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高性能纤维是指那些具有特殊结构与性能，表现出极高的抗拉伸力、杨氏模量、以及高抗热、耐酸、碱、氧化剂腐蚀的化学纤维。基于这些性质，高性能纤维被广泛应用于生物医药、工程、建筑、土工织物、航空航天、防护服和电子等领域。 目前，世界高性能纤维领域已经形成了美、日、欧盟、中、俄五极格局。高性能纤维的发展对国民经济以及科技进步都有着积极意义。本文以碳纤维、芳纶纤维和超高分子量聚乙烯纤维这3种主要高性能纤维为例，介绍高性能纤维的主要性质与市场情况。科技的创新和技术的进步推动着高性能纤维不断发展，高性能纤维将会以更优异的性能服务于社会。 一、高性能纤维分类 高性能纤维包含有机高性能纤维和无机高性能纤维；有机高性能纤维分为柔性链结构和刚性链结构2类。高性能纤维的分类详见图1。 点我，免费领牛股 广告   图1 高性能纤维的分类 世界高性能纤维产业正处于高速发展期，需求增长率在10%以上。无机高性能纤维向超高性能-高附加值和低性能-低成本的方向发展。有机高性能纤维向多品种、系列化和高效、规模化生产发展。复合材料的成型工艺向节能、高效和低成本的方向改进，高效固化剂功不可没。增强纤维和树脂品种的扩大、表面处理剂的完善、织造技术和织物种类的多样化，使复合材料进入“量体裁衣”的时代。 二、主要高性能纤维概述 1.碳纤维 碳纤维指利用聚丙烯腈（PAN）纤维、粘胶纤维、沥青等为原料，经过预氧化、碳化及石墨化等工艺加工制备的具有90%以上碳含量的纤维。 （1）碳纤维分类 碳纤维按数量、制造原料、力学性能和状态可分为若干种，具体见图2。
图2 碳纤维的分类 （2）碳纤维性质 碳纤维具有如下性质特点：高强、高模、低密度；耐高温（3 000 ℃），热膨胀系数约为0，高热导率〔10～140 W/(m·K)）〕；耐各种强酸、碱和有机溶剂腐蚀；摩擦系数非常小；具润滑性，可降低复合材料磨损率；导电性好。表1所示为以各种原材料制备出的碳纤维的主要物理性质。
（3）碳纤维的应用领域 ①建筑 民用工业中的建筑，如桥梁、房屋、隧道等相关的混凝土工程是碳纤维使用量增长最快的市场领域之一。碳钎维主要应用于承重材料、加固材料（压板等）、筋条材料（替代部分钢筋）等方面。 ②航空航天 用于制造飞机（民用、军用）、火箭、宇宙飞船等制造材料、零配件等。例如，在波音787 中结构材料中加入了碳纤维复合材料以及玻璃纤维塑料，在保持机身强度的同时可大大减少机身质量，提高燃油效率。 ③汽车构件 在汽车钢材中加入碳纤维材料，可减轻车身质量达40%以上，因而有效提高车速。不仅如此，还能减少尾气排放量达30%。目前主要在豪华车型应用碳纤维复合材料。但随着大丝束碳纤维价格的不断下降，预计碳纤维的应用在中端车型也将获得推广。这对世界的环保事业具有重大意义。 ④碳纤维的市场情况 目前全球碳纤维工业化产品以PAN 基碳纤维为代表，其力学性能最高，应用领域最广。PAN 基碳纤维占全球碳纤维总产量的 90%以上。2014 年全球 PAN 基碳纤维产能约为 12.8万t，其中小丝束碳纤维约为9.2万t，占 72%；大丝束碳纤维约3.6万t，占28%。根据相关预测，到2020年，全球小丝束碳纤维产能将达到 11.5万t，大丝束产能达到5.4万t，合计达到16.9万t，复合增速达到 7%。2008-2014年全球PAN基碳纤维产能如图3所示。
图3 2008-2014年全球PAN基碳纤维产能及增长率 目前全球碳纤维制造主要来自是日本和在欧美的工厂，其次是依靠欧美航空航天市场健康发展的美国 HEXCEL 和 CYTEC 公司，以及依靠强大工业创新体系的德国SGL公司，随着中国在碳纤维领域投入的不断增大，中国碳纤维产量占世界份额也不断提高。2014年碳纤维各国生产份额如图4所示。
图4 2014年碳纤维各国生产份额 2.芳香族聚酰胺纤维 （1）芳纶概述 芳香族聚酰胺（PPTA）纤维通常称为芳纶，是由苯二胺和苯二甲酰氯合成的一类芳香族聚酰胺纤维，全称“聚对苯二甲酰对苯二胺”。芳纶主要包括间位芳纶（芳纶1313）和对位芳纶（芳纶1414），间位芳纶耐高温，绝缘性好，不燃烧，在高温过滤、高温防护服以及绝缘介质方面获得广泛应用。对位芳纶强度大、模量高，主要应用于轮胎橡胶、个体防护、防弹装甲、绳缆、摩擦材料等方向。对位芳纶在芳纶的历史进展中具有最快速的发展，目前主要生产国是日本和美国。代表产品如Kevlar （杜邦公司）和Twaron（Akzo-noble 公司）。 （2）芳纶的性质 力学性质：PPTA 纤维强度高，模量大，耐冲击。其拉伸强度达到3.0G～5.5GPa，略高于碳纤维，是玻璃纤维拉伸强度的1.5 倍；密度小，在相同直径下，PPTA 纤维是钢丝强度的6～7 倍，密度却只有钢丝的1/5；PPTA纤维模量能达到80G～160 GPa，为碳纤维的4/5，是玻璃纤维的2倍。 热学性质：PPTA 纤维极限氧指数大于28，表现出非常好的耐热性及阻燃性。PPTA 纤维在高温下会分解，但不变形。热膨胀系数极小。 化学性质：PPTA 纤维化学稳定高，能耐受除强酸、强碱外的多种酸、碱以及有机溶剂腐蚀；其耐水性较差，由于分子中有酰胺基基团，水分子容易破坏纤维氢键，降低纤维强度；PPTA 纤维对紫外线较敏感，阳光下久照将大大降低其强度。 （3）芳纶应用领域 由于PPTA纤维以上各种优秀性质，其在建筑材料、航空航天、防弹材料、橡胶增强材料等方面获得了广泛应用，如表2所示。
