王健

　　大纖維是基于材料、信息、機電、生物、能源等學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)突破與交叉融合，以“智能，超能，綠色”為特征，具有多功能、多結構、多組分特性，對眾多產(chǎn)業(yè)集群起到高滲透性、顛覆性、革命性提升效果的新一代纖維（見(jiàn)《大纖維產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展白皮書(shū)》，2018年9月）。

　　目前，一個(gè)以先進(jìn)纖維材料為基礎，具備多組分、多結構和多功能特點(diǎn)，能夠感知、計算、儲能、通信、執行的新型智能纖維家族已經(jīng)開(kāi)始出現并走向市場(chǎng)，復旦、浙大、東華等高校和研究機構均有類(lèi)似技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)，甚至有人已經(jīng)注冊公司進(jìn)行小規模制造。比如，中科院蘇州納米所李清文團隊正在研發(fā)基于碳納米管的高性能納米纖維，致力于使用新的具備超級性能的纖維品種取代被日本壟斷的碳纖維。另外，香港理工大學(xué)陶肖明團隊正開(kāi)發(fā)基于纖維的智能可穿戴技術(shù)，致力于通過(guò)纖維解決發(fā)電、傳感和通信問(wèn)題，下一代可穿戴設備將在高性能織物里面集成這些功能，從而實(shí)現從外掛到內嵌再到內生的跨越。

　　大纖維：

　　跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉融合特性

　　大纖維具有與生俱來(lái)的跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉特性。其理論基礎和技術(shù)路線(xiàn)也呈現百花齊放的勃勃生機。如在結構優(yōu)化理論指導下，發(fā)展基于光纖的多材料、多結構的多功能智能纖維；在納米理論指導下，發(fā)展基于碳納米管、石墨烯的高功能纖維；在高分子設計理論指導下，從分子結構上開(kāi)發(fā)超高性能纖維；在合成生物學(xué)理論指導下，通過(guò)轉基因技術(shù)創(chuàng )造高性能生物纖維等。

　　跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的交叉融合將誕生許多完全嶄新的纖維品種，其中有相當大比例的纖維品種有著(zhù)巨大的商業(yè)價(jià)值，給下游許多產(chǎn)業(yè)帶來(lái)深刻的影響，并從根本上改變這些產(chǎn)業(yè)的生態(tài)，從而誕生一個(gè)龐大的新興產(chǎn)業(yè)集群。我們把大纖維相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品和圍繞下游豐富應用所形成的新產(chǎn)業(yè)集群叫作大纖維產(chǎn)業(yè)。

　　近年來(lái)，大纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭初現，跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的新型智能纖維家族正在不斷“增員”中。MIT（美國麻省理工學(xué)院）陳剛教授開(kāi)發(fā)的高導熱率纖維顛覆了傳統高分子材料絕熱理論，通過(guò)拉伸重構，使纖維中聚合物鏈有序排列，獲得了具有“理想”單晶結構和高導熱率的纖維；斯坦福大學(xué)的教授從功能需求出發(fā)，基于物理原理研發(fā)出由硅納米線(xiàn)電池負極、納米高分子纖維制作的PM2.5過(guò)濾膜和納米多孔聚乙烯布料；長(cháng)勝紡織科技發(fā)展（上海）有限公司釆用冷轉印技術(shù)精確定量以印代染，顛覆了幾千年來(lái)大量使用稀釋染液的印染工藝，實(shí)現基本無(wú)水耗、無(wú)排放印染，而且可直接在織物上印染高精密功能線(xiàn)條和圖案，成為發(fā)展智能化電子織物產(chǎn)業(yè)化的平臺級技術(shù)。

