高性能纤维之芳纶：在高科技领域广泛应用

[编辑:Qsj]  [发布时间:2015-11-24 09:11:17]  [江南大学 高卫]

　　开栏语：高性能纤维及其复合材料是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础原材料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休闲等国民经济领域具有广泛的用途。“十三五”期间，高性能纤维由于“中国制造2025”的推动，将迎来重要的发展机遇期。本期就芳纶等高性能纤维的性能特点、在下游领域的应用情况等进行介绍。
　　芳纶纤维最早由美国杜邦公司开发，杜邦在1966年研制出商品名为“Kevlar”的高性能对位芳纶，并于1971年开始进行工业化生产。此外，全球从事对位芳纶生产的主要厂家还有日本帝人公司、俄罗斯耐热公司和韩国可隆公司等。自20世纪60年代末芳纶实现产业化生产以后，迄今40余年的历程中，芳纶纤维走过了从军用战略物资向民用物资过渡的阶段。
　　我国从“六五”期间就展开了芳纶的攻关，但很长时期内产业化关键技术始终未能突破，国内对位芳纶需求主要依赖进口。近年来，随着芳纶技术壁垒的不断攻破，我国对位芳纶的产业化开始蓬勃发展。目前，国内有十多家企业正在进行对位芳纶产业化生产，包括中化晨光、泰和新材、苏州兆达特等。
　　芳纶纤维具有良好的力学性能。芳纶纤维的拉伸强度与碳纤维相当，约为玻璃纤维的1.5倍、钢的5倍~6倍；拉伸模量仅次于碳纤维与硼纤维，是钢丝和玻璃纤维的2倍~3倍；韧性是钢丝的2倍；同时其密度小于1.5克/立方米，因而具有很高的比强度与比模量。
　　芳纶纤维有良好的热稳定性。其长期使用温度为180摄氏度，短时间暴露在300摄氏度以上对强度无明显影响，在-170摄氏度的低温下也不发脆。同时，芳纶纤维的热膨胀系数很小，具有各向异性。
　　芳纶纤维具有稳定的化学性能。可耐大多高浓无机酸及其他化学品的腐蚀，常温下耐碱性能好。芳纶纤维还具有优良的耐磨性能，在摩擦过程中芳纶纤维起到提高摩擦系数稳定性、降低磨损的作用，还可降低摩擦对对应面材料的磨损。
　　芳纶纤维分子在沿芳纶纤维方向具有较强的共价键，分子链的取向排列使得芳纶纤维具有高度取向的结晶微区，同时存在一些缺陷和空隙，这些缺陷和空隙的存在易在纤维使用时形成应力集中点，决定了芳纶纤维所能达到的最大强度，因此纤维性能的稳定和提高在很大程度上取决于纺丝及纤维凝固成型过程中对缺陷及微孔形成的控制。为此，科技部设置了973课题对芳纶纤维成型过程中各种外部条件对纤维中微缺陷的形成机制、演变规律以及调控制的方法进行深入研究（课题编号2011CB606103），通过在理论上结构形成的模拟以及对模拟过程的工程检验，取得了比较明显的效果，有效推动了我国芳纶工业的上水平上档次。
　　芳纶纤维是国防安全及军事中的重要材料。芳纶纤维以其优异的热稳定性、高结晶性、高取向结构、高拉伸性能、低密度等优良性能成为制造编织防弹衣以及纤维复合防弹装甲的首选材料。热稳定性可以保证纤维在受到弹丸冲击时保持力学稳定性；较高的结晶度和取向度使其具有较高模量；而芳纶纤维所特有的柔韧性使其在高应力下具有高断裂延伸率。
　　目前，美国、英国等发达国家的防弹衣均为芳纶材质。在防弹衣中，由于芳纶纤维强度高，韧性和编织性好，能将子弹冲击的能量吸收并分散转移到编织物的其他纤维上去，避免造成“钝伤”，因此防护效果显著。芳纶防弹衣、防弹头盔的轻量化，有效地提高了军队的快速反应能力和杀伤力。
　　芳纶复合材料也已广泛用于战斗机、防弹装甲车、轻型坦克、防弹运钞车、防弹板中。海湾战争中，美国、法国飞机上大量使用了芳纶复合材料。同时，为适应反恐的需要，许多发达国家军警的防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服、高强度降落伞等均大量采用了对位芳纶纤维。
　　在航空航天领域，芳纶纤维及其树脂复合材料可用于制作大型飞机的二次结构材料，如整流罩、机翼、应急出口系统构件、隔板、舱壁等，用芳纶纤维复合材料可以减轻飞机自重30％左右。芳纶纤维复合材料也可应用于火箭固体发动机及战略导弹发动机的壳体，先进航天器的机身、主翼、后翼等零部件。同时，高性能芳纶纤维的优良高低温性能和抗冲击性能使其成为舱外宇航服的主要材料。
　　在民用工业方面，使用芳纶纤维复合材料，可在保持或提高各种性能的同时，大幅减轻制品的重量。例如，在造船工业中采用芳纶纤维复合材料后，船体重量可减轻28%~40%，燃料节省35%，航程可延长35%。在汽车方面，芳纶复合材料可用于制造刹车片、离合器、整流器、引擎垫片、汽车车身等，同样可大幅度减轻重量，减少油料消耗，降低二氧化碳排放量等。
　　在建筑方面，芳纶纤维可以取代石棉用来增强水泥，可提供轻结构、高强度构件，并防止水泥制品开裂，提高建筑物的抗震能力。
　　运动器材方面，芳纶纤维可用于制造钓鱼竿、高尔夫球杆、网球拍、弓箭、雪橇等用品，以提高这些器材的使用寿命。芳纶纤维也可作为涂覆织物使用，用作空气支撑结构建筑物以及充气胶布制品，如胶船、救生筏、软式飞艇、气球、特种服装等。
　　由于对位芳纶优越的特性，其应用领域目前在不断扩大，现在国内外的需求量很大，其产量与产能还远远不能满足市场需求，因此，对位芳纶有着很广阔的发展前景。

　　(作者：东华大学 胡祖明 王彦 马禹)