤维在超级电容器和传感设备中展现出广阔的应用前景。

此外，填充石墨烯和改性石墨烯的导电纳米复合纳米纤维也引起了广泛的研究兴趣 [81]。特别是聚苯胺/石墨烯纳米复合纳米纤维被探索用于储能电极 [82]。在这方面，已经使用了各种高效的技术（如模板法、原位/电化学法、纺丝法）来制备聚苯胺和石墨烯衍生的纳米纤维 [83]。接着，研究了填充石墨烯的聚苯胺纳米纤维在能源设备中的电子和电荷传导性能 [84]。早期的研究中，Zhou等人 [85] 报告了通过自组装技术制备的石墨烯包裹的聚苯胺纳米纤维。图5A展示了通过正电荷聚苯胺纳米纤维（水性分散液）与负电荷石墨烯纳米片之间的静电相互作用自组装形成的纳米复合纳米纤维。图5Ba展示了纯聚苯胺纳米纤维的透射电子显微镜图像，而图5Bb和c分别展示了低分辨率和高分辨率的聚苯胺/石墨烯纳米复合纳米纤维的微观结构。根据图像，与未填充的聚苯胺纳米纤维相比，纳米复合纳米纤维中的石墨烯分散得更加均匀。这种微观结构证实了聚苯胺与石墨烯纳米片之间的静电相互作用。图5C展示了聚苯胺/石墨烯纳米复合纳米纤维的比电容与电流密度之间的关系。结果表明，在1000次循环后，这种混合纳米纤维的比电容（250 F/g）高于未填充的纳米纤维（约175 F/g）。这种优异的电容性能归因于聚苯胺-石墨烯杂化系统的界面协同效应，从而实现了高效的电子和电荷传输 [86]。图5D展示了用于超级电容器的聚苯胺/石墨烯纳米复合纳米纤维薄膜电极的实际照片。

关于聚苯胺/石墨烯纳米复合纳米纤维的研究虽然不少，但基于石墨烯的导电聚合物系统仍在不断发展中，以追求更先进的能源应用性能 [91]。

还有一些研究关注共轭聚合物/富勒烯纳米复合纳米纤维 [87]。这些聚合物/富勒烯纳米复合纳米纤维主要应用于太阳能电池或光伏设备 [88,89]。Kurniawan等人 [90] 制造了聚(3-己基噻吩):phenyl-C61-丁酸甲酯纳米纤维，并将其与非退火和热退火的聚(3-己基噻吩):phenyl-C61-丁酸甲酯系统进行比较研究，以用于光伏设备。表1显示了制备样品的光伏参数。根据结果，聚(3-己基噻吩):phenyl-C61-丁酸甲酯的性能优于未退火样品，但其性能与热退火的聚(3-己基噻吩):phenyl-C61-丁酸甲酯系统相当。图6展示了聚(3-己基噻吩):phenyl-C61-丁酸甲酯纳米纤维以及非退火和热退火的聚(3-己基噻吩):phenyl-C61-丁酸甲酯纳米纤维的电流密度和外部量子效率图。可以看出，由于更好的界面接触、大分子有序性以及高效的电子和电荷传输特性，纳米纤维和退火样品表现出更高的功率转换效率和光伏性能。

