【摘要】本文主要介绍了几种高性能纤维的特性及应用与发展，认为高性能纤维的开发与应用前景十分广阔，加速高性能纤维工业化进程具有重大意义，对整个社会将带来很大的经济效益。
关键词：高性能纤维，分类，应用
高性能纤维 (High-Performance Fibers)是从20世纪60年代开始研发并推广的纤维材料，它的出现使传统纺织工业产生了巨大变革。所谓高性能纤维是指有高的拉伸强度和压缩强度、耐磨擦、高的耐破坏力、低比重(g/m3)等优良物性的纤维材料，它是近年来纤维高分子材料领域中发展迅速的一类特种纤维。高性能纤维可用于防弹服、蹦床布等特种织物的加工及纤维复合材料中的加固材料，其发展涉及许多不同的领域。 （一）高性能纤维的分类
高性能纤维包括有机和无机高性能纤维两大类。目前高性能纤维的代表品种主要有：有机纤维的对位芳纶(聚对苯二甲酰对苯二胺，也叫芳纶1414)、超高分子量聚乙烯、聚苯并双嗫唑
纤维(PBO)；无机的碳纤维和高性能玻璃纤维等。本文主要分析和比较了玻璃纤维、碳纤维、超高强聚乙烯纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维、M5纤维等高性能纤维的特性以及它们的应用状况。
一、玻璃纤维
玻璃纤维是复合材料中最主要的增强材料，它由氧化硅与氯化铝等金属氧化物组成的无机盐类混合物经熔融而成，冷却固化可制得多种玻璃产品，熔融的玻璃经过喷丝小孔，拉制成玻璃长纤维，起始于30年代，用玻璃纤维增强塑料，当时称为玻璃钢的复合材料，最早出现于40年代，并在航空工业上得到应用。经过近七十年的发展，现在的玻璃纤维工业已经具有众多类型和牌号的玻璃纤维产品。
玻璃纤维的抗张强度较高，其直径越细强度也就越高，但很细的玻璃纤维纺丝难度极大，随之生产成本上升，所以目前高强度的玻璃纤维产量还比较低。今年来玻璃纤维增强复合材料得到很大的发展，世界总产量达到200多万吨，我国玻璃纤维复合材料的生产能力已达到20万吨左右。
一般玻璃纤维可用于以下三个只要领域，即绝缘、过滤和复合增强。增强材料目前已用于航天航空和产业用品，以取代笨重的金属部件。玻璃纤维也可用于船艇，浴缸和淋浴装置，风轮机刀片，加固管道，汽车和器件组件，印刷电路板，防虫纱门，产业用织物（包括房子覆盖物和屋顶盖板），密封垫片和贮油槽，过滤及绝缘器材。由于玻璃纤维强力高、耐热性好、耐化学腐蚀，而价格相对便宜，所以作为纤维增强材料将会得到更大的发展。
二、碳纤维
碳纤维是以聚丙烯腈纤维、粘胶纤维或沥青纤维为原丝，通过加热除去碳以外的其他一切元素制得的一种高强度、高模量纤维，它有很高的化学稳定性和耐高温性能，是高性能增强复合材料中的优良结构材料。
根据炭化温度的不同，碳纤维分为以下三种类型:
1.普通型(A型)碳纤维普通型(A型)碳纤维是指在900～1200。C下炭化得到的碳纤维。这种碳纤维强度和弹性模量都较低，一般强度小于107．7cN／tex，模量小于13462cN／tex。
2.高强度型(Ⅱ型或C型)碳纤维高强度型(1I型或C型)碳纤维是指在13001700。C下炭化得到的碳纤维。这种纤维强度很高，可达138．4～166．1cN／tex，模量约为13842～16610cN／tex。
3.高模量型(I型或B型)碳纤维高模量型(I型或B磁疗远红外型)碳纤维又称石墨纤维，它是指在炭化后再经2500。C以上高温石墨化处理得到的碳纤维。这类碳纤维具有较高的强度，约为97．8～122．2cN／tex，模量很高，一般可达17107cN／tex以上，有的甚至高达31786cN／tex。
