【复材资讯】当代三大高性能纤维

  近年来，我国纤维材料产业迅猛发展，化纤产量占世界总产量的70%以上。其中，以碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二唑（PBO）纤维、聚酰亚胺纤维等为代表的高性能纤维产量占比虽然较小，但凭借优异的力学性能、环境稳定性（如耐高温、耐辐照、耐腐蚀等）等，在航空航天、国防军工、安全防护、交通工具、电子器件、体育休闲、环境能源、土木工程、医疗器材、海洋水产、绳缆系泊等领域得到普遍应用，慢慢的变成了支撑国家安全、科学技术进步等重要的战略材料。碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维性能突出，应用广泛，为人熟知，被称为当代三大高性能纤维。

  碳纤维是由聚丙烯腈、粘胶或沥青基等有机纤维原丝经过预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化等一系列物理化学变化得到的含碳量大于93%的纤维材料，具有高强度、高模量、热线胀系数低、摩擦系数小、耐腐蚀、抗高温、导电、导热等突出性能。碳纤维自20世纪50年代问世以来，如今已发展成为独立完整的新型工业体系，并被喻为当今世界材料综合性能的顶峰。美国提出21世纪革命性的材料技术共有12项，其中“新一代碳纤维、纳米碳管”位居第四。

  碳纤维在使用的过程中往往与基体材料复合使用，以充分的发挥其优异的性能。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及陶瓷等，目前使用最广泛的是树脂基复合材料。

  碳纤维是军民两用新材料，属技术密集型和国家管控的关键材料，听起来十分神秘和高大上，下面我们大家一起来认识这种能上天入水的神奇纤维。

  人们日常生活中比较容易接触到的碳纤维在体育休闲用品领域。与传统材料体育休闲用品相比，碳纤维复合材料具有质轻、高强、力学性能好、可设计性强等优点。例如，碳纤维复合材料制成的钓鱼竿质量更轻，收竿时消耗能量更少，而且收竿距增加20%左右；渔具的卷轴也能够使用碳纤维复合材料制备，其强度高、耐腐蚀，能延长使用寿命。

  除钓鱼竿以外，在体育休闲用品领域，碳纤维及其复合材料还可应用于高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、弓箭、滑雪板、赛艇桨、登山用品等，将其优点发挥得淋漓尽致。

  随着科学技术的进步，碳纤维及其复合材料被慢慢的变多地应用于航空航天、军工、能源、汽车、电力、建筑等领域。

  碳纤维在航天航空领域的应用较早，最初就为了解决航天航空材料的难题才发明碳纤维。我国从1996年的“神舟一号”到2010年的“天宫二号”，碳纤维复合材料在飞船、卫星、返回舱中大量使用，为我国的航空航天事业立下汗马功劳。

  飞机机身采用碳纤维增强树脂基复合材料替代传统金属材料，能减轻飞机的质量。同时，碳纤维增强树脂基复合材料的制造工艺可以生产很光滑且复杂的几何形状，更轻松地优化飞机的空气动力学性能。此外，飞机在跑道高速滑跑准备起飞又中止起飞，或者飞机在跑道降落滑跑时，因为跑道的长度是有限的，这就需要强有力的刹车盘。这时的刹车盘由于吸收了巨大的能量，温度急剧上升，能达到1000℃左右。碳/碳复合材料制成的刹车盘，具有热膨胀系数小、高温环境下力学性能优异、耐高温烧蚀、耐摩擦等特点，所以飞机刹车盘用材非它莫属。

  碳纤维作为国家战略性材料，现在被大范围的使用在火箭、导弹、军用飞机、个体防护等军工领域。在高温惰性环境下，碳纤维是唯一一种在2000℃以上环境中强度不下降的材料，洲际导弹的鼻锥及发射导弹的火箭发动机的喷管和壳体都使用了碳/碳复合材料。

