極端環(huán)境下的防護設(shè)施的設(shè)計需要考慮到多種外界潛在的威脅。例如，為了應(yīng)對太空垃圾和太陽能輻射等問題，阿波羅時代的宇航服設(shè)計就運用了Kevlar（聚對苯二甲酰對苯二胺）和Nomex（聚間二苯甲酰間苯二胺）兩種高分子材料。其中，Kelvar的強機械韌性源于其剛性的對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，但是實際上，由于絕熱過程和機械能耗散過程相互競爭，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，以同時獲得絕熱和防彈兩種性能，克服了傳統(tǒng)防護材料設(shè)計無法滿足多種需求的局限。此項設(shè)計可應(yīng)用于軍事，航空航天等領(lǐng)域，具有重要應(yīng)用價值。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（iRJS）合成了一種對位芳綸纖維板。它將對位芳綸纖維沿著氣凝膠的機械載荷方向定向排列。定向的對位芳綸纖維可以有效應(yīng)對機械應(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散。碎裂測試表明這種無紡織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（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。將聚對苯二甲酰對苯二甲酰胺-硫酸（PPTA-H2SO4）溶液以連續(xù)流動的方式進入噴絲板。聚合物射流在撞到旋轉(zhuǎn)的收集板獲得實心纖維，鍍液會沿著渦流線拉動纖維到收集器上，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，采用模擬子彈進行測試，觀察子彈是否穿透材料來評價其防彈能力。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，目測即可發(fā)現(xiàn)其很好的防彈效果。隨后，作者又測試了增加pAFS的層數(shù)可以有效提高其防彈性能。實驗發(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。
為了測試其隔熱性質(zhì)，作者將pAFS纖維板放在600W的熱源上，測試其上表面和下表面的溫度，可以看到其加熱速率遠小于商業(yè)纖維。實驗測得pAFS的導(dǎo)熱系數(shù)為1.6010.0248?W?mK-1，遠小于商用纖維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，有Twaron保護，和pAFS保護的宇航員模擬人偶暴露在一個350 °C熱源下，對比其隔熱性質(zhì)。在沒有任何保護的情況下，宇航員小人在5分鐘內(nèi)融化。Twaron保護的人偶在17分鐘內(nèi)融化，在pAFS材料保護下，置于高溫下30分鐘仍未融化，進一步驗證了其隔熱能力。
小結(jié)：
在傳統(tǒng)材料中，由于絕熱過程和機械能耗散的原理相互競爭使得防彈和隔熱兩種性質(zhì)無法同時滿足。作者采用式旋轉(zhuǎn)噴氣紡絲平臺（iRJS）合成了一種對位芳綸纖維板，有效地發(fā)揮了對位芳綸的機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設(shè)施的設(shè)計上具有重要的應(yīng)用價值。
全文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520302915
