科普丨高性能纤维的性能及应用

摘要: 高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维。简述了高性能纤维的基本分类，并介绍了芳纶纤维、PBO 纤维、碳纤维、玻璃纤维四种高性能纤维的性能及应用，并分析了高性能纤维今后的发展趋势。

0 引言

高性能纤维是指具有高承载力、高耐久性的化学纤维，它们具有特殊的物理、化学结构以及功能性，如高强、高模、高弹性、耐高温、耐高压、耐腐蚀、耐辐射、抗燃、耐磨损、导电等功能。一般指强度大于17. 6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex 以上的纤维。这类纤维采用高新技术制成，大多应用于工业、国防、医疗、环境保护和尖端科学等领域。

高性能纤维分为两大类:有机纤维和无机纤维。目前，比较常见的有机纤维主要包括间位芳纶(芳纶1313)、对位芳纶(芳纶1414)、PBO 纤维等；无机纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维等。其主要性能对比如表1 所示：

1 几种主要的高性能纤维

1. 1 芳纶纤维

芳纶(Aramid fiber)，又称芳香族聚酰胺纤维，是一种新型高科技合成纤维，主要包括全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维两种，可分为间位(PMTA)、对位(PPTA) 和邻位三种，目前常用的主要有间位芳纶和对位芳纶两种。其中PMTA与PPTA 的主要区别在于酰胺键与苯环上的连接位置不同，其分子结构见图1。

1. 1. 1 间位芳纶

间位芳纶，即聚间苯二甲酰间苯二胺(PMTA)纤维，商品名为Nomex，是由酰胺基团相互连接间位苯基构成的排列规整的锯齿型大分子。间位芳纶具有良好的力学特性，属难燃纤维，极限氧指数LOI≥29%，在空气中不会自燃，离火后自熄，阻燃性好;玻璃化温度为270℃，高温环境中仍可保持较高的强度和较好的稳定性，当温度超过400℃时，纤维逐渐开始发脆、炭化形成隔热层，起到保护作用；间位芳纶介电常数很低、绝缘性好，并具有优良的抗辐射性能。间位芳纶具有优异的耐热性、化学稳定性，可在高温环境中长期工作，将其加工成过滤袋，可用于空气污染较重领域的高温烟尘过滤。利用间位芳纶的阻燃性，将其制成消防服、军需作战服、抢险救援服等防护服装，无需任何处理，即具有高效、永久的阻燃功能。由于间位芳纶具有电绝缘性，可加工成芳纶纸用作导线、电缆的绝缘材料，电动机、发电机及变压器中的线圈绕阻。

1. 1. 2 对位芳纶

对位芳纶，即聚对苯二甲酰对苯二胺( PPTA)纤维，商品名为Kevlar，是世界上首例采用高分子液晶纺丝制得的纤维，开创了高性能合成纤维的新时代。对位芳纶最突出的特点是:高强、高模、耐高温和耐冲击。其拉伸强度为3. 0Gpa ～ 5. 5Gpa，约为玻璃纤维的1. 5 倍，钢丝的3 倍。纤维热稳定性好，在高温下仍能保持较高的强度; 极限氧指数(LOI)较高，阻燃性好。但由于对位芳纶纤维表面缺少活性基团，导致其与树脂界面的黏结性较差，因此，可对其进行改性处理，以提高界面的黏结性。对位芳纶主要应用于汽车工业、防护材料、光缆、加固材料、密封材料、橡胶增强材料等领域。芳纶树脂基增强复合材料用于飞机、火箭等飞行器的结构材料，密度小、质量轻，节省动力燃料;将多层对位芳纶布经树脂粘合、高温高压成型制成的防弹衣、防弹头盔等具有高强、质轻、防护面积增加等特点，样式美观、成型性好;使用对位芳纶帘子线生产超轻、超薄、低阻力的轮胎，可延长轮胎的使用寿命，改善转向性和舒适性，节油效果明显。

