羅益鋒，羅晰旻

（全國特種合成纖維信息中心，北京 100028）

高性能纖維及其復(fù)合材料的新形勢與創(chuàng)新思路

羅益鋒，羅晰旻

（全國特種合成纖維信息中心，北京 100028）

高性能纖維及其復(fù)合材料的技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能環(huán)保法律的強(qiáng)化，助推了新市場的開發(fā)、生產(chǎn)規(guī)?；⒏咝Щ偷统杀净?。工藝技術(shù)的重大突破，使產(chǎn)品性能達(dá)到了前所未有的高水平，實(shí)現(xiàn)下游制品的高端化、輕量化和節(jié)能環(huán)保。具體介紹和分析了PAN基碳纖維、碳化硅纖維、碳化硅纖維、對位芳酰胺纖維、超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維和聚芳酯纖維及其先進(jìn)復(fù)合材料，以及碳納米管纖維和石墨烯纖維的最新創(chuàng)新技術(shù)和發(fā)展動向。

高性能纖維；復(fù)合材料；新形勢；發(fā)展動向；技術(shù)創(chuàng)新

0 前言

近年來高性能纖維及其復(fù)合材料的技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能環(huán)保法律法規(guī)的強(qiáng)化，助推了某些高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)高效化、規(guī)?；透叨嘶l(fā)展。工藝技術(shù)的重大創(chuàng)新，突破了進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，將實(shí)現(xiàn)跨越式大發(fā)展。應(yīng)用研究的步步深入，擴(kuò)大了應(yīng)用領(lǐng)域，使某些高性能纖維步入高速發(fā)展的軌道。復(fù)合材料成型設(shè)備的節(jié)能化，加速了復(fù)合材料在汽車、風(fēng)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的擴(kuò)大應(yīng)用。各種微納米粉體的復(fù)合使用，提高了高性能纖維及其復(fù)合材料的綜合性能，并附加了某些特殊功能。某些復(fù)合材料制品與光纖、光柵等傳感材料的組合應(yīng)用，提高了產(chǎn)品的附加值，實(shí)現(xiàn)了更新?lián)Q代。新一輪的兼并潮正在悄然展開，目標(biāo)是構(gòu)筑更完整的產(chǎn)業(yè)鏈和提高企業(yè)競爭力。

以下就某些高性能纖維及其復(fù)合材料的重要創(chuàng)新點(diǎn)、新形勢及我國“十三五”計劃的發(fā)展思路提出建議。

1 碳纖維及其復(fù)合材料

1.1 聚丙烯腈基碳纖維

美國佐治亞理工學(xué)院在美國國防先進(jìn)研究局（DARPA）的9.8×109美元資助下，采用凝膠紡絲新技術(shù)所制備的PAN原絲，制成了拉伸強(qiáng)度為5.5～5.8 GPa，模量354～375 GPa的碳纖維。今后經(jīng)過工藝技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，其力學(xué)性能有望進(jìn)一步提高，因?yàn)镻AN-CF理論極限強(qiáng)度為12.1 GPa。該課題的研發(fā)時間為期4 年。

某C公司采用全新的PAN原絲和碳化后處理技術(shù)，制備出了具有驚人力學(xué)性能的PAN-CF，拉伸強(qiáng)度＞10 GPa，模量＞1 000 GPa。該原絲的卷繞速度可高達(dá)900 m/min，而目前干噴-濕紡的最高卷速為300～400 m/min，同時由于原絲的纖度小，預(yù)氧化和碳化速率快得多，碳絲的卷速可達(dá)16 m/min，而普通的PAN-CF為9～11 m/min，因此用該技術(shù)生產(chǎn)的T800、T1000或更高水平的PAN-CF比用普通工藝技術(shù)生產(chǎn)的同一檔次產(chǎn)品，成本至少低25%。

