/
2024.1
近年来，我国的纤维材料产业发展得很迅猛。我国的化纤产量在世界总产量中所占的比例超过了 70%。其中，高性能纤维产量占比虽小，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。这些纤维凭借优异力学性能和环境稳定性，如耐高温、耐辐照、耐腐蚀等。它们在航空航天、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广泛应用。已成为支撑国家安全、科技进步等重要的战略材料。碳纤维性能突出且应用广泛，为人熟知，被称为当代高性能纤维之一。芳纶性能突出且应用广泛，为人熟知，被称为当代高性能纤维之一。超高分子量聚乙烯纤维性能突出且应用广泛，为人熟知，被称为当代高性能纤维之一。
站在材料顶峰的碳纤维
它具有导热等突出性能。碳纤维在 20 世纪 50 年代开始出现。到如今，它已发展成独立且完整的新型工业体系。它还被称作当今世界材料综合性能的巅峰。美国提出的 21 世纪革命性材料技术有 12 项，“新一代碳纤维、纳米碳管”在其中位居第四。
碳纤维在使用时常常与基体材料进行复合使用，目的是将其优异性能充分发挥出来。碳纤维能够被用于增强树脂、碳、金属以及陶瓷等。在目前的应用中，使用最为广泛的是树脂基复合材料。
碳纤维是一种军民两用的新材料，它属于技术密集型以及国家管控的关键材料，这种材料听起来十分神秘且高大上，接下来我们一同来认识这种能够上天入水的神奇纤维。
碳纤维在体育休闲用品领域是人们日常生活中比较容易接触到的。碳纤维复合材料与传统材料体育休闲用品相比，具有质轻的优点，也具有高强的优点，还具有力学性能好的优点，并且具有可设计性强的优点。碳纤维复合材料制成的钓鱼竿质量较轻，收竿时消耗能量较少，收竿距能增加约 20%；渔具的卷轴可采用碳纤维复合材料制备，这种材料强度高且耐腐蚀，能使使用寿命得以延长。
在体育休闲用品领域，除了钓鱼竿之外，碳纤维及其复合材料还能应用于高尔夫球杆，能应用于网球拍，能应用于羽毛球拍，能应用于弓箭，能应用于滑雪板，能应用于赛艇桨，能应用于登山用品等，将其优点充分地发挥了出来。
科学技术不断进步，碳纤维及其复合材料在建筑领域被日益应用。
碳纤维在航天航空领域的应用起始较早。最初，发明碳纤维就是为了解决航天航空材料方面的难题。从 1996 年的“神舟一号”到 2010 年的“天宫二号”，我国的碳纤维复合材料在飞船、卫星、返回舱中被大量使用，为我国的航空航天事业作出了重大贡献。
飞机机身用碳纤维增强树脂基复合材料替代传统金属材料，能减轻飞机质量。碳纤维增强树脂基复合材料的制造工艺可生产光滑且复杂的几何形状，便于优化飞机空气动力学性能。飞机在跑道高速滑跑准备起飞或降落滑跑时，因跑道长度有限，所以需要强有力的刹车盘。这时刹车盘吸收了巨大能量，导致其温度急剧上升，能够达到约 1000℃。碳/碳复合材料制成的刹车盘，具备热膨胀系数小的特点，在高温环境下力学性能优异，能够耐高温烧蚀，也耐摩擦，正因如此，飞机刹车盘用材非它不可。
碳纤维属于国家战略性材料，如今在军工领域被广泛应用，涵盖火箭、导弹、军用飞机、个体防护等方面。在高温且为惰性的环境中长期耐1500高温的钢材，碳纤维是唯一在 2000℃以上环境里强度不会下降的材料。洲际导弹的鼻锥以及发射导弹的火箭发动机的喷管和壳体都采用了碳/碳复合材料。
此外，军用舟桥把传统金属替换为碳纤维复合材料长期耐1500高温的钢材，这样能极大地减轻质量，并且提升了运输速度以及架装速度。而用碳纤维复合材料制作的防弹头盔和防弹盔甲等物品，既更加安全又更为轻便。
