聚酰亞胺：科技前沿的“弄潮兒”

蘇更林

素有“黃金薄膜”之稱(chēng)的聚酰亞胺，從其誕生的那一天起，就熱衷于挑戰(zhàn)科技前沿。如今，聚酰亞胺又站在了5G時(shí)代的“潮頭”，有望成為信息時(shí)代的“弄潮兒”。

異軍突起，為航天撐起一片天

聚酰亞胺以其優(yōu)異的性能備受人們青睞，并在許多領(lǐng)域大顯身手。要說(shuō)聚酰亞胺的異軍突起，不能不說(shuō)其在航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

說(shuō)起聚酰亞胺，你也許并不太熟悉，但你一定聽(tīng)說(shuō)過(guò)嫦娥四號(hào)把“五星紅旗”帶到月球的故事吧。為了應(yīng)對(duì)月球強(qiáng)輻射、大溫差的嚴(yán)酷環(huán)境，我國(guó)科學(xué)家選定聚酰亞胺作為“五星紅旗”的制作材料。用聚酰亞胺制作的“五星紅旗”，不懼惡劣的月球環(huán)境，使得鮮紅旗幟永不褪色。這是迄今唯一在月球背面“閃耀”的國(guó)旗，彰顯了中國(guó)科學(xué)家的智慧。

關(guān)于聚酰亞胺的早期應(yīng)用，我們不妨從20世紀(jì)50年代說(shuō)起。我們知道，包括導(dǎo)彈、火箭、飛行器等在內(nèi)的尖端領(lǐng)域一向?qū)π滦凸こ滩牧鲜置舾小?0世紀(jì)50年代，美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期的軍備競(jìng)賽促進(jìn)了新一代高性能聚合物材料的研發(fā)。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)杜邦公司推出了一種叫作“聚酰亞胺”的超級(jí)纖維材料，具有輕質(zhì)、阻燃、耐高溫、耐化學(xué)溶劑等方面的優(yōu)勢(shì)，并且力學(xué)性能也很優(yōu)秀。因此，該材料受到了軍工以及航空航天等高科技領(lǐng)域的青睞。聚酰亞胺作為一種耐熱高分子材料，滿足了航空航天對(duì)于耐熱、輕質(zhì)、高強(qiáng)材料的需求，因此聚酰亞胺的誕生是20世紀(jì)高分子聚合物領(lǐng)域一個(gè)里程碑式的科技成就。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)將聚酰亞胺樹(shù)脂成功應(yīng)用于導(dǎo)彈和航空發(fā)動(dòng)機(jī)等結(jié)構(gòu)和功能部件，但存在一定的局限性。進(jìn)入21世紀(jì)之后，樹(shù)脂基復(fù)合材料得到了廣泛應(yīng)用，并成為導(dǎo)彈、火箭以及飛行器領(lǐng)域的主要材料。

所謂復(fù)合材料，是指由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。在樹(shù)脂基復(fù)合材料中，一般以有機(jī)高分子材料作為基體材料，構(gòu)成復(fù)合材料的連續(xù)性；增強(qiáng)材料（如碳纖維等）通常呈纖維態(tài)分散于基體當(dāng)中，以提高基體的強(qiáng)度和剛度。

用熱固性聚酰亞胺樹(shù)脂作為先進(jìn)復(fù)合材料樹(shù)脂的基體材料，長(zhǎng)期使用溫度可超過(guò)300℃，短期使用溫度可超過(guò)500℃。因此，聚酰亞胺復(fù)合材料作為最耐高溫的結(jié)構(gòu)材料之一，應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭、飛行器等領(lǐng)域具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于飛機(jī)的飛行來(lái)說(shuō)，通常根據(jù)馬赫數(shù)的大小分為亞聲速、跨聲速、超聲速和高超聲速。其中，馬赫數(shù)是指氣流速度與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎担颦h(huán)境不同，聲速也是個(gè)變量。馬赫數(shù)不僅反映了飛行速度的大小，也反映了空氣復(fù)雜的氣動(dòng)特性。其中，氣動(dòng)增溫效應(yīng)就是一個(gè)不容回避的難題，因?yàn)轳R赫數(shù)越大對(duì)材料的耐熱性要求越高。如今，超聲速飛機(jī)的馬赫數(shù)通常在2.0～2.5，使用聚酰亞胺復(fù)合材料是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。據(jù)悉，美國(guó)馬赫數(shù)為2.4的超聲速客機(jī)，每架大約需要30噸聚酰亞胺樹(shù)脂復(fù)合材料。