在通用PAN-CF生產(chǎn)工藝中，想要達(dá)到可持續(xù)發(fā)展要求，采用資源節(jié)約技術(shù)是關(guān)鍵。

德國RWTH Aachen大學(xué)技術(shù)研究所（ITA）分析了PAN-CF生產(chǎn)成本的構(gòu)成（如圖1）。

圖1 PAN-CF生產(chǎn)成本構(gòu)成

ITA的最新研究表明，在預(yù)氧化過程采用熱接觸轉(zhuǎn)移方式代替以往的熱空氣對流轉(zhuǎn)移法，可有效節(jié)能并穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)預(yù)氧化（如圖2）。

圖2 熱接觸轉(zhuǎn)移法預(yù)氧化PAN纖維的DSC測定曲線對比

圖3 采用接觸熱轉(zhuǎn)移的預(yù)穩(wěn)定化PAN纖維與普通預(yù)氧化纖維的SEM表面圖像對比

圖4 兩種纖維的芯鞘結(jié)構(gòu)橫截面掃描圖

這種熱接觸轉(zhuǎn)移法制成的預(yù)氧化纖維（POF）無表面損傷、無溝槽、無皮芯結(jié)構(gòu)（圖3～4），且預(yù)氧化過程無明顯的集中放熱峰，可避免過熱而發(fā)生燃燒現(xiàn)象。

日本Kanto Yakin Kogyo（KYK）公司的先進(jìn)預(yù)氧化爐（圖5），早期低溫碳化爐①和輻射管電加熱的混雜型創(chuàng)新低溫碳化爐②及微波加熱高溫碳化爐③，這些新型爐子可實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能和低成本。

1.2 其他新型碳纖維、碳納米管(CNT)及CNT纖維、石墨烯纖維(GPF)

美國喬治華盛頓大學(xué)研發(fā)一種高效、低能耗、只需幾伏特電壓和有充足陽光與大量CO2就可制成的碳納米纖維（CNF），即在750 ℃熔融碳酸鹽的高溫電解槽中，通過Ni和鋼電極的熱和直流電作用下使CO2溶解，就可在鋼電極上形成CNF，可用作C/C剎車片等用途。

目前正推進(jìn)批量生產(chǎn)的碳納米管（CNT）纖維有兩種，一種是將CNT做長，如在鉑催化劑表面使平面狀的碳?xì)洌N）先驅(qū)體彎成端帽狀，作為CNT成長的晶種（圖6），或如北京大學(xué)所研制的鎢基合金單晶催化劑所制得的空間螺旋結(jié)構(gòu)SWCNT的成長示意圖（圖7）。英國劍橋大學(xué)的學(xué)者首先提出了“宇宙梯”的概念，設(shè)想未來可加工成無限長的CNT單絲架設(shè)于地面和衛(wèi)星之間。

圖5 日本KYK公司的先進(jìn)預(yù)氧化爐

圖6 單壁碳納米管(SWCNT)成長的歷程示意圖

圖7 空間螺旋狀SWCNT的成長示意圖

圖8 氧化石墨烯液晶溶液濕法紡絲示意圖

圖9 石墨烯纖維

另一種是將CNT設(shè)法紡成紗線。最近美國Lintec公司與德克薩斯大學(xué)協(xié)作研發(fā)出CNT片材，計劃2016年實(shí)用化，可用作動力電池的電極材料等。以往的CNT片材是采用CNT分散于溶劑中成膜后干燥而得，力學(xué)特性有損失且厚度較厚，而新技術(shù)制得的產(chǎn)品既輕薄，拉伸強(qiáng)度也高并具有高導(dǎo)電性。

最近古河電工公司與日本信州大學(xué)合作開發(fā)出全球最高導(dǎo)電等級的CNT導(dǎo)體，電阻率為6.3×10-6Ω˙cm，今后將開發(fā)超輕量的導(dǎo)線。

至于石墨烯纖維，浙江大學(xué)已研發(fā)出世界領(lǐng)先的各種石墨烯纖維，是將氧化石墨烯配成液晶溶液進(jìn)行濕法紡絲（圖8）而制得的石墨烯纖維（圖9），還可制成含銀的高導(dǎo)電石墨烯纖維、多功能石墨烯纖維和同軸石墨烯纖維（圖10），用于柔性超級電容器、同軸石墨烯纖維超級電容器等。

