全球十大顶尖纺织机械(至柔至刚万千变化)(1)

它们来自于自然界的20多种物质,却可共混交织成无数可能;它们历史悠久,推动了人类文明进程,却早已站在了科技前沿:不仅在体现国家科技水平和综合国力的航空航天领域广泛应用,甚至影响到航空航天产品的研发进程。

它们是你我以为熟悉、却并不了解的纺织材料。

本月,由将纺织品送上了太空的“梦之队”编写、湖北省科学技术协会策划的《航空航天纺织品探秘》一书出版。中国工程院院士徐卫林及其团队,数易其稿,将多年的研究深入浅出地呈现,揭秘航空航天领域的纺织品。这些纺织品或是飘扬在月球的高性能五星红旗,或是飞机外壳的一部分,或是航天器结构材料,甚至存在于导弹等武器中。

近日,湖北日报全媒记者专访徐卫林院士,讲述书里书外的故事,带你走进至柔至刚的纺织品世界。

全球十大顶尖纺织机械(至柔至刚万千变化)(2)

纺织品变身飞机导弹外壳——

最柔的也是最刚的

纺织品是什么?是一块柔软的纱布,却也是坚硬的飞机外壳,《航空航天纺织品探秘》里展示了这样一个奇妙的世界。为什么同样是纺织品,却呈现出完全不同的样子?这得益于各种纤维材料的应用,让纺织品具备了各种不同的特性。

徐卫林介绍,在航空航天领域,轻且强度高的材料是必不可少的。而纤维材料做成的产品,就具备有这样的优势。所以,宇航服、火箭导弹外壳等都是纤维编织复合而成的。在航空领域,纤维材料的应用更成熟。“很多人以为飞机外壳都是金属,其实很多部分是纤维材料编织后复合而成,有一款波音飞机的外壳,大量使用的就是加强碳纤维复合材料。”

为何纤维材料做成的纺织品有轻量化且强度高的特点呢?这取决于纤维材料的特性。

徐卫林介绍了纤维材料的三大优点:比强度高,不同材料若重量相同,纤维材料更多更轻更长;可柔性编织,这样做成的产品可以是任意形态,具备更多可能性,也许未来人类的空间站就是编织的;比表面积大,纤维非常细,越细比表面积就越大,可做成纱布、卫生用品等。

这些特性,让看似最柔的纤维却能打造出最坚硬的外壳,保护着航空航天器在太空遨游,而这些坚硬外壳又具备柔韧性,更加安全。

“老子道德经说:天下之至柔,驰骋天下之至坚。我们可以把纤维材料理解成一种至柔至刚的物质,柔而有韧。”徐卫林说。

上天入地,无所不能的纤维材料——

微小分子构造宏大世界

可上太空遨游,可下深海探索,如今的纺织品,存在于各行各业,从生到死,全天候陪伴着人的一生。

一辆汽车里,纺织品多达20至25公斤左右。比如,轮胎的橡胶下,其实是大量高强高韧的纺织品作为支撑。

在医院,除了手术缝合线、纱布等常见的纺织品,还有纺织品做的人造血管等。

在能源领域,巨大的风力发电叶片,其实也是由纺织品作为骨架增强的复合材料制成。

徐卫林介绍,除广泛应用于最能代表科技水平的航天航空领域,以及关系国家安全的军事科学领域,纺织品在农业、交通运输、环境保护、生物医药、基础建设、能源等行业发挥重要作用。

为何至柔至刚的纤维材料这么无所不能呢?

徐卫林说,纤维的特性是由微观决定的。

他解释道,纤维里的大分子具有沿长度方向高度取向的特点,就像一根筷子容易折断,但如果是沿长度方向拉筷子,就很难拉断。

从纤维的微观结构看,有无定形区,即柔区,有高度结晶区,即刚区。类似于由棉花和冰块组成内部结构,这就让纤维材料柔中有刚,刚中有柔,是刚柔的统一体。

根据这样的特性,就可以按照需要,按不同比例调配无定形和结晶,产生无数不同特性的纤维。比如,百分百结晶纤维就十分刚和脆,可做防弹衣;而大量的无定形就会非常柔软、有弹性,可以做成高弹性的莱卡纤维。而做成想要的纤维后,纤维之间又可以随意混合演变出不同形态、性质的纤维材料。

