第1章　概述

1.1　高性能纤维概况

1.1.1　高性能纤维的发展历程

几千年前，人类就已经会利用天然材料来改进生活、抵御外侵，比如，把牛皮裁剪成带子用作弓箭的弦，以提供足够的张力和弹性，或许这可以称为“高性能带子”。工业革命以来，随着科技的快速发展，尤其是近百年来，人造材料逐步进入人们的视野，高性能纤维也应运而生。

高性能纤维，重点在于“高性能”，即具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维。高性能纤维早期定义的依据是力学性能，往往指断裂强度超过15 cN/dtex的纤维[1]，如碳纤维、对位芳纶、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE纤维）等，但该定义在实际生产和应用中有一定的局限性。近年来，高性能纤维被赋予更广泛的含义，如具有耐高温、耐辐照、耐腐蚀等特性的纤维，也可称为高性能纤维，如间位芳纶、聚四氟乙烯纤维、聚苯硫醚纤维等，这些产品主要体现了耐热性和阻燃性优异。

早在1860年，英国科学家Sir Joseph Wilson Swan（1828—1914年）发明了一盏以碳纸条为发光体的半真空碳丝电灯，也就是白炽灯的原型。1879年，爱迪生发明了以碳纤维为发光体的白炽灯。他将椴树内皮、黄麻、马尼拉麻或大麻等富含天然线性聚合物的材料定型成所需要的尺寸和形状，并在高温下对其进行烘烤。受热时，这些由连续葡萄糖单元构成的纤维素纤维被碳化成了碳纤维。1892年，爱迪生发明的“白炽灯泡碳纤维长丝灯丝制造技术”获得了美国专利（USP470925）[2-3]。可见，早期的碳纤维只能称为“功能性”纤维，即利用了碳纤维的导电、导热及耐高温特性，而非目前普遍认可的高强度、高模量等优越的力学性能。现代工业意义上的碳纤维是1959年联合碳化公司以黏胶纤维（Viscose fiber）为原丝制成商品名为“Hyfil Thornel”的纤维素基碳纤维。1961年日本产业技术综合研究院（Government Industrial Research Institute）的進藤昭男（Akio Shindo），在实验室中制得了模量高达140 GPa的聚丙烯腈基碳纤维，高出黏胶基碳纤维模量的3倍，之后，东丽公司与美国联合碳化物公司签署了技术合作协议，进行规模化生产。20世纪80～90年代，在民用航空、体育用品为中心的市场引领下，碳纤维顺利扩大了应用市场，并得以快速发展。我国从20世纪60年代开始研发聚丙烯腈基碳纤维，从事碳纤维研发的机构主要有东华大学、中科院山西煤化所、北京化工大学、长春应用化学研究所、中科院化学研究所等。

有机高性能纤维快速发展于20世纪中期，随着有机合成化学和纤维成形技术的发展，科学家可以通过分子结构设计，合成出分子链刚性或半刚性的聚合物，具有高强度、高模量、耐高温的特性，为高性能纤维的纺制提供了原材料。20世纪60年代末，美国杜邦公司发现了芳香族聚酰胺的溶致性液晶现象，于1972年实现聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维工业化生产，商品名称为Kevlar。2000年，日本帝人公司收购了荷兰Twaron并进行了多次大规模扩能。同一时期，为满足美国空军对耐高温聚合物材料的要求，美国SRI（Stanford Research International）材料实验室设计并合成出多种高性能聚合物，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年应用于高性能纤维制备，该纤维具有优良阻燃性能，极限氧指数（LOI）达到40，但其力学性能不高；与此不同的是，PBO纤维却展示了优越的力学性能和耐热稳定性。最先投入PBO纤维研发的企业是陶氏化学公司（Dow），但Dow并没有成功地将PBO纤维产业化，而是由日本东洋纺于20世纪90年代初进行商业化生产，商品名为Zylon。

1.1.2　高性能纤维的分类

高性能纤维可根据材料的属性进行分类，包括金属纤维、无机纤维和有机纤维。金属纤维因其密度高、比强度低特点，在高性能纤维家族中的比重相对较小。无机纤维的主要特点是耐高温、耐腐蚀、力学性能良好，在航空航天、武器装备等领域应用广泛，包括碳纤维、玻璃纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、硅硼氮纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维等。有机高性能纤维品种较多，根据大分子链的特性可分为柔性链纤维和刚性链纤维：柔性链有机纤维的典型代表是超高分子量聚乙烯纤维、高强聚乙烯醇纤维等，其大分子主链由—CH2—组成，因分子链的高度取向使纤维展现优越的力学性能。刚性链纤维包括芳香族聚酰胺纤维（即芳纶）、聚芳酯纤维、聚酰亚胺纤维（PI纤维）、PBO纤维、PBI纤维等，其中后三种纤维又称为芳杂环类纤维。

也可依据纤维的典型特性对有机高性能纤维进行分类，如高强高模纤维（包括对位芳纶、高强聚酰亚胺纤维、PBO纤维、超高分子量聚乙烯纤维等）、耐高温纤维（间位芳纶、PBI纤维、聚醚酰亚胺纤维等），等等。

1.1.3　高性能纤维的特点

较高的力学性能和环境稳定性是高性能纤维的典型特性，每种纤维都有其不可替代的优点，比如，无机纤维具有高的耐热性，有机纤维则具有较低的密度。表1-1列举了部分高性能纤维的物理特性（力学性能和耐热性数据），这些数据来自产品的宣传信息或研究报告等不同的途径，且各家的产品有较大差别，因此仅供参考。

表1-1　部分高性能纤维的物理特性

与传统的金属和无机陶瓷材料相比，由高性能纤维增强的聚合物基复合材料具有高比强、高比刚、可设计性强以及密度低等优点，现已在航空航天、国防军事、风力发电、建筑、环境、汽车等诸多领域得到广泛应用。作为轻质复合材料的重要组成部分，增强体的比强度和比模量指标在某些领域（如航空航天等）显得尤为重要。图1-1给出了几种典型高性能纤维的比强度和比模量对比情况，可见，有机纤维以其低密度体现出明显的优势。表1-1中的聚酰亚胺纤维的力学性能因其化学结构和加工方法的不同而具有较大差别，PI-1，PI-2，PI-3分别对应于表1-1中的数据。

图1-1　几种典型高性能纤维的性能对比