1.3 碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)的新進(jìn)展

1.3.1 CFRP中間制品

① 量身定制的碳纖維上漿劑。SGL公司為最大限度發(fā)揮PAN-CF在熱塑性復(fù)合材料的力學(xué)性能，擴(kuò)大在汽車等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)了為不同客戶專用的上漿劑。圖11示出與傳統(tǒng)上漿劑的CFRTP性能差異。

② 為客戶提供量身裁衣的各種織物解決方案。美國Hexcel、日本東麗和意大利G.Angeloni公司的PAN-CF及其混雜織物種類多達(dá)約百種。

先進(jìn)的3D織物和3D打印織物及CFRP產(chǎn)品正擴(kuò)大應(yīng)用。圖12是土耳其Yenibosna Merkez Mah公司為顧客訂制的3D織物類別及其應(yīng)用領(lǐng)域（圖13）。

瑞士North Thin Ply Technology（NTPT）公司2015年研發(fā)了面密度只有15 g/cm2的世界最薄碳纖維單向預(yù)浸帶，而一般市場常見的是100 g/cm2。其PAN-CF選用高強(qiáng)中模型，鋪絲后用高玻璃化溫度（Tg）的環(huán)氧樹脂Thin Preg 120 EP Htg-402浸漬，可用于航空航天、汽車、賽艇等領(lǐng)域，比以往CFRP產(chǎn)品再次減重20%。

1.3.2 快速成型固化劑

比利時Hexion Research公司開發(fā)了新型潛熱環(huán)氧樹脂體系，可快速固化，注射時間和脫模時間短（表1）。

圖10 高導(dǎo)電、多功能和同軸石墨烯纖維

圖11 上漿劑技術(shù)產(chǎn)生的不同力學(xué)性能

圖12 3D PAN-CF織物的類型

圖13 3D PAN-CF織物在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

表1 具有熱潛能的快速成型環(huán)氧樹脂體系

澳大利亞Quickstep公司采用液體加熱技術(shù)，顯著削減了制造大型CFRP部件的成本，并達(dá)到節(jié)能和工藝改進(jìn)的目的，其加工裝置如圖14所示，制備50 mm厚的RTM-6浸漬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)周期，由熱壓罐的22 h降至5 h（圖15）。

美國Hexcel公司的Hexply M77樹脂體系，可在150 ℃/2 min時間內(nèi)制成碳纖維預(yù)浸料或HexMC碳纖維/環(huán)氧樹脂模塑件。

涌源技術(shù)國際有限公司臺灣分公司開發(fā)了快速加熱技術(shù)和設(shè)備，取代原有的復(fù)合材料低效率加熱系統(tǒng)（圖16）。

1.3.3 CFRP新產(chǎn)品

美國Hexcel的HiTape先進(jìn)干式CFRP，于2015年3月獲Aerolia SAS“最佳研究和技術(shù)伙伴2014”獎。HiTape是制備飛機(jī)一次結(jié)構(gòu)材料時具有成本-效率和高度自動化的解決方案，由Hitape增強(qiáng)體和HexFlow樹脂所生產(chǎn)的部件厚度可高達(dá)30 mm，碳纖維體積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%～60%，并具有高韌性和力學(xué)性能產(chǎn)品（圖17）。

圖14 Quickstep公司采用液體加熱技術(shù)模具成型情況

圖15 限止放熱反應(yīng)

圖16 Tech Henry加熱技術(shù)與其他加熱方式對比

圖17 HiTape先進(jìn)干式CFRP部件

圖18 世界最大級別的CFRP太陽能賽車

德國SGL集團(tuán)開發(fā)高延伸率的碳纖維增強(qiáng)熱塑性纖維復(fù)合材料“MAI CaFeE”，此項目獲得聯(lián)邦教育與研究部（BMBF）的1×106歐元基金支持，目標(biāo)是開發(fā)具有高伸長率（＞2%）和優(yōu)良表面結(jié)構(gòu)的上漿碳纖維，用于航空航天領(lǐng)域。具有制備周期短、可焊性、可修復(fù)和再利用的特點(diǎn)。

