火焰复合面料与多层结构设计提升抗热辐射性能 概述 随着现代工业、消防救援、航空航天及高温作业环境的不断发展，对个体防护装备的热防护性能提出了更高的要求。其中，抗热辐射性能作为衡量防护材料关...
火焰复合面料与多层结构设计提升抗热辐射性能
概述
随着现代工业、消防救援、航空航天及高温作业环境的不断发展，对个体防护装备的热防护性能提出了更高的要求。其中，抗热辐射性能作为衡量防护材料关键指标之一，直接影响人员在极端高温环境下的生存能力与安全水平。近年来，火焰复合面料（Flame-Resistant Composite Fabric）结合多层结构设计（Multi-layer Structural Design）已成为提升材料抗热辐射性能的重要技术路径。通过合理选材、优化结构与界面协同效应，显著提升了材料在面对高强度热辐射时的隔热性、稳定性与耐久性。
本文系统阐述火焰复合面料的基本构成、多层结构设计原理及其在抗热辐射性能提升中的作用机制，并结合国内外权威研究成果，分析典型产品参数与实际应用案例，为高性能热防护材料的研发提供理论支持与实践参考。
一、火焰复合面料的基本概念与组成
1.1 定义
火焰复合面料是指由两种或两种以上具有阻燃性能的纤维材料通过物理或化学方式复合而成的功能性纺织品。其核心特性包括：优异的阻燃性、低热传导率、高热稳定性以及良好的机械强度。这类面料广泛应用于消防服、电弧防护服、冶金作业服及航天舱外服等领域。
1.2 主要成分与材料选择
根据功能需求，火焰复合面料通常由以下几类材料构成：
| 材料类型 | 典型代表 | 特性描述 |
|---|---|---|
| 芳纶纤维（Aramid） | Kevlar®（美国杜邦）、Nomex®（杜邦）、Twaron®（荷兰帝人） | 高强度、高模量、优异热稳定性，分解温度可达500℃以上 |
| 聚苯并咪唑纤维（PBI） | PBI Gold®（美国PBI Industries） | 极佳的热稳定性和阻燃性，极限氧指数（LOI）>40%，不熔滴 |
| 聚酰亚胺纤维（PI） | 国产PI纤维（如长春高琦）、Kaneka PI | 耐温高达400℃，低烟无毒，适用于高辐射环境 |
| 阻燃粘胶纤维（FR-Viscose） | Lenzing FR®（奥地利兰精集团） | 成本较低，吸湿透气性好，LOI约30% |
| 碳纤维/石墨烯增强层 | PAN基碳纤维、氧化石墨烯涂层 | 高导热方向控制、反射热辐射、增强结构稳定性 |
复合过程中常采用针刺、热压、层压、涂层等工艺实现不同材料间的紧密结合，形成协同防护体系。
二、多层结构设计原理与功能分区
2.1 多层结构的基本构型
典型的高性能热防护服装采用“三明治”式多层结构，一般分为三层：外层（Outer Shell）、防水透湿层（Moisture Barrier） 和 隔热内衬层（Thermal Liner）。部分高端产品还增设反射层或气凝胶夹层以进一步提升抗热辐射能力。
表1：标准多层热防护结构功能划分
| 结构层级 | 功能定位 | 常用材料 | 抗热辐射贡献机制 |
|---|---|---|---|
| 外层（Outer Shell） | 抵御火焰接触、磨损、紫外线 | Nomex® IIIA、PBI/Kevlar混纺、PI织物 | 反射部分红外辐射，延缓热量传递 |
| 防水透湿层（Moisture Barrier） | 阻隔液体渗透，允许水蒸气通过 | ePTFE薄膜（如Gore-Tex®）、PU涂层 | 减少蒸汽烫伤风险，维持微气候平衡 |
| 隔热内衬层（Thermal Liner） | 主要隔热屏障，吸收并耗散热量 | 阻燃棉、芳砜纶、气凝胶毡、玻璃纤维非织造布 | 降低热传导速率，延长热穿透时间 |
| （可选）反射层 | 增强热辐射反射能力 | 铝化聚酯薄膜、镀铝陶瓷涂层 | 反射80%以上入射热辐射能 |
| （可选）空气间隙层 | 利用静止空气隔热 | 微孔结构、蓬松纤维网 | 提高整体热阻值（Rct） |
该结构设计遵循“逐级衰减、多重拦截”的热防护理念，确保在短时间内将外部高温环境的影响降至低。
2.2 层间协同效应分析
多层结构并非简单叠加，而是通过各层之间的协同作用实现性能跃升。例如：
- 外层反射 + 内层吸收：外层材料对短波红外辐射具有较高反射率（可达70–85%），而内层则利用高比热容材料吸收残余热量；
- 空气间隙优化：研究表明，当层间空气间隙控制在6–8 mm时，热阻达到峰值（ISO 17492:2003）；
