智能纖維:受損時繩索變色

C. Zogg， M. Hagmann

瑞士聯(lián)邦材料科學與技術(shù)研究所(瑞士)

消防隊員在著火的大樓里挨家挨戶搜尋需救援的人時，身上通常會系一根安全繩，繩子的另一端握在他樓外等待的同事手中。緊急情況下，如實施救援的消防隊員因為一些原因失去意識時，他的同事們可以通過安全繩將他拉出大樓，或通過安全繩跟隨他進入大樓后進行救援。然而，如果安全繩在此之前曾暴露在過高的溫度下，可能會斷裂，消防員就會有生命危險。目前為止還沒有辦法能夠預先檢測到安全繩是否損壞。瑞士聯(lián)邦材料科學與技術(shù)研究所(EMPA)和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員已開發(fā)出一種涂層，這種涂層遇熱反應后會改變顏色，因此能直觀地看出繩子是否可以持續(xù)確保其安全性。

作為碩士論文的一部分，研究人員于2018年首次開發(fā)出一種涂層體系，目前他們已經(jīng)能夠?qū)⑵鋺糜诶w維。起初涂層只能用于光滑的表面，因此必須先調(diào)整涂層方法以便也能在曲面上涂覆。EMPA在纖維涂層技術(shù)——如導電纖維的開發(fā)等方面擁有寶貴的經(jīng)驗，其濺射工藝現(xiàn)也已成功地應用于最新的涂層工藝中。

1 極薄的涂層具有良好的效果

為確保纖維在受熱時會變色，需進行3層涂層。首先研究人員在聚酯(PET)纖維和高性能聚芳酯(Vectran)纖維上涂一層銀。這如同在纖維表面引入了一個反射層，也就是說，在纖維表面引入了一個金屬基層。之后在纖維上涂中間層——鈦氮氧化物，確保銀涂層能夠保持穩(wěn)定。最后涂一層能引起顏色變化的非晶層——鍺銻碲(GST)，其厚度只有20 nm。這一層材料暴露在高溫下將會結(jié)晶，顏色從藍色變成白色。顏色變化是基于一種被稱為干涉的物理現(xiàn)象，兩種不同的波(如光波)相遇會相互增強或減弱。根據(jù)溫度敏感層的化學成分，這種顏色變化的溫度可以調(diào)節(jié)為100～400 ℃，從而適應不同力學性能的纖維(圖1)。

圖1 150 ℃高溫下測試前后涂層聚酯長絲顏色從藍色到白色的變化，產(chǎn)品的安全性得不到保證(圖片來源：EMPA)

2 定制解決方案

變色纖維可能的應用領(lǐng)域仍未確定，研究人員目前正在尋找潛在的項目合伙人。該纖維除了應用于消防隊員或登山隊員的安全裝備外，還可應用于生產(chǎn)設(shè)施、建筑工地等場所的吊繩。無論如何，關(guān)于這一課題的研究還遠不夠完整。目前，還不能實現(xiàn)在不喪失功能的情況下長時間儲存纖維。此外，相變材料會在幾個月內(nèi)發(fā)生氧化，這意味著相應的相變——結(jié)晶不再會出現(xiàn)，即使有熱量，繩子也會喪失它的“危險信號”。但無論如何，這一原理已經(jīng)被證實是有效的，耐久性將是未來研究的重點。一旦第一批行業(yè)合作伙伴對該產(chǎn)品感興趣，將可以根據(jù)他們的需求進一步優(yōu)化該纖維。

宋清泉 譯 于俊榮 校