维111.高性能纤维具有普通纤维所不及的物理机械性能、热性能和化学性能。它们通常采用高技术制成，且大多应用在特殊或高科技领域。

　　高性能纤维被用于复合材料较多的品种为：有机纤维的对位芳纶（聚对苯二甲酰对苯二胺）、超高分子量聚乙烯、聚苯并双恶唑纤维，无机纤维为碳纤维和高性能玻璃纤维。现将它们的性能及开发应用情况分别简述如下。

　　2碳纤维碳纤维的发展碳纤维由有机纤维经高温炭化而成。早在1879年Edison曾发明用碳纤维做电灯丝，但直到1950年美国才制成了具有一定机械性能的碳纤维，使碳纤维能够作为复合材料的强材料，开始了碳纤维发展的新阶段121.碳纤维于1959年由美国UCC公司以粘胶人造丝为原丝开始工业化生产，生产了Thnnel-25、40、50、100等牌号的碳纤维。1961~1964年期间，日本和英国开始以聚丙烯腈纤维为原丝制取碳纤维，其型号有ModmorI、、T-300和M-40等121.此后，由于碳纤维在航空航天工业中得到了应用，因而发展迅速。在进入20世纪60年代末时，又开发出了由熔融沥青纺丝制取碳纤维的工艺。由该工艺生产的产品，虽然性能不如前述二者，但生产成本较低。经过几十年的发展，目前己形成日本的东丽、东邦、三菱人造丝和美国的Hercules、Amoco以及荷兰AkzoNobel六分天下之势。这6大公司的碳纤维生产能力占世界总能力的95%以上131. 2.2碳纤维的性能2.21机械性能碳纤维是一种强度比钢大、比重比铝轻的新型材料，其比重在1.高性能的有机纤维，但小于无机纤维以外的品种。其弹性模量比铝合金高5 ~6倍，高强度碳纤维的抗拉强度可达294~392kN/cm3，比钢大4倍多。碳纤维尺寸稳定，刚性好，并且具有自润滑性，其摩擦系数小，耐磨性好。

　　2热性能在不接触空气或氧化气氛时，碳纤维具有突出的耐热性。与其它材料比较，碳纤维在温度高于1500时强度才开始下降12.另外，碳纤维还具有良好的耐低温性能，即使在液氮温度下也不会脆化。碳纤维的热膨胀系数小，热导率高并随温度升高而下降。在1500*C时，其热导率为常温时的15%~30%.以纤维状态存在时，有较高的空气保持率，因此可用作隔热材料。

　　3化学性能碳纤维由碳元素组成，不燃烧，化学稳定性好。它除能被强氧化剂氧化以外，对一般酸碱都是惰性的。在空气中，当温度高于400*C时则出现明显的氧化。因此，碳纤维具有较好的耐化学腐蚀性。此外，碳纤维还具有良好的电气传导性，以及耐油、防辐射、抗放射、吸收有毒气体和减速中子等特性。

　　2.3碳纤维的应用碳纤维可根据原丝不同分为聚丙烯腈基（PAN基）碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等，目前它们的应用己深入到人类活动的各个领域。

　　3.1交通运输方面~60%的部件可以用碳纤维强塑料制造，如轿车和载重汽车的片状弹簧、螺旋弹簧、驱动轴等承受力的构件。使用由碳纤维制作的这些部件后，能使汽车有较明显的减重效果，更适应于高速行驶并且节油。

　　2.3.2航空航天方面碳纤维及其复合材料常用于飞机、火箭和宇宙飞船的零部件，如用于军用飞机和大型民用客机的减速板和刹车装置，阿波罗宇宙飞船控制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞、喷嘴材料、机翼和尾翼等。

　　2.3.3运动休闲材料目前，用碳纤维强塑料制成的运动器材有：钓鱼竿、高尔夫球棒、网球拍、羽毛球拍、滑雪橇、帆船、赛车、跳高撑竿和航空模型等。

　　4其它方面碳纤维强材料还可用作高速织机的综框，纺织机械中高速旋转的部件和梭子，自行车的大梁，深海潜艇的壳体、螺旋桨，造船时用的吊桥缆绳等。另外，沥青基碳纤维还可用作绝热材料，代替石棉作填料。沥青基碳纤维的电阻率低，可以用作热电偶、电加热衣服、电子计算机贮存机构等。