- 相变材料引入：部分先进设计在中间层嵌入微胶囊化石蜡类相变材料（PCM），可在特定温度区间吸收大量潜热，延缓皮肤升温速度（Zhang et al., 2020, Textile Research Journal）。
三、抗热辐射性能评价方法与测试标准
3.1 关键性能指标
抗热辐射性能主要通过以下参数进行量化评估：
| 参数名称 | 定义 | 测试标准 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 热辐射通量阈值 | 引起皮肤二级烧伤所需小热流密度 | ASTM F2702 / NFPA 1971 | kW/m² |
| 热防护性能值（TPP） | 材料在规定热源下阻止热量穿透的时间积分 | ASTM F2702 | cal/cm² |
| 辐射反射率（Reflectivity） | 表面对特定波长热辐射的反射比例 | ASTM E423 / ISO 9288 | % |
| 热传导系数（λ） | 单位厚度材料在单位温差下的导热能力 | ISO 9073-18 | W/(m·K) |
| 热穿透时间（Breakthrough Time） | 从受热开始至内表面温度上升24℃所用时间 | NFPA 1971 | s |
其中，TPP值是广泛应用的综合指标。根据NFPA 1971标准，消防服材料TPP值不得低于35 cal/cm²，高等级防护服可达50 cal/cm²以上。
3.2 实验模拟与数值建模
除实验测试外，计算机仿真也成为研究多层结构抗热辐射行为的重要手段。有限元模型（FEM）可模拟不同材料组合在瞬态热辐射条件下的温度场分布。例如，Li和Chen（2019）基于ANSYS建立了五层防护服模型，结果显示：加入镀铝反射层后，皮肤侧温度上升延迟达45秒，TPP值提升约38%（International Journal of Thermal Sciences）。
四、典型产品参数对比分析
以下选取国内外具有代表性的火焰复合面料及其多层结构系统进行参数比较：
表2：主流火焰复合面料产品性能对比（数据来源：厂商公开资料及第三方检测报告）
| 产品名称 | 生产商 | 组成结构 | 面密度 (g/m²) | LOI (%) | TPP值 (cal/cm²) | 大使用温度 | 反射层配置 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Nomex® IIIA 针织复合布 | 美国杜邦 | 93% Nomex®, 5% Kevlar®, 2% 导电纤维 | 210 | 28–30 | 36–40 | 260℃ | 否 |
| PBI Matrix™ Pro | PBI Industries（美国） | 40% PBI, 60% Para-aramid | 235 | >40 | 48–52 | 300℃ | 可选镀铝膜 |
| 长春高琦 PI/芳纶混编布 | 长春高琦聚酰亚胺有限公司（中国） | PI纤维/芳纶3080混纺（7:3） | 250 | 38 | 45 | 400℃ | 是（内置铝箔） |
| Dräger FireXtreme® 多层系统 | 德国德尔格 | 外层：PI织物；中层：ePTFE；内层：气凝胶+阻燃棉 | 820（总重） | — | 55–60 | 1000℃（瞬时） | 是 |
| Honeywell ThermaCool™ XLR | 霍尼韦尔（美国） | 外层：Meta-aramid；中层：PCM微胶囊层；内层：FR粘胶 | 760 | — | 50 | 280℃ | 否（但具相变吸热） |
| 中材科技 ZMT-FR 多层复合毡 | 中材科技股份有限公司（中国） | 玻璃纤维针刺毡 + SiO₂气凝胶 + 镀铝PET膜 | 680 | — | 62 | 650℃ | 是 |
从上表可见，国产材料在耐温性能方面已接近甚至超越国际先进水平，但在系统集成度、轻量化与舒适性方面仍有提升空间。特别是气凝胶-纤维复合技术的应用，使隔热性能实现突破性进展。例如，中材科技开发的SiO₂气凝胶复合毡导热系数低至0.018 W/(m·K)，远优于传统玻璃纤维棉（0.035 W/(m·K)）。
五、国内外研究进展与技术创新
5.1 国外研究动态
