第五节 无机纤维

一、光导纤维与电子纤维的新成果

1．研制无机光导纤维的新进展

（1）开发出能提高汽车旅途安全性的多芯玻璃光导纤维。

2006年3月，德国媒体报道，目前大量新技术不断涌现，使驾驶变得轻松悠闲。DVD播放机，使那些后座乘客，特别是孩子们，在长途旅行时兴致盎然。同时，导航系统会给驾驶员提供如何尽快到达目的地的准确信息。最新的交通情况报告，会自动集成到路程计划功能中，这样就能有效避开交通阻塞。移动电话，使人们随时随地都能联系到驾车者……

此项信息与娱乐集成的功能的实现，依赖于名为“媒体导向系统传输”的总线。该环路总线，使得数据通过光纤，在系统各部件之间传输，并且保证数据传输不失真，具有高速率和优异的电磁兼容性。因此，CD和DVD播放机、导航系统、多频全球移动通信系统电话和车载电脑能够互相连接起来。

肖特股份有限公司汽车部门的生产经理约克·瓦芮尔曼说：“尽管使用玻璃光纤来实现以上的应用功能益处颇多，但信息娱乐系统通常使用聚合物光纤进行数据传输，因为聚合物光纤的功率谱仍然能满足要求，而且使用由聚合物光纤组成的光波导，在车辆中传输视频和音频信号，已经是一项尖端技术。”但他随即指出，一旦需要更快的传输速率和更稳定的抗高温性，塑料材料就会达到其性能极限。将来安全系统数据也将通过光纤传输，以求最大限度地达到免受电磁干扰的目的。肖特股份有限公司已经开发出一种多芯玻璃光纤，来满足这种应用要求，该产品不仅能保证所需的高速数据传输率，也能抵御高温。

多芯玻璃光纤，性能优于聚合光纤。实际上，聚合物光纤，只能承受85°C的最高温度，因此不能用于汽车盖和引擎箱中。而且塑料光波导的弯曲半径不能过小，一旦小于25微米就会出现严重的信号衰减。由肖特开发的MC-GOF多芯玻璃光纤，能够承受高达125°C的高温，其最小弯曲半径为5微米，并且不会产生显著的信号衰减。性能就像铜质电缆一样。这些特性，开辟了光纤产品的应用新领域，比如将光纤安装在引擎箱中。

瓦芮尔曼说：“玻璃光纤的数据传输速率，比塑料光纤要快得多，而这在未来的安全型产品的应用上是必不可少的。”这位来自肖特公司的专家举了个例子，把照相机或雷达系统装在汽车保险杠中，预先观察交通情况来进行碰撞前分析。“这种系统，需要把信号快速传输到分析器件中，并且不能有数据压缩，因此它们需要快速的实时数据传输。”

当今，广泛使用的作为光学数据传输光照源的发光二极管，已经无法提供需要的1Gb/s的传输率。只有激光器二极管，能提供这样高的传输率，比如使用垂直腔面发光激光二极管的系统。它工作的波长范围，与红外线相近。与玻璃光纤不同的是，在这样的波长范围里，聚合光纤是‘失明’的，因此无法使用。而且，由于无法承受高温，塑料光纤在布线时，无法从保险杠穿过引擎箱进入汽车内部。

瓦芮尔曼说：“过去几年来，肖特公司的研究人员，致力于优化使用玻璃光纤的光波导管技术，目前，已经可以把成熟的解决方案推向市场。”但是，出于法律原因和技术上的限制，整个系统的全面应用，仍然需要一定的时间。首批，使用此项新技术的汽车，预计于2008—2010年间投放市场。

（2）首次研制成功硒化锌光导纤维。

2011年3月，美国宾夕法尼亚大学，化学系教授约翰·巴丁领导的一个研究小组，在《先进材料》杂志上发表研究成果称，他们首次开发出具有硒化锌内核的光纤。这种光纤，能更加自如高效地控制光，激光雷达技术的应用因此更加广泛，比如可改良医学激光器，优化军事上使用的对抗激光器，改进环境感测激光器等。