许多热塑性聚合物已被用于纳米纤维纳米结构 [92]。文献中还报道了高性能的碳纳米增强热塑性聚合物纳米纤维 [93,94]。主要开发了填充碳纳米管的热塑性聚合物纳米纤维 [95]。在这方面，碳纳米管和碳纳米纤维被视为有价值的纳米填料，用于制备静电纺丝聚(乙二醇)纳米纤维 [96]。Song和Xiao [97] 使用聚(乙烯醇)的嵌段共聚物（即聚(乙烯醇-乙烯）并通过羟醛缩合方法结合碳纳米管来制备纳米纤维，用于制作压敏传感器。这些纳米复合纳米纤维具有层状柱状 hierarchical 结构，密度极低，应变恢复能力分别为18.27 mg/cm3和80%。此外，这些纳米复合纳米纤维的压力敏感性约为0.28 kPa?1（3000次循环）。该领域的进一步发展可能会带来下一代基于热塑性聚合物/碳纳米管混合纳米纤维的可穿戴电子设备。最近，Shoba等人 [98] 使用聚(乙烯醇)、聚苯胺和功能性碳纳米管组合制备了混合纳米纤维。他们通过静电纺丝技术制备了核壳结构的聚(乙烯醇)/聚苯胺/四-(3-氧黄酮酞花青酸)钴(II)/羧酸功能化多壁碳纳米纤维，并通过吸附技术制备了金沉积电极。图7A展示了这些纳米材料的逐步制备过程。图7Ba-c分别展示了设计的纳米复合纤维、原始纳米纤维以及混合纳米纤维编织垫的扫描电子显微镜图像。可以看出，纳米复合纳米纤维的纳米纤维排列更加整齐，而多壁碳纳米管填充的纳米纤维在纤维中存在一些小球状颗粒，可能是由于填料在基质中的聚集效应。纳米复合纳米纤维似乎发展出了三维互联的微观结构，从而具有更好的表面积，有利于电/电荷传导和电化学相互作用。图7C和D分别展示了原始金电极和镀金纳米复合纤维的奈奎斯特图。结果表明，半圆的直径反映了电极的固有电阻。镀金纳米纤维由于界面反应的促进作用，显示出较低的电荷传输电阻。因此，基于纳米复合纤维的电极在传感应用中具有优异的电荷/离子传输和电化学特性。

与碳纳米管类似，文献中也报道了石墨烯增强的热塑性纳米复合纳米纤维 [99]。多种热塑性塑料（如聚乙烯、聚(乙烯醇)、聚乳酸等）通过与石墨烯纳米填料的静电纺丝技术进行了处理 [100–103]。这些静电纺丝热塑性纳米纤维的形态、导电性、机械稳定性和其他物理/化学特性都得到了研究 [104]。聚苯乙烯被视为与石墨烯纳米填料形成纳米复合纳米纤维的重要基质 [105]。特别是，静电纺丝聚苯乙烯/石墨烯纳米复合纳米纤维在形态、疏水性、机械/热稳定性以及电/热导电性方面表现出优异性能 [106]。Li等人 [107] 通过静电纺丝方法制备了聚苯乙烯和石墨烯纳米片衍生的纳米复合纳米纤维。扫描电子显微镜（图8A,B）和透射电子显微镜（图8C,D）研究了未填充的聚苯乙烯纳米纤维以及含有10 wt.%石墨烯纳米片的聚苯乙烯衍生的纳米复合纳米纤维。微观图像显示，纳米复合纳米纤维具有均匀的纹理和表面形态，没有填料聚集现象。高分辨率图像进一步证实了静电纺丝技术在纳米纤维形成中的有效性。图8E和F分别展示了未填充聚苯乙烯纳米纤维和含有10 wt.%石墨烯纳米片的聚苯乙烯纳米复合纳米纤维的直径统计。由于导电石墨烯纳米片的存在以及静电纺丝过程的电场效应，纳米复合纳米纤维的直径较未填充纳米纤维更小。在绿色聚合物中，负载了石墨烯的纤维素纳米纤维已被设计并应用于工程应用 [108]。