碳纤维复合材料在能源领域有应用。比如在风力发电机叶片方面，它能替代玻璃纤维材料，从而制出尺寸更大的叶片。并且，碳纤维复合材料具备优异的抗疲劳特性以及良好的导电特性，这些特性可以有效地减弱恶劣环境对叶片材料造成的损害。当下，在风力发电领域，使用碳纤维复合材料来制作风机叶片已经成为一种趋势。在原油开采过程中，碳纤维复合材料制成的抽油杆替代了传统的钢制抽油杆。这样做使得抽油杆的使用寿命得到了大大延长。同时，也减轻了工人的劳动强度。并且，还提高了产油量，进而增加了经济效益。
碳纤维复合材料在交通领域的应用正蓬勃发展。实现车辆轻量化的关键在于采用碳纤维复合材料，高铁、地铁等轨道交通以及汽车已开始使用，并且使用量在迅速增加。在车体、构架、车门、保险杠、座椅、侧护板、横梁、减速器、设备件等部件中都能使用，既能提高性能，又能有效降低车辆的总质量，进而降低能耗。
未来，碳纤维及其复合材料的生产和应用技术会逐步成熟。随着这一情况的发生，其生产成本会逐渐降低。生产成本降低后，它们就能进入越来越多的应用领域。进入更多应用领域后，就能满足社会不断发展的需求。
阻燃又防弹的芳纶
有一个关于芳纶的故事：某仓库突然燃起大火，仓库里的货物几乎都被烧成了灰烬。在这堆废墟当中，人们惊奇地看到，许多芳纶纱线尽管被熏黑了，但仍然保持着完好的状态。这个故事让芳纶增添了传奇的色彩。芳纶起初是属于航空航天和军事战略的材料，一直被保密，人们在日常生活中接触的机会不多，对它的了解或许也比较少。那么，芳纶到底是一种什么样的纤维材料呢？
芳纶是一种高性能合成纤维。它的学名是芳香族聚酰胺纤维。20 世纪 60 年代，芳纶研发成功并实现商业化。杜邦公司将其商品名为，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。芳纶主要分为三大类，分别是间位芳纶（芳纶 1313）、对位芳纶（芳纶 1414、芳纶 II）和杂环芳纶（芳纶 III）。这三类芳纶的化学结构有相似之处，然而性能差异较大。在这之中，间位芳纶享有“防火纤维”的美誉，对位芳纶拥有“防弹纤维”的美誉，并且杂环芳纶的性能比前面两种芳纶更为优秀。
间位芳纶的突出特点之一是耐高温。它能够在 220℃的高温环境下长期使用，不会出现老化现象。其阻燃性较好，电气性能与机械性能的有效性能够保持 10 年之久。同时，它的尺寸稳定性也极为出色。特种防护服由间位芳纶制成，遇火时不会燃烧，不会滴熔，也不会发烟，防火效果十分优异，能够有效避免因烧伤、烫伤等火灾危险而带来的伤害，还能为人员迅速撤离险境争取到宝贵的时间。尤其是在突然遭遇 900 至 1500℃的高温时，布面会迅速碳化并且增厚，从而形成特有的绝热屏障，对穿着者起到逃生保护作用。加入少量抗静电纤维或者对位芳纶的话，能够起到有效防止布料爆裂的作用，同时也可以避免雷弧、电弧、静电以及烈焰等带来的危害。
用间位芳纶能够制作飞行服，能制作防化作战服，能制作消防战斗服，能制作炉前工作服，能制作电焊工作服，能制作均压服，能制作防辐射工作服，能制作化学防护服，能制作高压屏蔽服等各类特殊防护服装。这些特殊防护服装用于航空领域、航天领域、军服领域、消防领域、石化领域、电气领域、燃气领域、冶金领域、赛车领域等诸多领域。在发达国家，芳纶织物除了其他用途外，还被普遍用于宾馆的纺织品。它也被用于制作救生通道。同时，还被用作家用的防火装饰品。还可以作为熨衣板的覆面。并且能做成厨房手套。此外，还被用来制作保护老人儿童的难燃睡衣等。
对位芳纶问世稍晚，它的外观和聚亚酰胺纤维相似，是金黄色的，就像闪亮的金属丝线。它的分子链沿长度方向高度取向，这使得它具有极强的链间结合力，进而赋予了它高强度、高模量和耐高温的特性。对位芳纶的强度是优质钢材的 5 到 6 倍，模量是钢材或玻璃纤维的 2 到 3 倍，韧性是钢材的 2 倍，而质量只是钢材的 1/5。它的连续使用温度范围很宽，比间位芳纶更耐热，同时具备良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期也很长。对位芳纶的发现被视作材料界发展进程中的一个重要里程碑。
