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具有变色涂层的高性能纤维使机械应力可见

暴露在高温下的高性能纤维通常会失去其机械性能,而无法检测到,并且在最坏的情况下,当生命取决于它们时,它们可能会精确撕裂。例如,消防队使用的安全绳或吊索在建筑工地上的重物。Empa的研究人员现在已经开发出一种涂层,该涂层在暴露于高温下时会因摩擦或着火而变色。

消防员冲入燃烧的建筑物,并逐个房间系统地搜索需要救援的人员。固定在他身上的是另一根安全绳,他的同事们正在大楼的外面等候。在紧急情况下-如果他出于任何原因失去知觉-他们可以将他从建筑物中拉出或跟随他进入建筑物进行救援。但是,如果该绳索在先前的操作中暴露于过多的热量,则可能会撕裂。这意味着生命危险!到目前为止,还没有注意到这种绳子损坏的方法。来自Empa和苏黎世联邦理工学院的研究人员团队现已开发出一种涂层,该涂层会因与热的物理反应而变色,从而清楚地表明绳索在将来是否会继续提供其所承诺的安全性。

苏黎世联邦理工学院和Empa的研究人员于2018年开发了一种涂层系统,作为硕士论文的一部分,Empa团队现在可以将其应用于纤维。Empa先进纤维实验室的Dirk Hegemann说:“这是一个涉及多个步骤的过程。” 最初的涂层仅在光滑的表面上起作用,因此首先必须对该方法进行调整,以使其也可以在弯曲的表面上起作用。Empa在纤维涂层方面拥有广泛的专业知识,Hegemann和他的团队过去已经开发出导电纤维(请参阅链接)。所谓的溅射工艺现在也已成功应用于最新涂层。

薄晶圆层效果显着

需要三层以确保纤维在加热时实际上会变色。研究人员将银应用于纤维本身,在这种情况下为PET(即聚酯)和高科技纤维VectranTM。这用作反射器,换句话说,用作金属基层。接下来是钛氮氧化物的中间层,该中间层可确保银保持稳定。然后才跟随导致颜色变化的无定形层:锗锑碲(GST),厚度仅为20纳米。当该层暴露于高温时,它会结晶,从而将颜色从蓝色变为白色。颜色变化基于一种称为干扰的物理现象。两个不同的波(例如光)会相遇并相互放大或减弱。根据热敏层的化学组成,可以将这种颜色变化调整到100到400度之间的温度范围,从而适应纤维类型的机械性能。

量身定制的解决方案

变色纤维的可能应用领域仍处于开放状态,Hegemann当前正在寻找可能的项目合作伙伴。除了用于消防员或登山者的安全设备外,这些纤维还可以用于生产设施,建筑工地等处的承重绳。无论如何,对这一主题的研究还远远不够。目前,不可能长时间存储纤维而不丧失其功能性。Hegemann说:“不幸的是,相变材料会在几个月的时间内被氧化。” 这意味着即使有热量也不再发生相应的相变(结晶),绳索因此失去了“警告信号”。无论如何,已经证明该原理有效,并且耐久性是未来研究的主题,黑格曼说。“一旦业界第一批合作伙伴对我们自己的产品产生了兴趣,就可以根据他们的需求进一步优化纤维。”

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