BASF和SGL集團(tuán)共同研發(fā)碳纖維/聚酰胺復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件，目的是開發(fā)低成本的T-RTM熱塑性成型加工和反應(yīng)性擠出成型工藝，后者是開發(fā)己內(nèi)酰胺熱塑性反應(yīng)體系和在成型裝置中實(shí)現(xiàn)各要素的相互作用，以制備高強(qiáng)的碳纖維-尼龍6復(fù)合材料部件。

日本工學(xué)院大學(xué)最近開發(fā)了世界最大級別的CFRP太陽能賽車，參加“Brightston World Solar challe nge（wse）2015”比賽。采用東邦Tenax的CFRP制造技術(shù)和SAKAI OVEX的超輕量碳纖維織物。這種兩人尺寸的車質(zhì)量僅55 kg，可在澳洲公路上連續(xù)行駛3 000 km以上（圖18）。

新型的時尚外形塞斯納私人飛機(jī)“C400 Corvalis TT”，整個機(jī)身采用CFRP，比原金屬結(jié)構(gòu)減輕了31.5%，零件數(shù)減少61.5%，緊固件數(shù)減少61.3%，最大航速435 km/h，最大航程達(dá)2 315km，飛行海拔高度7 620 m。

三井化學(xué)開發(fā)CFRP與鋁的連接部件，應(yīng)用于自律型無人飛機(jī)。

日本岐玉大學(xué)研發(fā)出6 足步行的機(jī)器蜘蛛（圖19），腳長1.4 m、質(zhì)量27 kg、腳長與身子比例為4∶1，部分部件和6 只腳采用CFRP，可攜帶照相機(jī)進(jìn)行全方位攝影，可進(jìn)行斜面和凹凸不平的難作業(yè)或危險處進(jìn)行調(diào)查作業(yè)。

我國重慶特飛航空動力科技有限公司歷經(jīng)10年的自主研發(fā)，開發(fā)了世界首款CFRP超輕型和可折疊的水上動力沖浪板“TFDL-90”型特飛虎鯊，質(zhì)量14.8 kg，時速55 km，20 min內(nèi)可穿越瓊州海峽。

美國Divergent Microfactories（DM）公司開發(fā)了全球首款3D打印機(jī)超級跑車“刀鋒（Blade）”，整車質(zhì)量0.64 t，從靜止到96 km加速僅需2 s（圖20）。

圖19 6 足機(jī)器蜘蛛

圖20 3D打印超級CFRP跑車

圖21 應(yīng)用于航空航天和工業(yè)CFRP生產(chǎn)的機(jī)器人

圖22 帶子鋪層技術(shù)的加工過程及其加工原理示意圖

1.4 CFRP成型設(shè)備自動化

德國Fraunhofer研究院采用機(jī)器人來制備各種纖維增強(qiáng)塑料部件，其優(yōu)點(diǎn)是操作空間大、制備標(biāo)準(zhǔn)CFRP部件的投資成本低、生產(chǎn)效率高、無需特定的機(jī)座和可集成為全自動化加工鏈，以完成各種任務(wù)。

美國NASA專從事復(fù)合材料機(jī)器人的研究（圖21），應(yīng)用于生產(chǎn)CFRP等航空航天和工業(yè)部件。

先進(jìn)纖維鋪層技術(shù)公司（AFPT）是自動化纖維鋪層技術(shù)的領(lǐng)先廠家之一，主要聚焦于加工熱塑性復(fù)合材料（FRTP），并采用激光系統(tǒng)加工FRP，包括用激光加熱使FRP帶的樹脂熔融，再用壓輥使FRP帶與先前層熔粘，冷卻后完成FRTP部件的加工（圖22）。

荷蘭Van Wees UD and Crossply Technology公司是全球唯一可提供從上游喂絲機(jī)（筒子架）和下游交叉鋪層機(jī)和層壓生產(chǎn)線制備熱固型預(yù)浸料的交鑰匙工程公司，其自動化設(shè)備既可生產(chǎn)碳纖維或玻纖增強(qiáng)熱固性樹脂，也可增強(qiáng)熱塑性樹脂，生產(chǎn)過程采用了許多機(jī)器人和傳感器，實(shí)現(xiàn)了自動化和高效化（圖23）。

