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超越传统聚合物局限，揭秘能在-196°C至200°C稳定工作的神奇纱线

文章来源：贤集网更新时间：2024-08-12 11:26:25

在航空航天和沙漠等极端环境中，材料面临着极其严苛的考验。长期暴露于极端的高温与低温，要求材料不仅要轻质，还要具备出色的热稳定性和机械可靠性，以保障人员和装备的安全。高强度能抵御塑性变形，高韧性可抵抗断裂和损伤，然而，自然界中同时拥有这两种特性的材料凤毛麟角。

当前的高性能聚合物纤维虽集轻质、高强和高韧于一身，却在极端温度下表现欠佳。超过100°C，可能因玻璃化转变或热降解而结构崩溃、强度下降；低于-100°C，又会出现分子冻结现象。这些温度限制严重影响了其在极端环境下的强度和韧性稳定性，成为其广泛应用的瓶颈。

一、新型聚酰亚胺纳米纤维纱线的诞生

近日，江西师范大学、天津大学和德国拜罗伊特大学的研究人员携手合作，成功制备出一种新型聚酰亚胺纳米纤维纱线。这一成果在《Advanced Materials》上发表，并被Science编辑作为研究亮点推荐。

此纱线在极端高温和低温环境中展现出令人瞩目的高拉伸强度和超高韧性，尤为关键的是，在-196 °C至200 °C的宽广温度范围内，它保持了卓越的热机械稳定性，极大地拓展了其应用潜力。

二、聚酰亚胺的魅力：性能与应用

（一）PI的卓越特性

聚酰亚胺（Polyimide, PI）是一种性能卓越的高分子材料。它具有高耐热性，能承受300摄氏度以上的极端温度；耐化学腐蚀性强，能抵抗大多数酸、碱和有机溶剂；电绝缘性良好，是电气绝缘体的理想材料；机械性能优良，在极端环境下仍能保持高强度和尺寸稳定性。

（二）广泛的应用领域

PI在航空航天、汽车、医疗等高科技行业中有着大量应用。如在航空航天中用于飞机和航天器的导电系统；在汽车中用于发动机附近的连接器和传感器；在实际应用中还常用于制备导电膜、柔性电路板、耐高温胶带和电缆护套等。

然而，PI的生产和加工成本较高，一定程度上限制了其在某些成本敏感型市场的应用。但随着生产技术的进步，其应用范围有望进一步扩大。

三、实验揭秘：卓越性能的来源

（一）对比测试显优势

作者对比了不同条件制备的PI纳米纤维纱线的强度及韧性，发现3股的纱线表现出色，拉伸强度高达1145 ± 44 MPa，韧性达350 ± 24 J/g，断裂伸长率为90 ± 5%，模量为2.3 ± 0.13 GPa，性能超越了3700种各类材料。

（二）详尽性能测试

在不同温度条件下，PI纳米纤维纱线展现出卓越的机械性能，其拉伸强度与韧性在宽温度范围内均保持优异。通过模拟不同负荷下的使用情况，深入研究了纱线的抗疲劳性能，验证了其在实际应用中的可靠性。

（三）微观结构与力学行为

通过X射线显微/纳米计算机断层扫描（Micro/Nano-CT）重建了PI纳米纤维纱线的微观纳米结构，研究了其在拉伸过程中纤维取向的动态行为。结果表明，拉伸时纤维能从纱线外部向中心区域更有效地对齐，从而提升整体力学性能。

（四）创新结构与力学模型

作者提出了多级螺旋取向结构及其力学模型，强调适度的加捻与定捻技术不仅对稳定纱线的多级螺旋取向结构至关重要，还能将加捻过程中的能量高效储存于纱线内。当纱线受到外部应力时，内部纤维结构能精准分散和吸收应力冲击，赋予纱线出色的韧性。结合PI材料刚柔相济的结构，这种纱线在宽温域展现出高强高韧的综合性能。

四、高强高模PI纤维的研究进展

高强高模PI纤维兼具高性能有机纤维的高强高模特性和PI材料的优异性能，如耐高低温、耐辐照、低介电、阻燃等。长期使用温度可达300℃，在-269℃的液氦中也不脆断，介电常数适中，阻燃自熄。

经过数十年发展，在制备方法、结构设计与优化方面成果丰硕。制备方法分为一步法和两步法。一步法以可溶性PI溶液为纺丝液，过程易控，但多数PI溶解性差，规模化制备困难，目前主要停留在实验室研究。两步法以聚酰胺酸溶液为纺丝液，需增加高温环化步骤，影响纤维性能和稳定性，但单体来源广，有利于结构设计和成本控制，国内多数研究者采用此方法，且力学性能不断提升。北京化工大学研究团队利用分子模拟技术指导分子结构设计，通过大量实验工作显著提升了纤维性能。

尽管国内外多家科研机构开展研究，但产业化信息少，成功应用案例罕见。日本IST公司实验室制备的纤维拉伸强度达3.0GPa，正在推进工程化。我国在高强高模PI纤维制备技术方面处于领先地位，北京化工大学和江苏先诺新材料科技有限公司合作，突破关键技术，建成生产线，开发出高强和高模系列产品，性能达到国际领先水平。

五、未来展望

新型聚酰亚胺纳米纤维纱线的成功研发为极端环境下的材料应用开辟了新的道路。随着技术的不断进步和优化，其性能有望进一步提升，成本进一步降低，从而在更多领域实现广泛应用，为航空航天、新能源等领域的发展提供强有力的支撑。

同时，高强高模PI纤维的研究和产业化进程也将继续推进，不断满足市场对高性能材料的需求，为我国乃至全球的科技进步和工业发展做出重要贡献。

新型聚酰亚胺纳米纤维纱线的出现是材料领域的一项重要突破，它不仅解决了极端环境下材料性能的难题，也为未来的研究和应用提供了新的思路和方向。我们期待着这一材料在更多领域大放异彩，创造更多的辉煌。

原文链接：https://www.xianjichina.com/special/detail_554315.html
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