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超越傳統(tǒng)聚合物局限，揭秘能在-196°C至200°C穩(wěn)定工作的神奇紗線

文章來源：賢集網(wǎng) 更新時間：2024-08-12 11:26:25

在航空航天和沙漠等極端環(huán)境中，材料面臨著極其嚴苛的考驗。長期暴露于極端的高溫與低溫，要求材料不僅要輕質(zhì)，還要具備出色的熱穩(wěn)定性和機械可靠性，以保障人員和裝備的安全。高強度能抵御塑性變形，高韌性可抵抗斷裂和損傷，然而，自然界中同時擁有這兩種特性的材料鳳毛麟角。

當前的高性能聚合物纖維雖集輕質(zhì)、高強和高韌于一身，卻在極端溫度下表現(xiàn)欠佳。超過100°C，可能因玻璃化轉(zhuǎn)變或熱降解而結(jié)構(gòu)崩潰、強度下降；低于-100°C，又會出現(xiàn)分子凍結(jié)現(xiàn)象。這些溫度限制嚴重影響了其在極端環(huán)境下的強度和韌性穩(wěn)定性，成為其廣泛應用的瓶頸。

一、新型聚酰亞胺納米纖維紗線的誕生

近日，江西師范大學、天津大學和德國拜羅伊特大學的研究人員攜手合作，成功制備出一種新型聚酰亞胺納米纖維紗線。這一成果在《Advanced Materials》上發(fā)表，并被Science編輯作為研究亮點推薦。

此紗線在極端高溫和低溫環(huán)境中展現(xiàn)出令人矚目的高拉伸強度和超高韌性，尤為關鍵的是，在-196 °C至200 °C的寬廣溫度范圍內(nèi)，它保持了卓越的熱機械穩(wěn)定性，極大地拓展了其應用潛力。

二、聚酰亞胺的魅力：性能與應用

（一）PI的卓越特性

聚酰亞胺（Polyimide, PI）是一種性能卓越的高分子材料。它具有高耐熱性，能承受300攝氏度以上的極端溫度；耐化學腐蝕性強，能抵抗大多數(shù)酸、堿和有機溶劑；電絕緣性良好，是電氣絕緣體的理想材料；機械性能優(yōu)良，在極端環(huán)境下仍能保持高強度和尺寸穩(wěn)定性。

（二）廣泛的應用領域

PI在航空航天、汽車、醫(yī)療等高科技行業(yè)中有著大量應用。如在航空航天中用于飛機和航天器的導電系統(tǒng)；在汽車中用于發(fā)動機附近的連接器和傳感器；在實際應用中還常用于制備導電膜、柔性電路板、耐高溫膠帶和電纜護套等。

然而，PI的生產(chǎn)和加工成本較高，一定程度上限制了其在某些成本敏感型市場的應用。但隨著生產(chǎn)技術的進步，其應用范圍有望進一步擴大。

三、實驗揭秘：卓越性能的來源

（一）對比測試顯優(yōu)勢

作者對比了不同條件制備的PI納米纖維紗線的強度及韌性，發(fā)現(xiàn)3股的紗線表現(xiàn)出色，拉伸強度高達1145 ± 44 MPa，韌性達350 ± 24 J/g，斷裂伸長率為90 ± 5%，模量為2.3 ± 0.13 GPa，性能超越了3700種各類材料。

（二）詳盡性能測試

在不同溫度條件下，PI納米纖維紗線展現(xiàn)出卓越的機械性能，其拉伸強度與韌性在寬溫度范圍內(nèi)均保持優(yōu)異。通過模擬不同負荷下的使用情況，深入研究了紗線的抗疲勞性能，驗證了其在實際應用中的可靠性。

（三）微觀結(jié)構(gòu)與力學行為

通過X射線顯微/納米計算機斷層掃描（Micro/Nano-CT）重建了PI納米纖維紗線的微觀納米結(jié)構(gòu)，研究了其在拉伸過程中纖維取向的動態(tài)行為。結(jié)果表明，拉伸時纖維能從紗線外部向中心區(qū)域更有效地對齊，從而提升整體力學性能。

（四）創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與力學模型

作者提出了多級螺旋取向結(jié)構(gòu)及其力學模型，強調(diào)適度的加捻與定捻技術不僅對穩(wěn)定紗線的多級螺旋取向結(jié)構(gòu)至關重要，還能將加捻過程中的能量高效儲存于紗線內(nèi)。當紗線受到外部應力時，內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)能精準分散和吸收應力沖擊，賦予紗線出色的韌性。結(jié)合PI材料剛?cè)嵯酀慕Y(jié)構(gòu)，這種紗線在寬溫域展現(xiàn)出高強高韌的綜合性能。

四、高強高模PI纖維的研究進展

高強高模PI纖維兼具高性能有機纖維的高強高模特性和PI材料的優(yōu)異性能，如耐高低溫、耐輻照、低介電、阻燃等。長期使用溫度可達300℃，在-269℃的液氦中也不脆斷，介電常數(shù)適中，阻燃自熄。

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，在制備方法、結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化方面成果豐碩。制備方法分為一步法和兩步法。一步法以可溶性PI溶液為紡絲液，過程易控，但多數(shù)PI溶解性差，規(guī)?；苽淅щy，目前主要停留在實驗室研究。兩步法以聚酰胺酸溶液為紡絲液，需增加高溫環(huán)化步驟，影響纖維性能和穩(wěn)定性，但單體來源廣，有利于結(jié)構(gòu)設計和成本控制，國內(nèi)多數(shù)研究者采用此方法，且力學性能不斷提升。北京化工大學研究團隊利用分子模擬技術指導分子結(jié)構(gòu)設計，通過大量實驗工作顯著提升了纖維性能。

盡管國內(nèi)外多家科研機構(gòu)開展研究，但產(chǎn)業(yè)化信息少，成功應用案例罕見。日本IST公司實驗室制備的纖維拉伸強度達3.0GPa，正在推進工程化。我國在高強高模PI纖維制備技術方面處于領先地位，北京化工大學和江蘇先諾新材料科技有限公司合作，突破關鍵技術，建成生產(chǎn)線，開發(fā)出高強和高模系列產(chǎn)品，性能達到國際領先水平。

五、未來展望

新型聚酰亞胺納米纖維紗線的成功研發(fā)為極端環(huán)境下的材料應用開辟了新的道路。隨著技術的不斷進步和優(yōu)化，其性能有望進一步提升，成本進一步降低，從而在更多領域?qū)崿F(xiàn)廣泛應用，為航空航天、新能源等領域的發(fā)展提供強有力的支撐。

同時，高強高模PI纖維的研究和產(chǎn)業(yè)化進程也將繼續(xù)推進，不斷滿足市場對高性能材料的需求，為我國乃至全球的科技進步和工業(yè)發(fā)展做出重要貢獻。

新型聚酰亞胺納米纖維紗線的出現(xiàn)是材料領域的一項重要突破，它不僅解決了極端環(huán)境下材料性能的難題，也為未來的研究和應用提供了新的思路和方向。我們期待著這一材料在更多領域大放異彩，創(chuàng)造更多的輝煌。

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