“黃金薄膜”，最酷的太空“防曬霜”

隨著航天時(shí)代的到來(lái)，越來(lái)越多的航天器奔赴太空，這無(wú)疑需要更多先進(jìn)材料和技術(shù)的支撐。就拿航天器飛天時(shí)穿著的那套金燦燦的“套裝”來(lái)說(shuō)，你可別以為那真是一套用“金箔”制成的“黃金套裝”。人類(lèi)航天面臨的環(huán)境極其嚴(yán)酷，誰(shuí)能為“太空嬌子”（航天器）遮風(fēng)避光？素有最酷“防曬霜”之稱(chēng)的“黃金薄膜”，就是人類(lèi)航天事業(yè)的保護(hù)神。用作航天器防護(hù)材料的“黃金薄膜”，其實(shí)是一種以聚酰亞胺薄膜為基膜的隔熱材料。

聚酰亞胺薄膜是聚酰亞胺的早期產(chǎn)品之一，由于具有優(yōu)異的綜合性能，通常用作航天隔熱材料、防輻射保護(hù)材料等。20世紀(jì)60年代末，阿姆斯特朗成功踏上月球表面。在“阿波羅登月計(jì)劃”的材料名單中，最為引人注目的就要數(shù)“黃金薄膜”了。

月球表面存在巨大的溫差，對(duì)于航天器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)嚴(yán)峻的考驗(yàn)。由于太空沒(méi)有空氣，因此傳熱和散熱就是個(gè)問(wèn)題。據(jù)悉，探月衛(wèi)星向陽(yáng)的一面溫度可超過(guò)100℃，而背陰的一面溫度甚至可低至-200℃。面對(duì)如此大的溫差，一般材料是無(wú)法勝任的。況且，探月衛(wèi)星還會(huì)受到各類(lèi)射線的輻射以及高能粒子的襲擊，挑戰(zhàn)之大可想而知。

應(yīng)對(duì)太空極端環(huán)境，需要采取綜合措施。其中，多層隔熱材料就是航天器飛天常用的被動(dòng)熱控制材料。聚酰亞胺薄膜隔熱材料只是這種多層隔熱材料的一個(gè)特例罷了。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這種薄膜并不是一種材料，而是一種由薄膜和金屬組合而成的隔熱系統(tǒng)。

聚酰亞胺薄膜隔熱材料是以高性能聚合物材料聚酰亞胺作為基膜（底襯），金屬材料作為反射層復(fù)合而成的一類(lèi)隔熱薄膜。1969年，為“阿波羅登月計(jì)劃”執(zhí)行護(hù)航任務(wù)的隔熱薄膜是鍍鋁聚酰亞胺薄膜。這倒不是因?yàn)殇X比黃金便宜，而是因?yàn)殇X在執(zhí)行任務(wù)期間對(duì)于特定波長(zhǎng)的輻射具有更高的反射率。

在不同的航天器應(yīng)用場(chǎng)合，聚酰亞胺可以有不同的金屬搭檔。比如，這些金屬搭檔可以是黃金，也可以是鋁，還可以是銀……這主要是由任務(wù)區(qū)間的具體情況和隔熱要求來(lái)決定的。因此，太空“防曬霜”可以是金黃色的，也可以是銀白色的，甚至還可以是黑色的……