正因为从分子到纤维都可以有无数组合,造就了千变万化的纤维材料,让纺织品的使用无处不在。

“因此,我们研究材料科学,推动材料科学的进步,是必须做的事情。这不仅能改善生活质量,推动经济社会发展,更是某些行业解决技术难题的关键所在。”徐卫林说。

自然科学充满哲学和趣味——

纤维也有心情 不高兴就炸毛

可以是百炼钢,也能成绕指柔;是夏夜微风拂过的裙摆,也是探索宇宙的宇航服。《航空航天纺织品探秘》不仅从纺织科学的角度揭秘了航空航天领域知识,也展示了自然科学的浪漫与美学。

徐卫林讲述了纺织科学的乐趣:我们通过研究天然纤维的微观结构,了解它的变化,就能仿造、改进天然纤维,制造出各种各样不同功能的合成纤维,超越天然纤维。

比如,羊毛纤维的表面有像竹笋一样的鳞片,就像人类的头发,你愉快时,头发的鳞片就会均匀,头发就顺滑;但心情不好的时候,就会干涩。了解这种特性后,人们就能更好地去改善和利用它。

这其实也富含哲学。纤维特性不同,各有优缺点,需要取舍。比如,羊绒比羊毛和棉花贵,但最好的西装,并不是百分之百的羊绒,需要用其他纤维去改善功能或是降低成本,舍弃一部分,就能得到其他一些功能。

材料的调控,纤维的选择,后期的加工,造就了织物五颜六色的颜色以及千变万化的形态,让纺织科学也充满美感。

“中小学生读者也能从这本书中找到乐趣。”徐卫林说,这是一本跨学科的科普书籍,涉及物理学、数学等其他学科。比如,飞机会什么为能起飞、降落,这和伯努利方程相关,建议中小学生可以带着问题去看。

他介绍说,为了让大众能够更直观了解纺织科学,武汉纺织大学正在建造一个面积约2000平方米的科普场馆,预计明年能面世。该馆将展示材料科学的相关知识、历史发展、最新成果等。“我们希望参观者在看完后,能了解到纺织工业在人类文明进程中很重要、中国的纺织工业很伟大。武汉纺织大学在纺织工业进步中做了一点工作,让更多人了解纺织很重要,激发孩子们的兴趣。”

未来纺织品有无限可能——

在月球上搭帐篷 衣服可感知心跳

未来的纺织品会是什么样?

也许,登月飞船会有柔性仓,从飞船里拿出来,抖开,在月球上就像搭帐篷一样。也许,会出现可以调节温度、感知心跳、根据环境变色的衣服。

“随着科技发展,我相信会有无限可能。”徐卫林说。

纺织业是很古老的行业,是人类文明进程中重要的一环,经过数千年发展,早已成为充满高科技含量的行业,也是各国材料科学竞争中的重要部分。

徐卫林介绍说,中国纺织品在全球具备较强竞争力,中国生产的纤维及加工制品总量占全球一半以上,规模全球最大。

纺织品分为服用、家纺用、产业用三大类。其中,产业用纺织品是考验一个国家材料科学和加工能力的重要标准。越发达的国家,服用类占纺织品比例越小。改革开放前,我国纺织品服用占比80%以上,随着科学技术的发展,虽然服用纺织品的绝对数量大幅增加,但比例大幅下降,产业用纺织品占比越来越大,这说明了我国材料科学的进步。纺织工业的技术进步,是我国科学技术发展的缩影。

近几年,我国逐步加强产业用纺织品的研发,纤维材料发展较快。比如用于航空航天和军事领域的碳纤维、高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维等,已逐步实现了国产化,这其中,包括一些解决了“卡脖子”问题的材料,打破了国外的技术封锁。

“纺织业日新月异,未来可期,我们编写这本科普书籍的初衷,就是希望更多的人关注这个古老的行业的新变化,吸引更多孩子对此产生兴趣,投身到这个行业来,一起改变未来。”徐卫林说。

(湖北日报全媒记者 陈熹 通讯员 陈玉芬)

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