高科技纤维在综合防护领域的应用进展

武舒妮

（长治学院，山西 长治 046011）

1 航天领域

航天领域对于防护服装的要求是最高的，为了保证航天员的人身安全，必须采用特别的防护材料制成航空服，一件航空服的制作成本非常高。在发射火箭时，载人舱内的氧气浓度非常高，为了保证安全，外层面料不能有任何静电，同时，还要耐住较大的压强，所以在外层上使用的是聚酰亚胺纤维，这种纤维能够耐高温和低温，同时也可以保证宇航员免受宇宙射线的伤害。航天器的材料也有特殊的需求，在开始发射之后，航天器要面临强烈的噪声以及冲击，这个时候航天器的外壳要保证能够承受30 km大气层摩擦所产生的高温，因此用来制作航天器外壳的是碳纤维复合材料。火箭进入第一轨道之后，就会暴露在宇宙当中，要面临各种各样的宇宙射线以及真空的环境，还会遭遇流星体超高速撞击的风险，同时，航空器内部也可能出现水分解析导致的内部器件腐蚀等问题。为了应对这种情况，需要采用一些特殊的材料，中科院苏州纳米所研究出的一种超级低温材料，有希望应用于航空领域。火箭外层需要防止太阳质子和强烈的紫外线的损害，因此会使用一些无机纤维和改性聚酰亚胺纤维。火箭的不同部位所受到的损伤存在区别，在不同的部位可能使用到的材料也不尽相同，而且在不同的发射节点，火箭所要面临的外界损伤也不一样。特别是在发射时期，发动机的材料能否满足要求也会对发射产生直接的影响，特别是固体发动机壳体。面对不同的需求，要采用不同的材料。

在航天领域，除了火箭和航天员的宇航服有一定的要求之外，宇宙空间站的结构材料也需要有特殊的材料，一般采用的是高性能的碳纤维增强基复合材料（Carbon Fibre-reinforced Polymer，CFRP）。这种材料不仅能够适应极端的高温和低温，而且对宇宙射线也有一定的防护作用[1]。宇宙空间站长期停留在太空，面临很多太阳射线以及真空环境的危险，使用的材料不仅要能够耐住极端的真空环境，还需要有一定的持久性，如果宇宙空间站使用寿命较短，那么发射成本就会过高，这对航空事业的长期发展是较为不利的，因此要考虑到这些要求，不断改进宇宙空间站的制作材料。

2 兵器及防弹、防爆等防护材料

首先，在坦克车方面，最先进的坦克车既要保证能装载较多的材料，同时还要尽可能地保证车体轻量化。为了保证这两点，近年来所使用的材料基本都是最新的复合装甲，与原来的材料相比更适合作为坦克车的制作材料，不过近两年出现了一种更为先进的材料，韧性更高，导热能力也更好。

其次，在防弹防爆材料上，现在也有一些新进展。今年，暴乱事件发生的频率与之前相比大幅度增加，所以美国这方面的市场也在不断扩大。现在人体防护市场的需求越来越大，而且世界范围内的暴乱和恐怖活动正在逐步增多，给人类造成的危害性也在逐步增强，越来越多的公司开始针对人体防护来制作产品，推出了一些防护衣帽，甚至有一些学校书包也具有一定的防护功能[2]。在人体防护方面，一些客户还有特殊的需求。加拿大一家公司的一位客户有防护服方面的需求，因为他想要去较为危险的地区旅游，为了保证自己的安全，想要拥有一款既时尚又功能周全的防弹服。为了满足这个客户的需求，加拿大的这家公司采用纳米技术制作了一套防弹服，比传统的防弹服更加轻薄，同时也能够防止刀伤和刺伤。除了这种特别的需求，现在有一个较为轻便的男士防弹服品牌也成立了，这个品牌旗下商品一般售价为5 000美元以上，和目前世界上最好的防弹服制造商联合创立，将防弹材料组合到衣服当中，创造出了既时尚又轻量的防弹产品，满足了一些人的特别需求。