中國(guó)由航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)，離不開(kāi)高科技材料的支撐，其中就有聚酰亞胺新材料的貢獻(xiàn)。據(jù)悉，我國(guó)科學(xué)家研發(fā)了一種新型太空防護(hù)材料，名叫“聚酰亞胺-納米云母復(fù)合膜材料”。該材料有望提高空間防護(hù)材料對(duì)原子氧、紫外線輻射和空間碎片等的抵抗性能。

超級(jí)“遮陽(yáng)傘”，一“傘”隔開(kāi)冰與火

就特定的隔熱材料而言，其隔熱效果與隔熱層的層數(shù)以及表面輻射率有關(guān)。到底應(yīng)該選擇幾層隔熱材料，則要根據(jù)實(shí)際需要而定。當(dāng)然，也可以是單層鍍有金屬層的高分子聚合物材料，只要滿足任務(wù)需要就好。

對(duì)于多層隔熱材料來(lái)說(shuō)，其每層都是鍍有極薄金屬層的高分子聚合物，層與層之間為真空環(huán)境。至于其隔熱原理，主要是利用了隔熱材料的屏蔽作用以及層間真空的隔熱保溫作用。

韋布太空望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射升空是科學(xué)界的一大盛事，其攜帶的高度復(fù)雜的“遮陽(yáng)傘”就備受人們關(guān)注。這把巨“傘”是決定韋布太空望遠(yuǎn)鏡功敗垂成的關(guān)鍵部件。你知道這把巨“傘”有什么作用嗎？它又是用什么材料制成的？

這還得從韋布太空望遠(yuǎn)鏡的工作原理說(shuō)起。韋布太空望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)信號(hào)主要是來(lái)自非常遙遠(yuǎn)星系的微弱紅外光，其本質(zhì)就是熱信號(hào)。因此，韋布太空望遠(yuǎn)鏡要求的環(huán)境溫度必須足夠低，否則就會(huì)影響其觀察精度。據(jù)悉，韋布太空望遠(yuǎn)鏡的近紅外儀器需要在-234 ℃的極低溫環(huán)境下工作，中紅外儀器需要在-266 ℃的極低溫環(huán)境下工作。

韋布太空望遠(yuǎn)鏡的工作軌道非常特殊，一方面要直面太陽(yáng)、地球和月球的輻射，另一方面又必須排除這些天體對(duì)觀察儀器的熱干擾。這把巨“傘”就是為了調(diào)和二者的矛盾應(yīng)運(yùn)而生的，以最大限度地保護(hù)望遠(yuǎn)鏡免受外部光源和熱源（如太陽(yáng)、地球和月球）的侵?jǐn)_以及觀察儀器本身發(fā)熱的影響。

這把巨“傘”的特殊使命決定了對(duì)制作它的材料的要求十分苛刻。聚酰亞胺薄膜具有輕質(zhì)、堅(jiān)固、隔熱等優(yōu)秀品質(zhì)，似乎就是一個(gè)不二之選。用其來(lái)做“遮陽(yáng)傘”的底襯材料，則可以做到既輕又優(yōu)，同時(shí)既薄又強(qiáng)。

至于為什么“遮陽(yáng)傘”要采用五層設(shè)計(jì)方案，則是由其工作環(huán)境以及任務(wù)要求決定的。據(jù)悉，“遮陽(yáng)傘”每層都涂有鋁反射層，其中面向太陽(yáng)一側(cè)的第1層和第2層最為關(guān)鍵，因此另加有“摻雜硅”涂層，可以最大限度地把太陽(yáng)的熱量反射回去，從而確保觀測(cè)儀器精確穩(wěn)定地完成工作使命。

特種纖維，我們生活的“保護(hù)神”

