高科技纖維在綜合防護領域的應用進展

武舒妮

（長治學院，山西 長治 046011）

1 航天領域

航天領域對于防護服裝的要求是最高的，為了保證航天員的人身安全，必須采用特別的防護材料制成航空服，一件航空服的制作成本非常高。在發射火箭時，載人艙內的氧氣濃度非常高，為了保證安全，外層面料不能有任何靜電，同時，還要耐住較大的壓強，所以在外層上使用的是聚酰亞胺纖維，這種纖維能夠耐高溫和低溫，同時也可以保證宇航員免受宇宙射線的傷害。航天器的材料也有特殊的需求，在開始發射之后，航天器要面臨強烈的噪聲以及沖擊，這個時候航天器的外殼要保證能夠承受30 km大氣層摩擦所產生的高溫，因此用來制作航天器外殼的是碳纖維復合材料。火箭進入第一軌道之后，就會暴露在宇宙當中，要面臨各種各樣的宇宙射線以及真空的環境，還會遭遇流星體超高速撞擊的風險，同時，航空器內部也可能出現水分解析導致的內部器件腐蝕等問題。為了應對這種情況，需要采用一些特殊的材料，中科院蘇州納米所研究出的一種超級低溫材料，有希望應用于航空領域。火箭外層需要防止太陽質子和強烈的紫外線的損害，因此會使用一些無機纖維和改性聚酰亞胺纖維。火箭的不同部位所受到的損傷存在區別，在不同的部位可能使用到的材料也不盡相同，而且在不同的發射節點，火箭所要面臨的外界損傷也不一樣。特別是在發射時期，發動機的材料能否滿足要求也會對發射產生直接的影響，特別是固體發動機殼體。面對不同的需求，要采用不同的材料。

在航天領域，除了火箭和航天員的宇航服有一定的要求之外，宇宙空間站的結構材料也需要有特殊的材料，一般采用的是高性能的碳纖維增強基復合材料（Carbon Fibre-reinforced Polymer，CFRP）。這種材料不僅能夠適應極端的高溫和低溫，而且對宇宙射線也有一定的防護作用[1]。宇宙空間站長期停留在太空，面臨很多太陽射線以及真空環境的危險，使用的材料不僅要能夠耐住極端的真空環境，還需要有一定的持久性，如果宇宙空間站使用壽命較短，那么發射成本就會過高，這對航空事業的長期發展是較為不利的，因此要考慮到這些要求，不斷改進宇宙空間站的制作材料。

2 兵器及防彈、防爆等防護材料

首先，在坦克車方面，最先進的坦克車既要保證能裝載較多的材料，同時還要盡可能地保證車體輕量化。為了保證這兩點，近年來所使用的材料基本都是最新的復合裝甲，與原來的材料相比更適合作為坦克車的制作材料，不過近兩年出現了一種更為先進的材料，韌性更高，導熱能力也更好。

其次，在防彈防爆材料上，現在也有一些新進展。今年，暴亂事件發生的頻率與之前相比大幅度增加，所以美國這方面的市場也在不斷擴大。現在人體防護市場的需求越來越大，而且世界范圍內的暴亂和恐怖活動正在逐步增多，給人類造成的危害性也在逐步增強，越來越多的公司開始針對人體防護來制作產品，推出了一些防護衣帽，甚至有一些學校書包也具有一定的防護功能[2]。在人體防護方面，一些客戶還有特殊的需求。加拿大一家公司的一位客戶有防護服方面的需求，因為他想要去較為危險的地區旅游，為了保證自己的安全，想要擁有一款既時尚又功能周全的防彈服。為了滿足這個客戶的需求，加拿大的這家公司采用納米技術制作了一套防彈服，比傳統的防彈服更加輕薄，同時也能夠防止刀傷和刺傷。除了這種特別的需求，現在有一個較為輕便的男士防彈服品牌也成立了，這個品牌旗下商品一般售價為5 000美元以上，和目前世界上最好的防彈服制造商聯合創立，將防彈材料組合到衣服當中，創造出了既時尚又輕量的防彈產品，滿足了一些人的特別需求。