碳纤维并不单独使用，它一般加入到树脂、金属或陶瓷等基体中，作为复合材料的骨架材料。这样构成的复合材料不仅质轻、耐高温而且有很高的抗拉强度和弹性模量，是制造宇宙飞船、火箭、导弹、高速飞机以及大型客机等不可缺少的组成原料。另外，其复合材料在原子能、机电、化工、冶金、运输等工业部门以及容器和体育用品(例如网球拍、冰球拍、高尔夫球拍、滑雪板、赛船、帆船)等方面也有广泛的用途。
三、超高强聚乙烯纤维
高强高模聚乙烯在20世纪70年代出现，具有超高分子量，高取向度，且分子间距很近，使纤维具备高强高模的特征，其密度具有0.97g/cm3，是唯--能浮在水面上的高强高模纤维。除此之外，超高强聚乙烯纤维还具有很高的勾结强度和结节强度，所以具有很好的耐疲劳性和耐摩擦性，且均优于芳纶和碳纤维，而与常规的尼龙纤维和聚酯纤维相仿。因此，该纤维可以用普通纤维常用的加捻、机织、针织等工艺进行后加工。超高强聚乙烯纤维其他机械性能亦比较突出，如良好的韧性和耐疲劳性能，耐高速冲击性等 。
四、芳香族聚酰胺纤维
芳香族聚酰胺是最为人所熟知的，通过液晶纺丝纺制的高性能纤维，如Kevlar(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)、Twaron(聚对苯二甲酰间苯二胺纤维)、Technora(聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)等，芳香族聚酰胺具有高结晶和高取向分子结构，这类纤维性能比较均衡，具有高强伸性能，高韧性、耐腐蚀、耐冲击、较好的热稳定性，不导电，除了强酸和强碱外，具有较强的抗化学性能。
芳香族聚酰胺纤维是指由酰胺基团直接与两个苯环基团连接而成的线型高分子制造而成的纤维，在我国称为芳纶。根据酰胺基与苯环上的碳原子相连接的位置不同，分为间位芳纶(
芳纶1313)和对位芳纶(芳纶1414)。与普通聚酰胺纤维相比，芳纶的性质与用途有很大的区别。芳纶1313耐高温性好，不会熔融；芳纶1414强度高、模量高又耐高温。芳纶主要在产业用纺织品上应用，特别是产品要求轻量化、高性能化的场合，只能使用芳纶制品。
五、聚对苯撑苯并双恶唑(PBO)纤维
1998年国际产业纤维展览会上，日本东洋纺展出了商品名为Zylon的PBO纤维，其化学名为聚对苯撑苯并双恶唑，化学结构为:
PBO纤维采用液晶纺丝法纺丝，由苯环和苯杂环组成的刚棒状分子结构以及分子链的高取向度，决定了它的优良性能。PBO初纺普通丝(AS丝-标准型)就具有3.5N/tex以上的强度和10.84N/tex以上弹性模量，经热处理后可得到强度不变、模量达176.4N/tex的高模量丝 (HM丝-高模量型)。PBO作为一种新型高性能纤维，具有高强度、高模量、耐热性、阻燃性4大特点，其强度与模量相当于Kevlar (凯夫拉)的2倍，限氧指数(L01)为68，热分解温度
高达650℃，在有机纤维中为最高，被认为是目前具有最高耐热性能的有机材料之一。
表1 PBO纤维的性能
性能 | PBO一AS | PBO—HM |
密度(g/cm3) 抗拉强度(GPa) 拉伸模量(GPa) 断裂延伸率(%) 热分解温度(℃) L01(%)vobu | 1.54 5.8 180 3.5 650 68 | 1.56 5.8 280 2.5 热顶结晶器650 68 |
| | |
表2 PBO纤维与其他纤维的主要性能比较