  此外，军用舟桥应用碳纤维复合材料替代传统金属，可非常大程度上减轻质量，同时提高了运输速度和架装速度。碳纤维复合材料制作的防弹头盔、防弹盔甲等，更安全也更轻便。

  碳纤维复合材料在能源领域也有应用，例如在风力发电机叶片中替代玻璃纤维材料，可以制得尺寸更大的叶片；同时，碳纤维复合材料优异的抗疲劳特性和良好的导电特性，可有效减弱恶劣环境对叶片材料的损害。目前，风力发电领域使用碳纤维复合材料制风机叶片已成为一种趋势。在原油开采中，碳纤维复合材料制抽油杆替代传统钢制抽油杆，不但大大延长了抽油杆的常规使用的寿命，也减轻了工人劳动强度，还提高了产油量，增加了经济效益。

  碳纤维复合材料在交通领域的应用也是方兴未艾。采用碳纤维复合材料是实现车辆轻量化的关键，高铁、地铁等轨道交通和汽车上慢慢的开始使用，而且用量快速增加。车体、构架、车门、保险杠、座椅、侧护板、横梁、减速器、设备件等部件中均可使用，不仅能提高性能，还大大降低了车辆的总质量，以此来降低能耗。

  未来，随着碳纤维及其复合材料的生产和应用技术逐步成熟，生产所带来的成本也会逐渐降低，从而进入慢慢的变多的应用领域，满足社会持续不断的发展的需求。

  关于芳纶流传着一个故事：某仓库突发大火，仓库中的货物几乎完全焚为灰烬。就在这一堆废墟中，人们惊讶地发现，大量芳纶纱线虽然被熏黑，却依然完好无损。这一个故事增添了芳纶的传奇色彩。芳纶最初属于航空航天和军事战略材料而秘不示人，人们日常接触的机会不多，对其了解可能也比较少。那么，芳纶到底是一种什么样的纤维材料呢？

  芳纶是一种高性能的合成纤维，学名为芳香族聚酰胺纤维，于20世纪60年代由美国杜邦公司研发成功并商业化（杜邦公司商品名为Kevlar，常译为凯夫拉）。在碳纤维出现之前，芳纶一直占据着高性能纤维市场。芳纶大致上可以分为间位芳纶（芳纶1313）、对位芳纶（芳纶1414、芳纶II）和杂环芳纶（芳纶III）三大类，其化学结构有相类似的地方，但性能差异较大。其中，间位芳纶有“防火纤维”的美称，对位芳纶有“防弹纤维”的美称，杂环芳纶比前面两种芳纶的性能更优。

  间位芳纶最突出的特点是耐高温，阻燃性和电绝缘性好。其可在220℃高温下经常使用而不老化，电气性能与机械性能的有效性可保持10年之久，而且尺寸稳定性极佳。用间位芳纶制作的特种防护服，遇火时不燃烧、不滴熔、不发烟，具备优秀能力的防火效果，可有很大成效避免烧伤、烫伤等火灾危险造成的伤害，可为人员迅速撤离险境争取宝贵时间。尤其在突遇900～1500℃的高温时，布面会迅速碳化及增厚，形成特有的绝热屏障，保护穿着者逃生。若加入少量抗静电纤维或对位芳纶，还可有很大效果预防布料爆裂，避免雷弧、电弧、静电、烈焰等危害。

  用间位芳纶可制作飞行服、防化作战服、消防战斗服、炉前工作服、电焊工作服、均压服、防辐射工作服、化学防护服、高压屏蔽服等各种特殊防护服装，用于航空、航天、军服、消防、石化、电气、燃气、冶金、赛车等诸多领域。除此之外，在发达国家，芳纶织物还普遍用作宾馆纺织品、救生通道、家用防火装饰品、熨衣板覆面、厨房手套以及保护老人儿童的难燃睡衣等。

  对位芳纶稍晚问世，外观与聚亚酰胺纤维相似，呈金黄色，貌似闪亮的金属丝线。其分子链沿长度方向高度取向，具有极强的链间结合力，从而赋予其高强度、高模量和耐高温特性。对位芳纶强度是优质钢材的5～6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢材的2倍，而质量仅为钢材的1/5。其连续使用温度范围极宽，耐热性更胜间位芳纶一筹，且拥有非常良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期很长。对位芳纶的发现被认为是材料界发展的一个重要里程碑。