美国国家标准与技术研究院（NIST）长期致力于消防员热防护系统的研究。其发布的《Fire Fighter Thermal Exposure Report》指出，传统防护服在外露火焰环境下仅能提供15–20秒的有效保护时间，亟需新材料与新结构突破。为此，MIT与杜邦合作开发了“智能响应型多层系统”，在外层集成温度敏感变色涂层，可在接近危险温度时发出视觉预警（Deng et al., 2021, Advanced Functional Materials）。
欧洲方面，德国弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer IGB）提出“梯度功能材料”（Functionally Graded Materials, FGM）概念，即沿厚度方向连续调整材料组分，使外层侧重反射与抗氧化，内层侧重隔热与柔韧性。实验证明，FGM结构比传统均质层合材料TPP值提高22%。
日本东丽公司则聚焦于纳米改性技术，通过在芳纶纤维表面沉积TiO₂/SiO₂双层纳米涂层，使其在紫外-近红外波段反射率提升至80%以上，同时保持良好透气性（Tanaka et al., 2018, Journal of Applied Polymer Science）。
5.2 国内研究突破
我国在“十三五”期间将高性能纤维列为重点发展方向。东华大学俞建勇院士团队研发出“全芳族液晶聚合物/碳纳米管复合纱线”，兼具高强度与高辐射反射能力，在1000℃火焰直喷下维持结构完整超过120秒（Yu et al., 2022, Composites Part B: Engineering）。
天津工业大学研制的“仿生蜂窝多层结构”灵感来源于北极熊毛发中的空腔阵列，采用静电纺丝制备含封闭气室的纳米纤维膜，显著降低有效热导率。经测试，该结构在相同面密度下比传统非织造隔热层TPP值高出30%（Wang et al., 2021, Nano Energy）。
此外，中国科学院苏州纳米所开发出“柔性超薄镀铝石墨烯薄膜”，厚度仅15 μm，却可反射92%的太阳光谱范围热辐射，且弯折10,000次后性能不变，极具应用于轻质防护装备的潜力。
六、应用场景与实际效能验证
6.1 消防领域
在城市火灾扑救中，消防员常面临平均热辐射强度为10–15 kW/m²的环境。采用Dräger FireXtreme®系统的德国慕尼黑消防队实测数据显示：在12 kW/m²辐射强度下，传统两层面料系统内表面温度在48秒内升至43℃，而新型四层复合结构延至112秒，有效逃生时间翻倍。
6.2 工业高温作业
宝武钢铁集团在转炉车间试用长春高琦PI复合面料工作服后，员工热应激指数（HSI）下降37%，中暑事件减少65%。该面料在炼钢平台（辐射强度约8–10 kW/m²）下可持续作业2小时以上而不触发内部警报。
6.3 航天与军事应用
中国神舟飞船舱外航天服采用五层复合结构，其中包含镀铝聚酯薄膜与多孔二氧化硅气凝胶层，在太空强太阳辐射（约1.36 kW/m²）条件下，仍能将宇航服内部温差控制在±2℃以内，保障长时间出舱活动安全。
七、未来发展趋势
7.1 智能化集成
下一代火焰复合面料正朝着“感知—响应—调控”一体化方向发展。嵌入式微型传感器可实时监测内外温差、湿度与应力变化，并通过无线传输反馈至指挥中心。部分原型已实现自动启动冷却装置或改变表面发射率以适应环境变化。
7.2 可持续材料替代
环保压力推动生物基阻燃材料研发。英国利兹大学开发出基于壳聚糖-磷酸盐体系的天然阻燃涂层，可在棉织物上形成耐洗性炭层，LOI达32%，有望替代部分石化基材料。
7.3 超结构材料探索
借鉴光子晶体与超材料设计理念，科研人员正在尝试构建具有“负热膨胀系数”或“热流导向”特性的新型织物结构。例如，哈佛大学Wyss研究所提出的“热二极管织物”可实现热量单向传导，在冬季保暖与夏季散热间智能切换。
八、挑战与对策
尽管火焰复合面料与多层结构设计取得显著进步，但仍面临若干技术瓶颈：
- 重量与灵活性矛盾：高性能往往伴随高面密度，影响穿戴舒适性与动作敏捷性；
- 湿热管理难题：多层密封结构易导致内部湿气积聚，增加热应激风险；
- 成本高昂：如气凝胶、PI纤维等关键材料价格居高不下，限制大规模推广；
- 老化与耐久性问题：反复洗涤、折叠易造成层间剥离或涂层脱落。
针对上述问题，业界正采取如下对策：
- 推广三维间隔织物技术，兼顾支撑性与透气性；
- 开发可降解粘合剂与模块化结构，便于更换损坏部件；
- 加强产业链协同，推动国产高性能纤维规模化生产以降低成本。