1.5 由碳纖維增強(qiáng)熱固型樹脂廢料回收再利用碳纖維

目前主要有以下4 種技術(shù)進(jìn)行CFRP廢料的回收再利用：①通過機(jī)械破碎將生產(chǎn)的粉體或顆粒作為添料加入SMC或BMC、熱塑性樹脂復(fù)合材料、注射成型用熱塑性切片、混凝土等；②通過熱解和用低分子量液體或氣態(tài)烴等化學(xué)品回收CF；③用液化床工藝回收CF；④控制燒結(jié)過程回收CF。

ELG碳纖維公司是全球首家實(shí)現(xiàn)商業(yè)規(guī)?；厥仗祭w維的廠家，有3 種回收CF的商品牌號：Carbiso M、Carbiso CT和Carbiso MF，直徑7.5 μm，其拉伸強(qiáng)度3 150 MPa，模量200 GPa（圖24）。

美國Procotex公司是專業(yè)生產(chǎn)回收紡織纖維的廠家，可回收的纖維包括天然纖維、合成纖維和產(chǎn)業(yè)用纖維，包括CF、玻纖、芳綸和PAN預(yù)氧化纖維，以及PTFE、P84、PPS、PEEK等特種纖維，產(chǎn)能為3×104t/a。

德國STFI研究開發(fā)了再生碳纖維的非織造布，采用“Carbon Waste Cycle”技術(shù)，開發(fā)無樹脂表面處理劑的再生CF，并加工成非織造布。

圖23 自動化生產(chǎn)碳纖維UD帶和預(yù)浸料的各種設(shè)備

圖24 ELG公司3 種回收CF的形態(tài)

2 碳化硅纖維(SiCF)及其復(fù)合材料

由于軍備競賽的加劇和航空航天事業(yè)的迅速發(fā)展，SiCF迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。日本碳與美國GE和法國Saflan公司各出資50%、25%和25%，成立連續(xù)SiCF的生產(chǎn)企業(yè)“NGS Advanced Fiber”公司，計劃在日本富士山市原日本碳公司生產(chǎn)SiCF廠的相鄰場地新建10 t/a的生產(chǎn)廠，占地1.1×104m2，建筑面積6 000 m2。2015年8月動工，預(yù)期2016年底開始投產(chǎn)，總投資6×109日元。

廠內(nèi)將實(shí)現(xiàn)從原料到聚合、紡絲、不熔化（采用先進(jìn)的電子線照射）和燒成設(shè)備的全套生產(chǎn)線，產(chǎn)能由原1 t/a提高了10 倍。產(chǎn)品將以“Hi-Nicalon”和“Hi-Nicalon S型”為主的高性能品，在1 100 ℃的高溫大氣中，耐熱性和抗氧化性兼優(yōu)。產(chǎn)品將提供給GE和Saflan合資開發(fā)的“LEAP噴氣發(fā)動機(jī)”所用的陶瓷基復(fù)合材料（CMC）部件，作為高壓渦輪部件使用。目前民航發(fā)動機(jī)的高溫部分首次采用了CMC部件。

宇部興產(chǎn)公司為適應(yīng)飛機(jī)發(fā)動機(jī)部件的大需求，開發(fā)了大量生產(chǎn)含鈦碳化硅纖維的技術(shù)，到2025年計劃將產(chǎn)能擴(kuò)大到150～200 t/a。

NGS先進(jìn)纖維公司預(yù)測了今后中長期世界民航機(jī)發(fā)動機(jī)市場需求將不斷擴(kuò)大，因此今后將積極進(jìn)行設(shè)備投資，目標(biāo)是構(gòu)筑世界最大規(guī)模的生產(chǎn)體制。

