第一節(jié)　高性能纖維的定義、分類及基本特性

一、高性能纖維的定義

高性能纖維，顧名思義在于“高性能”，是指具有特殊的結(jié)構(gòu)、性能和用途，或具有某些特殊功能的化學(xué)纖維。高性能纖維早期定義的依據(jù)是力學(xué)性能，往往指斷裂強(qiáng)度超過(guò)15cN/dtex的纖維，比如碳纖維、對(duì)位芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等，但該定義在實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用中有一定的局限性；廣義上，具有耐高溫、耐輻照、耐腐蝕等特性的纖維，也稱為高性能纖維，比如間位芳綸、聚四氟乙烯纖維、聚苯硫醚纖維等，這些產(chǎn)品主要特點(diǎn)在于耐熱性和阻燃性等方面。

二、高性能纖維的分類

高性能纖維可根據(jù)材料的屬性進(jìn)行分類，包括金屬纖維、無(wú)機(jī)纖維和有機(jī)纖維。金屬纖維因其密度高、比強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在高性能纖維家族中的規(guī)模相對(duì)較小。無(wú)機(jī)纖維的主要特點(diǎn)是耐高溫、耐腐蝕、優(yōu)良的力學(xué)性能，在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括碳纖維、碳化硅纖維、氮化硼纖維、硅硼氮纖維、氧化鋁纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維等。

有機(jī)高性能纖維品種較多，根據(jù)大分子鏈的特性可分為柔性鏈纖維和剛性鏈纖維。柔性鏈有機(jī)纖維的典型代表是超高分子量聚乙烯纖維、高強(qiáng)聚乙烯醇纖維等，其大分子主鏈由—CH2—組成，因分子鏈的高度取向使纖維的力學(xué)性能得到明顯提升。剛性鏈纖維包括芳香族聚酰胺纖維（即芳綸）、聚芳酯纖維、聚酰亞胺纖維、聚對(duì)亞苯基苯并噁唑纖維（PBO）、聚苯并咪唑纖維等，其中后三種纖維又稱為芳雜環(huán)類纖維。另外，也可依據(jù)纖維的典型特性對(duì)有機(jī)高性能纖維進(jìn)行分類，如高強(qiáng)高模纖維（如對(duì)位芳綸、高強(qiáng)聚酰亞胺纖維、PBO纖維、超高分子量聚乙烯纖維等）、耐高溫纖維（間位芳綸、聚苯并咪唑纖維、聚醚酰亞胺纖維等）等。

三、高性能纖維的物理機(jī)械性能

無(wú)機(jī)纖維除了具有優(yōu)良的力學(xué)性能外，耐熱性好是其明顯的優(yōu)勢(shì)，無(wú)機(jī)纖維還具有韌性低、密度高、制備相對(duì)復(fù)雜等特點(diǎn)，幾種典型的無(wú)機(jī)纖維的性能見(jiàn)表1-1。

表1-1　部分無(wú)機(jī)纖維和金屬纖維的力學(xué)性能

注　數(shù)據(jù)來(lái)自相關(guān)產(chǎn)品說(shuō)明書。

與無(wú)機(jī)纖維相比，有機(jī)高性能纖維不僅具有優(yōu)良的力學(xué)性能，而且其低密度、高韌性的特點(diǎn)，使其在輕質(zhì)復(fù)合材料領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，部分有機(jī)高性能纖維的特性見(jiàn)表1-2。

表1-2　部分有機(jī)高性能纖維的特性

注　聚酰亞胺纖維的數(shù)據(jù)來(lái)自東華大學(xué)研發(fā)的纖維指標(biāo)，其他均來(lái)著相關(guān)產(chǎn)品手冊(cè)。

高性能纖維的品種較多，各自表現(xiàn)為不同的應(yīng)力—應(yīng)變行為，圖1-1給出了幾種典型的纖維應(yīng)力—應(yīng)變曲線。可見(jiàn)，高強(qiáng)高模纖維的斷裂延伸率普遍小于4%，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線呈現(xiàn)線性行為，初始模量較高。耐熱型纖維則不強(qiáng)調(diào)其力學(xué)性能，其應(yīng)力—應(yīng)變曲線與普通纖維比較近似。

與傳統(tǒng)的金屬和無(wú)機(jī)陶瓷材料相比，由有機(jī)高性能纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在國(guó)防軍事、航空航天、風(fēng)力發(fā)電、建筑補(bǔ)強(qiáng)、環(huán)境保護(hù)、汽車行業(yè)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為輕質(zhì)復(fù)合材料的重要組成部分，增強(qiáng)纖維的比強(qiáng)度和比模量指標(biāo)在某些領(lǐng)域（如航空航天等）顯得尤為重要。圖1-2給出了幾種典型高性能纖維的比強(qiáng)度和比模量對(duì)比圖，可見(jiàn)有機(jī)纖維以其低密度體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。