　　同時(shí)，大纖維技術(shù)突破了原有技術(shù)的制造瓶頸。幾十年來(lái)，蜘蛛絲用傳統化學(xué)合成理論和方法一直無(wú)法制造出來(lái)。如今，應用生物合成理論，通過(guò)蜘蛛基因調控家蠶和細菌的蛋白質(zhì)分子，高性能的蜘蛛絲已經(jīng)實(shí)現量產(chǎn)。這被認為是自尼龍問(wèn)世以來(lái)最重要的紡織材料進(jìn)步。

　　相比鋼材、塑料等傳統材料，大纖維在柔韌性、輕量化、多功能、高性能、綠色化和智能化等方面有明顯的差異化優(yōu)勢。在汽車(chē)和飛機制造等高性能鋼材的傳統優(yōu)勢應用領(lǐng)域，為達到更高的柔韌性、輕量化和高能效，纖維復合材料所占比例已越來(lái)越高。2018年底，有媒體報道了一個(gè)智能碳纖維汽車(chē)車(chē)身的實(shí)例，既實(shí)現車(chē)身輕量化，又能根據風(fēng)阻變形。碳纖維車(chē)身用3D技術(shù)（完全省掉了裁剪、沖壓、焊接等金屬加工工序）復合制成，并在織物中混合了具有太陽(yáng)能發(fā)電功能的纖維，可取代部分電池，多功能碳纖維的采用使整車(chē)性?xún)r(jià)比大大提高。這是很典型的大纖維部分取代傳統材料的應用案例。

　　實(shí)際上，歷次工業(yè)革命都離不開(kāi)對人和人造系統關(guān)系的重新定義，圍繞“以人為本”展開(kāi)。眾所周知，人體70%以上的組織由纖維構成。擁有生物相容性的綠色纖維疊加了智能和多功能要素之后，所形成的新一代智能可穿戴系統或人體植入式系統，可以以最安全、最輕便、最有效的方式采集人體數據、監測人體健康、施加有效影響并幫助人提升健康和運動(dòng)水平?；谒杉臄祿纬傻摹皵底秩恕?，將成為人工智能社會(huì )里最重要的資產(chǎn)之一。只有到了這個(gè)階段，社會(huì )數字化才真正實(shí)現，而大纖維將成為人體世界、實(shí)體物理世界和虛擬信息世界之間最佳的橋梁。

　　編材制造：

　　從原子到超系統的多層次創(chuàng )新制造技術(shù)

　　美國物理學(xué)家費曼提出過(guò)一個(gè)著(zhù)名的問(wèn)題：“假如原子能夠按照我們設想的方式來(lái)排列，那么材料將有怎樣的性質(zhì)？”這個(gè)問(wèn)題啟示高分子科學(xué)家們要走出傳統高分子的范疇，將可控的分子不均一性及其相關(guān)的精確結構引入合成高分子，拓展合成高分子的基本結構，實(shí)現更為精密的功能化。在美國工程院程正迪院士等人撰寫(xiě)的《巨型分子：化學(xué)、物理學(xué)和生物科學(xué)的交匯》一文中提出“From structure to function（從結構到功能）”的觀(guān)點(diǎn)，提示我們要從結構思考發(fā)展到關(guān)于功能性的考量。比如，紗布過(guò)去只是用于包扎傷口，但用大纖維來(lái)開(kāi)發(fā)的智能紗布除了包扎傷口之外還有消炎、治療功能，并可與遠程醫療系統連接，在線(xiàn)監測病人情況。

　　上述兩位科學(xué)家的思想啟示我們，在物理層次上，關(guān)于大纖維的討論絕不應僅僅著(zhù)眼于纖維和織物這樣的中觀(guān)層面，還應該向微觀(guān)進(jìn)發(fā)，下探到分子和原子的基本層次，同時(shí)向宏觀(guān)擴展，上升到器件和系統、甚至超系統（系統之系統）的層次。因此，大纖維的物理層次包括7層，分別是：原子—分子（鏈）—纖維—織物—器件—系統—超系統。