值得注意的是，美國視SiCF為戰(zhàn)略材料，要擺脫長期依賴日本的風(fēng)險，計劃在本國構(gòu)筑從設(shè)備（爐子、反應(yīng)器、材料處理、織造設(shè)備、加工模具和質(zhì)量控制儀器）、設(shè)計/研究/數(shù)據(jù)平臺（分析、樣品制作和設(shè)計）、原料（陶瓷粉、SiCF、氣液體及前驅(qū)體）、制造（織布、鑄模、特種涂覆和CMC制造）、加工、質(zhì)量管理/測試與評價到集成（系統(tǒng)和子系統(tǒng)組合），預(yù)期2017年可生產(chǎn)出本國的SiCF。

我國國防大學(xué)在提高SiCF的耐熱和耐熱氧化性研發(fā)工作方面有新進(jìn)展，而蘇州賽力菲陶纖公司的SiCF正擴(kuò)大至20 t/a，強(qiáng)度為2.6～4.5 GPa，模量180～450 GPa，斷裂伸長率0.6%～2.0%，有吸收中子的功能。其各種編織物產(chǎn)能5 000 m2/a，陶瓷/金屬復(fù)合材料精密部件5×105件。圖25示出其SiCF產(chǎn)品。

圖25 蘇州賽力菲陶纖公司的SiCF產(chǎn)品

今后的研發(fā)方向是想實(shí)現(xiàn)細(xì)徑化，由現(xiàn)有13 μm下降至8 μm左右，耐熱溫度高于1 650 ℃，國外據(jù)稱已可耐2 000 ℃。

3 對位芳酰胺纖維(P-ARF)及其復(fù)合材料

2014年隨著原料和燃料價格的下跌及匯率的大幅度波動，P-ARF的需求比2013年增長了近2 位數(shù)，用途呈現(xiàn)多樣化趨勢，而亞洲是增長最大的地區(qū)，特別是光纜補(bǔ)強(qiáng)材料。

汽車輪胎簾子布和橡膠補(bǔ)強(qiáng)材料，在發(fā)達(dá)國家和亞洲地區(qū)增長最快，預(yù)期今后這種趨勢仍將繼續(xù)，到2016～2017年供應(yīng)量將出現(xiàn)緊俏，因此帝人考慮在2016年中期將Twaron和Technora纖維的產(chǎn)能提高20%～30%。為了強(qiáng)化競爭力，帝人公司一方面加強(qiáng)基礎(chǔ)研究并集中在荷蘭開展，同時為提高在華競爭力決定在上海亞太技術(shù)中心（TCA），成立約30 人的管理營業(yè)團(tuán)隊，就地開展技術(shù)服務(wù)，并開展分析、評價、樣品試制及用途開拓。

LIXIL公司最近開發(fā)了采用P-ARF的簡單耐震改良工法“ARTEC”，用P-ARF片材從室內(nèi)墻壁到房頂進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。先將纖維浸漬樹脂，制成厚度1 mm以下的薄板，從室內(nèi)原有的內(nèi)壁上方用專用的墊片和螺絲進(jìn)行固定，就可發(fā)揮和結(jié)構(gòu)用組合板同等的耐力（5.3 kN/m），取得了建筑防災(zāi)協(xié)會的住宅等防災(zāi)技術(shù)評價，可以縮短工期和降低成本，這將為P-ARF在建筑補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域的應(yīng)用殺出了一條新路。

我國的P-ARF在“十三五”期間，將結(jié)合“一帶一路”和“海上絲綢之路”的戰(zhàn)略機(jī)遇，特別是陸上和海底光纜、汽車輪胎的輕量化及耐震救災(zāi)等領(lǐng)域擴(kuò)大其應(yīng)用。

“十三五”期間，藍(lán)星晨光化工研究院有限公司計劃將P-ARF產(chǎn)能擴(kuò)大至5 000 t/a，并與四川魯晨新材料有限公司合作開發(fā)各種防彈產(chǎn)品；煙臺泰和新材料和河北硅谷化工有限公司計劃將P-ARF各擴(kuò)大至3 000 t/a的產(chǎn)能。

4 超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維(UHMWPEF)

