蘇更林

素有“黃金薄膜”之稱的聚酰亞胺，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時代的“潮頭”，有望成為信息時代的“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，并在許多領域大顯身手。要說聚酰亞胺的異軍突起，不能不說其在航天領域的應用。

說起聚酰亞胺，你也許并不太熟悉，但你一定聽說過嫦娥四號把“五星紅旗”帶到月球的故事吧。為了應對月球強輻射、大溫差的嚴酷環(huán)境，我國科學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”的國旗，彰顯了中國科學家的智慧。

關于聚酰亞胺的早期應用，我們不妨從20世紀50年代說起。我們知道，包括導彈、火箭、飛行器等在內(nèi)的尖端領域一向?qū)π滦凸こ滩牧鲜置舾小?0世紀50年代，美蘇冷戰(zhàn)時期的軍備競賽促進了新一代高性能聚合物材料的研發(fā)。

20世紀60年代，美國杜邦公司推出了一種叫作“聚酰亞胺”的超級纖維材料，具有輕質(zhì)、阻燃、耐高溫、耐化學溶劑等方面的優(yōu)勢，并且力學性能也很優(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，滿足了航空航天對于耐熱、輕質(zhì)、高強材料的需求，因此聚酰亞胺的誕生是20世紀高分子聚合物領域一個里程碑式的科技成就。

20世紀70年代，美國將聚酰亞胺樹脂成功應用于導彈和航空發(fā)動機等結構和功能部件，但存在一定的局限性。進入21世紀之后，樹脂基復合材料得到了廣泛應用，并成為導彈、火箭以及飛行器領域的主要材料。

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

用熱固性聚酰亞胺樹脂作為先進復合材料樹脂的基體材料，長期使用溫度可超過300℃，短期使用溫度可超過500℃。因此，聚酰亞胺復合材料作為最耐高溫的結構材料之一，應用于導彈、火箭、飛行器等領域具有獨特的優(yōu)勢。

對于飛機的飛行來說，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?shù)芈曀俚谋戎?，因環(huán)境不同，聲速也是個變量。馬赫數(shù)不僅反映了飛行速度的大小，也反映了空氣復雜的氣動特性。其中，氣動增溫效應就是一個不容回避的難題，因為馬赫數(shù)越大對材料的耐熱性要求越高。如今，超聲速飛機的馬赫數(shù)通常在2.0～2.5，使用聚酰亞胺復合材料是一個不錯的選擇。據(jù)悉，美國馬赫數(shù)為2.4的超聲速客機，每架大約需要30噸聚酰亞胺樹脂復合材料。

“黃金薄膜”，最酷的太空“防曬霜”

隨著航天時代的到來，越來越多的航天器奔赴太空，這無疑需要更多先進材料和技術的支撐。就拿航天器飛天時穿著的那套金燦燦的“套裝”來說，你可別以為那真是一套用“金箔”制成的“黃金套裝”。人類航天面臨的環(huán)境極其嚴酷，誰能為“太空嬌子”（航天器）遮風避光？素有最酷“防曬霜”之稱的“黃金薄膜”，就是人類航天事業(yè)的保護神。用作航天器防護材料的“黃金薄膜”，其實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、防輻射保護材料等。20世紀60年代末，阿姆斯特朗成功踏上月球表面。在“阿波羅登月計劃”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，對于航天器來說，這是一個嚴峻的考驗。由于太空沒有空氣，因此傳熱和散熱就是個問題。據(jù)悉，探月衛(wèi)星向陽的一面溫度可超過100℃，而背陰的一面溫度甚至可低至-200℃。面對如此大的溫差，一般材料是無法勝任的。況且，探月衛(wèi)星還會受到各類射線的輻射以及高能粒子的襲擊，挑戰(zhàn)之大可想而知。

應對太空極端環(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特例罷了。嚴格來說，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合而成的一類隔熱薄膜。1969年，為“阿波羅登月計劃”執(zhí)行護航任務的隔熱薄膜是鍍鋁聚酰亞胺薄膜。這倒不是因為鋁比黃金便宜，而是因為鋁在執(zhí)行任務期間對于特定波長的輻射具有更高的反射率。

在不同的航天器應用場合，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……這主要是由任務區(qū)間的具體情況和隔熱要求來決定的。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……

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

超級“遮陽傘”，一“傘”隔開冰與火

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。到底應該選擇幾層隔熱材料，則要根據(jù)實際需要而定。當然，也可以是單層鍍有金屬層的高分子聚合物材料，只要滿足任務需要就好。

對于多層隔熱材料來說，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。

韋布太空望遠鏡的發(fā)射升空是科學界的一大盛事，其攜帶的高度復雜的“遮陽傘”就備受人們關注。這把巨“傘”是決定韋布太空望遠鏡功敗垂成的關鍵部件。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鏡的工作原理說起。韋布太空望遠鏡的觀測信號主要是來自非常遙遠星系的微弱紅外光，其本質(zhì)就是熱信號。因此，韋布太空望遠鏡要求的環(huán)境溫度必須足夠低，否則就會影響其觀察精度。據(jù)悉，韋布太空望遠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。

