古往今来,自然界中的万物给予了我们无数灵感,尤其是一些具有微观层次结构的动植物。蜘蛛丝作为天然材料中具有微观层次结构的典型代表,具有重量轻、富有弹性和延展性、耐紫外、生物相容性和生物降解性等优点,尤其具有众所周知的超强机械性能,是任何工业材料都无法比拟的,这与蜘蛛特有的纺丝机理密切相关。因此,探究蜘蛛丝具有超强机械性能的原因,以及研究蜘蛛的纺丝机理,而后如何将这种机理运用在静电纺丝过程中来改善纳米纤维膜的某些性能是一个重要课题。本文首先研究了蜘蛛的纺丝机理和蜘蛛丝的结构。蜘蛛丝具有典型的层次结构,从最开始β-折叠片状纳米晶体的有序排列,到蛋白质纳米复合结构,再到纳米纤维,最后到蜘蛛丝。这样的层次结构的复合和协同作用使得蜘蛛丝具有优异的性能,尤其是出众的机械性能。另一方面,在蜘蛛纺丝过程中,纺丝原液要经过很长的导管。而这个长导管在蜘蛛纺丝过程中对纺丝液中大分子链排列取向和构象有着重要影响,最终影响蜘蛛丝的机械性能。Hall-Petch效应又称为颗粒-边界强化效应,被广泛应用于材料科学中。作为Hall-Petch效应的一种特殊情况,纳米效应用来清晰的解释了具有层次结构的蜘蛛丝拥有超强机械性能的原因。然后,从蜘蛛特有的纺丝机理出发,纺丝液流经相当长的导管却没有发生堵塞,是因为纺丝液在导管内的流动状态是层流。从而纺丝原液里的大分子链可以依次有序前进,相互之间的阻力减小,再结合剪切力、pH的变化等原因引起大分子长链排列的取向和构象的变化并最终使得蜘蛛丝具有极强的机械性能。本文借鉴蜘蛛纺丝的长导管,结合静电纺丝,并在纺丝过程中选取较长的针,运用层流理论来控制纳米纤维的内部结构。根据层流理论中层流流体的速度分布规律,纺丝液里的大分子链在针中运动的过程中会慢慢被拉直,并且在压强的作用下逐渐取向排列。而当静电纺丝装置中的针长度越长时,众多大分子链将有足够的时间被拉直并取向排列,故而制备的纳米纤维内部结构越来越有序。纳米纤维内部结构越有序,纳米纤维膜的机械性能越差,但是其电阻率却会降低。之后,为提高静电纺丝制备的纳米纤维膜的机械性能,受涡流纺丝启发设计了一种空气涡流静电纺丝装置。这里首次在静电纺丝过程中运用涡流,并利用形成的涡流来控制静电纺丝制备的纳米纤维的内部结构,从而提高纳米纤维膜的机械性能。通过改变涡流强度探讨了涡流对纳米纤维内部结构以及纳米纤维之间相互作用的影响。当入射气流速度较小时,在管道内形成的涡流强度较弱,这时较弱的涡流只对静电纺丝射流内部的微结构有作用。弱涡流使得射流内部的微结构相互缠绕,从而使得制备的纳米纤维内部结构缠结,纳米纤维膜的机械性能有一定提高。当涡流强度增大到一定值时,纳米纤维内部结构缠结会达到极限,同时纳米纤维之间开始出现粘连,形成大孔径,而纳米纤维膜的机械性能也会大大提高。因此该装置为制备具有高机械性能的同时还具有大孔径的纳米纤维膜提供了 一种简单高效的方法。通过改变入射气流的角度发现当入射气流与针夹角为90°时纳米纤维内部结构缠结以及纳米纤维之间的粘连最好,纳米纤维膜机械性能最强。最后,结合静电纺丝和3D打印设计并制备了一种柔性可弯曲传感器。由内部结构有序的纳米纤维热处理后得到的碳纳米纤维具有更好的导电性。混有该碳纳米纤维的水凝胶作为导电核层很好的依附于PDMS制备的壳层上。碳纳米纤维和水凝胶的混合形成了稳定的三维导电网络,从而通过碳纳米纤维的接触和分离控制电阻的变化。以健康无毒且具有生物相容性的PDMS为原料并通过3D打印制备的传感器外壳,使该传感器具有更为广阔的应用范围。独特的核壳结构,可以在核层损坏的情况下直接更换核层便可重新使用,达到了可持续使用的目的。同时,该传感器在灵敏度、滞后、响应时间和耐久性等方面表现出了优异的综合性能。测试范围高达140°,并且在经过多次弯曲/释放循环测试后信号仍然相当稳定。而且通过调节碳纳米纤维的浓度和通过3D打印改变核层管道的形状可以实现传感器的不同应用。将传感器安置于身体的不同部位对身体各种运动进行实时监控后,结果表明该传感器在监测人体健康方面表现出优异性能。基于该传感器的众多优点,其可用于人体健康监测、医学诊断、触觉传感器、人形机器人和穿戴式人工皮肤等,而且在未来可穿戴电子领域有着广阔的应用前景。