　　2.4我国碳纤维工业发展现状2.4.1PAN基碳纤居我国PAN基碳纤维的开发研制己有30多年的历史。在上世纪60年代初，吉林应用化学研究所己着手于PAN基碳纤维的研究；到70年代初，己完成连续化中试装置。其后，上海合成纤维研究所、中国科学院山西煤炭化学所等单位也开展了这方面的研制工作，并于80年代中期通过中试。

　　我国碳纤维生产先后建成了从年产几百公斤到几吨的小试装置和几十吨的中试生产装置，起步不晚，但发展缓慢141. 2沥青基碳纤居1我醒前己有3套年产百吨级沥1青基碳纤维生产线。！台冶金新材料研究所在上世纪m.ckL代初便建成了150t/a的离心纺丝法通用级沥青基碳纤维生产线，但由于关键设备未过关，迄今仍处于停产状态14；鞍山东亚碳纤维有限公司从美国引进的200t/a熔喷法通用级沥青基碳纤维装置，己运行几年，正逐步好转，但因市场有限，未能充分发挥效益；中科院山西煤炭化学所协助河北大城兴建了100t/a的熔纺法通用级沥青基碳纤维生产线，但由于资金短缺，市场也有限，目前处境十分艰难151.碳纤维今后发展的关键是加强应用研究，应当优先发展PAN基碳纤维，开发较大型的市场，并开发深加工产品。

　　3玻璃纤维3.1玻璃纤维的发展玻璃纤维己有很长的历史。在20世纪30年代，美国人发明了用铂坩埚连续拉制玻璃纤维和用蒸汽喷吹玻璃棉的工艺后，玻璃纤维的生产才形成了现代工业。随着近代科学技术的发展，对玻璃纤维的力学性能、耐热性能提出了更高的要高，促使60年代以来出现了许多特种玻璃纤维，如耐高温玻璃纤维、高强度玻璃纤维、高模量玻璃纤维等。

　　在高性能玻璃纤维中，*引人注目的是1996年3月在第41次SAMPE国际会议上，道康宁公司首次推出的高强度玻璃纤维“ZenTron*.它是以高桂含量玻璃为原料，米用被称为Single-bushing（单套管）或Single-end（单头）0型的技术成纤的。其后处理工序少，可减少纤维的损伤，并降低生产成本111. 3.2玻璃纤维的性能321力学性能道康宁公司开发的新型高强度玻璃纤维”ZenTon*的主要机械性能与其它高性能纤维比较见表1.表1ZenTron与其它高性能纤维性能的比较项目拉伸强度（MPa）拉伸模量（GPa）断裂伸长（％）E-玻纤S-2玻纤芳纶K-49碳纤居AS4由于*ZenTon*的机械性能高于其它高性能玻璃纤维，同时强度与碳纤维相当，模量虽只有其1/2~1/但价格便宜，因此它瞄准的**市场是汽车的压缩天然气罐。

　　3.22耐热性能玻璃纤维是一种无机纤维，它本身不会引起燃烧，并且有很好的耐热性。玻璃纤维在较低温度下受热时，其性能虽变化不大，但会引起收缩。玻璃纤维的导热系数非常小，因而它常被用于管道和容器的隔热，以及作为成型件的绝缘壳。

　　与玻璃一样，玻璃纤维的化学稳定性取决于其化学组成、介电性质、温度和压力等条件，但玻璃纤维的比表面积要比玻璃大得多，故玻璃纤维的耐腐蚀性远不如玻璃那样好。由于玻璃纤维的吸湿性较低，故具有良好的电气绝缘性。其介电性能与化学组成、环境的温度和湿度有关。

　　4其它性能玻璃纤维具有优良的光学性能，可用作制造光导纤维管或屋面采光材料。玻璃纤维较光滑，不易玷污。当音频为1025Hz时，玻璃纤维的吸音系数为0.5，因此它是良好的吸声材料。

