高性能纤维综述

高性能纤维综述万恒（南通大学纺织服装学院江苏南通）摘要:分析了解碳纤维,超高强聚乙烯纤维,芳香族聚酰胺纤维，聚苯并咪唑纤维等高性能纤维的重要特征以及它们的应用状况。高性能纤维属于特殊用途的纤维，生产量虽不大，但在国民经济中占有重要的地位。如航天、航空工业中飞行器的结构材料，高温、耐腐蚀气体、液体的过滤材料，各种复合材料，特种防护服等。关键词：高性能纤维；淤浆法;高强度;高模量;低密度;运用中图分类号：文献标志码：Summaryofthehigh-performancefibersWanHeng(NantongJiangsuNantongUniversityCollegeoftextileandgarment)Abstract:theanalysisaboutcarbonfiber,ultrahighstrengthpolyethylenefiber,aramidfiber,poly-benzimidazolefiberandotherimportantcharacteristicsofhighperformancefibersandtheirapplication.High-performancefibersbelongingtospecial-purposefiber,althoughproductionisunlikely,butoccupiesanimportantpositioninthenationaleconomy.Aircraftstructuralmaterialsintheaerospace,aviationindustries,hightemperatureandcorrosivegasandliquidfiltrationmaterials,compositematerials,specialprotectiveclothing.1Keywords:Highperformancefiber;slurry;Highstrength,andhighmoduluslowdensity,touse收稿日期：2012-03-06作者简介：万恒（1990-）男，本科生，南通大学纺织服装学院当今世界迈向21世纪之际，高新产业已经成为世界经济发展的主要目标，应用高技术和新材料为主导的新产业群体，如海洋油气田的勘探和生产、新型土木建筑及抗震防灾加固修复材料、天然气为动力的汽车工业、高速列车和宇宙交通工具的开发、体育休闲用品市场的扩大等，都将需要高性能纤维材料的支撑，应用市场需求量的增加，必然推动高性能纤维的新一轮扩容。·定义：高性能纤维目前尚无明确而统一的定义。一般来说，具有比普通合成纤维高得多的强度和模量，有优异的耐高温性能和难燃性及突出的化学稳定性。·发展：合纤发展的四个阶段：第一阶段（1938～1950年）主要发展锦纶；第二阶段（1950～1956年）涤纶和腈纶问世并实现工业化生产；第三阶段（1956年开始）发展改性纤维，包括差别化纤维；第四阶段（20世纪60年代初）发展高性能纤维。·分类：1高性能无机纤维用无机纤维增强陶瓷、金属、高聚物制得的复合材料具有许多优异性能，如轻质、高强、高模、耐高温等，广泛应用于航天航空、军工、高性能运动器材、以及高温绝热材料等领域，引起了人们的极大关注。玻璃纤维是人们最早应用的无机纤维，作为工业用纤维材料已经确立了应有的地位；后来，硅酸铝纤维也开始被应用于保温复合材料；随着空间技术的发展以及新型发动机等新产业的兴起，对材料提出了更高的要求，比如在氧化性气氛的高温条件下能够保持其使用强度和模量。随后研制出了许多更高性能的纤维，如氧化铝纤维、硼纤维，碳化硅纤维，化硅纤维等新品种。例如，20世纪6O年代，用化学气相沉积法(CVD)制得硼纤维和碳化硅纤维，用于金属基复合材料；1972年，ICI公司制得Saffil短纤维，应用于增强轻合金；3M公司于7O年代制得了Nex—tel一312连续纤维；1979年，DuPont公司研制出一种a一氧化铝纤维FP等。