从月球背面飘扬的五星红旗到火星探测器降落伞的极限防护，从碳纤维制成的国产大飞机到植入人体监测心跳的智能织物，纤维材料正以颠覆性技术突破，重塑人类探索宇宙、守护健康、驱动能源革命的边界。当前我国纤维产业历经四次革命，从天然纤维到合成纤维，从功能化到智能化，如今已占据全球70%的产能，并在高性能纤维领域实现关键突破。

然而，月壤纤维如何支撑月球基地的“原位制造”？碳纤维的国产化之路面临哪些核心挑战？智能纤维能否打破生命与非生命的界限？深空探测对材料性能提出了哪些极端要求？对此，【生物基能源与材料】整理朱美芳院士六大主题的重要内容，与行业共享：

一、仿月壤纤维制备成果

2024年6月，嫦娥六号着陆器在月球背面展开的五星红旗，标志着纤维材料的重大突破。这面旗帜并非普通布料，而是以玄武岩矿石为原料，经粉碎、熔融后拉制成直径仅为头发丝1/3的仿月壤纤维编织而成。玄武岩纤维耐极端温度（-183℃至130℃），抗腐蚀性能卓越，且与月球土壤成分高度相似——月壤中二氧化硅含量约50%，略低于地球玄武岩的60%，但氧化铁、氧化镁等成分相近。这一发现为“原位制造”月球基地建材提供了可能。

朱美芳院士团队的月壤纤维

朱美芳院士团队通过自制设备模拟月面真空与微重力环境，成功将嫦娥五号取回的月壤粉末熔融拉丝，制得直径20-50微米、拉伸强度1GPa的纤维。她提到：“未来月壤纤维可直接用于编织柔性建材或增强月壤砖，大幅降低太空运输成本（现每公斤材料运输需6-15万元）。团队正在与相关部门联合攻关，目标是让月球基地从‘中国设想’变为‘中国方案’。”

二、变化无穷的纤维

纤维的本质是“一维材料”，其核心在于微观化学键的调控。朱美芳院士以面条加工类比纤维制备：“兰州拉面越拉越细，纤维则是通过螺杆挤出机将材料加热、推挤，经喷丝板微孔（0.1-0.5毫米）成形。温度、冷却速度等参数变化会引发肉眼不可见的分子结构改变，最终决定纤维性能。”

纤维加工过程之结构演变

纤维形态千变万化，如“皮芯结构”可包裹液体或功能材料，“并列型”实现双色效果，“海岛型”通过溶解“海”成分获得纳米级纤维。她特别提到十字型导汗纤维的应用：“运动员服装内层用聚丙烯纤维快速导汗，外层用吸汗材料，通过结构设计解决舒适性问题。纤维的形态创新，本质是对自然规律的深度模仿——板栗表面分形、珍珠层状结构，都是材料科学的灵感来源。”

三、纤维医用，可诊治疾病

从古埃及亚麻绷带到现代纳米级医用纤维，纤维材料在不断革新。朱美芳院士团队开发的水凝胶纤维含70%水分，与人体组织相容性极佳，植入小鼠大脑后可监测光遗传信号且无细胞毒性。“这根纤维能成为身体的一部分，”她强调，“未来人工韧带、神经导管、血管支架都可能由纤维材料修复。”

创制多通道含水纤维一体化纺丝成形新方法

另一项突破是压电织物：由50%棉与50%特氟龙复合而成，可实时监测心脏声波并转化为电信号。“传统听诊器将被淘汰，一件衬衫就能捕捉心跳。实验中，纯棉与高性能纤维复合的传感效率相差两个数量级。”此外，团队正探索纤维在器官修复中的应用，如模拟皮肤胶原网状结构的多孔纤维，或用于肌腱修复的高弹性材料。

杂化的压电材料制备，至少含有6种不同材料

朱美芳院士补充：近几年东华大学严威教授提出，做出织物模拟耳朵的结构，把声音的压力转换成机械震动，再转变成电信号传输出来，这种材料统称为杂化的压-电材料，目前已经可以做到连续化、工程化的生产。

织物听诊器

从3500年前，体外手术伤口缝线用的棉纤维、马的鬃丝、麻纤维、到1935年尼龙发明、到PET缝合线，再到现在的杂化纤维，可以说纤维技术和生物应用密不可分，比如人的很多器官（敷料、人工韧带、神经导管、血管支架、人工血管）等都可以通过纤维来进行修复，团队也承担国家多个重点研发计划项目，并正在走向产业化。

四、我国碳纤维产能及应用如何

碳纤维（含碳量>90%）作为“国之重器”，强度是钢的10倍，重量仅1/4。朱美芳院士指出：“我国碳纤维产能占全球50%，C919使用12%碳纤维复合材料，C929将提升至52%。

碳纤维成型特征与原子结构转变

但产能不等于高端化——聚丙烯腈基碳纤维需经预氧化（200-300℃）、碳化（1000-2000℃）、石墨化（3000℃）三步，分子从SP3杂化转为SP2，每一步都是技术壁垒。”在新能源领域，碳纤维是氢能商业化关键：储氢瓶成本占燃料电池汽车的1/4，而氢能源车用一大掣肘就是碳纤维的成本，而风电叶片长度突破100米后，玻璃纤维因重量过大（75吨）已被碳纤维替代。她还提到低空经济：“每架通航飞机需30-50公斤碳纤维，新增市场规模达4000亿元。从火箭发动机到防弹衣，碳纤维守护着国家战略安全。”

五、深空探测离不开纤维材料

深空探测对纤维性能提出极端要求：火星降落伞需耐受40秒至2分钟的1%地球大气压环境，并在真空环境中储存十数月不老化。朱美芳院士团队研发的白色高模聚酰亚胺纤维和PIPD纤维，强度达4.5GPa，抗撕裂性能卓越。“1,200平米的降落伞展开时，人在其下渺小如蚁，但纤维的每一根丝都关乎任务成败。”在近地轨道，团队开发的空间防护织物可监测宇宙尘埃和原子氧侵蚀，经18个月太空实验后性能未衰变。“未来空间站将安装‘纤维耳朵’，实时捕捉太空碎片撞击声，为航天器安全护航。”

智能纤维与织物太空应用

六、智能纤维编织未来

第四次工业革命下，纤维正向智能化跃迁。朱美芳院士描绘了人形机器人愿景：“通过半导体纤维、能源纤维与传感纤维组合，模拟人体神经、肌肉与皮肤功能。现有机器人刚性过强，而智能纤维能赋予其柔性——比如压电纤维感知压力，导电纤维传输信号。”她对比国际竞争格局：“日本计划在高性能纤维继续发力，未来将碳纤维强度提升10倍，美国主攻革命性纤维，欧盟提出发展光电、储能石墨烯纤维。而中国聚焦结构功能一体化，提出从小fiber到大FIBER。

中国FIBER：智能纤维+算法+交互

未来纤维将自感知、自适应，甚至与人工智能交互。当一根纤维能变色、变形、供能时，科幻电影中的‘液态金属机器人’或许不再遥远。”

智能柔性的人形机器人

最后，朱美芳院士总结，现在我们在纤维的高性能、多功能、生物基三大特点均处于世界上第一方阵，部分领域做到世界最好，也希望通过更多工业界、学术界、社会各界来关注纤维材料在各行各业的应用。

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