走進(jìn)太空的“黃金薄膜”，讓我們見(jiàn)識(shí)了聚酰亞胺的魅力。那么，它能否走進(jìn)我們的生活呢？

其實(shí)，聚酰亞胺纖維在生活中的應(yīng)用就是一個(gè)鮮明的例證。那么，什么是聚酰亞胺纖維呢？聚酰亞胺纖維是聚酰亞胺新材料中的一種產(chǎn)品形式，也被稱(chēng)為芳酰亞胺纖維，是指分子鏈中含有芳酰亞胺的纖維。

聚酰亞胺纖維一向被認(rèn)為是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的高性能纖維。高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維綜合性能優(yōu)異，具有耐高溫、耐低溫、耐老化、低吸濕、低介電、高絕緣、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，不僅在航空航天、原子能工業(yè)和國(guó)防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，而且在機(jī)械、化工、電子、防護(hù)等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

在特種防護(hù)領(lǐng)域，由于聚酰亞胺纖維具有很好的阻燃性和隔溫性，因此可以用其制作阻燃工作服，不僅穿著舒適，皮膚適應(yīng)性好，而且具有永久阻燃性，可用于冶金、地礦、石化、核工業(yè)等行業(yè)的特種勞動(dòng)防護(hù)服裝。同時(shí)，聚酰亞胺纖維也可用作裝甲部隊(duì)以及賽車(chē)手等特種行業(yè)防火阻燃服的纖維材料。

在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，聚酰亞胺纖維也大有用武之地。隨著生態(tài)文明建設(shè)步伐的加快，對(duì)于環(huán)境質(zhì)量的要求日益提高，治理大氣污染的手段也在與時(shí)俱進(jìn)。把聚酰亞胺纖維應(yīng)用于高溫袋式除塵設(shè)備，用作各種過(guò)濾材料具有廣闊的市場(chǎng)，并且有望解決目前所用濾料壽命短、效率低的問(wèn)題。這對(duì)于冶金、鋼鐵、發(fā)電、化工、水泥等行業(yè)的高溫除塵是一個(gè)福音。利用聚酰亞胺納米纖維還可以制造煙霧防護(hù)面罩，這對(duì)于保護(hù)人們的身體健康具有十分重要的意義。

卸去“彩妝”，柔性顯示的“促進(jìn)派”

智能手機(jī)的普及讓移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)獲得蓬勃發(fā)展，從而迎來(lái)了指尖端的信息革命。能不能讓智能手機(jī)變得更“智能”—讓手機(jī)變得更柔韌、可折疊以及輕型化？

其實(shí)，科學(xué)家在這方面的探索一直沒(méi)有中斷，并且取得了許多階段性的成果。要讓智能手機(jī)變得可折疊，并實(shí)現(xiàn)OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）的柔性顯示，基本思路就是用柔韌的材料取代傳統(tǒng)的玻璃基板和蓋板。這可以通過(guò)對(duì)聚酰亞胺薄膜的改性來(lái)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，柔性基板作為結(jié)構(gòu)支撐和光信號(hào)傳輸介質(zhì)，在先進(jìn)的光電顯示器件中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

至于蓋板材料和觸控材料，則要求必須為透明柔性材料。就目前的技術(shù)水平來(lái)看，可能的替代方案主要有透明聚酰亞胺（CPI）和超薄玻璃（UTG）兩種。其中的透明聚酰亞胺方案具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此受到更多人的關(guān)注。所謂透明聚酰亞胺薄膜，指的是聚酰亞胺薄膜要無(wú)色透明。這里強(qiáng)調(diào)的是其“透光性”，不透光怎么能作顯示屏呢？

雍容華貴的聚酰亞胺薄膜，其本色是金黃色。據(jù)悉，傳統(tǒng)的芳香族聚酰亞胺薄膜由于分子間和分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物（CTC）的存在，使其在可見(jiàn)光范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的吸收作用，因此會(huì)呈現(xiàn)比較深的顏色。然而，要走上柔性顯示的大舞臺(tái)，尊貴的金黃色反倒成了“絆腳石”?？磥?lái)，卸去“彩妝”，才能迎來(lái)聚酰亞胺薄膜的“新生”。那么，聚酰亞胺薄膜如何才能卸去“彩妝”呢？

