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(lái)源：賢集網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-08-12 11:26:25
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在航空航天和沙漠等極端環(huán)境中，材料面臨著極其嚴(yán)苛的考驗(yàn)。長(zhǎng)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(jī)械可靠性，以保障人員和裝備的安全。高強(qiáng)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(shí)擁有這兩種特性的材料鳳毛麟角。 當(dāng)前的高性能聚合物纖維雖集輕質(zhì)、高強(qiáng)和高韌于一身，卻在極端溫度下表現(xiàn)欠佳。超過(guò)100°C，可能因玻璃化轉(zhuǎn)變或熱降解而結(jié)構(gòu)崩潰、強(qiáng)度下降；低于-100°C，又會(huì)出現(xiàn)分子凍結(jié)現(xiàn)象。這些溫度限制嚴(yán)重影響了其在極端環(huán)境下的強(qiáng)度和韌性穩(wěn)定性，成為其廣泛應(yīng)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(xué)、天津大學(xué)和德國(guó)拜羅伊特大學(xué)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(diǎn)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(qiáng)度和超高韌性，尤為關(guān)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(jī)械穩(wěn)定性，極大地拓展了其應(yīng)用潛力。 二、聚酰亞胺的魅力：性能與應(yīng)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(xué)腐蝕性強(qiáng)，能抵抗大多數(shù)酸、堿和有機(jī)溶劑；電絕緣性良好，是電氣絕緣體的理想材料；機(jī)械性能優(yōu)良，在極端環(huán)境下仍能保持高強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性。 （二）廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 PI在航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療等高科技行業(yè)中有著大量應(yīng)用。如在航空航天中用于飛機(jī)和航天器的導(dǎo)電系統(tǒng)；在汽車(chē)中用于發(fā)動(dòng)機(jī)附近的連接器和傳感器；在實(shí)際應(yīng)用中還常用于制備導(dǎo)電膜、柔性電路板、耐高溫膠帶和電纜護(hù)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(chǎng)的應(yīng)用。但隨著生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍有望進(jìn)一步擴(kuò)大。 三、實(shí)驗(yàn)揭秘：卓越性能的來(lái)源 （一）對(duì)比測(cè)試顯優(yōu)勢(shì) 作者對(duì)比了不同條件制備的PI納米纖維紗線的強(qiáng)度及韌性，發(fā)現(xiàn)3股的紗線表現(xiàn)出色，拉伸強(qiáng)度高達(dá)1145 ± 44 MPa，韌性達(dá)350 ± 24 J/g，斷裂伸長(zhǎng)率為90 ± 5%，模量為2.3 ± 0.13 GPa，性能超越了3700種各類(lèi)材料。 （二）詳盡性能測(cè)試 在不同溫度條件下，PI納米纖維紗線展現(xiàn)出卓越的機(jī)械性能，其拉伸強(qiáng)度與韌性在寬溫度范圍內(nèi)均保持優(yōu)異。通過(guò)模擬不同負(fù)荷下的使用情況，深入研究了紗線的抗疲勞性能，驗(yàn)證了其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性。 （三）微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)行為 通過(guò)X射線顯微/納米計(jì)算機(jī)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(guò)程中纖維取向的動(dòng)態(tài)行為。結(jié)果表明，拉伸時(shí)纖維能從紗線外部向中心區(qū)域更有效地對(duì)齊，從而提升整體力學(xué)性能。 （四）創(chuàng)新結(jié)構(gòu)與力學(xué)模型 作者提出了多級(jí)螺旋取向結(jié)構(gòu)及其力學(xué)模型，強(qiáng)調(diào)適度的加捻與定捻技術(shù)不僅對(duì)穩(wěn)定紗線的多級(jí)螺旋取向結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，還能將加捻過(guò)程中的能量高效儲(chǔ)存于紗線內(nèi)。當(dāng)紗線受到外部應(yīng)力時(shí)，內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)能精準(zhǔn)分散和吸收應(yīng)力沖擊，賦予紗線出色的韌性。結(jié)合PI材料剛?cè)嵯酀?jì)的結(jié)構(gòu)，這種紗線在寬溫域展現(xiàn)出高強(qiáng)高韌的綜合性能。 四、高強(qiáng)高模PI纖維的研究進(jìn)展 高強(qiáng)高模PI纖維兼具高性能有機(jī)纖維的高強(qiáng)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(zhǎng)期使用溫度可達(dá)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(guò)數(shù)十年發(fā)展，在制備方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)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(shí)驗(yàn)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(lái)源廣，有利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成本控制，國(guó)內(nèi)多數(shù)研究者采用此方法，且力學(xué)性能不斷提升。北京化工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用分子模擬技術(shù)指導(dǎo)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)工作顯著提升了纖維性能。 盡管?chē)?guó)內(nèi)外多家科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展研究，但產(chǎn)業(yè)化信息少，成功應(yīng)用案例罕見(jiàn)。日本IST公司實(shí)驗(yàn)室制備的纖維拉伸強(qiáng)度達(dá)3.0GPa，正在推進(jìn)工程化。我國(guó)在高強(qiáng)高模PI纖維制備技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，北京化工大學(xué)和江蘇先諾新材料科技有限公司合作，突破關(guān)鍵技術(shù)，建成生產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)出高強(qiáng)和高模系列產(chǎn)品，性能達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 五、未來(lái)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(yīng)用開(kāi)辟了新的道路。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和優(yōu)化，其性能有望進(jìn)一步提升，成本進(jìn)一步降低，從而在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，為航空航天、新能源等領(lǐng)域的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。 同時(shí)，高強(qiáng)高模PI纖維的研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也將繼續(xù)推進(jìn)，不斷滿足市場(chǎng)對(duì)高性能材料的需求，為我國(guó)乃至全球的科技進(jìn)步和工業(yè)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。 新型聚酰亞胺納米纖維紗線的出現(xiàn)是材料領(lǐng)域的一項(xiàng)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(lái)的研究和應(yīng)用提供了新的思路和方向。我們期待著這一材料在更多領(lǐng)域大放異彩，創(chuàng)造更多的輝煌。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_554315.html 來(lái)源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。 |
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