  对位芳纶首先被应用于国防军工等尖端领域。为适应现代战争及反恐的需要，许多发达国家军警的防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服以及高强度降落伞、防弹车体、装甲板等均大量采用对位芳纶。除军事领域以外，对位芳纶还被大范围的应用于航天航空、机电、通信、建筑、汽车、海洋水产、体育用品等国民经济各个方面。

  与众多国外巨头企业相比，我国芳纶发展起步较晚，而且多数国家把芳纶作为战略物资在技术等方面做严格管制，以致我国芳纶产业的发展经过了漫长的技术突破期。由于技术、资源等原因，直到21世纪初，我们国家生产的间位芳纶才达到世界水平，而对位芳纶的性能与美国等国家还有差距。至于杂环芳纶，到2003年我国才开发成功。

  杂环芳纶的力学性能和与树脂的复合性能都比间位芳纶和对位芳纶高；同时拥有非常良好的耐热性和尺寸稳定性，使用温度可达300℃，在350～400℃几乎不会发生收缩；其阻燃性能优异，极限氧指数可达39%～42%，比对位芳纶约高10%。

  由于杂环芳纶具有多种独特的优异性能，近年来国内外对杂环芳纶及其复合材料进行了广泛的研究，杂环芳纶制备与应用技术的难题不断被攻克，其复合材料的应用也慢慢变得广泛。杂环芳纶及其复合材料已成为各国航空航天、国防军工的关键战略物资。目前，我国的杂环芳纶已应用于固体火箭发动机壳体，可减轻发动机质量。杂环芳纶有优异的高抗冲击能力及轻量化等特点，其抗弹能力更强，在防弹衣、防弹头盔、坦克、方舱和防弹装甲车等领域有着更广阔的应用前景。例如，杂环芳纶层压板应用在方舱上，能使方舱承受更大的压力，防洞穿，可承受核爆炸产生的压力波和热辐射高温。

  近年来，技术迅猛发展为芳纶及其复合材料开辟了更多的民用空间，在通信、建筑、汽车、体育用品等民用方面的应用市场也已形成规模化。例如，用芳纶制作的轮胎帘子线很适合载重汽车和飞机轮胎；制成的防护服装、防护手套等安全防护装备，能有效抵御高温、火焰、电弧等作业伤害，最大限度保护劳动者安全；应用于高铁、动车、地铁等高速轨道交通工具的动力牵引、摩擦制动、车体结构、阻燃内饰等系统的核心部件，可有效提升车辆的安全性、舒适性及常规使用的寿命；还可应用于光纤光缆、新型手机电池等信息及通信产品的增强或绝缘。

  2018年，由中央电视台和中国电影股份有限公司联合出品的大型纪录电影《厉害了，我的国》在全国上映，影片中在港珠澳大桥收官之战接头安装中发挥作用的缆绳，是由14万根超高分子量聚乙烯纤维组成的。这样一根直径0.5mm的细丝线kg。

  超高分子量聚乙烯纤维，简称UHMWPE纤维，又叫高强高模聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维等。它是将分子量在100万以上的聚乙烯进行纺丝和高倍牵伸而制成的纤维，一般强度高于20厘牛/分特、模量高于800cN/dtex，与碳纤维、芳纶并称为当代三大高性能纤维。

  早在20世纪30年代，就有人提出超高分子量聚乙烯纤维的基础理论，后来逐渐形成了两条不同的生产技术路线：一条是溶液干法冻胶纺丝技术路线，简称干法纺丝技术；另一条是溶液湿法冻胶纺丝技术路线，简称湿法纺丝技术。我国自20世纪80年代开展冻胶纺丝生产超高分子量聚乙烯纤维的研究工作，其后被国家发改委、科技部列为国家科技成果重点发展计划。

  尽管生产技术路线不完全一样，但目的都是增大超高分子量聚乙烯大分子链取向，提高结晶度，改善纤维的聚焦态结构，使纤维在物理力学性能和化学性能方面极具优势，因此其在很多领域得到普遍使用，如军事、航空航天、航海、医疗、工业、渔业养殖、体育用品等。