3 特種軍服

作為工作任務最艱巨的軍種之一，特種軍在服裝上也有一定的要求。現在所使用的特種軍服有很多種，但是不管是何種類型的特種軍服，最基本的要求都是要耐高溫和低溫，并且能夠耐腐蝕以及防輻射等，所以，軍服的制作材料應具備抗燃、抗紫外光等功能。

在特種軍服的制作上，法國等歐盟國家選用的是芳酰胺酰亞胺纖維織物，美國主要采用的是間位芳酰胺纖維。還有特殊的飛行服和坦克兵軍服，這兩種軍服采用的是另外一種名為“PBIF”的纖維，不僅能夠滿足基本軍服的要求，而且在密閉的環境下依然具有一定的舒適性，非常適合飛行兵和坦克兵。這幾種材料能夠滿足特種軍服制作的基本要求，當然一些國家也會使用其他類型的材料[3]。

為了保證軍人得到全面的防護，在手套和面具方面，防護服也有一些有針對性的措施，生產出來的手套可以吸附并消滅細菌，防毒面具也有這個功能。最近，美國還生產出了新型材料，可以讓防護服根據野外環境來改變衣服顏色，隱蔽性更好，能夠更好地保證軍人的安全。

4 環保材料

4.1 高溫粉塵濾袋

現在，全球大氣污染非常嚴重，治理大氣污染依然是環保的重中之重，為了解決PM2.5之類的大氣污染問題，必須要大規模地運用高溫粉塵濾袋。隨著研究的不斷進步，有很多用來制造高溫粉塵濾袋的材料，例如PIMF、PPSF等。未來，高溫粉塵濾袋的發展方向是抑制高溫下的酸性氣體腐蝕，延長濾袋的使用壽命，而且過濾的精度更高。我國武漢紡織大學正在研究的靜電紡聚丙烯酸制造的布料，也能夠作為過濾PM2.5的材料。這種材料具有非常高的抗水解性，能夠達到99%以上的過濾效果，因此，在未來的污染防治中有著非常廣闊的應用前景[4]。

4.2 新能源汽車及其電池相關纖維材料

新能源汽車是汽車的主要發展方向，與傳統汽車相比，新能源汽車具有零排放的優點。新能源汽車之所以可以達到零排放，是因為很多新能源汽車都是由電力驅動，使用的是鋰電池，但是鋰電池本身存在一定的安全隱患，而且充滿電需要的時間很長，電池的體積也比較大，汽車需要留出很大的空間來裝載鋰電池，所以目前的新能源汽車還有很大的改進空間，特別是在電池方面，仍然需要不斷進行研究。為了改進新能源汽車的電池，首先要對電池的管理系統進行改進。奧地利一家公司發明了一個可以供新能源汽車使用的系統，可以使電能的利用率升到95%以上，而且具有較高的安全保障。為了減小電池的體積，有些公司采用CFRP結構部件來減輕車的重量，達到減重和節能的目的[5]。

最近幾年，為了對新能源汽車電池進行不斷改進，國內外CF和CFRP企業不斷創新工藝，在一定程度上提高了生產效率，產品的性能也得到了一定的改善。在CFR P成型技術上，東力公司開發了新的技術，使成型時間縮短了將近40%，極大地降低了生產成本。

我國和俄羅斯也研究出了BFRP汽車，但是這種汽車在節能環保指標上沒有達到法律規定的要求，在未來還有一定的改進空間。研究發現，可以在樹脂中添加中空微納米陶瓷粉體來提高材料的綜合性能，使汽車更加輕量化[6]。還有一種代替品是石墨烯電池，是在鋰離子電池中加入一定量的石墨烯，和傳統的鋰離子電池相比續航能力更好。但是，這種電池在生產方面還沒有突破產量的限制，沒有實現產業化。

5 結語

總而言之，高性能纖維在防護領域的應用十分廣泛，并且能夠給防護領域帶來新的突破。隨著世界科技水平的不斷提高，為了保證我國能夠站在世界前列，必須要加強國防現代化建設，實現傳統產業的更新迭代，保證我國的國際影響力。在國家發展的過程當中，尖端科學和高科技領域是發展重點。在綜合防護領域，只有不斷加強對高科技纖維的研究，才能夠使高性能纖維朝著功能化的方向發展，給防護領域帶來新的突破。