韋布太空望遠鏡的工作軌道非常特殊，一方面要直面太陽、地球和月球的輻射，另一方面又必須排除這些天體對觀察儀器的熱干擾。這把巨“傘”就是為了調(diào)和二者的矛盾應運而生的，以最大限度地保護望遠鏡免受外部光源和熱源（如太陽、地球和月球）的侵擾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)、堅固、隔熱等優(yōu)秀品質(zhì)，似乎就是一個不二之選。用其來做“遮陽傘”的底襯材料，則可以做到既輕又優(yōu)，同時既薄又強。

至于為什么“遮陽傘”要采用五層設計方案，則是由其工作環(huán)境以及任務要求決定的。據(jù)悉，“遮陽傘”每層都涂有鋁反射層，其中面向太陽一側的第1層和第2層最為關鍵，因此另加有“摻雜硅”涂層，可以最大限度地把太陽的熱量反射回去，從而確保觀測儀器精確穩(wěn)定地完成工作使命。

特種纖維，我們生活的“保護神”

走進太空的“黃金薄膜”，讓我們見識了聚酰亞胺的魅力。那么，它能否走進我們的生活呢？

其實，聚酰亞胺纖維在生活中的應用就是一個鮮明的例證。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為是21世紀最有發(fā)展前途的高性能纖維。高強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、高強度等特點，不僅在航空航天、原子能工業(yè)和國防軍工等領域應用廣泛，而且在機械、化工、電子、防護等領域有廣闊的應用前景。

在特種防護領域，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)的特種勞動防護服裝。同時，聚酰亞胺纖維也可用作裝甲部隊以及賽車手等特種行業(yè)防火阻燃服的纖維材料。

在環(huán)境保護領域，聚酰亞胺纖維也大有用武之地。隨著生態(tài)文明建設步伐的加快，對于環(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俱進。把聚酰亞胺纖維應用于高溫袋式除塵設備，用作各種過濾材料具有廣闊的市場，并且有望解決目前所用濾料壽命短、效率低的問題。這對于冶金、鋼鐵、發(fā)電、化工、水泥等行業(yè)的高溫除塵是一個福音。利用聚酰亞胺納米纖維還可以制造煙霧防護面罩，這對于保護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“促進派”

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

其實，科學家在這方面的探索一直沒有中斷，并且取得了許多階段性的成果。要讓智能手機變得可折疊，并實現(xiàn)OLED（有機發(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。這可以通過對聚酰亞胺薄膜的改性來實現(xiàn)。事實上，柔性基板作為結構支撐和光信號傳輸介質(zhì)，在先進的光電顯示器件中發(fā)揮著越來越重要的作用。

至于蓋板材料和觸控材料，則要求必須為透明柔性材料。就目前的技術水平來看，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，因此受到更多人的關注。所謂透明聚酰亞胺薄膜，指的是聚酰亞胺薄膜要無色透明。這里強調(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)的電荷轉移復合物（CTC）的存在，使其在可見光范圍內(nèi)具有很強的吸收作用，因此會呈現(xiàn)比較深的顏色。然而，要走上柔性顯示的大舞臺，尊貴的金黃色反倒成了“絆腳石”?？磥?，卸去“彩妝”，才能迎來聚酰亞胺薄膜的“新生”。那么，聚酰亞胺薄膜如何才能卸去“彩妝”呢？

有報告稱，要提高聚酰亞胺薄膜的透明度，可以通過分子結構設計改性來實現(xiàn)，即通過降低分子鏈間的電荷傳遞作用，來制備耐高溫的無色透明聚酰亞胺薄膜。比如，可通過引入強電負性基團、脂環(huán)結構、大的取代基以及不對稱結構等方法來制備無色透明聚酰亞胺薄膜。

不過，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構，綜合考慮其光學、機械、熱學、化學和電學等方面的性能，這樣才能取得令人滿意的用戶體驗。透明聚酰亞胺薄膜的產(chǎn)業(yè)化，將引發(fā)可折疊智能手機的革命，其意義十分深遠。

5G時代來了，聚酰亞胺都能做些啥

漸行漸近的5G時代，是一個萬物互聯(lián)的全新時代。那么，聚酰亞胺在5G時代都能做些什么呢？

聚酰亞胺在微電子領域的應用有著悠久的歷史，并有望在5G時代獲得蓬勃發(fā)展。就拿柔性覆銅板來說，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)、汽車工業(yè)等領域都有著廣泛的應用。5G時代的到來，將促進信息通信、家用電器、汽車電子等行業(yè)的發(fā)展，因此會帶動柔性覆銅板的大發(fā)展，自然對聚酰亞胺薄膜材料的需求就會增加。

事實上，由于5G時代信息傳輸量更大，傳輸速度更快，因此對材料性能的要求會更高：5G時代要求傳播材料介電常數(shù)要更低一點，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“揚長避短”式的改性之后就沒有問題了。如改性聚酰亞胺（MPI）就是聚酰亞胺經(jīng)過改性的產(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方面的良好表現(xiàn)，使其成為5G從低頻到高頻過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用。那么，什么是天線罩呢？5G天線是用來接收和輻射無線電波的裝置，而天線罩是天線陣列最外部的保護部件。5G天線罩對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，并且強度要高。

當今時代，高科技革命風起云涌，這對于聚酰亞胺來說，既是機遇也是挑戰(zhàn)。所謂機遇是說聚酰亞胺可以乘勢晉位，為高科技革命提供材料支撐；所謂挑戰(zhàn)是說聚酰亞胺要順勢而為，不斷提升，從而造福全人類。