在萨安州哈勒–维滕贝格马丁路德大学研究人员的帮助之下,拜罗伊特、南昌和苏黎世的专家成功制造出独一无二的聚合纤维。这种聚合纤维具有极高的负重能力,同时自重极轻,可用在多个领域,汽车行业也可从中受益。

若离开了哈勒–维滕贝格马丁路德大学的科学家,超级聚合纤维独一无二的特性也就无从谈起。大学物理学院的微结构材料设计专业在拉尔夫·韦尔斯蓬教授(Ralf Wehrspon)的带领下使用名为“蔡司ZEISS Xradia 810 Ultra”的仪器,借助该仪器高精度的三维伦琴射线计算机断层扫描功能,深入探索了这种纤维的特性。该技术能够生成微小样本的3D图像,细节呈现度非常高。当研究人员看到纤维的细节图像时,他们第一次发现,一根纤维中的原纤维几乎都朝着一个方向纵向排列。哈勒–维滕贝格大学伦琴射线电子显微镜小组的负责人朱莉安娜·马丁斯·德·苏扎·席尔瓦博士(Juliana Martins de Souza e Silva)目前正在拉尔夫·韦斯波恩(Ralf Wehrspohn)教授处准备教授资格考试。她解释道:“存在一定量的聚双叠氮化物作为聚合分子时,只有当通过拉伸和退火所形成的高原纤维排布方向经过结合后,才能在轻质材料中获得很高的强度和韧性及较高的结晶度。”

极高的负重

聚丙烯腈化学基纤维的最大亮点在于极高的承重能力和优异的抗拉强度,与此同时,自身重量非常轻。一条直径大约0.04mm的纤维由至多可达4000条超细的原纤维构成。添加剂,即聚合分子,将一条纤维中的原纤维很好地连接在一起。材料韧性不仅依靠添加剂,同时也得益于高原纤维的排布走向结合,后者的效果依靠拉伸和热处理的制造工艺而生成。相比之下:单根纤维像人的头发丝这么细,比果蝇的重量还要轻,但却能举起30克的重量。

我们很少能找到这类结合高韧性和高强度的人工合成材料。哈雷的科学家与拜罗伊特大学、于利希研究中心以及德国、中国和瑞士的研究人员携手,一同攻克了这一技术难题。他们所制造的聚合纤维经过拉伸后再次恢复到原始形状,从而能够吸收大量能量,因此不易变形和断裂。席尔瓦博士说:“这类纤维的自重非常轻,是一种独一无二的产品。目前很难在一种材料中同时实现高强度和高韧性。”

多种多样的用途

因其出类拔萃的材料特性,这种纤维是高负载技术组件的理想材料,适用于纺织产业,可作为降落伞和头部防护设备的材料,也可用于医疗技术领域,用于生产人造肌腱和韧带、组织修复材料和外科缝线。航空航天和汽车制造也是这类纤维的用武之地。席尔瓦博士表示,聚合纤维可以用来生产耐磨轮胎和其他机动车组件,从而降低车辆自重。该纤维制品的另一大优势在于循环利用的价值。

席尔瓦博士认为完全可以进一步研发这类材料。“我们的纤维设计遵循着一种创新性的设计原则,能够利用其他标准聚合物生产类似强度和韧度的纤维。其他聚合物和连接分子的结合可促成新材料的诞生。”不过,作为第一步,首先应确保采用业内成熟的高科技工艺来生产这种由哈雷、拜罗伊特、南昌和苏黎世团队所发现的聚合纤维。席尔瓦博士十分确信,大家很快就能看到这种材料在工业领域的实际运用。

文字:Anja Falgowski/IMG Saxony-Anhalt