極端環(huán)境下的防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)需要考慮到多種外界潛在的威脅。例如，為了應(yīng)對(duì)太空垃圾和太陽能輻射等問題，阿波羅時(shí)代的宇航服設(shè)計(jì)就運(yùn)用了Kevlar（聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺）和Nomex（聚間二苯甲酰間苯二胺）兩種高分子材料。其中，Kelvar的強(qiáng)機(jī)械韌性源于其剛性的對(duì)位芳香聚酰胺骨架由有序的液晶溶液在纖維紡絲的應(yīng)力作用下自發(fā)排列并結(jié)晶。Nomex的隔熱性能源于其間位方向聚酰胺骨架，扭結(jié)的聚合物主鏈會(huì)抑制高分子堆積，從而熱量在無序的高分子鏈上緩慢傳遞。眾所周知，多層結(jié)構(gòu)常用于多功能材料的設(shè)計(jì)，但是實(shí)際上，由于絕熱過程和機(jī)械能耗散過程相互競(jìng)爭(zhēng)，很難通過多層結(jié)構(gòu)來構(gòu)建防彈阻燃材料。然而，納米級(jí)的kevlar可以改變中芳綸材料的結(jié)構(gòu)-功能關(guān)系，將有序的微晶分散在隨機(jī)排列的有序薄膜中，從而構(gòu)建多功能材料。
美國哈佛大學(xué)Kevin Kit Parker課題組研制了一種新型防彈隔熱材料，其設(shè)計(jì)理念是將多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和定向纖維相結(jié)合，以同時(shí)獲得絕熱和防彈兩種性能，克服了傳統(tǒng)防護(hù)材料設(shè)計(jì)無法滿足多種需求的局限。此項(xiàng)設(shè)計(jì)可應(yīng)用于軍事，航空航天等領(lǐng)域，具有重要應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)工作以“para-Aramid Fiber Sheets for Simultaneous Mechanical and Thermal Protection in Extreme Environments” 發(fā)表在《Matter》。
作者采用沉浸式旋轉(zhuǎn)噴氣紡絲平臺(tái)（iRJS）合成了一種對(duì)位芳綸纖維板。它將對(duì)位芳綸纖維沿著氣凝膠的機(jī)械載荷方向定向排列。定向的對(duì)位芳綸纖維可以有效應(yīng)對(duì)機(jī)械應(yīng)力，而孔狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以在不損害結(jié)構(gòu)功能的情況下限制熱擴(kuò)散。碎裂測(cè)試表明這種無紡織pAFS的防彈性能可以與商業(yè)防彈紡織品相媲美。另外，pAFS的導(dǎo)熱系數(shù)很低，與市售的對(duì)位芳香聚酰胺相比，其隔熱性能提高了20倍。
沉浸式旋轉(zhuǎn)噴氣紡絲平臺(tái)（iRJS）依靠紡絲噴絲頭高速旋轉(zhuǎn)（> 1,000 rpm）的離心力來合成納米纖維。將聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二甲酰胺-硫酸（PPTA-H2SO4）溶液以連續(xù)流動(dòng)的方式進(jìn)入噴絲板。聚合物射流在撞到旋轉(zhuǎn)的收集板獲得實(shí)心纖維，鍍液會(huì)沿著渦流線拉動(dòng)纖維到收集器上，互連以形成網(wǎng)絡(luò)，冷凍干燥后即得連續(xù)的對(duì)位芳綸纖維薄片，通過調(diào)整PPTA-H2SO4的濃度，粘度，剪切速率、溫度等參數(shù)，以調(diào)控PPTA-H2SO4的粘彈性以獲得性能最好的纖維。
為了研究材料的防彈性能，作者同美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部士兵中心合作，采用模擬子彈進(jìn)行測(cè)試，觀察子彈是否穿透材料來評(píng)價(jià)其防彈能力。隨后，作者又將纖維納米片交叉疊成0°，90°，放在多層織物之間，目測(cè)即可發(fā)現(xiàn)其很好的防彈效果。隨后，作者又測(cè)試了增加pAFS的層數(shù)可以有效提高其防彈性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩層的防彈能力V50為525ft?s-1，五層的防彈V50為657 ft?s-1。
為了測(cè)試其隔熱性質(zhì)，作者將pAFS纖維板放在600W的熱源上，測(cè)試其上表面和下表面的溫度，可以看到其加熱速率遠(yuǎn)小于商業(yè)纖維。實(shí)驗(yàn)測(cè)得pAFS的導(dǎo)熱系數(shù)為1.6010.0248?W?mK-1，遠(yuǎn)小于商用纖維Twaron （5.8080.0896?W?mK-1），其絕熱系數(shù)比商用纖維提高了20倍。
為了模擬極端環(huán)境下隔熱能力，作者將沒有涂層保護(hù)，有Twaron保護(hù)，和pAFS保護(hù)的宇航員模擬人偶暴露在一個(gè)350 °C熱源下，對(duì)比其隔熱性質(zhì)。在沒有任何保護(hù)的情況下，宇航員小人在5分鐘內(nèi)融化。Twaron保護(hù)的人偶在17分鐘內(nèi)融化，在pAFS材料保護(hù)下，置于高溫下30分鐘仍未融化，進(jìn)一步驗(yàn)證了其隔熱能力。
小結(jié)：
在傳統(tǒng)材料中，由于絕熱過程和機(jī)械能耗散的原理相互競(jìng)爭(zhēng)使得防彈和隔熱兩種性質(zhì)無法同時(shí)滿足。作者采用式旋轉(zhuǎn)噴氣紡絲平臺(tái)（iRJS）合成了一種對(duì)位芳綸纖維板，有效地發(fā)揮了對(duì)位芳綸的機(jī)械韌性和多孔材料的隔熱性質(zhì)，在航空航天材料和軍事防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)上具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520302915