性能 | PBO-HM | Kevlar-49 | 宇航级碳纤维 |
密度(g/cm3) | 1.56 | 1.45 | 1.80 |
纤维直径(µm) | 24 | 12 | 6 |
抗拉强度(Gpa) | 5.8 | 3.2 | 3.58 |
拉伸模量(CPa) | 280 | 115 | 230 |
断裂延伸率(%) | 2.5 | 2.0 | 显示器挂架0.5 |
热分解温度(℃) | 650 | 550 | 一 |
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六、M5纤维
PBO纤维推出的几年后，阿克卓·诺贝尔(Akzo Nobel)公司开发了一种新型液晶芳族杂环聚合物:聚[2,5-二烃基-1,4-苯撑吡啶并二咪唑]，简称 "M5"或PlPD，化学结构为:
M5纤维的结构与PBO分子相似——刚棒结构。在M5分子链的方向上存在大量的-OH和-NH基团，容易形成强的氢键。如图4所示，与芳香族聚酰胺晶体结构不同，M5在分子内与分子间都有氢键存在，形成了氢键结合网络。
图1 为M5纤维沿分子链轴方向的晶体结构，虚线为氢键。
从图1可以清楚地看出，M5大分子所形成的双向氢键结合的网络，类似一个蜂窝。这种结构加固了分子链间的横向作用，使M5纤维具有良好的压缩与剪切特性，压缩和扭曲性能为目前所有聚合物纤维之最。
（二）应用与前景
目前超高强聚乙烯纤维的应用主要是加工防弹用特种织物、防弹板、渔业用绳网、极低温绝缘材料、混凝土补强加固用试验片材、光缆补强材料、降落伞绳带、汽车保险杠等。芳香族聚酰胺纤维常见的品种Kevlar、Twaron、Technora纤维等，主要应用有作为复合材料的增强体、渔业工业等用绳网、防弹服、防弹板、头盔、混凝土补强材料等。碳纤维的优良特性使其广泛用于航空、航天、军工、体育休闲等结构材料，应用于宇宙机械、电波望远镜和各种成型品，还有直升飞机的叶片、飞机刹车片和绝热材料、密封填料和滤材、电磁波屏蔽材料、防静电材料、医学材料等。PBO纤维从问世以来就受到人们的关注，其应用主要有防冲击方面的加固补强材料、复合材料中的加固材料，用于防护的防弹服、防弹头盔、消防服、高性能及耐高温传动带、轮胎帘子线、光纤电缆承载部分、架桥用缆绳、耐热垫材等。
扫地机器人方案 与各种高性能纤维相比，M5纤维的综合性能更优越，这使得它的应用领域更广泛。尤其是M5纤维的抗冲击力和耐破坏性，使它在制造经济、高效的结构材料方面有广阔的应用前景，如应用于航空航天等高科技领域，在高性能纤维增强复合材料中M5也具有很强的竞争力。当前M5纤维的研究比较活跃，随着研究的深人，其性能和应用将得到不断的提高和拓展。
高性能纤维的不断创新是高性能产业用纺织品及复合材料用纤维领域的重要进步，随着纤维增强复合材料在航空航天、交通运输、民用建筑、生物医用和体育器材等领域的广泛应用，不仅要求复合材料具有很高的损伤容限和可靠性，同时对其增强材料的结构完整性和适形性的要求也更加严格。针织结构由于其弹性、灵活性和高能量吸收性，尤其是优异的悬垂性及可成形性在生产复杂形状的复合材料构件中具有明显优势，近年来在复合材料领域受到人们越来越多的关注。随着世界高新技术、纤维合成与纺丝工艺的发展，以及军事、航空航天、海洋开发、产业应用的迫切需要，高性能纤维的开发与应用前景将更为广阔。
参考资料
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