　　3.3玻璃纤维的应用玻璃纤维在工程中应用*为广泛的是玻璃纤维强塑料。它是高强度的工程塑料，比普通塑料的强度高得多，可与钢材媲美，因而人们送了它一个雅号一玻璃钢。目前，玻璃纤维的应用领域包括以下几个方面。

　　1土木建筑在建筑业，玻璃钢己广泛用于冷却塔、储水塔、卫生间的浴盆浴缸、门窗、安全帽、通风设备等。

　　另外，由于玻璃纤维不易沾污、隔热和不燃烧，因此它在建筑装饰上的应用日益广泛。玻璃钢在基础设施中的应用主要有桥梁、码头、栈桥和临水结构等。由于沿海和岛上的建筑结构材料经常遭受盐水腐蚀，因此*能发挥玻璃钢构件的特长。

　　3.2交通运输目前，玻璃钢用于陆地运输工具主要是汽车和火车。玻璃钢不仅可用作汽车的零部件，还可用作轿车的整体壳体。玻璃钢还可用来制造渔船，工艺简单防腐防蚀，维修频数和保养费低，使用寿命长。

　　3.3机械工业用玻璃纤维强后的聚苯乙烯系塑料，其机械性能、制品的尺寸稳定性、耐热耐冲击强度都有很大的提高，可广泛用于家用电器零件、机壳等。用玻璃纤维强聚甲醛广泛地代替有色金属，用以制造传动零件，如轴承、齿轮、凸轮等。

　　3.3.4化学工业化学工业设备腐蚀严重，玻璃钢的出现给化学工业带来了光明前景。玻璃钢主要用于制造各种槽、罐、塔、管道、泵、阀、风机等化工设备及配件。玻璃钢耐腐蚀、强度高、使用寿命长、价格低，但只能用于低压或常压设备，且温度不超过120*C.此外，在绝缘、防热、强和过滤等材料方面，玻璃纤维己在很大程度上取代了石棉。同时，玻璃纤维在新能源的开发、环保、旅游、工艺美术等诸多方面也得到了广泛应用。

　　3.4我国玻璃纤维工业发展现状我国研究玻璃纤维的历史较长。早在1958年我国以手糊工艺研制了玻璃钢船，以层压和卷制工艺研制了玻璃钢板和火箭筒等。I960年，北京、上海和哈尔滨成立了研制机构，并于1961年研制成功了玻璃纤维耐烧蚀端头。1970年，用手糊夹层结构板制造了44m大型玻璃雷达罩。1975年成立了玻璃钢学会。1983年，中国建筑材料研究院试制成功了抗碱玻纤强硫酸铝酸盐低碱水泥复合材料16.1988年，武汉工业大学研究成功高性能玻纤强氯氧镁复合材料161.目前，这两种复合材料均己形成工业化生产规模，在建筑工程中广泛用于墙体、防火门、水箱、通风管道、吊顶、温室框架、艺术制品等。

　　4对位芳纶4.1对位芳纶的发展对位芳纶（聚对苯二甲酰对苯二胺纤维）由美国IKwolek博士在上世纪60年代研制开发，是问世较早的高性能纤维之一，其后又根据不同要求，先后开发生产出Kevlar29、49、119、129、149等不同规格的产品。1986年，荷兰ENKA公司也开发生产了以Twoion为牌号的对位芳纶。根据报道，这两种不同牌号的对位芳纶因生产工艺中的液晶纺丝技术专利，曾多年诉讼法庭争执所有权。1987年日本帝人公司研制开发出了不同纤维结构的对位芳纶，它将柔性结合和非对称的3，4氨基二甲醚为第三单体导入共聚体；它与Kevlar的工艺也不同，不用硫酸为溶剂，即以聚合溶液为纺丝原液，后续纺丝拉伸等工艺过程，制造出了以Technona为牌号的对位芳纶。

　　4.2对位芳纶的性能Kevlar纤维具有较高的断裂强度，非常高的拉伸强度，较低的断裂伸长，密度比钢丝和玻璃纤维低。它具有优越的挠曲性，较好的耐疲劳性和尺寸稳定性。Kevlar纤维能抵抗一般化学品的侵蚀，大部分有机溶剂对它的断裂强度影响很小，盐水对它也无影响，但是强酸强碱在高温下或高浓度下会降低Kevlar纤维的强度。