有報(bào)告稱(chēng)，要提高聚酰亞胺薄膜的透明度，可以通過(guò)分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改性來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)降低分子鏈間的電荷傳遞作用，來(lái)制備耐高溫的無(wú)色透明聚酰亞胺薄膜。比如，可通過(guò)引入強(qiáng)電負(fù)性基團(tuán)、脂環(huán)結(jié)構(gòu)、大的取代基以及不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)等方法來(lái)制備無(wú)色透明聚酰亞胺薄膜。

不過(guò)，提高聚酰亞胺薄膜透明度的操作并不是孤立的，需要合理調(diào)整聚酰亞胺薄膜的成分和結(jié)構(gòu)，綜合考慮其光學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)、化學(xué)和電學(xué)等方面的性能，這樣才能取得令人滿意的用戶體驗(yàn)。透明聚酰亞胺薄膜的產(chǎn)業(yè)化，將引發(fā)可折疊智能手機(jī)的革命，其意義十分深遠(yuǎn)。

5G時(shí)代來(lái)了，聚酰亞胺都能做些啥

漸行漸近的5G時(shí)代，是一個(gè)萬(wàn)物互聯(lián)的全新時(shí)代。那么，聚酰亞胺在5G時(shí)代都能做些什么呢？

聚酰亞胺在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用有著悠久的歷史，并有望在5G時(shí)代獲得蓬勃發(fā)展。就拿柔性覆銅板來(lái)說(shuō)，其絕緣基膜使用的就是聚酰亞胺薄膜材料。柔性覆銅板是柔性印刷電路的核心組件，其中的電導(dǎo)體為銅箔，絕緣體為聚酰亞胺薄膜。

柔性覆銅板在電子工業(yè)、信息產(chǎn)業(yè)、汽車(chē)工業(yè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。5G時(shí)代的到來(lái)，將促進(jìn)信息通信、家用電器、汽車(chē)電子等行業(yè)的發(fā)展，因此會(huì)帶動(dòng)柔性覆銅板的大發(fā)展，自然對(duì)聚酰亞胺薄膜材料的需求就會(huì)增加。

事實(shí)上，由于5G時(shí)代信息傳輸量更大，傳輸速度更快，因此對(duì)材料性能的要求會(huì)更高：5G時(shí)代要求傳播材料介電常數(shù)要更低一點(diǎn)，高頻傳輸損耗要更小一些。普通的聚酰亞胺材料難以勝任如此使命，但經(jīng)過(guò)“揚(yáng)長(zhǎng)避短”式的改性之后就沒(méi)有問(wèn)題了。如改性聚酰亞胺（MPI）就是聚酰亞胺經(jīng)過(guò)改性的產(chǎn)品之一，因其在耐熱性、彎曲性、穩(wěn)定性以及透射損耗性能四個(gè)方面的良好表現(xiàn)，使其成為5G從低頻到高頻過(guò)渡期間的首選天線材料。

聚酰亞胺材料在5G天線罩以及吸波材料等方面也有一定的應(yīng)用。那么，什么是天線罩呢？5G天線是用來(lái)接收和輻射無(wú)線電波的裝置，而天線罩是天線陣列最外部的保護(hù)部件。5G天線罩對(duì)材料的要求是具有良好的電磁波穿透性，在高頻下介電損耗要小，并且強(qiáng)度要高。

當(dāng)今時(shí)代，高科技革命風(fēng)起云涌，這對(duì)于聚酰亞胺來(lái)說(shuō)，既是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。所謂機(jī)遇是說(shuō)聚酰亞胺可以乘勢(shì)晉位，為高科技革命提供材料支撐；所謂挑戰(zhàn)是說(shuō)聚酰亞胺要順勢(shì)而為，不斷提升，從而造福全人類(lèi)。