智能纤维:受损时绳索变色

C. Zogg， M. Hagmann

瑞士联邦材料科学与技术研究所(瑞士)

消防队员在着火的大楼里挨家挨户搜寻需救援的人时，身上通常会系一根安全绳，绳子的另一端握在他楼外等待的同事手中。紧急情况下，如实施救援的消防队员因为一些原因失去意识时，他的同事们可以通过安全绳将他拉出大楼，或通过安全绳跟随他进入大楼后进行救援。然而，如果安全绳在此之前曾暴露在过高的温度下，可能会断裂，消防员就会有生命危险。目前为止还没有办法能够预先检测到安全绳是否损坏。瑞士联邦材料科学与技术研究所(EMPA)和瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员已开发出一种涂层，这种涂层遇热反应后会改变颜色，因此能直观地看出绳子是否可以持续确保其安全性。

作为硕士论文的一部分，研究人员于2018年首次开发出一种涂层体系，目前他们已经能够将其应用于纤维。起初涂层只能用于光滑的表面，因此必须先调整涂层方法以便也能在曲面上涂覆。EMPA在纤维涂层技术——如导电纤维的开发等方面拥有宝贵的经验，其溅射工艺现也已成功地应用于最新的涂层工艺中。

1 极薄的涂层具有良好的效果

为确保纤维在受热时会变色，需进行3层涂层。首先研究人员在聚酯(PET)纤维和高性能聚芳酯(Vectran)纤维上涂一层银。这如同在纤维表面引入了一个反射层，也就是说，在纤维表面引入了一个金属基层。之后在纤维上涂中间层——钛氮氧化物，确保银涂层能够保持稳定。最后涂一层能引起颜色变化的非晶层——锗锑碲(GST)，其厚度只有20 nm。这一层材料暴露在高温下将会结晶，颜色从蓝色变成白色。颜色变化是基于一种被称为干涉的物理现象，两种不同的波(如光波)相遇会相互增强或减弱。根据温度敏感层的化学成分，这种颜色变化的温度可以调节为100～400 ℃，从而适应不同力学性能的纤维(图1)。

图1 150 ℃高温下测试前后涂层聚酯长丝颜色从蓝色到白色的变化，产品的安全性得不到保证(图片来源：EMPA)

2 定制解决方案

变色纤维可能的应用领域仍未确定，研究人员目前正在寻找潜在的项目合伙人。该纤维除了应用于消防队员或登山队员的安全装备外，还可应用于生产设施、建筑工地等场所的吊绳。无论如何，关于这一课题的研究还远不够完整。目前，还不能实现在不丧失功能的情况下长时间储存纤维。此外，相变材料会在几个月内发生氧化，这意味着相应的相变——结晶不再会出现，即使有热量，绳子也会丧失它的“危险信号”。但无论如何，这一原理已经被证实是有效的，耐久性将是未来研究的重点。一旦第一批行业合作伙伴对该产品感兴趣，将可以根据他们的需求进一步优化该纤维。

宋清泉 译 于俊荣 校