　　Kevlar纤维耐高温性能突出，不熔融也不易燃烧，并且具有自熄性。该纤维具有较好的热稳定性，在较高的温度下有非常高的收缩率、较低的蠕变以及非常高的玻璃化转变温度。在相同重量下，Kevlar纤维比玻璃纤维和石棉具有更好的热绝缘性。

　　另外，Kevlar纤维不导电，有较好的纺织加工性和突出的吸振性。

　　4.3对位芳纶的应用由于对位芳纶具有优良的性能，故该纤维及其制品广泛用于以下几个方面：3.1防弹织物由于芳纶的断裂伸长低，适合于吸收子弹冲击时产生的高能量。通常，大部分子弹射击的动能被消耗在防弹织物的变形上，仅有一小部分动能转变成子弹的变形上。防弹钢盔采用Kevlar49为强材料。

　　3.2太空方面如波音757和波音767飞机、航天飞机、火箭引擎外壳等都用Kevlar49为强材料。由于使用了Kevlar49纤维，可使每架波音757飞机的重量减轻454kg左右171.此外，太空安全装置、防弹设备以及降落伞等都可使用Kevlar纤维。

　　3建筑方面在高层大型建筑中，可用芳纶作水泥强骨架，将芳纶编织成钢筋状、作成预应力混泥土加强筋，使建筑本身的重量大大减轻，在抗剪切等方面起到重要作用，如在上海东方明珠电视塔的建筑中，就使用了芳纶强混凝土材料。芳纶也可用作建筑物的加固修复，此时现场施工方便简单，不需要重型机械设备，材质轻量化和自由度灵活，工期缩短，开支降低。

　　4.3.4交通工具方面在汽车工业中，对位芳纶常被用作轿车和卡车的驱动轴、刹车环、离合器、天然气的能源储藏罐。对位芳纶极适用于做高级帘子线，特别适宜于作汽车的子午线轮胎、飞机轮胎和大型汽车的外胎。商船、渔船也可采用对位芳纶强材料，获得很多优点，如可用于赛艇蒙皮、复合装甲等。

　　此外，对位芳纶还可用于制作体育用品和休闲器械、工程橡胶强材料、高温过滤材料等。

　　4.4我国芳纶纤维工业发展现状1上成纤h维研究所较早从事芳纶纤维的开发工作先遍研制成功了耐高温芳纶、芳纶A型和涵。

　　芳纶型纤维等。我国开发的高性能纤维按照酰胺键和亚酰胺键在化合物中的不同位置，将芳纶分为以下几种：芳纶型或芳纶1414聚对苯二甲酰对苯二胺纤维在芳纶的研究中，人们先后开发了普通型、高伸长型、中强高模型和高强高模型产品。其主要性能己接近国际同类产品（见表2）。

　　表2国产芳纶的主要型号、性能和用途型号强度（/）模量（D）伸长（％）主要用途帘线、高压胶管、防弹材料伞用绳索、绳缆复合材料复合材料（宇航用）复合材料上海合成纤维研究所与世界芳纶生产二巨头之一的荷兰AkzoNobel公司合作建立的中欧研究所，是上海**个中外合作研究所，专门从事芳纶产品的开发研究，目前己形成年产80t芳纶织物的生产能力3. 5超高分子量聚乙烯（UHMW-PE）纤维超高分子量聚乙烯纤维的发展1978年，荷兰DSM公司的高级顾问PenniesSmith等人发明了高强高模聚乙烯纤维并申请了专利。通过采用分子量超过1X16的高密度聚乙烯，以其稀溶液进行凝胶纺丝，经拉伸30倍以上制得131.1984年荷兰DSM公司与日本东洋纺合资建成50t/a的中试工厂，纤维商品名为Dynee-ma.美国Allied公司购买了该专利后进行了商品化生产，纤维商品名为Spectra 1000，并于1988年开始进行商品开发应用。日本三井石化公司生产的UHMW-PE纤维，其商品名为Tek- 2UHMW-PE纤维的性能5.2.1物理性能以Spectra系列产品为例，UHMW-PE纤维的强度和模量以及比强度等性能见表3.由表3可知，UHMW-PE纤维具有很好的力学性能，还有一个重要的性能就是其比重甚至比水还轻。它是*轻的高性能纤维。

