随着工业化的不断发展,空气中颗粒物造成的污染愈发严重,特别是微纳米尺度颗粒很容易携带有毒物质,危害人体健康。空气过滤是去除空气中有害颗粒的有效方法,其中静电纺丝技术微纳米纤维空气过滤膜的纤维直径小、有良好的孔连通性,显著提高了空气中PM2.5的过滤效率。一般而言,纤维越细,孔隙越小,纤维膜过滤的颗粒越小,过滤效率越高,但随之而来的高纤维堆积密度也会导致压降大,如何在保证高过滤效率的前提下降低压降是空气过滤材料的研究难点。为了解决这个问题,本文使用COMSOL Multiphysics 6.0有限元软件中的计算流体力学模块进行数值模拟,对纤维材料的结构进行优化,并使用自由液面静电纺丝技术制备微纳米纤维膜。首先设计出直径双峰分布的纤维膜来降低纤维堆砌密度,其次利用空气滑移效应降低纤维膜的滤阻,然后在此基础上设计出一种梯度孔径分布的三层纤维膜,并对单纤维表面进行粗糙化设计,得到一种高效低阻、纤维表面粗糙的三层梯度结构过滤材料,主要研究内容如下:（1）使用数值模拟探究单峰和双峰纤维膜的过滤性能,结果表明双峰分布纤维膜的过滤性能优于单峰分布纤维膜,并且纤维混杂越均匀,过滤性能越好。通过自由液面静电纺丝对两种浓度的聚丙烯腈（PAN）进行交替纺丝,测试结果证明了双峰分布纤维膜过滤性能和强度的优越性。（2）为了降低阻力压降,数值模拟单个纳米纤维表面的气流场以确定应用空气滑移效应的最佳纤维直径（70 nm）。在此基础上,优化了双峰纤维膜的纤维直径分布（70+200 nm）,并且以聚丙烯腈/聚偏氟乙烯（PAN/PVDF）为原料制备出了优化的双峰分布纤维膜。为进一步提高纤维膜过滤效率以满足精密过滤的需要,设计了一种纤维直径逐渐减小的三层梯度材料Uni2/Bi/Uni1,即从迎风面到背风面依次为110 nm单峰纤维层,70+200 nm双峰纤维层,70 nm单峰纤维层,该结构滤材对PM0.26过滤性能最佳,过滤效率为99.984%,压降为85.02 Pa。（3）数值模拟结果表明,单纤维的过滤性能随着纤维的比表面积的增加而提高。通过在纺丝液中加入纳米Ti O2提高纤维比表面积,在前述三层梯度结构的基础上制备出纤维表面粗糙的过滤材料,其过滤性能最优(品质因数为0.1073 Pa-1),过滤效率达到了99.992%,阻力压降为87.93 Pa。其优异的过滤性能一方面是由于纤维堆砌密度的降低,以及纤维膜的孔隙率提高,减小了阻力压降;另一方面是纤维表面粗糙结构,提高了粒子和纤维接触面积,有利于对粒子的捕获。这种纤维材料应用了滑移效应、纤维直径双峰分布、梯度空气通道以及纤维表面粗糙结构的特性,为高性能的空气过滤材料开发提供了新思路。