- 选题背景和意义：
近年来纳米纤维纱线作为一种新兴的纳米纤维材料，以其高结晶度、取向度好，抗拉强度大、易于编织等优点，比传统的纳米纤维毡拥有更为广泛的应用前景。纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料。纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率以及优异的物化性能，使其广泛应用于化工，医药等产品的提纯过滤、微型传感器。纳米纤维的制造方法也多种多样，如拉伸法，模板合成，自组装、微相分离，静电纺丝等，其中静电纺丝以操作简单、适用范围广、生产效率相对较高而得到广泛应用。
近些年人们在纳米纤维的应用研究上发现，纤维的取向排列对其构成装置的性能具有很大影响。例如生物学上细胞在取向纳米纤维上比常规材料上的生长速度要高出几十倍。由于定向传输的能力也使其被应用于传感器制造等领域。在其他方面，取向纳米纤维还是很好的复合增强、光电材料、声学材料。因此取向纳米纤维相对于无序纳米纤维而言拥有更高的关注度，如何制备定向排列的纳米纤维逐渐成为研究热点。
典型的获取排列良好的纳米尺度的纤维束方法使用了不同形状的电极作为接地集电极，包括双对齐电极、带锐边转盘、转缸(铜丝、铝缸)、磁场。定向排列的纳米纤维束还可以提高纳米纤维的力学性能，使其具有更好的抗拉强度。但从纤维的后处理加工及应用方面来看，仅仅是定向排列的纤维害远远不能满足实际需求。研究人员发现，在静电纺丝过程中添加辅助电场或者改变收集装置的形状与运动状态，对纤维施加电场力或机械力完成搓捻，从而改变收集过程中纤维的运动轨迹，得到高度取向的纳米纤维纱线，可以提高其力学性能。目前静电纺纳米纤维纱线的研究大多仍处于实验室阶段，尚未实现大规模批量化的生产与应用。
在整齐排列纤维中，捻回角和捻度是表征纤维加捻程度的重要参数。捻回角越大，则纤维的捻度越大，纱线的结晶度越大，进而力学性能越好。好的力学性能决定了纳米纤维的应用广度。通过研制纳米纤维纺线收集装置，可以完成对于制备的纤维完成搓捻收集。此外，通过修改收集装置的各种参数，可以得到不同捻度的纱线。通过对于不同捻回角纤维的力学性能进行实验测试，可以得到使得纤维力学性能最大化时候的搓捻角，进而获得最优解。
- 课题关键问题及难点：
主要研究内容：
- 制作纳米纤维收集装置
在实验室已经拥有制备纳米纤维装置的情况下，为了获得定向排列的纳米纤维，必须再搭建新的收集装置，利用有电势差的喷嘴和集电极对射出的纳米纤维施加合适的电场力与机械力，使收集装置上沉积取向的纳米纤维纱线，同时利用辊筒收集好制备好的纱线。
- 实验测试纳米纤维纱线力学性能并优化收集装置参数
在可以正常制备纳米纤维纱线的前提下，通过修改收集装置的工艺参数，如集电极上形成不同的电场，使得收集到的纳米纤维束具有不同的直径，测试其断裂力和拉伸率可以得到其力学性能数据。借此得到使得收集的纳米纤维力学性能最优时装置的各项参数。
研究难点：
- 集电极形状的设计
集电极的形状直接决定了在其周围的电场分布，进而影响到沉积到集电极上的纤维的加捻情况，对于纳米纤维的力学性能有很大影响。考虑到让收集到的纳米纤维集中分布，同时集电极形状也要便于修改，便于测试不同情况下的纳米纤维性能。
- 集电极电场的模拟
对于可能得到不同力学性能的纤维的结果进行理论分析，就必须知道收集线圈附近在加压的条件下的电场分布情况。在上电的情况下，喷嘴与集电极之间可以近似看做静电场，可以利用ansys、elecent等软件进行电场模拟，仿真粒子在电场中的运动，从而分析纳米纤维的沉积情况，进行理论解释。
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