世上真有“吉光神马”的皮毛就好了！大连理工这群学生打造“神衣”
学术
2024-11-14 08:00
北京
文 ｜ 《中国科学报》 记者 孙丹宁
水、火作为古老的对立元素，一直以来被认为难以相容。遵循此规律，传统意义上的防护服大多只具备单一功能，导致“救生衣不隔热，消防服不防爆，防爆服无浮力”。近日，大连理工大学一个平均年龄只有22岁的学生团队，历经3年时间，研制出一款海上多功能应急防护服。据了解，该产品可以实现多场景下的功能整合，浮水、抗火、防冲击的各项指标均已通过相关检测证明，综合性能超过市面上同类产品，提升了复杂场景下人员的生还率，使得水火问题“一步解决”。“我们特别激动，让‘吉光神马’的灵感从书上走进现实生活。”团队成员、大连理工大学博士研究生丁悦说。汉末魏晋间有一本志怪小说集，名为《海内十洲记》。其讲述了汉武帝听闻八方巨海中有十洲，遂向东方朔询问，东方朔详细描述了十洲所在、物产和神仙的故事。其中，神秘、奇幻的不死之草，九头、人脸的开明兽让人连声惊叹。2021年，丁悦进入大连理工大学攻读博士学位，偶然间阅读了此书，被书中描述的神奇动物——吉光神马吸引。吉光神马是西域进贡给汉武帝的一种马，据传它的皮毛具有非凡的特性，用吉光神马身上的皮毛制成的裘衣，放入水中数日不会沉没，落入火中也烧不焦。丁悦是做材料相关研究的，对这种“反常”的材料一下子就产生了兴趣。虽然“吉光神马”是神话传说，但在丁悦心里埋下了好奇的种子。丁悦发现，在日常生活中，人们免不了遇到起火、落水等危险情况。传统救生衣常因为部分被烧毁而失去浮力功能或导致有效净浮力减小，难以为落水人员提供充足的浮力；消防服的材质大多具有较高的吸水率，落水后的逃生难度大大增加；传统防爆服则整体重量较大，穿着不方便，行动受制。“如果世界上真的有‘吉光神马’的皮毛就好了。”丁悦暗自感叹。当他向几位同门师弟提出自己的想法时，本以为是天马行空的想象却得到了大家的一致认可。“因为我们都觉得科研的魅力就在于不断创新，不断把想象变为现实，所以我们想试试看。”就这样，丁悦和大连理工大学硕士研究生丁宇、张绍龙等人成立了“吉光小分队”，共同打造浮水、抗火、防冲击的“三合一”防护服。“有了想法后，我们先分析了现有防护服的材质。”丁宇介绍道，“防护服中最主要的就是固体浮力材料，此前救生衣的浮力材料主要由聚乙烯泡沫组成，能够在水面漂浮但是难以抵抗火焰的侵袭，并且部分浮力材料重量大，会影响穿着者的活动能力，所以我们想从浮力材料入手。”于是，丁悦、丁宇等人找到导师——大连理工大学教授翟钢军、马哲，阐述了自己的想法。翟钢军、马哲带领的科研团队主要从事海洋新能源等问题研究，以及海洋固体浮性材料等创新应用。当听到学生们的设想后，翟钢军当即想到可以利用“蛟龙号”载人潜水器的外壳材料——环氧树脂。据介绍，环氧树脂是一种高分子聚合物，具有很强的内聚力，分子结构紧密，所以具有极好的耐热性能和极高的抗冲击性，并且防水、耐腐蚀、耐磨损。“蛟龙号”就是因采用环氧树脂和空心玻璃微珠复合而成的固体浮力材料，才得以在深海“遨游”。但是，传统的环氧树脂质感坚硬，如果穿戴在人身上会导致行动不便，舒适度也大打折扣。“作为人体防护服，不需要有‘蛟龙号’这么高的防护要求，但是需要兼顾舒适性。所以我们就想到将里面的晶体替换成聚氨酯的原料——高生物基双酚化合物，使其在保留一定刚性的同时，内部更加柔软，能够贴合人，达到‘外刚内柔’的效果。”丁宇告诉《中国科学报》。新的问题随之出现——替换材料后的防护衣在阻燃、隔热方面达不到市场要求。为此，翟钢军建议同学们可以去请教中国工程院院士蹇锡高。蹇锡高是我国有机高分子材料专家，长期从事有机高分子材料创新与产业化研究。丁悦等人立马拿着设计方案直奔蹇院士的办公室，刚说完想法和进展，就得到了蹇院士的认可。丁悦回忆道：“蹇院士给我们的问题提供了一个解决方案——可以采用去氢增氮技术，即把氢元素替换成氮元素，能够有效提升隔热效果。”有了院士专家的指导，几个“初生牛犊不怕虎”的学生开始进一步优化设计防护衣的材料，并最终研发合成了新型颗粒增强型固体浮力材料。该材料采用最新的树脂共混增韧技术、高生物基双酚化合物以及电沉积法镀层手段，具有纳米级微珠表面镀层，一个个仅有50微米的小球组合在一起，从表面上看与面粉的颗粒度大小相近，却具备优异的隔热、阻燃性能，相较于传统材料，具有更高的强度和更低的密度。同时，肌群仿生衣体结构设计解决了硬质衣体可能影响人活动的问题，使穿戴更为舒适，保证了避险服的功能和实用性。2023年6月，丁悦等几名年轻的学生带着他们的“吉光”防护服来到实验场馆，进行第一次实地下水实验。测试人员穿上防护服下水，进行漂浮性实验，随后又拿起火焰喷枪对防护服外部进行灼烧。实地实验结果显示，这种防护服穿上“沉不了”也“烧不焦”，可以应用到日常工作中。在测试过程中，大连理工大学的学生团队也了解到更多的实际需求。在二代防护服的基础上，他们将颜色调整为更加醒目的橙色，并添加了反光条，在紧急情况下能够更快发现受困人员，助其及时脱险。近日，这款由学生团队研制的海上多功能应急防护服正式发布。2022年到2024年的3年间，“吉光”防护服升级到了第三代，功能和性能都大幅提升，浮水、抗火、防冲击的各项指标均已通过中国合格评定国家认可委员会授权机构检测证明，并且申请了国家专利。“市面上大多防护服在300摄氏度的环境下可以持续工作8分钟，而我们的防护服则在400摄氏度的环境下可以持续工作10分钟，水下人体防失温时长也由15分钟延长至30分钟。”丁宇介绍。目前，“吉光”防护服除了应用于一些特殊需求任务，也有望应用于港口码头、海上平台等日常生活场景。大连理工大学与上海电气集团公司、中交第四航务工程勘察设计院等单位达成了合作协议，将持续优化相关性能，未来有望实现量产，真正投入日常使用。“未来，我们还会设计防护头盔、裤子等，适用于更广泛的应用场景。”丁悦说，“这次经历让我坚定了做感兴趣的科研的决心。我将继续从事材料研究，期待未来能够研发出更多具有实际应用价值的创新产品。”《中国科学报》 (2024-11-13 第3版 领域)![]()