Rath和Kundu [109] 制备了具有优异电子和电荷导电性的静电纺丝纤维素/氧化石墨烯纳米纤维。这些纳米纤维的比电容（约255 F/g）高于原始石墨烯基电极（约78 F/g）[110]。然而，关于填充石墨烯的绿色纳米纤维的研究文章相对较少。Wu等人 [111] 使用逐步真空过滤法制备了纤维素纳米纤维、聚吡咯纳米纤维和银纳米线的层状复合纳米纤维。这种绿色聚合物、纳米碳和无机纳米粒子的独特组合产生了具有优异电子导电性和界面极化的先进混合纳米纤维，从而实现了约64–70 dB的电磁屏蔽效果。在这些方向上的进一步研究将明显推动高科技电子设备和雷达隐身技术的发展。关于填充富勒烯C60的热塑性聚合物纳米纤维的研究较少 [112]。在这方面，已经开发了基于聚(L-乳酸)和富勒烯的纳米复合纳米纤维 [113,114]。Liu等人 [115] 制备了静电纺丝的聚(L-乳酸)和四乙烯基甘油功能化富勒烯C60衍生物混合纳米纤维。图9A和B分别展示了未填充和含有10 wt.%四乙烯基甘油功能化富勒烯C60的聚(L-乳酸)纳米纤维的透射电子显微镜图像。功能化富勒烯纳米粒子（直径约20 nm）在混合纳米纤维（直径约300–600 nm）中均匀分布。经ACS许可转载。图9C–F分别展示了0%、5%、10%和20%重量百分比的四乙二醇功能化富勒烯C60增强的聚(L-乳酸)纳米纤维的水接触角的光学照片。在此，添加纳米填料的内容逐渐使水接触角从68°降至0°，而未填充的纳米纤维的水接触角为120°。此外，功能化富勒烯增强了混合纳米纤维的亲水性。表2显示了未填充的聚(L-乳酸)纳米纤维和纳米复合纳米纤维的机械性能。与原始聚(L-乳酸)纳米纤维的拉伸强度和模量（分别为4.1 MPa和149 MPa）相比，聚(L-乳酸)/富勒烯纳米复合纤维的机械性能较低（分别为3.1 MPa和125 MPa）。这种机械性能的下降归因于其亲水性的增加。由于纳米填料在混合纳米纤维中的引入，拉伸应变也从112%降低到97%。表2. 聚(L-乳酸)和四乙二醇功能化富勒烯C60/C70基混合纳米纤维的机械性能 [115]。PLLA = 聚(L-乳酸)；C60-TEG = 富勒烯C60-四乙二醇；C70-TEG = 富勒烯C70-四乙二醇。经ACS许可转载。

随着对碳纳米颗粒增强热塑性聚合物纳米纤维的深入研究，尽管使用了不同类型的聚合物和碳纳米颗粒，但这些纳米复合纤维在设计、性能优化方面的探索还不充分。因此，热塑性聚合物/纳米碳纳米纤维尚未在太空工程、电子设备等领域实现工业化应用。

热固性聚合物也被加工成纳米纤维，既有原始形式也有碳纳米颗粒增强形式 [117,118]。热固性聚合物的纳米纤维已被设计用于太空或汽车相关工程结构 [119,120]。Edvardsen等人 [121] 通过静电纺丝方法制备了环氧/碳纳米管纳米复合纤维。这些纳米纤维的电阻率为30–50 kΩ/cm2，因此在防腐涂层应用中显示出巨大潜力。Aliahmad等人 [122] 使用静电纺丝方法制备了环氧和碳纳米管基纳米复合纤维（图10A）。图10B–D展示了环氧/碳纳米管纳米复合纤维的扫描电子显微镜和透射电子显微镜图像。结果表明，静电纺丝的混合纤维具有光滑的表面、细小的分散度以及碳纳米管在基体中的良好排列。特别是透射电子显微镜图像显示了碳纳米管在环氧基体中的清晰分布。图10E显示了环氧/碳纳米管纳米复合纤维的拉伸模量与碳纳米管含量之间的关系。在这种情况下，4%的碳纳米管含量被认为是实现高效载荷传递和优异拉伸模量（约4.8 GPa）的最佳值。Wable等人 [123] 制备了静电纺丝的环氧/碳纳米管纳米复合纤维，并将其与碳纤维结合以增强其机械性能。因此，环氧/碳纳米管/碳纤维体系相对于纯碳纤维具有更高的抗疲劳性和层间剪切强度（分别提高了27%和29%）。这些优异的机械性能归因于环氧/碳纳米管纤维诱导的碳纤维与基体之间的良好界面粘附和载荷传递。