　　5.2.2耐冲击纤居UHMW-PE纤维是玻璃化转变温度较低的热塑性纤维，韧性很好，在塑性变形过程中能吸收能量。因此，它的复合材料在高应变率和低温下仍具有良好的力学性能，它的抗冲击性能比碳纤维、芳纶纤维及玻璃纤维复合材料都高。

　　5.23耐化学腐蚀性及耐气候性由于UHMW-PE纤维的化学结构单一，且具有高度取向和结晶的结构，因此它能耐极大多数的表3部分高性能纤维的物理性能芳纶碳纤居性能伸长（％）沸水收缩（％）能，在长时间光照下仍能保持其高强、高模的特性。

　　5.24电绝缘性和耐磨性能UHMW-PE纤维强复合材料的介电常数和介电损耗值低，反射雷达波很少，对雷达波的透射率高于玻璃纤维复合材料。由于UHMW-PE纤维具有较低的摩擦系数，故它具有比其它高性能纤维更加优越的耐磨性。

　　此外，UHMW-PE纤维还表现出优异的生物相容性及良好的耐弯曲形变性能。

　　5.3UHMW-PE纤维的应用1缆绳类UHMW-PE纤维*适用于制成绳索、缆绳和渔网等，广泛应用于海洋工业，如超级油轮、海洋操作平台、灯塔的固定锚绳等。在航天工业中，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。

　　2织物类UHMW-PE纤维可制成各种类型的织物，如防弹背心和衣服，防切割手套和织物，其中以防弹衣*为引人注目。它既具有轻柔的优点，又有优于芳纶的防弹效果。此织物还可用作船帆，制得的船帆重量轻、伸长小、耐久性好。

　　5.3.3复合材料UHMW-PE纤维及其织物与聚合物树脂基体复合，形成纤维基复合材料。这种材料的质量大幅度减轻，冲击强度有较大的提高，消震性有明显的改善，可用作各种防护器材。

　　此外，UHMW-PE纤维还可用作医疗器材，如缝合线、人造关节等，也可用作各种体育用品等。

　　5.4我国UHMW-PE纤维工业发展现状国内对UHMW-PE纤维的研究开发，始于上世纪80年代初期。中国纺织科学研究院在80年代初就曾派员赴日，与筑波纤维高分子材料研究所、三井石油化学（株）公司共同开展UHMW-PE冻胶溶液成形的基础研究，以及所得制品的结构与性能关系的研究，并于1986年将此项目列入“纺织部重大科研项目”，开展了以十氢萘为溶剂制取UHMW-PE纤维的研究，连接、稳定地制得了纤维强度/dtex的纤维。据《中国纺织报》等媒体报导，上述项目于1989年通过部级鉴定：“八五”期间被列为国家科委“攻关项目”，开展工业化小试研究开发工作，建成了年产上吨级规模的工业化试验生产线；1996年初，国家科委组织通过了验收，并将其列目前，我国至少有6家单位正在开发研究该产品，溶剂路线各不相同，东华大学的技术也较有特色。1997年在江苏无锡兴建了60t/a的试生产装置，在浙江慈溪建成了30t/a的中试装置。北京市国防军需科技开发部也在天津工业大学的科研基础上发展该产品，主要应用于制作头盔和防弹背心1591.刘兆峰、杨年慈等人相继公布了以煤油为溶剂制取UHMW-PE纤维的纺丝专利和溶解专利，促进了UHMW-PE纤维的工业化进程9.目前，中纺投资发展股份有限公司己规模生产高强高模聚乙烯，并广泛用于国防军需、航空航天、安全防护等领域。

