前沿技術 | 超纖維及其先進複合材料的最新進展(一)

前沿技術 | 超纖維及其先進複合材料的最新進展（一）

發表時間：2017/2/28

超纖維及其先進複合材料是當代超材料的重要組成部分，是未來新一代航空航天、國防軍工和尖端科學的先導和保障材料。所謂超纖維及其複合材料，是指在性能和功能上具有突破性進展的超級材料，並越來越接近於其理論值的新型材料，當然也包括新出現的超纖維及複合材料。從上述意義上來說，這類材料是動態的，隨著科技的發展，將不斷更新換代。

1  無機類超纖維及其複合材料

超碳纖維及其複合材料

碳纖維（CF）被譽為「新材料之王」，目前已商品化的產品最高強度為7 GPa，我國剛突破的研發水平為6.3GPa。最新研發成功的超碳纖維（UCF）是日本東麗TORAYCA^®的T2000，強度高達60GPa，相當於碳纖維理論值（180GPa）的1/3。

T2000的出現使CF從斷裂伸長率為2.2%的脆性材料提升為2.5%以上的高韌性防彈材料，當其複合材料用作坦克和裝甲車的結構材料時，防穿甲彈能力可提高6倍，因此可用作未來超現代化的軍艦和戰鬥機等新型武器系統以及運載火箭和飛彈的殼體結構材料。

TORAYCA^®碳纖維紗/布

超級中間相瀝青基碳纖維（U-MPCF）及其複合材料

U-MPCF是已產業化的碳纖維中拉伸模量和導熱係數最高的產品，兩項指標分別達到了935GPa和900W/（m·K），專利上發表的上述兩個值分別超過1 000GPa和1 000W/（m·K），主要用於需要耐高溫、抗燃、高剛性、熱膨脹係數小和耐宇宙射線的領域，例如衛星天線板等。

各類MPCF增強熱塑性樹脂製品

目前市場上已開發出超高導熱係數系列產品，以日本Granoc纖維為例，其導熱係數有320、500、600和900W/（m·K）等幾種。

日本三菱樹脂公司的U-MPCF為該類纖維的最高性能水平產品，包括：拉伸強度3.8GPa，拉伸模量900GPa，斷裂伸長率0.4%，導熱係數620W/（m·K）；或拉伸強度3.7GPa，拉伸模量935GPa，導熱係數800W/（m·K）。

目前，我國湖南大學、北京化工大學及多家企業正開展相關纖維的中試研究，預期「十三五」期間將建設百噸級生產線。

2   聚對亞苯基苯並二噁唑纖維

PBOF是綜合性能極佳的超纖維，拉伸強度5.5～6.0GPa，模量300GPa，熱分解溫度650℃，在500℃下暴露1h可保留80%的初始模量，而對位芳香族聚醯胺纖維在450℃便分解，極限氧指數（LOI）達到68，可用於體育、工業及防護領域。美國國家航空航天局（NASA）將其用於火星表面探測器吊帶，長20m。該纖維的主要缺點是紫外光穩定性和儲存穩定性差，改進方法是在其苯環上引入羥基或進行共聚改性。

目前只有日本東洋紡有400 t/a的PBOF產能，其產品商品名為「Zylon」。我國約有 6 家單位研製，其中中藍、晨光化工研究院正建設350 t/a的生產線，中試產品強度可達 6 GPa；浙江工業大學和北京化工大學正與相關企業合作，分別興建300和100 t/a的生產線。

3  芳雜環類三元共聚纖維

芳綸Ⅲ是綜合性能極佳的有機超纖維，最早由俄羅斯的3家科研院所研製，包括全俄合成纖維科學研究院、聖彼德堡化纖研究院和莫斯科複合材料科研生產聯合體，現主要由石頭城化工廠生產。該纖維的應用領域包括纖維編織、輕質防彈服、火箭和飛彈發動機殼體等。

芳綸Ⅲ的主要應用領域

目前，產品已形成系列化的有SVM、ARMOS、Rusar系列產品、Artek、Ruslan、Arus等，具有超高強度、高模量、抗燃、耐高溫等特點，其中Rusar（苯環上含氯產品）產量最大，成本低，用途最廣，其中的Rusar NT的拉伸強度高達7GPa，相當於東麗的T1000，在有機纖維中最高。

我國有4家單位已小規模投產，四川輝藤、晨光化工研究院、航天46所和廣東新會彩豔公司的產能各為300、50、50和50t/a，今後晨光化工也計劃擴至百噸級規模，但相較於俄羅斯2000t/a的規模，仍有較大的距離。

（來源：《紡織導報——產業用紡織品增刊》）