这些高性能无机纤维用于金属、陶瓷复合材料，具有轻质、高强、高模、耐高温的优异性能，这些是目前碳纤维和有机纤维所无法比拟的。1．1无机纤维的种类及其制法、性能及应用无机纤维的材料主要有二氧化硅、氧化铝、硅酸铝、二氧化钛、石墨、硼、碳化硼、碳化硅以及氧化硅等，其制造方法主要有化学气相沉淀法、溶胶一凝胶法、化学反应一前驱体法、晶体生长法、熔融纺丝法等。与有机纤维相比，无机纤维除了强度和模量较高外，更重要的是具有超常的耐高温性。1．1．1硅酸铝纤维硅酸铝纤维主要由氧化铝和二氧化硅组成，有时还含有少量氧化铁、二氧化钛、氧化钙等物质。氧化铝含量一般在45％～60％之间的硅酸铝纤维可以通过熔融纺丝法制造；若氧化铝含量更高，由于氧化铝的熔点高和熔体粘度低，难以用熔法纺丝。氧化物熔体通过喷吹或离心纺丝成型，得到直径为1um～10um，长度为几个cm的硅酸铝纤维。硅酸铝纤维形状和颜色同棉花相似，密度小，隔热性能好，可以制成毯、毡、纸、板等形状，主要用于高温炉的绝热材料。1．1．2氧化铝纤维与硅酸铝纤维相比，氧化铝纤维中氧化铝组分的含量更高，因而有更好的耐高温性和更高的模量，在制造复合材料方面有很好的前景。由于氧化铝的熔点高，融体粘度低，用传统的熔法纺丝困难，难以制得氧化铝长纤维。7O年代以来，各国研究者陆续研究出不同生产路线，主要有：淤浆法，杜邦公司将直径在0．5m以下的a—Al2o3的粉末，用羟基氯化铝和少量的铝化镁作粘结剂制得一定粘度的浆料，进行干法纺丝成纤；经干燥、烧结，得到一氧化铝多晶纤维。溶胶一凝胶法，也是制造氧化铝纤维最常用的一种方法，美国3M公司把含甲酸根离子和乙酸根离子的氧化铝溶液，与含有硅组分的溶液、硼酸溶液混合，得到溶胶，浓缩成纺丝液进行纺丝，然后于900qC烧结成纤维，接着在1000qC以上烧结，即得到Nextel312氧化铝纤维。基体纤维浸渍溶液法，采用无机盐溶液浸渍基体纤维，然后烧结除去基体纤维而得到陶瓷纤维。采用溶液多为水溶液，基体纤维为亲水性的粘胶丝纤维。基中无机盐以分子状态分散于粘胶纤维中，而不是粘附于纤维表面，这有利于纤维的形成。氧化铝纤维主要用作增强材料(长纤维)和高温绝热材料(短纤维)，可以编织成无纺布、编织带、绳索，广泛用于增强Al、Ti、SiC和其它氧化物陶瓷基体。另外，多微孔氧化铝纤维还可以用于催化剂载体材料。1．1．3二氧化硅纤维高纯度二氧化硅纤维是另一种重要的用于高温领域的金属氧化物纤维。主要制造方法有：①以高纯度二氧化硅为原料，通过熔法纺丝得到二氧化硅纤维。②以一种含75％(wt)SiO2，25％(wt)Na20的玻璃为原料，熔融纺丝，再经过酸滤过程得到二氧化硅纤维。③用Na2SiO4的浓缩溶液纺丝，在酸浴中转变为多孔的聚合硅酸，随后脱水得到二氧化硅纤维。④以硅醇盐为原料，通过溶胶一凝胶法也可以制得高纯氧化硅纤维。1．1．4硼基纤维1．1．4．1硼纤维硼纤维一般是用化学沉积法将无定形硼沉积在钨丝或碳纤维上制成，直径100um。它具有高强度、高模量和低密度等优点，可用于增强复合材料，尤其是轻质结构材料，在体育器材和飞行器方面也有重要应用。但是，硼纤维在高温下使用易氧化分解，失去高强度和模量，为此，可在其表面涂覆一层SiC。1．1．4．2碳化硼纤维碳化硼纤维制法与硼纤维类似，以BC12和甲烷混合物为原料，通过化学沉积法制得。1．1．4．3氮化硼纤维氮化硼纤维具有高强度、高模量的特点，先制得前驱体氧化硼纤维，然后在800qC条件下暴露于NH3气体中，经过渗氮过程，再在2000qC条件下拉制成氮化硼纤维。氮化硼纤维为增强材料的氮化硼基复合材料可以用于绝缘、导热的电器、电子元件材料。1．1．5硅基纤维1．1．5．1碳化硅纤维SiC纤维是用于高温领域的最重要的纤维之一，不仅具有高强度、高弹性模量的特点，还具有优异耐高温性能，甚至可以在l800qC下使用。主要制造方法有：①在1200～1400qC条件下，通过化学沉积法将SiC沉积在钨丝或碳纤维上；②先由有机硅化合物聚碳硅烷纺丝成型得先驱纤维，再在1000~以上，惰性气体保护或真空条件下烧结得到SiC纤维。