UHMWPEF的發(fā)展方向有3 個方面：①開發(fā)超高強(qiáng)度和模量的UHMWPEF，用于輕量的彈道防護(hù)，②極低蠕變纖維，用于海上石油鉆井平臺的永久錨固纜繩，③超高防切割纖維，用于舒適的防護(hù)手套等。

從理論上看，UHMWPEF的最大可能單絲拉伸強(qiáng)度為6.9 GPa，或相當(dāng)于70 cN/dtex，而目前Dyneema SK99僅為42 cN/dtex，因此還有很大的開發(fā)空間，現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室已研發(fā)更高強(qiáng)度纖維，但成本高。

SK99作為防彈材料，比以往強(qiáng)度為36 cN/ dtex者可減重30%，還用于體育用品如賽艇的帆纜等，可提高艇速。

一般的UHMWPE每年在靜態(tài)緊張條件下的伸長率約1%，超出了長期錨固的要求，只能用于短時間錨固和船舶系留繩的用途，而Dyneema DM20新品種，經(jīng)在70 ℃和在300 MPa張力下進(jìn)行快速蠕變試驗(yàn)，經(jīng)10 個月的蠕變伸長率僅0.2%，相當(dāng)于在一般溫度下25 年的水平，因此有可能取代不銹鋼索和聚酯纜繩應(yīng)用于海上鉆井平臺的永久錨固纜繩。

采用Dyneema金剛石技術(shù)所制成的UHMWPEF手套，比以往同類產(chǎn)品要薄得多，即按EN388標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到防切割3 級水平，比以往的Dyneema纖維或P-ARF手套的質(zhì)量低約50%。

在新用途方面，帝斯曼與挪威Load Solution公司合作開發(fā)并銷售了產(chǎn)業(yè)用鏈條（圖26），商品名“Tycan”，是采用Dyneema DM20纖維制成的，耐化學(xué)品和海水的腐蝕性優(yōu)，是世上唯一在水中能浮起來的鏈條，比普通不銹鋼鏈在同等強(qiáng)度下輕8 倍，因此操作簡便而快速，用于包纏貨柜時不會損傷邊緣部分，且在惡劣天氣下船上的貨柜不會產(chǎn)生滑移。

圖26 "Tycan"能浮在水上的鏈條

5 聚芳酯纖維(APETF)及其復(fù)合材料

目前APETF只有可樂麗公司獨(dú)家實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)能1 000 t/a，是由芳族共聚聚酯通過熔致性液晶紡絲技術(shù)及后熱處理而制得。與鋼絲相比在同等質(zhì)量的情況下強(qiáng)度高約7 倍，低吸濕，耐溫度變化性強(qiáng)，耐磨性優(yōu)。主要用途為繩索、纜繩、漁網(wǎng)、陸用網(wǎng)類、體育用品等，最近開始銷售由該纖維制的無電源受災(zāi)用帳篷，設(shè)置簡便。作為飛艇的膜補(bǔ)強(qiáng)材料也有發(fā)展前景，因其熱脹冷縮系數(shù)小。

最近可樂麗公司正著手開發(fā)創(chuàng)新的工藝技術(shù)，計劃2～3 年內(nèi)確立產(chǎn)業(yè)化新技術(shù)并導(dǎo)入相關(guān)設(shè)備，據(jù)稱可以大大縮短工藝流程和降低成本，2018年后有望擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域。

2015年4月該公司成功地開發(fā)了維綸（聚乙烯醇縮甲醛纖維）的創(chuàng)新工藝（VIP），通過優(yōu)化從原液、紡絲、拉伸和繞絲各工序，使生產(chǎn)線長度縮短至原來的20%，從原料投入至產(chǎn)品的生產(chǎn)時間從原來的1 h縮短至10 min，其中拉伸工序由原來的30～40 s縮短至幾秒，使生產(chǎn)成本下降，節(jié)省了空間，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能，還提高了纖維的均一性。

