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隔热性能远胜于普通芳纶,这种材料有望用于下一代宇航服

发表时间:2020/7/23

极端环境下,防护设施的设计需要考虑到多种外界潜在的威胁。例如,为了应对太空温差变化大、尘暴与流星危害、强烈的太阳能辐射等问题,阿波罗时代的宇航服设计就运用了Kevlar®和Nomex®两种芳纶材料。




其中,Kelvar®的机械强度源于其刚性的对位芳香聚酰胺骨架由有序的液晶溶液在应力作用下自发排列并结晶。Nomex®的隔热性能源于其间位芳香聚酰胺骨架,扭结的聚合物主链会抑制高分子堆积,从而热量在无序的高分子链上缓慢传递。这种多功能性的实现大多基于多层结构设计,但实际上,由于绝热过程和机械能耗散过程相互竞争,很难通过多层结构来构建防弹隔热材料。然而,有研究发现,纳米级的kevlar®可以将有序的微晶分散在随机排列的有序薄膜中,从而构建多功能材料。


传统材料的局限性


基于此,美国哈佛大学的研究团队将多孔网状结构和定向纤维相结合,研制了一种新型材料,该材料同时具有绝热和防弹两种性能,克服了传统防护材料设计无法满足多种功能需求的局限,在军事、航空航天等领域具有重要的应用价值。



研究人员采用沉浸式旋转喷气纺丝平台合成了一种对位芳纶。它将对位芳纶沿着气凝胶的机械载荷方向定向排列。定向的对位芳纶可以有效应对机械应力,而孔状的网络结构可以在不损害结构功能的情况下限制热扩散。


制备方法


为了研究材料的防弹性能,研究者采用模拟子弹进行测试,观察子弹是否穿透材料来评价其防弹能力。测试结构表明,这种对位芳纶材料的防弹性能可以与商业防弹纺织品相媲美。


防弹性能测试

通过隔热性质测试发现,该对位芳纶材料的的导热系数远小于商用纤维Twaron®,与市售的对位芳香聚酰胺相比,其隔热性能提高了20倍。


隔热性能测试

(来源:纺织导报官微)