据介绍，这一新技术的关键，就是把硒化锌这种化合物，嵌入光纤结构中，这也是以前没有人做过的。

巴丁研究小组，使用高压化学淀积技术，在二氧化硅玻璃毛细管内，淀积出硒化锌波导核，最终研制成了新型光纤。这种高压淀积法，对在有限空间内，制成如此细长的硒化锌核起着不可替代的作用。

（3）制造出光电功能兼备的新式光导纤维。

2012年2月，英国南安普顿大学光电研究中心的高级研究员皮尔·萨齐奥、研究员安娜·皮科尔、博士后研究生诺尔·希立，与美国宾夕法尼亚州立大学化学家约翰·拜丁等人组成的一个研究小组，在《自然·光子学》杂志上发表研究成果称，他们首次把半导体芯片嵌入光纤中，制造出一种具有高速光电功能的新型光纤，这种光纤可用于改善通讯技术和其他混合光电技术。

拜丁解释道：“把光纤和芯片整合在一起很困难，原因如下：首先，光纤是圆柱状的，而芯片是平的。另外，光纤和芯片的块头实在太小，光纤的宽度仅为人头发丝的1/10，而其上建有导光通路的芯片仅为光纤的1/10，因此，让这两种设备很好地排列，对现有技术来说是一个巨大挑战。”

该研究小组采用了一种新奇的方法，来解决上述与嵌入技术有关的问题。他们采用的方法，不是把平直的芯片和圆柱状的光纤直接合并在一起，而是使用他们自己的集成电子元件，不需要将光纤直接整合在芯片上，而是使用高压化学技术将半导体材料一层一层直接沉积在光纤的微孔内，制造出新型光纤。

萨齐奥表示：“我们的最大突破在于，不需要把整个芯片作为最终完成产品的一部分。制造传统芯片需要耗资数百万美元的无尘室设施，而我们的过程能使用成本更少的简单设备来完成。我们也在光纤内设法制造出了结点，让所有的电子行为发生在此活动边界内，确保新产品拥有非常高的光电性能。”

皮科尔补充道：“对于未来的通信网络来说，把光电设备的功能整合入光纤内，是一个重要的技术进步。在这种意义上，或许在未来，我们可以借此获得更快、更廉价、更高效的系统。而且，最新研究代表了一种全新的建构半导体结点的方法，因此，也有可能应用于很多非通信领域。”

希立得出结论说：“在光纤内演示复杂的光电工程技术，是一件令人兴奋的事情，因为，它有潜力成为一种关键技术，让速度更快、成本更低、能效更高的通讯网络成为可能。”

2．开发电子纤维的新成果

研制出可拦截地空导弹的纳米电子纤维。2011年4月，有关媒体报道，以色列运用纳米技术，制造出一种类似蒲公英的电子纤维，能够有效拦截雷达引导的导弹。

蒲公英是大家熟悉的小草。摘一朵蒲公英花，轻轻一吹，白色的绒毛便轻盈地随风飘落到四方。

以色列研究人员依据“蒲公英”散花的作用原理，当战机受到来袭导弹攻击时，释放干扰箔条以使导弹失去攻击目标。这种干扰箔条，其实是一种比钻石还要坚硬100倍的电子纤维，能完全隐形悬浮在空中。一旦释放后，这种“蒲公英”式电子纤维，能以几乎无重的状态飘浮于空中，编织成一张看不见的巨型网，雷达引导的导弹无法有效辨别，从而发挥拦截地空导弹的袭击。