文献中还报道了一些环氧/富勒烯复合材料 [125]。例如，Jiang等人 [126] 制备了环氧和富勒烯纳米粒子基纳米复合纤维。在这些纤维中，添加2–3%的富勒烯含量提高了纳米纤维与基体的结合强度，从而使纳米复合纤维的拉伸强度比纯环氧基体提高了约26%–42%。这种拉伸强度的提升归因于纤维与基体之间的界面粘附以及富勒烯对环氧基体的改性 [127]。遗憾的是，关于环氧/纳米碳纳米复合纤维的研究尝试非常有限。未来在这个领域的科学研究可能会带来先进的工程结构、耐腐蚀涂层和能源器件 [128–130]。

在碳纳米填料中，碳纳米管、石墨烯和富勒烯被广泛用作纳米增强剂，与导电聚合物、热塑性和热固性聚合物结合形成纳米复合纤维。在纳米纤维加工过程中，静电纺丝方法经常被采用，同时还使用了一些其他技术，如渗透和溶液法。静电纺丝方法制备纳米复合纤维的成功与否取决于其生成高表面积、窄直径、光滑质地和机械强度的纳米纤维的能力。此外，静电纺丝方法允许轻松控制加工参数，如流速、施加电压、针头/纺丝头到收集器的距离等。随后，静电纺丝的聚合物/碳纳米复合纤维表现出有希望的结构、微观结构、电子/热/电荷导电性以及热/机械稳定性。表3–5展示了碳纳米颗粒增强导电聚合物、热塑性聚合物和热固性聚合物纳米复合纤维的设计、制造和性能的比较。

正如前文所述，高性能导电聚合物纳米复合纤维（如含碳纳米颗粒的聚苯胺纳米复合纤维）已成功用于超级电容器和二极管。此外，导电聚合物（如聚噻吩衍生物）与富勒烯结合后也被加工成纳米纤维，用于光伏应用。各种热塑性聚合物（如聚（乙烯醇）及其与碳纳米管/石墨烯的共聚物/混合物）的纳米纤维也通过静电纺丝方法制备。这些纳米材料被研究用于应变传感和压电传感器。热塑性聚合物（如聚苯乙烯）和石墨烯衍生物基纳米复合纤维也被研究用于超级电容器。还有一些绿色热塑性塑料（如纤维素）被加工成纳米复合纤维，用于重要设备和结构应用。特别是，在热塑性纳米复合纤维中添加碳纳米管和石墨烯填料后，具有独特的界面相容性微观结构、机械强度、尺寸稳定性和热稳定性以及辐射屏蔽性能。这些纳米纤维已被用于航空航天、汽车、国防和环境膜等相关行业的结构工程应用。对于热固性聚合物（如环氧树脂）与碳纳米管或石墨烯的纳米复合纤维的研究较少。根据科学报告，静电纺丝技术在制备高性能聚合物纳米复合纤维方面取得了显著成功，因为其参数易于控制 [131]。主要影响因素包括溶液粘度、施加电压、收集器距离和流速等。提高溶液粘度或聚合物溶液浓度可能会导致纤维不均匀且较粗。此外，控制施加电压对于诱导聚合物丝从针尖到收集器的拉伸和泰勒锥的形成至关重要。缓慢的聚合物溶液流速（低于临界阈值）可能导致纤维分布不均和直径较大。因此，调整适量的聚合物溶液流速对于获得直径均匀的纳米纤维是必要的。针头到收集器的距离也应适当延长，以便拉伸聚合物射流以形成细长纳米纤维。在聚合物纳米复合纤维中，纤维的排列、取向或交联取决于表面相互作用和纤维间的相互作用。根据聚合物和纳米填料的类型和功能，观察到由于氢键、范德华力、共价作用等物理相互作用而产生的基体-纳米填料相互作用。因此，可以获得良好的聚合物纳米复合纤维性能，包括表面/体积比、表面孔隙率、纹理均匀性和微观结构特征 [133]。随后，还报道了聚合物纳米复合纤维的其他物理性能改进，包括机械、电学、介电和热性能 [134]。

