极端环境下的防护设施的设计需要考虑到多种外界潜在的威胁。例如，为了应对太空垃圾和太阳能辐射等问题，阿波罗时代的宇航服设计就运用了Kevlar（聚对苯二甲酰对苯二胺）和Nomex（聚间二苯甲酰间苯二胺）两种高分子材料。其中，Kelvar的强机械韧性源于其刚性的对位芳香聚酰胺骨架由有序的液晶溶液在纤维纺丝的应力作用下自发排列并结晶。Nomex的隔热性能源于其间位方向聚酰胺骨架，扭结的聚合物主链会抑制高分子堆积，从而热量在无序的高分子链上缓慢传递。众所周知，多层结构常用于多功能材料的设计，但是实际上，由于绝热过程和机械能耗散过程相互竞争，很难通过多层结构来构建防弹阻燃材料。然而，纳米级的kevlar可以改变中芳纶材料的结构-功能关系，将有序的微晶分散在随机排列的有序薄膜中，从而构建多功能材料。

传统材料的局限性。(A) 爆炸产生高速、低质量的碎片撞击。（Bi，Bii）商用对芳纶织物Twaron结构。（Ci, Cii）对芳纶气凝胶纤维。（D）此项工作的设计理念。（E）此项工作中设计的材料同其他传统材料的对比。

美国哈佛大学Kevin Kit Parker课题组研制了一种新型防弹隔热材料，其设计理念是将多孔网状结构和定向纤维相结合，以同时获得绝热和防弹两种性能，克服了传统防护材料设计无法满足多种需求的局限。此项设计可应用于军事，航空航天等领域，具有重要应用价值。相关工作以“para-Aramid Fiber Sheets for Simultaneous Mechanical and Thermal Protection in Extreme Environments” 发表在《Matter》。

作者采用沉浸式旋转喷气纺丝平台（iRJS）合成了一种对位芳纶纤维板。它将对位芳纶纤维沿着气凝胶的机械载荷方向定向排列。定向的对位芳纶纤维可以有效应对机械应力，而孔状的网络结构可以在不损害结构功能的情况下限制热扩散。碎裂测试表明这种无纺织pAFS的防弹性能可以与商业防弹纺织品相媲美。另外，pAFS的导热系数很低，与市售的对位芳香聚酰胺相比，其隔热性能提高了20倍。

此项工作示意图。

沉浸式旋转喷气纺丝平台（iRJS）依靠纺丝喷丝头高速旋转（> 1,000 rpm）的离心力来合成纳米纤维。将聚对苯二甲酰对苯二甲酰胺-硫酸（PPTA-H2SO4）溶液以连续流动的方式进入喷丝板。聚合物射流在撞到旋转的收集板获得实心纤维，镀液会沿着涡流线拉动纤维到收集器上，互连以形成网络，冷冻干燥后即得连续的对位芳纶纤维薄片，通过调整PPTA-H2SO4的浓度，粘度，剪切速率、温度等参数，以调控PPTA-H2SO4的粘弹性以获得性能最好的纤维。

合成方法。（Ai， Aii）浸入式旋转喷射纺纱平台照片， 比例尺5 cm。(Bi) 计算机模拟显示水槽转速为 rpm时安全系数为2， 比例尺1 cm。 (Bii) 水槽的1mm孔口照片，比例尺70 mm。（C）合成的对芳纶纤维纳米片，比例尺1 cm。

A. 不同浓度的PPTA-硫酸溶液制得的材料。B-D.力学性能测试。Ei-Eiii.多空连续纳米纤维片的照片。Eii，比例尺2 cm， Eiii，比例尺40 μm。Eiv， 尺寸分布。

为了研究材料的防弹性能，作者同美国陆军作战能力发展司令部士兵中心合作，采用模拟子弹进行测试，观察子弹是否穿透材料来评价其防弹能力。随后，作者又将纤维纳米片交叉叠成0°，90°，放在多层织物之间，目测即可发现其很好的防弹效果。随后，作者又测试了增加pAFS的层数可以有效提高其防弹性能。实验发现，两层的防弹能力V50为525ft s-1，五层的防弹V50为657 ft s-1。

A，防弹性能测试示意图。B. 不同条件下的弹孔照片，比例尺2cm。Ci-Ciii.不同层数的pAFS的防弹效果比较。

为了测试其隔热性质，作者将pAFS纤维板放在600W的热源上，测试其上表面和下表面的温度，可以看到其加热速率远小于商业纤维。实验测得pAFS的导热系数为 W mK-1，远小于商用纤维Twaron （ W mK-1），其绝热系数比商用纤维提高了20倍。

为了模拟极端环境下隔热能力，作者将没有涂层保护，有Twaron保护，和pAFS保护的宇航员模拟人偶暴露在一个350 °C热源下，对比其隔热性质。在没有任何保护的情况下，宇航员小人在5分钟内融化。Twaron保护的人偶在17分钟内融化，在pAFS材料保护下，置于高温下30分钟仍未融化，进一步验证了其隔热能力。

文章来源：《下一代英才》 网址: http://www.xydbjb.cn/zonghexinwen/2020/0714/399.html