此前，以色列空军曾使用一种叫做“谷壳”的纤维玻璃，干扰敌方雷达，但纤维玻璃相对“蒲公英”过重，敌方可根据其飞行和下坠速度，判断“雷达上的有些亮点不是飞机”。

“蒲公英”取代“谷壳”，源自纳米技术的成功应用。一根头发的直径约5万纳米，该国研究人员却制造出了直径仅130纳米的电子纤维“蒲公英”。每架飞机可以携带数以百万计的此类纤维，散布在空中之后，对方的雷达显示将是一片迷茫，雷达制导的导弹也将会因为找不到目标，而束手无策。

二、碳纤维与碳纳米管纤维的新成果

1．开发碳纤维的新成果

把碳纤维直接变成石墨烯量子点。2012年1月，美国莱斯大学研究生高薇、丽贝卡·阿伯托等人组成的一个研究小组，在《纳米快报》网络版上发表研究成果称，他们开发出一种可将普通碳纤维，直接制成石墨烯量子点的新方法。

研究人员表示，这种一步到位的技术比现有的石墨烯量子点研制工艺更为简化，所得到的量子点不足5纳米，具有高溶解性，大小可以通过设定制造时的温度来加以控制。专家估计这项成果未来在电子、光学和医学领域将有巨大的应用潜力。

量子点的概念是在20世纪80年代提出的，是一种半导体纳米结构，带隙取决于大小和形状，可用于研制计算机、发光二极管、太阳能电池、激光器，以及医疗成像设备。

莱斯大学的研究人员，选择性地让碳纤维发生氧化，并用透射电子显微镜进行观察。他们看到的石墨烯斑点，更确切地说，应该是从化学处理过的碳纤维中，提取的纳米级氧化石墨烯。高薇说：“我们称它们为量子点，但它们是二维的，因此我们实际上获得的是石墨烯量子盘。”

用其他如化学分解或电子束光刻等技术，获得的量子点价格昂贵，且制造一小批石墨烯量子点需要数周时间。新方法的最大优势在于，只需一个步骤就能得到大量量子点，且所用原料价格便宜，是很容易买到的碳纤维。

进一步实验显示，这些量子点的大小，以及与此相关的光致发光特性，可以在相对较低的制造温度下进行控制。在120℃、100℃和80℃时，可获得发蓝色、绿色和黄色冷光（荧光）的量子点。

高薇说，发冷光（荧光）的特性，使得这些石墨烯量子点在成像、蛋白质分析、细胞跟踪和其他生物医学领域应用前景广阔。在休斯敦MD安德森癌症中心和贝勒医学院，对两个人类乳腺癌细胞系进行的测试显示，这些量子点很容易进入细胞的细胞质中，并且不会影响细胞的增殖。

阿伯托说：“与荧光体相比，石墨烯量子点的优势，是发出的荧光更稳定，不会出现光漂白，因而不易失去其荧光性。这可能成为，进一步探索生物成像的一个有趣途径。未来，这些石墨烯量子点，可能发挥更大的作用，因为它们也可以应用于传感领域。”

研究人员还发现，这些量子点的边缘，往往表现为锯齿状。而石墨烯片的电学性质，是由其边缘形状决定的，锯齿状表明它们具有半导体特性。

2．开发碳纳米管纤维的新进展

（1）研制出高强度新型碳纳米管纤维。

2007年11月，英国剑桥大学材料科学教授阿兰·魏德尔，与美国陆军士兵研究开发中心的研究人员一起，共同研制出一种新型碳纳米管纤维。该碳纳米管纤维上，最脆弱的地方也需要1吉帕斯卡的拉力才能折断，强度足以与钢铁相媲美。研究人员称，这种纤维最具前景的应用，也许是制作防弹衣和开采油气钻头。碳纳米管是一种棉线状的碳分子，带有仅一个原子厚度的壁。虽然它们具有非常强的导电性能，但可靠性难以保证。为了制作这种超强纤维，魏德尔在热炉中将碳汽化，然后吹出一股碳纳米管流。当这些碳纳米管在空中被捕获并围绕一个轴旋转时，就会形成一根由数十亿个分子组成的纤维，而这些分子沿着碳纳米管紧密排列在一起。