对位芳纶首先在国防军工等尖端领域得到应用。为了适应现代战争以及反恐的需求，许多发达国家的军警所使用的防弹衣、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，都大量使用了对位芳纶。除了军事领域之外，对位芳纶还在航天航空、机电、通信、建筑、汽车、海洋水产、体育用品等国民经济的各个方面得到了广泛应用。
我国芳纶发展起步比众多国外巨头企业晚。多数国家将芳纶当作战略物资，在技术等方面进行严格管制。所以我国芳纶产业的发展经历了漫长的技术突破期。因为技术、资源等原因，到 21 世纪初，我国生产的间位芳纶才达到世界水平。而我国对位芳纶的性能与美国等国家存在差距。到 2003 年，我国才开发成功杂环芳纶。
杂环芳纶的力学性能比间位芳纶和对位芳纶高；杂环芳纶与树脂的复合性能比间位芳纶和对位芳纶高。杂环芳纶具有良好的耐热性，使用温度可达 300℃；杂环芳纶具有良好的尺寸稳定性，使用温度可达 300℃。杂环芳纶在 350～400℃几乎不会发生收缩。杂环芳纶的阻燃性能优异，极限氧指数可达 39%～42%，比对位芳纶约高 10%。
杂环芳纶具备多种独特且优异的性能。近年来，国内外针对杂环芳纶及其复合材料展开了广泛的研究。杂环芳纶制备与应用技术的难题持续被攻克，其复合材料的应用范畴也越来越宽泛。杂环芳纶及其复合材料已然成为各国航空航天、国防军工领域的关键战略物资。当下，我国的杂环芳纶已在固体火箭发动机壳体中得到应用，能够减轻发动机的质量。杂环芳纶具备优异的高抗冲击性以及轻量化等特性。它的抗弹能力更为突出。在防弹衣、防弹头盔、坦克、方舱以及防弹装甲车等领域，有着更为广阔的应用前景。比如，杂环芳纶层压板被应用于方舱上，能够让方舱承受更大的压力，具备防洞穿的能力，还可以承受核爆炸所产生的压力波和热辐射高温。
近年来，技术迅猛发展，这为芳纶及其复合材料开辟了更多的民用空间。在通信领域，其应用市场已形成规模化；在建筑领域，其应用市场已形成规模化；在汽车领域，其应用市场已形成规模化；在体育用品领域，其应用市场已形成规模化。芳纶制作的轮胎帘子线适合载重汽车和飞机轮胎；制成的防护服装等安全防护装备能抵御高温等作业伤害，保护劳动者安全；应用于高速轨道交通工具的关键部件，可提高车辆安全性等；还可应用于光纤光缆等信息及通信产品的增强或绝缘。
承重惊人的超高分子量聚乙烯纤维
2018 年，大型纪录电影《厉害了，我的国》在全国上映，该影片由中央电视台联合出品。在港珠澳大桥收官之战的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。有一根直径为 0.5mm 的细丝线，它的承重力能够达到 35kg。
超高分子量聚乙烯纤维，被简称为纤维，也被称作高强高模聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维等。它是通过将分子量达到 100 万以上的聚乙烯进行纺丝以及高倍牵伸而制成的纤维。这种纤维一般强度比 20 厘牛/分特要高，模量比 800cN/dtex 要高，与碳纤维、芳纶一同被称为当代的三大高性能纤维。
另一条是溶液湿法冻胶纺丝技术路线，也被称为湿法纺丝技术。我国在 20 世纪 80 年代开始进行冻胶纺丝生产超高分子量聚乙烯纤维的研究工作。之后，这项研究工作被国家发改委和科技部列为国家科技成果重点发展计划。
生产技术路线存在差异，然而目的是增大超高分子量聚乙烯大分子链的取向，提升结晶度，对纤维的聚焦态结构进行改善，让纤维在物理力学性能以及化学性能方面展现出极大的优势，正因如此，它在诸多领域被广泛应用，像军事、航空航天、航海、医疗、工业、渔业养殖、体育用品等领域。
