聚酰亚胺：科技前沿的“弄潮儿”

苏更林

素有“黄金薄膜”之称的聚酰亚胺，从其诞生的那一天起，就热衷于挑战科技前沿。如今，聚酰亚胺又站在了5G时代的“潮头”，有望成为信息时代的“弄潮儿”。

异军突起，为航天撑起一片天

聚酰亚胺以其优异的性能备受人们青睐，并在许多领域大显身手。要说聚酰亚胺的异军突起，不能不说其在航天领域的应用。

说起聚酰亚胺，你也许并不太熟悉，但你一定听说过嫦娥四号把“五星红旗”带到月球的故事吧。为了应对月球强辐射、大温差的严酷环境，我国科学家选定聚酰亚胺作为“五星红旗”的制作材料。用聚酰亚胺制作的“五星红旗”，不惧恶劣的月球环境，使得鲜红旗帜永不褪色。这是迄今唯一在月球背面“闪耀”的国旗，彰显了中国科学家的智慧。

关于聚酰亚胺的早期应用，我们不妨从20世纪50年代说起。我们知道，包括导弹、火箭、飞行器等在内的尖端领域一向对新型工程材料十分敏感。20世纪50年代，美苏冷战时期的军备竞赛促进了新一代高性能聚合物材料的研发。

20世纪60年代，美国杜邦公司推出了一種叫作“聚酰亚胺”的超级纤维材料，具有轻质、阻燃、耐高温、耐化学溶剂等方面的优势，并且力学性能也很优秀。因此，该材料受到了军工以及航空航天等高科技领域的青睐。聚酰亚胺作为一种耐热高分子材料，满足了航空航天对于耐热、轻质、高强材料的需求，因此聚酰亚胺的诞生是20世纪高分子聚合物领域一个里程碑式的科技成就。

20世纪70年代，美国将聚酰亚胺树脂成功应用于导弹和航空发动机等结构和功能部件，但存在一定的局限性。进入21世纪之后，树脂基复合材料得到了广泛应用，并成为导弹、火箭以及飞行器领域的主要材料。

所谓复合材料，是指由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在树脂基复合材料中，一般以有机高分子材料作为基体材料，构成复合材料的连续性；增强材料（如碳纤维等）通常呈纤维态分散于基体当中，以提高基体的强度和刚度。

用热固性聚酰亚胺树脂作为先进复合材料树脂的基体材料，长期使用温度可超过300℃，短期使用温度可超过500℃。因此，聚酰亚胺复合材料作为最耐高温的结构材料之一，应用于导弹、火箭、飞行器等领域具有独特的优势。

对于飞机的飞行来说，通常根据马赫数的大小分为亚声速、跨声速、超声速和高超声速。其中，马赫数是指气流速度与当地声速的比值，因环境不同，声速也是个变量。马赫数不仅反映了飞行速度的大小，也反映了空气复杂的气动特性。其中，气动增温效应就是一个不容回避的难题，因为马赫数越大对材料的耐热性要求越高。如今，超声速飞机的马赫数通常在2.0～2.5，使用聚酰亚胺复合材料是一个不错的选择。据悉，美国马赫数为2.4的超声速客机，每架大约需要30吨聚酰亚胺树脂复合材料。

“黄金薄膜”，最酷的太空“防晒霜”

随着航天时代的到来，越来越多的航天器奔赴太空，这无疑需要更多先进材料和技术的支撑。就拿航天器飞天时穿着的那套金灿灿的“套装”来说，你可别以为那真是一套用“金箔”制成的“黄金套装”。人类航天面临的环境极其严酷，谁能为“太空娇子”（航天器）遮风避光？素有最酷“防晒霜”之称的“黄金薄膜”，就是人类航天事业的保护神。用作航天器防护材料的“黄金薄膜”，其实是一种以聚酰亚胺薄膜为基膜的隔热材料。

聚酰亚胺薄膜是聚酰亚胺的早期产品之一，由于具有优异的综合性能，通常用作航天隔热材料、防辐射保护材料等。20世纪60年代末，阿姆斯特朗成功踏上月球表面。在“阿波罗登月计划”的材料名单中，最为引人注目的就要数“黄金薄膜”了。

月球表面存在巨大的温差，对于航天器来说，这是一个严峻的考验。由于太空没有空气，因此传热和散热就是个问题。据悉，探月卫星向阳的一面温度可超过100℃，而背阴的一面温度甚至可低至-200℃。面对如此大的温差，一般材料是无法胜任的。况且，探月卫星还会受到各类射线的辐射以及高能粒子的袭击，挑战之大可想而知。

应对太空极端环境，需要采取综合措施。其中，多层隔热材料就是航天器飞天常用的被动热控制材料。聚酰亚胺薄膜隔热材料只是这种多层隔热材料的一个特例罢了。严格来说，这种薄膜并不是一种材料，而是一种由薄膜和金属组合而成的隔热系统。