（4）芳纶市场状况 芳纶的生产具有较高技术壁垒，全球掌握芳纶技术的企业仅在10家左右，其中美国杜邦是全球最大的芳纶企业。2012年，全球间位芳纶产能约为3.97万t，其中杜邦产能约2.5万t，占间位芳纶总产能的63%，泰和新材总产能0.8万t，约占全球总产能的20%左右；2012年，全球对位芳纶总产能为7.83万t，美国杜邦、日本帝人分别占对位芳纶总产能的54%、35%。全球主要芳纶生产企业产能如表3所示。 3.超高分子量聚乙烯纤维 （1）发展历史 1975年，荷兰DSM公司开发出了超高相对分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，该纤维具有优异的抗张性能。并且其采用的凝胶纺丝-超拉伸技术打破了当时只能由刚性高分子制造高强、高模纤维的局面。一举促成世界范围内化学纤维的全新飞跃。UHMWPE物理机械性能非常优异，使之成为继碳纤维和芳纶之后的第3代高性能纤维。UHMWPE的强度是目前工业化纤维中最高的。 （2）UHMWPE的性质 ①耐疲劳 与锦纶、涤纶一般绳索材料相比，UHMWPE 纤维强度高、张力大、耐弯曲疲劳；不仅如此，在具有高模量的同时，UHMWPE 纤维还有着良好的柔韧性和高耐挠曲疲劳性，优于碳纤维和玻璃纤维材料。其耐磨损性更远优于芳香族聚酰胺和碳纤维。 ②耐冲击 UHMWPE 纤维复合材料抗冲击能力高于玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维，比冲击总吸收能量分别是三者的1.8、2.6 和3 倍。UHMWPE 纤维复合材料因此是制作防护设备，如防弹衣、头盔等的理想材料。 ③耐化学腐蚀 UHMWPE 纤维结构单一，取向性高，能够扛绝大多数化学物质的腐蚀。化学稳定性高于PPTA纤维。只有非常有限的有机溶胶能使UHMWPE纤维发生轻度溶胀。 ④耐光照、耐辐射和耐气候 UHMWPE 纤维在所有高性能纤维中的耐日晒性是最高的。1 500h的日光照后，而其他纤维强度均下降了50%，而UHMWPE 纤维仍保持在60%以上。不仅如此，UHMWPE 纤维还耐受诸如电子射线和γ射线等高能辐射照射。其在经受剂量为3 MJ/kg的辐射照射后其强度能仍然在可以使用的范围内。 （3）UHMWPE的应用 UHMWPE纤维根据其以上优秀性质，其主要应用于绳索、网类、防护装备、体育用品等方面。UHMWPE纤维的具体应用详见表4所示。
（4）UHMWPE的市场情况 目前国际市场UHMWPE纤维产品已经被荷兰DSM、美国Honeywell及日本三井化学所3家企业垄断，总产能约1.78万t/a。其中，DSM是世界上产量最高，质量最好的制造商，其UHMWPE产品约占国际市场的80%。表5给出了3家公司的产能情况。
国内市场主要有8家企业生产UHMWPE纤维，总产能约9000t/a。表6所示为国内主要UHMWPE生产企业及产能。
高性能纤维在“十一五”和“十二五”期间获得了我国的高度重视，明显加大了对高性能纤维发展的推动力，显著加强对高性能纤维行业的协调管理。各个企业真正成为了技术创新的主体。我国高性能纤维呈现出良好的发展势头，国产技术和产业技术均实现了重大突破。到2020年，我国有望实现高性能纤维及其复合材料基本品种的自给，6大类特种纤维即耐强腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、高强高模纤维、功能纤维和智能纤维的主要品种将基本配齐，为在“十三五”期间实现世界高科技纤维王国的中国梦打下基础。 高性能纤维在科学技术的创新与进步下正取得日新月异的发展。人们在不断改善高性能纤维不足的同时，还以此为基础制备出性能更好的新型纤维材料。高性能纤维的应用领域也随着自身制造成本的降低而不断扩展。相信高性能纤维在不久将会以更优异的性能服务于社会。 文/刘义鹤 江洪 中国科学院武汉文献情报中心 权威行业分析报告： 更多资料查询请点击以下链接（涵盖7大板块，近40个细分领域，汇总400余条知识点，为您提供最全的信息查询功能）： 点此使用资料查询功能！ ·END· |
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