  超高分子量聚乙烯纤维具有优良的耐冲击性能，它在变形和塑形过程中吸收能量的能力和抵抗冲击的能力比E-玻璃纤维、碳纤维、芳纶都高。即使在-70℃的条件下，仍就保持相当高的冲击强度。这个性能使得其在防护防弹方面有很大的用武之地。在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料，如直升机、坦克和舰船的装甲防护板，以及雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣（手套、护颈等）、盾牌等。其中，以软质防弹衣的应用最为引人注目，它具有轻柔的优点，防弹效果优于芳纶，现在已经成为防弹背心的重要材料。此外，超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值是钢的10倍，是玻璃纤维和芳纶的2倍多。用该纤维增强树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强复合材料头盔的替代品。

  在航天工程中，由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好，适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索，取代传统的钢缆绳和合成纤维绳索，其发展速度异常迅速。

  超高分子量聚乙烯纤维的比强度和比模量是目前已知纤维中最高的，其比强度分别为高强度碳纤维的2倍、钢材的14倍，具有其他纤维不可比拟的优势。此外，它的耐疲劳、耐弯曲性、耐磨性好，所制成的缆绳反复加载7000次，强力不衰减。因此，用其制成吊起6000吨港珠澳大桥接头的缆绳，是物尽其用。

  超高分子量聚乙烯纤维化学结构比较单一，化学性质较为稳定，而且具有高度结晶的结构取向，使得其在强酸和强碱中不易受到活性基因的攻击，能够保持原有的化学性质和结构，所以大部分化学物质都不容易腐蚀它。它还具有抗紫外线性佳、电绝缘性好等特点，密度约0.97g/cm⊃2;，比水要小，因此被大范围的应用于舰船系泊与拖缆、舰载机阻拦索与阻拦网、海洋平台拖缆、深海能源与矿产探测开发、移动式系泊缆绳、海洋打捞与救生等领域，解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀，锦纶、涤纶缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低和断裂，需经常更换的问题。此外，超高分子量聚乙烯纤维缆绳具有高强轻质、安全性高、携带使用起来更便捷等特点，在树木养护、园林设计修剪、直升机快速投放物资等方面普遍的使用；具有绝缘耐高压等特点，使其被大范围的使用在电力牵引线、搭桥、绝缘吊装、平衡挂线、江河跨线等领域；由于高强轻质的特点，超高分子量聚乙烯纤维缆绳在舞台特技、保护摄影机控制等方面也逐渐被使用。

  值得一提的是，由于它具有优良的耐腐的能力和高强度，在海岛建设方面，成为传统钢筋骨架绝佳的替代建筑材料。

  超高分子量聚乙烯纤维结晶度在98%以上，具有高纯度、高强度、耐磨性、耐疲劳、生物相容性好、辐照后不降解等特点，因此在医疗生物材料方面大范围的应用。该纤维增强复合材料用于牙托材料、医用移植物和手术缝合线等方面，生物相容性和耐久性都较好，并具有高稳定性，不会引起过敏，已作临床应用。此外，它还被用于医用手套和其他医疗措施等方面。

  在工业上，超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料可用作耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等；建筑方面能用作墙体、隔板结构等，用其制作增强水泥复合材料能改善水泥的韧度，提高抗冲击性能。

  由于超高分子量聚乙烯纤维具有优良的物理化学性能，其在远洋深海生物捕捞、固定式海洋养殖网箱与海湾养殖、可移动式养殖网箱等方面得到很好的应用，让上述捕捞和“草原游牧式”养殖得以实现。

  目前，在体育用品上，超高分子量聚乙烯纤维已用于制作安全帽、滑雪板、帆轮板、钓竿、球拍及自行车、滑翔板、超轻量飞机零部件等，其性能较传统材料要好。随着体育事业的发展和全民健身活动的开展，其在此领域内将得到慢慢的变多的应用。

  未来，超高分子量聚乙烯纤维在生产的基本工艺、产品质量和品种等方面仍然需要科学技术人员不断攻关，逐步的提升产品性能，减少相关成本，推动我们国家高性能纤维材料的创新发展、普及和应用。