研究人员认为，强度的改善主要取决于缠绕速度，以便将碳纳米管更好地排列成线，以及更紧密地包裹起来。研究人员通过调节炉温和调整缠绕速度优化制作工艺，制作出的纤维强度较其他小组制作的要高出0.3倍。为了使制作的纤维密度更大，他们还在制作工艺中增加了一个步骤，让纤维通过丙酮气体。丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，由于表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度。

新碳纳米纤维，一般要在施以大约6吉帕斯卡的应力时才发生断裂，强度要高于制造防弹背心的常用材料芳纶，而且可与两种最高强度的商业材料——基纶和迪尼玛相抗衡。目前，研究人员已制作出一根单独的超强碳纳米管纤维，可承受9吉帕斯卡的应力，表现出具有无与伦比的超强性能，而用别的方法制作的碳纳米管纤维，最多可承受3吉帕斯卡的应力。

目前，魏德尔能制作出的最好纤维长度仅为1毫米，这主要是因为纤维越长，包含的细微碳颗粒和其他缺陷就越有可能削弱它的强度。即便调节制作工艺，如调整缠绕速度和利用丙酮方法，都不能改变这些碳素颗粒，因此必须回到化学合成的方法来解决这类问题。

（2）制成扭曲能力高于常规材料千倍的碳纳米管纱纤维。

2011年10月，美国得克萨斯大学、澳大利亚卧龙岗大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学和韩国汉阳大学等研究人员组成的一个国际研究小组，在《科学》杂志上发表研究成果称，他们用碳纳米管制造出新型螺旋纱纤维，其扭曲能力比过去已知的材料高1000倍，可利用其制造出比头发丝还细小的微电机。

碳纳米管与金刚石、石墨烯、富勒烯一样是碳的一种同素异形体。它具有典型的层状中空结构特征，管身由六边形碳环微结构单元组成。在此项研究中，研究人员首先生产出高400微米、宽12纳米的碳纳米管细微结构“森林”，然后将其纺成类似绳索结构的螺旋纱。在纺纱时，可将碳纳米管纱制成左手螺旋和右手螺旋两种类型。由于碳纳米管纱具有良好的导电性，研究人员把制成的碳纳米管纱与电极相连，并将其沉浸在离子导电液体中。碳纳米管纱开始进行扭转旋转。它首先向一个方向旋转，当达到一定的限度，改变电压后，再向反方向旋转。左手螺旋纱和右手螺旋纱的旋转方向正好相反。

研究人员在碳纳米管纱上附着了一个桨叶，结果表明，新型碳纳米管纱以590转/分钟的速度进行旋转时，可以旋转比自身重2000倍的桨叶。每毫米碳纳米管纱在250转/分钟时，其扭曲能力超过铁电体人工肌肉、形状记忆合金人工肌肉及有机聚合物人工肌肉1000倍。输出功率可媲美大型电机。

传统电机的结构非常复杂，微型化十分困难。但利用这种碳纳米管纱却，能很容易在毫米级水平构建电机。英国莱斯大学化学和计算机科学系的詹姆斯教授认为，该工作非常了不起。他表示，具有如此大扭矩的纤维十分迷人，如果将其应用在机械工程中，将起到其他任何材料无法替代的效果。

研究人员表示，这种碳纳米管纱可以开辟许多新用途。它可以用于制造微型电机、微型压缩机和微型涡轮机；基于旋转执行器的微型泵，可以集成到芯片实验室技术制造的设备上；还可以将其应用于机器人、假肢及各种传感器上。

三、其他无机纤维的研制与应用

1．开发其他无机纤维的新进展

研制出以硅酸为基础的新抗高温无机纤维。2006年7月，有关媒体报道，德国一家公司开发成功一种新型的抗高温无机纤维。这一新产品是以硅酸为基础制成的纺织短纤维，用它制成的粗纱，可抵抗最高达1000°C连续高温的能力，且具绒毛、柔软及宽幅的特性。