SiC纤维还具有良好的耐化学腐蚀性，与金属反应程度低，且具有半导体性质，作为纤维增强材料，可以用于金属、陶瓷、聚合物的复合材料。其中，碳化硅增强聚合物基复合材料可以吸收或透过雷达波，可作为雷达天线罩、火箭、导弹、飞机的隐身结构材料，在军事上有重要应用。1．1．5．2氮化硅纤维Si3N4纤维可由SiO与N2在1400qC绝缘高温炉中通过一种还原剂作用反应制备。此外，也可将有机硅化合物聚碳硅烷先驱纤维先经电子束照射交联，再在NH气体中烧结，得到Si3N4纤维。氮化硅具有类似碳化硅纤维的力学性能和应用领域，耐化学腐蚀和耐高温性良好，是未来航天航空、汽车发动机耐高温部件最有希望候选的材料之一。不同种类的无机纤维性能有所差别，一般来说，无机纤维的密度较碳纤维和Kevlar纤维高；氧化铝纤维的拉伸强度较低；FP及SCS一6纤维模量较高，伸长率小。人们可以根据不同的需要选择不同类型的纤维。1．1．6晶须纤维晶须纤维是一种针状单纤维，断面呈三角形，具有很高的强度和模量，有金属晶须和陶瓷晶须两大类。金属晶须中，铁晶须已经投产，是由五羰基铁分解并在磁场中结晶形成的。铁晶须可以在磁场中取向，用于制取有定向行为的复合材料。此外，还有铜晶须、铬晶须、镍晶须等。陶瓷晶须除了强度极高，还有低密度、弹性模量高、耐热性好等特点，是一类很有发展前景的增强纤维，主要用于字航工业。陶瓷晶须一般用气相结晶法生产，工艺复杂，造价较高。，目前工业生产的陶瓷晶须主要是SiC晶须，其它还有A12O3，晶须、s3N4晶须和石墨晶须等。1．2展望许多高性能的无机纤维，如氧化铝纤维，硼纤维，碳化硅纤维，氮化硅纤维，因它们的优异性能和在高科技领域的广泛应用，已经越来越受到人们的重视。其中，碳化硅纤维和氧化铝纤维与金属、陶瓷之间具有很好的相容性，因此十分适合于制造增强金属复合材料(FRM)和增强陶瓷材料(FRC)。同时，这类纤维与基体界面热膨胀率和导热率非常接近，所以在耐热复合材料的开发中发展很快，纤维的加人可以提高陶瓷基体的韧性、增加抗冲击强度，在火箭、喷气飞机的耐热部件方面会得到应用。但是由于碳化硅等纤维原料价格高，工艺复杂，造价昂贵，使其应用推广受到限制。与此相比较，氧化铝纤维成本要低许多，尤其是溶胶一凝胶法的应用使得纤维的烧结温度大大降低，并且可以进行化学剪裁，制得具有精确化学计量配比组分的氧化铝纤维，可以控制得到更优异的性能，如莫来石纤维。我国在这方面的研究已经受到重视，但还只是低档次、小规模生产，不能满足国内需求。对高性能无机纤维尤其是较低成本的氧化铝纤维的研究和开发将是我国材料开发的热点之一。2高性能有机纤维主要的高性能有机纤维有碳纤维(聚丙烯腈基、沥青基)、对位芳纶、超高相对分子质量聚乙烯纤维等。但是能够大规模工业化生产，年产量超过万吨级的只有对位芳纶，碳纤维到1996年突破万吨大关。2．1芳香族高性能纤维芳香族高性能纤维主要品种是对位芳纶，美国DuPont公司和荷兰AkzoNobel公司的产量占有主导地位。这是因为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维是第一个用高分子液晶纺丝技术，纤维大分子结构是伸直链模型，高取向、高结晶度的有机高分子纤维材料，已经有25年以上的工业化经历，随着生产量的扩大，固定费和原料成本的下降，使其总的成本也随之降低。据说Akzo公司正在研究下一步扩产的计划，这些都预示着市场需求量很大，新一轮扩产趋势相当迅猛。2．1．1芳香族高性能纤维的结构和性能高性能纤维要求其分子化学结构必须符合下面的条件：(1)构成高分子主链的共价键键能越大越好；(2)大分子链的构象越近似直线形越好；(3)大分子链的横截面积越小越好；(4)高分子链的键角形变和键内旋转受到阻力越大越好；(5)高相对分子质量越大越好，减少大分子链的末端数。芳香族高分子物比较容易符合这些条件，例如对位芳纶的大分子化学结构中，苯环与酰胺基形成盯共