聚酰亚胺薄膜隔热材料是以高性能聚合物材料聚酰亚胺作为基膜（底衬），金属材料作为反射层复合而成的一类隔热薄膜。1969年，为“阿波罗登月计划”执行护航任务的隔热薄膜是镀铝聚酰亚胺薄膜。这倒不是因为铝比黄金便宜，而是因为铝在执行任务期间对于特定波长的辐射具有更高的反射率。

在不同的航天器应用场合，聚酰亚胺可以有不同的金属搭档。比如，这些金属搭档可以是黄金，也可以是铝，还可以是银……这主要是由任务区间的具体情况和隔热要求来决定的。因此，太空“防晒霜”可以是金黄色的，也可以是银白色的，甚至还可以是黑色的……

中国由航天大国迈向航天强国，离不开高科技材料的支撑，其中就有聚酰亚胺新材料的贡献。据悉，我国科学家研发了一种新型太空防护材料，名叫“聚酰亚胺-纳米云母复合膜材料”。该材料有望提高空间防护材料对原子氧、紫外线辐射和空间碎片等的抵抗性能。

超级“遮阳伞”，一“伞”隔开冰与火

就特定的隔热材料而言，其隔热效果与隔热层的层数以及表面辐射率有关。到底应该选择几层隔热材料，则要根据实际需要而定。当然，也可以是单层镀有金属层的高分子聚合物材料，只要满足任务需要就好。

对于多层隔热材料来说，其每层都是镀有极薄金属层的高分子聚合物，层与层之间为真空环境。至于其隔热原理，主要是利用了隔热材料的屏蔽作用以及层间真空的隔热保温作用。

韦布太空望远镜的发射升空是科学界的一大盛事，其携带的高度复杂的“遮阳伞”就备受人们关注。这把巨“伞”是决定韦布太空望远镜功败垂成的关键部件。你知道这把巨“伞”有什么作用吗？它又是用什么材料制成的？

这还得从韦布太空望远镜的工作原理说起。韦布太空望远镜的观测信号主要是来自非常遥远星系的微弱红外光，其本质就是热信号。因此，韦布太空望远镜要求的环境温度必须足够低，否则就会影响其观察精度。据悉，韦布太空望远镜的近红外仪器需要在-234 ℃的极低温环境下工作，中红外仪器需要在-266 ℃的极低温环境下工作。

韦布太空望远镜的工作轨道非常特殊，一方面要直面太阳、地球和月球的辐射，另一方面又必须排除这些天体对观察仪器的热干扰。这把巨“伞”就是为了调和二者的矛盾应运而生的，以最大限度地保护望远镜免受外部光源和热源（如太阳、地球和月球）的侵扰以及观察仪器本身发热的影响。

这把巨“伞”的特殊使命决定了对制作它的材料的要求十分苛刻。聚酰亚胺薄膜具有轻质、坚固、隔热等优秀品质，似乎就是一个不二之选。用其来做“遮阳伞”的底衬材料，则可以做到既轻又优，同时既薄又强。

至于为什么“遮阳伞”要采用五层设计方案，则是由其工作环境以及任务要求决定的。据悉，“遮阳伞”每层都涂有铝反射层，其中面向太阳一侧的第1层和第2层最为关键，因此另加有“掺杂硅”涂层，可以最大限度地把太阳的热量反射回去，从而确保观测仪器精确稳定地完成工作使命。

特种纤维，我们生活的“保护神”

走进太空的“黄金薄膜”，让我们见识了聚酰亚胺的魅力。那么，它能否走进我们的生活呢？

其实，聚酰亚胺纤维在生活中的应用就是一个鲜明的例证。那么，什么是聚酰亚胺纤维呢？聚酰亚胺纤维是聚酰亚胺新材料中的一种产品形式，也被称为芳酰亚胺纤维，是指分子链中含有芳酰亚胺的纤维。

聚酰亚胺纤维一向被认为是21世纪最有发展前途的高性能纤维。高强高模聚酰亚胺纤维综合性能优异，具有耐高温、耐低温、耐老化、低吸湿、低介电、高绝缘、高强度等特点，不仅在航空航天、原子能工业和国防军工等领域应用广泛，而且在机械、化工、电子、防护等领域有广阔的应用前景。

在特种防护领域，由于聚酰亚胺纤维具有很好的阻燃性和隔温性，因此可以用其制作阻燃工作服，不仅穿着舒适，皮肤适应性好，而且具有永久阻燃性，可用于冶金、地矿、石化、核工业等行业的特种劳动防护服装。同时，聚酰亚胺纤维也可用作装甲部队以及赛车手等特种行业防火阻燃服的纤维材料。

