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超越傳統聚合物局限，揭秘能在-196°C至200°C穩定工作的神奇紗線

文章來源：賢集網更新時間：2024-08-12 11:26:25

在航空航天和沙漠等極端環境中，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，還要具備出色的熱穩定性和機械可靠性，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、高強和高韌于一身，卻在極端溫度下表現欠佳。超過100°C，可能因玻璃化轉變或熱降解而結構崩潰、強度下降；低于-100°C，又會出現分子凍結現象。這些溫度限制嚴重影響了其在極端環境下的強度和韌性穩定性，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境中展現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，它保持了卓越的熱機械穩定性，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；機械性能優良，在極端環境下仍能保持高強度和尺寸穩定性。

（二）廣泛的應用領域

PI在航空航天、汽車、醫療等高科技行業中有著大量應用。如在航空航天中用于飛機和航天器的導電系統；在汽車中用于發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，發現3股的紗線表現出色，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納米纖維紗線展現出卓越的機械性能，其拉伸強度與韌性在寬溫度范圍內均保持優異。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）微觀結構與力學行為

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構，研究了其在拉伸過程中纖維取向的動態行為。結果表明，拉伸時纖維能從紗線外部向中心區域更有效地對齊，從而提升整體力學性能。

（四）創新結構與力學模型

作者提出了多級螺旋取向結構及其力學模型，強調適度的加捻與定捻技術不僅對穩定紗線的多級螺旋取向結構至關重要，還能將加捻過程中的能量高效儲存于紗線內。當紗線受到外部應力時，內部纖維結構能精準分散和吸收應力沖擊，賦予紗線出色的韌性。結合PI材料剛柔相濟的結構，這種紗線在寬溫域展現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，介電常數適中，阻燃自熄。

經過數十年發展，在制備方法、結構設計與優化方面成果豐碩。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PI溶解性差，規模化制備困難，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，需增加高溫環化步驟，影響纖維性能和穩定性，但單體來源廣，有利于結構設計和成本控制，國內多數研究者采用此方法，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構設計，通過大量實驗工作顯著提升了纖維性能。

盡管國內外多家科研機構開展研究，但產業化信息少，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，建成生產線，開發出高強和高模系列產品，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為極端環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，從而在更多領域實現廣泛應用，為航空航天、新能源等領域的發展提供強有力的支撐。

同時，高強高模PI纖維的研究和產業化進程也將繼續推進，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發展做出重要貢獻。

新型聚酰亞胺納米纖維紗線的出現是材料領域的一項重要突破，它不僅解決了極端環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，創造更多的輝煌。

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