　　6聚苯并恶双唑（PBO）纤维PBO纤维的发展美国和日本开发成功的聚苯并双恶唑（PBO）纤维，被称为面向21世纪新一代的高性能纤维。

　　在第1998年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺公司展出了商品名为Zylon的PBO纤维，这在世界上还是**次。

　　PBO单体*早由美国空军材料实验室研究开发，后转由美国DOW化学公司继续研究。日本东洋纺公司1990年参与这项研究，1991年确定Zylon纺丝工艺，1994年在日本敦贺建设400 /PBO单体生产车间，1995年由东洋纺**继续完成了单体生产车间和180 /的纺丝生产车间，生产的纤维以商品名Zylon向市场推出。

　　PBO纤维的性能PBO纤维与其它纤维的性能比较见表4.由表4可知，该纤维的强度、模量都超过现在所有的高性能纤维，其耐热阻燃性能在各种有机纤维中也是居上的。Zylon纤维无熔点，在高温下也不熔融，即使在耐燃实验中也无收缩现象。Zylon的耐药品性强、耐切割性高，耐磨损性在超过300 *C高温条件下仍能保持良好的状态，但Zylon的耐光性差1101.表4Zylon与其它高性能纤维性能比较纤居拉伸强度（cN/dtex）拉伸模量（cN/tex）伸长率密度回潮率限氧指数分解温度（*C）对位芳纶间位芳纶钢纤居碳纤居聚酯纤居PBO纤维的应用PBO纤维的主要特点是耐热性好，强度和模量高，在耐热的产业用纺织品和纤维强材料中得至IJ应用。

　　在消防服方面，现在还缺少进入火海作业的防护服，而采用高强度、高耐热性、轻量阻燃的PB0纤维，就可以制造性能更优异的防护服。

　　PBO纤维在力学性能上的优势，在超级纤维复合材料上表现得更为突出，其耐冲击强度远高于碳纤维强的筐材料。厉震水尼构件中的增强纤维墨度塍在宇航领域中卿款维涵。

　　的应用都非常引人瞩目。

　　PBO纤维在强度、模量、耐热、难燃性以及轻量化上的优点，使得人们满怀期望开发更高性能的先进复合材料。据称，PBO纤维可用作芳纶的升级换代产品，在21世纪可望大规模生产，并在新型高速交通工具、宇宙空间器材上和深层海洋的开发上得到应用。上海华东化工大学曾承接国家*863*课题，开展过有关PBO纤维的预研工作151. 7高性能纤维面临的问题高性能纤维具有较好的性能，但也存在一些由于其本身化学性质所带来的缺陷。例如：玻璃纤维有脆性，耐磨性差，柔软性差，不耐弯曲。该纤维断落的纤维头，触及人体时使人难受，特别是会使皮肤发痒。玻璃纤维吸湿性差，染色很困难，服用性能较差。

　　Kevlar纤维对紫外线较为敏感若在日光下暴露一段时期后将损失若干强度。另外，Kevlar纤维在轴向和径向上具有较低的压缩性能和剪切性能。

　　UHMW-PE纤维的耐热性较差，其熔点为150只适用于在低温条件下使用。日本Nara女子大学的松尾博士发明了一种可以抵抗220*C高温的聚乙烯制造法，并于1985年5月在日本聚合物协会展示样品1271. Zylon的弱点是耐光性较差。如果Zylon纤维不是复合材料，受紫外线照射时会影响到纤维的强度。

　　高性能纤维*大的缺点是价格昂贵，故其应用主要集中在高科技领域。

　　此外，高性能纤维虽具有高强度、高模量，但因其低压缩强度、低疲劳性、表面惰性，以及其基体的粘合性不一定良好，故需在使用方法上下功夫。目前己开发的多种高性能纤维，模量都很接近理21世纪的重要课题。

　　8结束语高性能纤维是一种技术密集、投资巨大的工业产品，但由于其优异的物理机械性能，现己应用于很多领域特别是在要求轻量化的航空、宇航、运输、体育、建筑等方面都取得了一定的成果。高性能纤维的开发和应用，引起了人们的极大兴趣，有众多敢于创新的企业及科学工程技术专家涉足这一技术领域。预计在不久的将来，将会有更丰富、更优越的新产品诞生。

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