　　過(guò)去，我們較多從纖維的結構特點(diǎn)和彼此之間的聯(lián)結關(guān)系出發(fā)指向具體功能?，F在，我們則從需求出發(fā)，確定功能性，再來(lái)設計纖維結構，必要時(shí)可以多組分、多結構融合獲取所需要的功能。

　　大纖維兼具材料技術(shù)革命與制造技術(shù)革命的雙重意義。其充分利用現有的紡織和其他先進(jìn)制造技術(shù)，并不斷發(fā)展出新的制造技術(shù)，在從原子到超系統的各個(gè)層面進(jìn)行制造活動(dòng)。如在原子和分子層面的基因編輯技術(shù)或生物合成技術(shù)，雜化和各類(lèi)聚合物分子合成技術(shù)（纖維和基質(zhì)用聚合物、碳纖維前體、陶瓷纖維、纖維素和生物高聚物等）；在纖維和紗線(xiàn)層面，有濕式或干式紡技術(shù)、熔融紡技術(shù)、雙組分紡技術(shù)、非織造技術(shù)、短纖維技術(shù)和精密卷繞技術(shù)等；在織物和結構層面，有間隔技術(shù)、編織、編帶、機織、針織、編織連接、組織工程、膜技術(shù)、編織擠拉、結構卷繞技術(shù)等；在功能化和器件層面，有溶膠-凝膠技術(shù)、染整技術(shù)、數字印刷技術(shù)、納米技術(shù)、物理和化學(xué)方法、涂層、電子元件集成、傳感和執行特性的開(kāi)發(fā)等；在智能系統和超系統層面，有建模仿真、虛擬化、自動(dòng)化與機器人、3D打?。ㄔ霾闹圃欤?、數字化、智能化、綠色和可持續制造技術(shù)等。

　　此外，大纖維對沿襲了幾千年的紡織及其制造工藝具有顛覆性意義，如多材料智能纖維可用紡紗手段制造，多功能織物可用織造和印刷手段制造，高性能織物可以用復合和混合手段制造。

　　大纖維所對應的制造工藝技術(shù)體系，容納了紡織工程常見(jiàn)的等材制造方法、常規材料加工所用的減材制造方法、以3D打印和機器人為代表的增材制造或數字建造方法。另外，還有許多非常規的創(chuàng )新的制造工藝和方法有待我們進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)。

　　可以說(shuō)，基于大纖維的從原子到超系統的新制造技術(shù)體系極大地豐富了制造手段，有望成為繼以機床為代表的減材制造和以3D打印為代表的增材制造之后的，又一類(lèi)有著(zhù)重要意義和極高價(jià)值的制造模式。大纖維產(chǎn)業(yè)工作組的專(zhuān)家們首次創(chuàng )新地稱(chēng)之為“編材制造”。 這個(gè)“編”字，既反映了傳統意義上的纖維和紗線(xiàn)層面上的紡制和編織，又反映了在分子甚至原子層面的編輯和剪裁；既反映了在織物和器件層面上的集成和結構化，又反映了在系統和超系統層面上的多維數字化編程，賦予對象自動(dòng)化和智能化的屬性。

　　與大纖維相關(guān)的以編材制造命名的新制造技術(shù)體系，不僅涵蓋了常規的等材制造、減材制造和新興的數字化增材制造技術(shù)，而且包含了大量創(chuàng )新的尖端的制造工藝和技術(shù)。所謂“一代材料、一代工藝、一代裝備”，對編材制造工藝技術(shù)的研究和掌握，以及相應研發(fā)、制造、測試和驗證裝備的開(kāi)發(fā)，是大纖維最終走向產(chǎn)業(yè)應用的必由之路，同時(shí)也是一片新的制造業(yè)“藍?！?。

　?。ㄗ髡呦抵袊萍甲詣?dòng)化聯(lián)盟秘書(shū)長(cháng)、大纖維產(chǎn)業(yè)工作組組長(cháng)）

　　《中國冶金報》（2019年08月07日 03版三版）