研究人员说，这种短纤粗纱，可当做纺织品使用，对皮肤不具刺激性且触感颇佳，对健康不具危险性。传统无机纤维的特性，如易碎、只适用于少数纺织品、刺激皮肤或触感不佳等缺点，在现有无机纤维原料中，都已完全消除。

研究人员表示，该无机纤维颠覆了传统观念，它具有与棉花相同的柔软质地，与绒毛相似的宜人质感，与羊毛一样的漂亮外观，而且能抗1000℃以上的高温。这一新型粗纱系列产品，将以自身特有的优点，成为纺织系统的前卫产品。研究人员说，不同宽度的梭织布、圆编针织布、经编针织、复合式纺织品及喷织布，都可以用这种无机纤维，制成强化材质与特殊纺织品。以它为基础形成的某些特殊纺织品，不仅符合专业热度隔绝及防高温、防火之需求，而且具有防止热瓦斯渗透的特性。

2．应用其他无机纤维的新成果

（1）通过植入玻璃纤维制成透明混凝土。

2004年8月，匈牙利建筑师阿龙·洛孔济，发明了一种新型混凝土，它可以透过光线。现已申请了专利并成立了公司，准备尽快出售这种透明的混凝土块。该建筑材料，为建造“水晶宫”提供了方便。

据报道，这种透明混凝土，与普通混凝土一样结实牢固，但它有一个明显的优势，由于植入数以千计的玻璃纤维，因而可以透过这种混凝土看见对面物体的轮廓。使用这种透明材料，可让室内装饰变得轻盈、明快而通透，给人一种厚重的墙体仿佛并不存在的幻觉感受。

（2）研制出轻质而耐裂的纤维水泥。

2005年5月，美国密歇根大学材料专家维克多拉·李等人组成的一个研究小组，研制出一种新型水泥，它比普通水泥轻40%，而耐裂性能则超过500倍，其使用成本，比不太耐用和容易变成粉末的普通水泥更低廉。

这项发明的实质在于，整个水泥混合物中掺杂有极细微的纤维，根据工程水泥混合工艺制作的水泥结构本身，能使水泥更坚固，同时能确保水泥一定的柔性，消除了水泥的脆性。

维克多拉·李说，工程水泥混合工艺已研制了10年时间，这项新工艺遥遥领先于其他同类工艺。据悉，新工艺已在日本、韩国、瑞士和澳大利亚积极推广应用，但是在美国的应用进展却十分缓慢。

（3）用纳米纤维材料制成不需频繁擦拭的无雾玻璃。

2006年3月，有关媒体报道，美国马萨诸塞州一家科研机构驻波士顿技术中心，负责人迈克尔·鲁博尼尔领导的研究小组，发明了一种新技术，可以让玻璃永远不会沾上雾气，应用这种新技术制成的玻璃可以做眼镜、汽车的风挡玻璃、家里浴室中用的镜子，使我们不用再对它们进行频繁的擦拭。

此前，研究小组曾经研制成功，对光的反射率只有0.2%的纳米纤维材料。通常所用的纤维材料，对光的反射率都在2%～3%之间。

研究小组进一步研究，发现这种材料还可以吸引小水滴，而这种小水滴，正是在玻璃表面产生雾气的元凶。研究人员利用这种材料，合成了一种新的玻璃纤维。这种玻璃纤维，在纳米程度上，有许多网状的小缝隙可以吸引水滴。研究人员称其原理与海绵有些类似。使用这种新材料，可以使玻璃上的水变成薄薄的一层而不是滴状，从而永远告别玻璃上的雾气。

研究人员介绍说，这种新材料的粒子直径只有7纳米，比普通可见光的波长要小几百倍，可以保证其透明程度。研究人员用一系列办法，如把材料粒子的正负极颠倒相连接，把许多层新材料叠合在一起，这样可以让这种新材料更加坚固耐用，而且还可以耐500℃的高温。