纳米复合纤维加工的主要挑战之一是纳米填料分散不良和缺乏预定义的加工参数，这影响了工业应用的可重复性和可扩展性。实际上，不当的纳米填料分散会破坏纳米纤维表面的均匀性、基体-纳米填料相互作用以及所需的先进性能（如电导率、渗透网络、机械完整性等）。为了克服这些可重复性和可扩展性挑战，需要开发易于控制和优化的加工技术。同时，还需要考虑纳米复合纤维加工和再加工的环境影响。例如，纳米碳合成基材料的毒性、绿色溶剂和前体的使用、溶剂回收以及绿色合成技术对可销售纳米纤维设计至关重要。目前，关于纳米复合纤维加工的环境影响在文献中尚未得到足够关注。此外，还需要考虑纳米碳合成、纳米碳改性和聚合物纳米复合纤维制造的经济性和成本，以确保可行的工业化生产和可重复性。接下来，将重点是将有价值的混合纳米纤维成功集成到设备架构和工程结构中。为此，必须开发高性能纳米复合纤维的设计，以便在电子/能源设备中应用。因此，电气工程师需要了解纳米纤维材料的性能（如渗透性、导电性、耐久性等）、可重复性和可扩展性。根据现有文献，未来的研究方向似乎是为工业规模的电子、能源和设备系统设计纳米复合纤维。尽管在纳米复合纤维领域取得了进展，但仍存在一些研究空白，阻碍了其未来的工业应用。例如，控制纳米填料分散、静电纺丝参数、可重复性和大规模模块的研究较少。迄今为止，尚未进行理论研究来理解聚合物/碳纳米复合纤维的界面机制和结构-性能关系。

未来，迫切需要设计出有前景的绿色基体/纳米碳纳米复合纤维，以推动能源、电子和汽车工程等领域的绿色工业革命。因此，聚合物/碳基混合纳米纤维的未来发展依赖于相关科学家/工程师的共同努力，以开发出符合商业标准的大规模精确设计。7. 结论 本文总结了将碳纳米颗粒（主要是碳纳米管、石墨烯和富勒烯）整合到共轭热塑性和热固性聚合物纳米纤维中的最新技术价值。文中介绍了碳纳米填料和原始聚合物纳米纤维的基本原理。本综述的重点是强调了不同类型的聚合物/纳米碳复合纳米纤维，以其独特的结构组合、微观特性和广泛应用。随后讨论了共轭热塑性和热固性纳米纤维与碳纳米颗粒工业化过程中的潜在前景、挑战及未来需求。在这方面，电纺法被观察到是制备多维复合纳米纤维最常用的技术。根据聚合物类型、纳米填料、聚合物/纳米碳含量以及加工条件的不同，设计了多种聚合物/纳米碳复合纳米纤维。此外，碳纳米填料的性能、基体-填料界面、聚合物-纳米碳的协同效应以及结构特性之间的联系决定了这些纳米纤维的物理性能。因此，这些纳米材料在超级电容器、传感器、辐射屏蔽、膜材料、工程结构以及其他高科技设备和系统中的应用前景十分广阔。然而，这些独特混合纳米结构的未来工业化进展仍依赖于持续的研究努力以解决其中存在的挑战。

**资金声明**
作者并未为此研究获得任何特定资助。

**数据与材料的可用性**
不适用。

**伦理审查**
不适用。

**利益冲突**
作者声明不存在任何利益冲突。