在环境保护领域，聚酰亚胺纤维也大有用武之地。随着生态文明建设步伐的加快，对于环境质量的要求日益提高，治理大气污染的手段也在与时俱进。把聚酰亚胺纤维应用于高温袋式除尘设备，用作各种过滤材料具有广阔的市场，并且有望解决目前所用滤料寿命短、效率低的问题。这对于冶金、钢铁、发电、化工、水泥等行业的高温除尘是一个福音。利用聚酰亚胺纳米纤维还可以制造烟雾防護面罩，这对于保护人们的身体健康具有十分重要的意义。

卸去“彩妆”，柔性显示的“促进派”

智能手机的普及让移动互联网获得蓬勃发展，从而迎来了指尖端的信息革命。能不能让智能手机变得更“智能”—让手机变得更柔韧、可折叠以及轻型化？

其实，科学家在这方面的探索一直没有中断，并且取得了许多阶段性的成果。要让智能手机变得可折叠，并实现OLED（有机发光二极管）的柔性显示，基本思路就是用柔韧的材料取代传统的玻璃基板和盖板。这可以通过对聚酰亚胺薄膜的改性来实现。事实上，柔性基板作为结构支撑和光信号传输介质，在先进的光电显示器件中发挥着越来越重要的作用。

至于盖板材料和触控材料，则要求必须为透明柔性材料。就目前的技术水平来看，可能的替代方案主要有透明聚酰亚胺（CPI）和超薄玻璃（UTG）两种。其中的透明聚酰亚胺方案具有一定的优势，因此受到更多人的关注。所谓透明聚酰亚胺薄膜，指的是聚酰亚胺薄膜要无色透明。这里强调的是其“透光性”，不透光怎么能作显示屏呢？

雍容华贵的聚酰亚胺薄膜，其本色是金黄色。据悉，传统的芳香族聚酰亚胺薄膜由于分子间和分子内的电荷转移复合物（CTC）的存在，使其在可见光范围内具有很强的吸收作用，因此会呈现比较深的颜色。然而，要走上柔性显示的大舞台，尊贵的金黄色反倒成了“绊脚石”。看来，卸去“彩妆”，才能迎来聚酰亚胺薄膜的“新生”。那么，聚酰亚胺薄膜如何才能卸去“彩妆”呢？

有报告称，要提高聚酰亚胺薄膜的透明度，可以通过分子结构设计改性来实现，即通过降低分子链间的电荷传递作用，来制备耐高温的无色透明聚酰亚胺薄膜。比如，可通过引入强电负性基团、脂环结构、大的取代基以及不对称结构等方法来制备无色透明聚酰亚胺薄膜。

不过，提高聚酰亚胺薄膜透明度的操作并不是孤立的，需要合理调整聚酰亚胺薄膜的成分和结构，综合考虑其光学、机械、热学、化学和电学等方面的性能，这样才能取得令人满意的用户体验。透明聚酰亚胺薄膜的产业化，将引发可折叠智能手机的革命，其意义十分深远。

5G时代来了，聚酰亚胺都能做些啥

渐行渐近的5G时代，是一个万物互联的全新时代。那么，聚酰亚胺在5G时代都能做些什么呢？

聚酰亚胺在微电子领域的应用有着悠久的历史，并有望在5G时代获得蓬勃发展。就拿柔性覆铜板来说，其绝缘基膜使用的就是聚酰亚胺薄膜材料。柔性覆铜板是柔性印刷电路的核心组件，其中的电导体为铜箔，绝缘体为聚酰亚胺薄膜。

柔性覆铜板在电子工业、信息产业、汽车工业等领域都有着广泛的应用。5G时代的到来，将促进信息通信、家用电器、汽车电子等行业的发展，因此会带动柔性覆铜板的大发展，自然对聚酰亚胺薄膜材料的需求就会增加。

事实上，由于5G时代信息传输量更大，传输速度更快，因此对材料性能的要求会更高：5G时代要求传播材料介电常数要更低一点，高频传输损耗要更小一些。普通的聚酰亚胺材料难以胜任如此使命，但经过“扬长避短”式的改性之后就没有问题了。如改性聚酰亚胺（MPI）就是聚酰亚胺经过改性的产品之一，因其在耐热性、弯曲性、稳定性以及透射损耗性能四个方面的良好表现，使其成为5G从低频到高频过渡期间的首选天线材料。

聚酰亚胺材料在5G天线罩以及吸波材料等方面也有一定的应用。那么，什么是天线罩呢？5G天线是用来接收和辐射无线电波的装置，而天线罩是天线阵列最外部的保护部件。5G天线罩对材料的要求是具有良好的电磁波穿透性，在高频下介电损耗要小，并且强度要高。

当今时代，高科技革命风起云涌，这对于聚酰亚胺来说，既是机遇也是挑战。所谓机遇是说聚酰亚胺可以乘势晋位，为高科技革命提供材料支撑；所谓挑战是说聚酰亚胺要顺势而为，不断提升，从而造福全人类。