超高分子量聚乙烯纤维的耐冲击性能优良。它在变形和塑形时，吸收能量的能力以及抵抗冲击的能力比 E-玻璃纤维、碳纤维、芳纶都要高。即便处于-70℃的条件下，依然能保持相当高的冲击强度。此性能使其在防护防弹领域能够大显身手。在军事领域能够制成防护相关的衣料、头盔以及防弹材料。像直升机的装甲防护板、坦克的装甲防护板以及舰船的装甲防护板等。还有雷达的防护外壳罩、导弹罩等。也包括防弹衣、防刺衣（像手套、护颈等）以及盾牌等。其中，软质防弹衣的应用格外引人注目，它具备轻柔的特性，其防弹效果比芳纶还要好，如今已经成为防弹背心的重要材料。用该纤维增强树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已替代芳纶增强复合材料头盔。
在航天工程领域，这种纤维复合材料具备轻质高强以及抗冲击性能良好的特点。它适用于多种飞机的翼尖结构，也适用于飞船结构以及浮标飞机等。同时，这种纤维还能够被用作航天飞机着陆时的减速降落伞，以及飞机上悬吊重物的绳索，能够取代传统的钢缆绳和合成纤维绳索。并且，它的发展速度极为迅速。
超高分子量聚乙烯纤维的比强度在目前已知纤维中是最高的，比模量也是最高的。它的比强度是高强度碳纤维的 2 倍，是钢材的 14 倍。它具有其他纤维无法比拟的优势。而且，它的耐疲劳性好，耐弯曲性好，耐磨性也好。用它制成的缆绳反复加载 7000 次，强力不会衰减。所以，用它制成吊起 6000 吨港珠澳大桥接头的缆绳，是做到了让材料充分发挥其作用。
超高分子量聚乙烯纤维的化学结构较为单一，其化学性质较为稳定。它还具有高度结晶的结构取向，正因如此，在强酸和强碱中，它不易受到活性基因的攻击，能够维持原有的化学性质和结构。所以，大部分化学物质都难以腐蚀它。它抗紫外线性佳，电绝缘性也好。其密度约为 0.97g/cm²，比水小。所以它被广泛应用于多个领域，如舰船系泊与拖缆、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。并且解决了以往使用钢缆会遇到锈蚀，使用锦纶、涤纶缆绳会遇到腐蚀、水解、紫外降解等导致缆绳强度降低和断裂，需要经常更换的问题。由于超高分子量聚乙烯纤维缆绳高强轻质的特点，所以在舞台特技等方面逐渐被使用；也因为此特点，在保护摄影机控制等方面也逐渐被应用。
值得一提的是，它具有优良的耐腐蚀性和高强度。在海岛建设方面，它成为传统钢筋骨架的替代建筑材料，而且是绝佳的。
超高分子量聚乙烯纤维的结晶度在 98%以上。它具有高纯度、高强度、耐磨性、耐疲劳的特点，生物相容性也很好，并且辐照后不会降解。所以在医疗生物材料领域得到了广泛应用。这种纤维增强复合材料被用于牙托材料、医用移植物和手术缝合线等方面，其生物相容性和耐久性都比较好，还具有高稳定性，不会引发过敏，已经在临床上得到了应用。此外，它还被用于医用手套和其他医疗措施等方面。
在工业领域，超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料能够被用作耐压容器，还能用作传送带，也可当作过滤材料，以及作为汽车缓冲板等；在建筑方面，它可以被用作墙体，还能用作隔板结构等，利用它制作增强水泥复合材料能够改善水泥的韧度，并且可以提高抗冲击性能。
超高分子量聚乙烯纤维具备优良的物理化学性能。它在远洋深海生物捕捞方面得到很好的应用。它在固定式海洋养殖网箱与海湾养殖方面得到很好的应用。它在可移动式养殖网箱方面得到很好的应用。这些应用让上述捕捞和“草原游牧式”养殖得以实现。
目前，在体育用品方面，超高分子量聚乙烯纤维已被用于制作安全帽等物品，包括滑雪板、帆轮板、钓竿、球拍以及自行车、滑翔板、超轻量飞机的零部件等。它的性能比传统材料更优良。随着体育事业不断发展以及全民健身活动的广泛开展，这种纤维在该领域将会获得越来越多的应用。
未来，超高分子量聚乙烯纤维在生产工艺方面需要科技人员不断攻关，以提高产品性能、降低成本；在产品质量方面需要科技人员不断攻关，以提升产品质量；在品种方面需要科技人员不断攻关，以推动我国高性能纤维材料的创新发展、普及和应用。