3 特种军服

作为工作任务最艰巨的军种之一，特种军在服装上也有一定的要求。现在所使用的特种军服有很多种，但是不管是何种类型的特种军服，最基本的要求都是要耐高温和低温，并且能够耐腐蚀以及防辐射等，所以，军服的制作材料应具备抗燃、抗紫外光等功能。

在特种军服的制作上，法国等欧盟国家选用的是芳酰胺酰亚胺纤维织物，美国主要采用的是间位芳酰胺纤维。还有特殊的飞行服和坦克兵军服，这两种军服采用的是另外一种名为“PBIF”的纤维，不仅能够满足基本军服的要求，而且在密闭的环境下依然具有一定的舒适性，非常适合飞行兵和坦克兵。这几种材料能够满足特种军服制作的基本要求，当然一些国家也会使用其他类型的材料[3]。

为了保证军人得到全面的防护，在手套和面具方面，防护服也有一些有针对性的措施，生产出来的手套可以吸附并消灭细菌，防毒面具也有这个功能。最近，美国还生产出了新型材料，可以让防护服根据野外环境来改变衣服颜色，隐蔽性更好，能够更好地保证军人的安全。

4 环保材料

4.1 高温粉尘滤袋

现在，全球大气污染非常严重，治理大气污染依然是环保的重中之重，为了解决PM2.5之类的大气污染问题，必须要大规模地运用高温粉尘滤袋。随着研究的不断进步，有很多用来制造高温粉尘滤袋的材料，例如PIMF、PPSF等。未来，高温粉尘滤袋的发展方向是抑制高温下的酸性气体腐蚀，延长滤袋的使用寿命，而且过滤的精度更高。我国武汉纺织大学正在研究的静电纺聚丙烯酸制造的布料，也能够作为过滤PM2.5的材料。这种材料具有非常高的抗水解性，能够达到99%以上的过滤效果，因此，在未来的污染防治中有着非常广阔的应用前景[4]。

4.2 新能源汽车及其电池相关纤维材料

新能源汽车是汽车的主要发展方向，与传统汽车相比，新能源汽车具有零排放的优点。新能源汽车之所以可以达到零排放，是因为很多新能源汽车都是由电力驱动，使用的是锂电池，但是锂电池本身存在一定的安全隐患，而且充满电需要的时间很长，电池的体积也比较大，汽车需要留出很大的空间来装载锂电池，所以目前的新能源汽车还有很大的改进空间，特别是在电池方面，仍然需要不断进行研究。为了改进新能源汽车的电池，首先要对电池的管理系统进行改进。奥地利一家公司发明了一个可以供新能源汽车使用的系统，可以使电能的利用率升到95%以上，而且具有较高的安全保障。为了减小电池的体积，有些公司采用CFRP结构部件来减轻车的重量，达到减重和节能的目的[5]。

最近几年，为了对新能源汽车电池进行不断改进，国内外CF和CFRP企业不断创新工艺，在一定程度上提高了生产效率，产品的性能也得到了一定的改善。在CFR P成型技术上，东力公司开发了新的技术，使成型时间缩短了将近40%，极大地降低了生产成本。

我国和俄罗斯也研究出了BFRP汽车，但是这种汽车在节能环保指标上没有达到法律规定的要求，在未来还有一定的改进空间。研究发现，可以在树脂中添加中空微纳米陶瓷粉体来提高材料的综合性能，使汽车更加轻量化[6]。还有一种代替品是石墨烯电池，是在锂离子电池中加入一定量的石墨烯，和传统的锂离子电池相比续航能力更好。但是，这种电池在生产方面还没有突破产量的限制，没有实现产业化。

5 结语

总而言之，高性能纤维在防护领域的应用十分广泛，并且能够给防护领域带来新的突破。随着世界科技水平的不断提高，为了保证我国能够站在世界前列，必须要加强国防现代化建设，实现传统产业的更新迭代，保证我国的国际影响力。在国家发展的过程当中，尖端科学和高科技领域是发展重点。在综合防护领域，只有不断加强对高科技纤维的研究，才能够使高性能纤维朝着功能化的方向发展，给防护领域带来新的突破。