KB Seiren公司的LCP纖維產(chǎn)能只有數(shù)十噸/年，商品名“ZXion”，2016年將擴(kuò)建成100 t/a的產(chǎn)能，采用獨(dú)自的細(xì)纖度熔紡技術(shù)，復(fù)絲纖度為220 dtex以下，短期纖度為2.3 dtex以下，還有織物和預(yù)浸料。用途有電線的張力材料、耳機(jī)線材、體育休閑用品等，今后將擴(kuò)拓應(yīng)用于復(fù)合材料、高頻部件、印刷線路板、釣魚絲和釣魚竿。

6 結(jié)束語

高性能纖維及其復(fù)合材料工藝技術(shù)的創(chuàng)新和成本的不斷下降，使之步入良性循環(huán)和快速發(fā)展的軌道。其應(yīng)用領(lǐng)域除繼續(xù)向尖端領(lǐng)域伸展外，還拓展到現(xiàn)代家具、各種家庭用品、地標(biāo)性建筑等。

國外許多成功的經(jīng)驗(yàn)和科技成就值得我國借鑒。只有不斷創(chuàng)新和引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，才能跟上時代的潮流，只有走跨越式發(fā)展的道路，才能逐步領(lǐng)先于世界前列。

[1]CAMX-The Composites and Advanced Materials Expo. 2014年10月13-16, 美國.

[2]JEC展覽會. 2015年3月, 法國巴黎.

[3]Georgia Institute of Technology Gel-Spinning technique for high-strength carbon Fibers[J]. Chemical Fiber International, 2015, (3): 140.

[4]BASF公司與SGL集團(tuán)聯(lián)手共同開發(fā)聚酰胺/碳纖維復(fù)合材料體系[J]. 不織布情報，2015, (480): 42; Chemical Fibers International, 2015, (1):16.

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[7]Mary Lou Jay. Robotics boost composites research[J]. Composites Manufacturing, 2015, (7/8): 12-58.

[8]三井化學(xué)將“ポリメタック”應(yīng)用于自律型無人飛機(jī)的骨架部件[N]. 石油化學(xué)新報, 2015, (4 943): 6.

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[10]STFI研究所開發(fā)再生碳纖維非織造布[J]. 不織布情報, 2015, (480): 43.

[11]宇部興產(chǎn)加速チラノ纖維開發(fā)[N]. 化學(xué)工業(yè)日報, 2015, (23 182): 12.

[12]東麗-杜邦新設(shè)芳酰胺纖維R&D設(shè)施[N]. 化學(xué)工業(yè)日報, 2015, (23 168): 1.

[13]New prospects for high-performance polyethylene fibers[J]. Chemical Fibers International, 2015, (1): 42-43.

[14]Dyneema makets the cut in safety gloves[J]. Future Materials, 2015, (5): 9.

[15]KBセ一レン公司探討增強(qiáng)LCP纖維[N]. 化學(xué)工業(yè)日報, 2015, (23,68): 12.

New situation & innovative thinking of high performance f bers and composite materials

LUOYi-feng, LUO Xi-min
( National Specialty Synthetize Fiber Information Center, Beijing 100028 China )

New market development, large scaling production line in low cost and more efficiency of high performance fibers and their composites were promoted by technical innovations and strengthen of energy saving & environ mental protection lows. The mechanical properties reached the highest level which never before due to the important breakthrough in technologies. The newest innovative technologies and development trends were illustrated for PAN-based carbon fiber, SiC fiber, para-Aramid fiber, ultra high molecular weight poly ethylene fiber, liquid fiber, CNT fiber and graphene fiber.

High performance fiber; composite material; new situation; development trend; technical innovation

TQ342.7; TB334

A

1007-9815（2016）01-0001-09

定稿日期:2016-02-18

羅益鋒（1937-），男，浙江寧波人，教授級高工，中心主任，《高科技纖維與應(yīng)用》雜志主編，中國新材料技術(shù)協(xié)會會長，中國化纖工業(yè)協(xié)會顧問，波恩項目投資有限公司專家組組長，從事高新技術(shù)纖維、復(fù)合材料、新能源化工等技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和信息綜合研究，(電子信箱)luoyifengzg@163.com。