1. 2 PBO 纤维

PBO 纤维是聚－ P － 亚苯丙二噁唑纤维的简称，是在对位芳香族聚酰胺纤维的基础上形成的，被誉为21 世纪的“超级纤维”。其分子结构如图 2 所示：

通过表1 中几种高性能纤维的性能对比结果可以看出，PBO 纤维具有质轻、高强、高模、耐高温等优异性能；纤维极限氧指数高达68%，极好的热稳定性和阻燃性，即使在600℃的高温条件下也不会分解;有非常好的抗蠕变、耐磨和耐化学性能，可保持较好的柔软性;其性能完全凌驾于碳纤维之上，应用领域十分宽广。PBO 纤维可以制成长丝、短纤、超短纤维浆粕等，主要用于要求既耐热又具有高强、高模的领域中。PBO 纤维可代替钢丝作为轮胎增强材料，使轮胎轻质化；利用PBO 纤维高强、高模的特性制作需要承受高拉力的绳索、缆绳以及赛艇帆布等;同时利用PBO 纤维的阻燃性，可开发出耐高温阻燃飞行服、消防服、高温传送带、防护手套等。

1. 3 碳纤维

碳纤维是指含碳量大于90%，具有高强度、高模量的无机高分子纤维状碳材料，按原料来源可分为聚丙烯腈基(PAN) 碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维三大类，其主要力学性能如表2。碳纤维具有高强、高模、导电、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等多种优异性能，热膨胀系数近似为0。纤维“外柔内刚”，质量比铝轻，但强度却远高于钢铁，不仅具有碳的固有本征，又兼具纺织纤维柔软可加工的特性。目前，绝大部分碳纤维是以复合材料的形式出现，如碳纤维增强纸、碳纤维增强塑料、碳纤维增强橡胶、碳纤维增强混凝土、碳纤维增强陶瓷等，广泛应用于航空航天、纺织机械、建筑材料、汽车工业、体育用品等领域。采用碳纤维复合材料制造的飞机、火箭、卫星等高速飞行器，质量轻、速度快、动力消耗少，可以节约大量燃料。利用碳纤维的质轻、高强、耐腐蚀等优点，将其制成混凝土复合材料已大量应用于桥梁、房屋等需要结构加固的场合。

采用碳纤维复合材料制成的车身零部件，极大地减轻了车身重量，提高了燃料的利用效率。用碳纤维做成的方向盘，具有更高的机械强度和抗冲性。

1. 4 玻璃纤维

玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，是以硅酸盐类物质为原料经高温熔融纺丝制成，单丝直径一般为3μm ～ 10μm。其最大特点是抗拉强度高，但伸长小、耐扭曲性差，容易发生脆断。纤维导热系数小、耐热性好，介电常数低，导电性差。

玻璃纤维是人工制备最早的纺织纤维材料，目前已应用到很多领域中。利用玻璃纤维不吸湿、耐高温、高电阻率等特性，将其制成层状绝缘材料，用作电缆绝缘防护管套;以高聚物为基体、玻璃纤维织物作为增强体制成的“玻璃钢”复合材料广泛应用于航空、交通、机械、电子、化工等领域；利用玻璃纤维较低的光导损耗，可制成光缆等通讯传输材料;玻璃纤维的各种毡材还可用作汽车的顶篷、车门垫层等装饰材料。

2 高性能纤维的发展方向

高性能纤维是先进复合材料的理想增强体，它的开发和应用对材料科学领域的发展起到了极大的推动作用，受到了人们的青睐，应用范围也在不断扩大，可以体现出一个国家的科技水平和综合实力。但是，我国高性能纤维的发展起步较晚，目前还主要依赖进口，因此，需要加大对高性能纤维的研发力度，以提高我国的科技水平。未来高性能纤维产业发展的重点目标主要体现在以下几方面：

2. 1 高性能纤维低成本化

改进高性能纤维的纺丝技术和设备，实现高性能纤维的低成本规模化生产。通过降低纤维制造成本，来提高产品的市场竞争力，并扩大其纤维制品的应用范围。

2. 2 实现高性能纤维产业链一体化

实现“原料—纤维—制品”产业链的一体化生产，完善和系列化生产各种型号规格的高端产品，进一步突破新品种开发技术，同时还要重视自主知识产权的保护和维权，全面提升市场竞争力。

2. 3 制定相关产业标准，加强技术创新合作

制定高性能纤维相关的行业标准和国家标准，严格控制高性能纤维的检测规范;企业应加强与高等院校、科研院校等的合作开发，加强相关企业之间的合作研发，实现合作共赢。

3 结语

高性能纤维的发展对未来尖端科技的发展、太空资源以及武器装备的研发有着不可替代的作用，是一类具有战略意义的高新技术材料。我国应紧抓高性能纤维产业未来的发展机遇，加大开发与扶持力度，促进高性能纤维为国家综合实力做出贡献。

来源：新材料产业