第1章　概述

1.1　高性能纖維概況

1.1.1　高性能纖維的發(fā)展歷程

幾千年前，人類就已經(jīng)會利用天然材料來改進(jìn)生活、抵御外侵，比如，把牛皮裁剪成帶子用作弓箭的弦，以提供足夠的張力和彈性，或許這可以稱為“高性能帶子”。工業(yè)革命以來，隨著科技的快速發(fā)展，尤其是近百年來，人造材料逐步進(jìn)入人們的視野，高性能纖維也應(yīng)運而生。

高性能纖維，重點在于“高性能”，即具有特殊的物理化學(xué)結(jié)構(gòu)、性能和用途，或具有特殊功能的化學(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15 cN/dtex的纖維[1]，如碳纖維、對位芳綸、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE纖維）等，但該定義在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中有一定的局限性。近年來，高性能纖維被賦予更廣泛的含義，如具有耐高溫、耐輻照、耐腐蝕等特性的纖維，也可稱為高性能纖維，如間位芳綸、聚四氟乙烯纖維、聚苯硫醚纖維等，這些產(chǎn)品主要體現(xiàn)了耐熱性和阻燃性優(yōu)異。

早在1860年，英國科學(xué)家Sir Joseph Wilson Swan（1828—1914年）發(fā)明了一盞以碳紙條為發(fā)光體的半真空碳絲電燈，也就是白熾燈的原型。1879年，愛迪生發(fā)明了以碳纖維為發(fā)光體的白熾燈。他將椴樹內(nèi)皮、黃麻、馬尼拉麻或大麻等富含天然線性聚合物的材料定型成所需要的尺寸和形狀，并在高溫下對其進(jìn)行烘烤。受熱時，這些由連續(xù)葡萄糖單元構(gòu)成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。1892年，愛迪生發(fā)明的“白熾燈泡碳纖維長絲燈絲制造技術(shù)”獲得了美國專利（USP470925）[2-3]。可見，早期的碳纖維只能稱為“功能性”纖維，即利用了碳纖維的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐高溫特性，而非目前普遍認(rèn)可的高強(qiáng)度、高模量等優(yōu)越的力學(xué)性能。現(xiàn)代工業(yè)意義上的碳纖維是1959年聯(lián)合碳化公司以黏膠纖維（Viscose fiber）為原絲制成商品名為“Hyfil Thornel”的纖維素基碳纖維。1961年日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究院（Government Industrial Research Institute）的進(jìn)藤昭男（Akio Shindo），在實驗室中制得了模量高達(dá)140 GPa的聚丙烯腈基碳纖維，高出黏膠基碳纖維模量的3倍，之后，東麗公司與美國聯(lián)合碳化物公司簽署了技術(shù)合作協(xié)議，進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。20世紀(jì)80～90年代，在民用航空、體育用品為中心的市場引領(lǐng)下，碳纖維順利擴(kuò)大了應(yīng)用市場，并得以快速發(fā)展。我國從20世紀(jì)60年代開始研發(fā)聚丙烯腈基碳纖維，從事碳纖維研發(fā)的機(jī)構(gòu)主要有東華大學(xué)、中科院山西煤化所、北京化工大學(xué)、長春應(yīng)用化學(xué)研究所、中科院化學(xué)研究所等。

有機(jī)高性能纖維快速發(fā)展于20世紀(jì)中期，隨著有機(jī)合成化學(xué)和纖維成形技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家可以通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，合成出分子鏈剛性或半剛性的聚合物，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫的特性，為高性能纖維的紡制提供了原材料。20世紀(jì)60年代末，美國杜邦公司發(fā)現(xiàn)了芳香族聚酰胺的溶致性液晶現(xiàn)象，于1972年實現(xiàn)聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）纖維工業(yè)化生產(chǎn)，商品名稱為Kevlar。2000年，日本帝人公司收購了荷蘭Twaron并進(jìn)行了多次大規(guī)模擴(kuò)能。同一時期，為滿足美國空軍對耐高溫聚合物材料的要求，美國SRI（Stanford Research International）材料實驗室設(shè)計并合成出多種高性能聚合物，主要包括聚苯并唑（PBO）、聚苯并噻唑（PBT）、聚苯并咪唑（PBI）等。PBI率先于1961年應(yīng)用于高性能纖維制備，該纖維具有優(yōu)良阻燃性能，極限氧指數(shù)（LOI）達(dá)到40，但其力學(xué)性能不高；與此不同的是，PBO纖維卻展示了優(yōu)越的力學(xué)性能和耐熱穩(wěn)定性。最先投入PBO纖維研發(fā)的企業(yè)是陶氏化學(xué)公司（Dow），但Dow并沒有成功地將PBO纖維產(chǎn)業(yè)化，而是由日本東洋紡于20世紀(jì)90年代初進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，商品名為Zylon。

1.1.2　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、無機(jī)纖維和有機(jī)纖維。金屬纖維因其密度高、比強(qiáng)度低特點，在高性能纖維家族中的比重相對較小。無機(jī)纖維的主要特點是耐高溫、耐腐蝕、力學(xué)性能良好，在航空航天、武器裝備等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，包括碳纖維、玻璃纖維、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展現(xiàn)優(yōu)越的力學(xué)性能。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（PI纖維）、PBO纖維、PBI纖維等，其中后三種纖維又稱為芳雜環(huán)類纖維。

也可依據(jù)纖維的典型特性對有機(jī)高性能纖維進(jìn)行分類，如高強(qiáng)高模纖維（包括對位芳綸、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、PBI纖維、聚醚酰亞胺纖維等），等等。

1.1.3　高性能纖維的特點

較高的力學(xué)性能和環(huán)境穩(wěn)定性是高性能纖維的典型特性，每種纖維都有其不可替代的優(yōu)點，比如，無機(jī)纖維具有高的耐熱性，有機(jī)纖維則具有較低的密度。表1-1列舉了部分高性能纖維的物理特性（力學(xué)性能和耐熱性數(shù)據(jù)），這些數(shù)據(jù)來自產(chǎn)品的宣傳信息或研究報告等不同的途徑，且各家的產(chǎn)品有較大差別，因此僅供參考。

表1-1　部分高性能纖維的物理特性

與傳統(tǒng)的金屬和無機(jī)陶瓷材料相比，由高性能纖維增強(qiáng)的聚合物基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)、高比剛、可設(shè)計性強(qiáng)以及密度低等優(yōu)點，現(xiàn)已在航空航天、國防軍事、風(fēng)力發(fā)電、建筑、環(huán)境、汽車等諸多領(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)體的比強(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1-1給出了幾種典型高性能纖維的比強(qiáng)度和比模量對比情況，可見，有機(jī)纖維以其低密度體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。表1-1中的聚酰亞胺纖維的力學(xué)性能因其化學(xué)結(jié)構(gòu)和加工方法的不同而具有較大差別，PI-1，PI-2，PI-3分別對應(yīng)于表1-1中的數(shù)據(jù)。