超纤维及其先进复合材料的最新进展

罗益峰

摘要：超纤维及其先进复合材料是当代超材料的重要组成部分，是未来新一代航空航天、国防军工和尖端科学的先导和保障材料。本文重点介绍了超碳纤维、聚对亚苯基苯并二噁唑纤维、芳纶Ⅲ、聚对苯撑吡啶并二咪唑纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维、超液晶聚芳酯纤维、超碳化硅纤维等超材料的最新开发及应用进展，并对今后的发展进行了展望，提出碳纳米管和石墨烯纤维等未来有望成为超纤维的新品种。

关键词：超纤维；复合材料；碳纤维；聚对亚苯基苯并二噁唑纤维；芳纶Ⅲ；聚对苯撑吡啶并二咪唑纤维；超高相对分子质量聚乙烯纤维；超液晶聚芳酯纤维；碳化硅纤维

中图分类号：TQ343；TQ342+.7 文献标志码：A

The Latest Development of Super Fibers and Related Advanced Composite Materials

Abstract： Super fibers and related advanced composite materials are important part of modern metamaterials and also the forerunner and support materials for new-generation of aviation & aerospace， defense & military and sophisticated sciences. The paper introduces the latest development and applications of some metamatrials including super carbon fiber， PBO fiber， aramid fiber III， PIPD fiber， UHMWPE fiber， super liquid crystal polyaromatic ester fiber and super silicon carbide fiber. It also forecasts the future development of these fibers and points out that carbon nanotubes and graphine fiber will become the new members of the super fiber family.

Key words： super fiber； composite material； carbon fiber； PBO fiber； aramid fiber III； PIPD fiber； UHMWPE fiber； super liquid crystal polyaromatic ester fiber； silicon carbide fiber

超纖维及其先进复合材料是当代超材料的重要组成部分，是未来新一代航空航天、国防军工和尖端科学的先导和保障材料。所谓超纤维及其复合材料，是指在性能和功能上具有突破性进展的超级材料，并越来越接近于其理论值的新型材料，当然也包括新出现的超纤维及复合材料。从上述意义上来说，这类材料是动态的，随着科技的发展，将不断更新换代。

1 无机类超纤维及其复合材料

1.1 超碳纤维及其复合材料

碳纤维（CF）被誉为“新材料之王”，目前已商品化的产品最高强度为 7 GPa，我国刚突破的研发水平为6.3 GPa（表 1）。最新研发成功的超碳纤维（UCF）是日本东丽TORAYCA 的T2000，强度高达60 GPa，相当于碳纤维理论值（180 GPa）的1/3（图 1）。

T2000的出现使CF从断裂伸长率为2.2%的脆性材料提升为2.5%以上的高韧性防弹材料，当其复合材料试用作坦克和装甲车的结构材料时，防穿甲弹能力可提高 6倍，因此可用作未来超现代化的军舰和战斗机等新型武器系统以及运载火箭和导弹的壳体结构材料。

1.2 超级中间相沥青基碳纤维（U-MPCF）及其复合

材料

U-MPCF是已产业化的碳纤维中拉伸模量和导热系数最高的产品，两项指标分别达到了935 GPa和900 W/（m·K），专利上发表的上述两个值分别超过1 000 GPa和1 000 W/（m·K），主要用于需要耐高温、抗燃、高刚性、热膨胀系数小和耐宇宙射线的领域，例如卫星天线板等（图 2）。

目前市场上已开发出超高导热系数系列产品，以日本Granoc纤维为例，其导热系数有320、500、600和900 W/（m·K）等几种。

日本三菱树脂公司的U-MPCF为该类纤维的最高性能水平产品，包括：拉伸强度3.8 GPa，拉伸模量900 GPa，断裂伸长率0.4%，导热系数620 W/（m·K）；或拉伸强度3.7 GPa，拉伸模量935 GPa，导热系数800 W/（m·K）。

目前，我国湖南大学、北京化工大学及多家企业正开展相关纤维的中试研究，预期“十三五”期间将建设百吨级生产线。

2 聚对亚苯基苯并二噁唑纤维（PBOF）

PBOF是综合性能极佳的超纤维，拉伸强度5.5 ～ 6.0 GPa，模量300 GPa，热分解温度650 ℃，在500 ℃下暴露 1 h可保留80%的初始模量，而对位芳香族聚酰胺纤维在450 ℃便分解，极限氧指数（LOI）达到68，可用于体育、工业及防护领域（图 3）。美国国家航空航天局（NASA）将其用于火星表面探测器吊带，长20 m。该纤维的主要缺点是紫外光稳定性和储存稳定性差，改进方法是在其苯环上引入羟基或进行共聚改性。

目前只有日本东洋纺有400 t/a的PBOF产能，其產品商品名为“Zylon”。我国约有 6 家单位研制，其中中蓝晨光化工研究院正建设350 t/a的生产线，中试产品强度可达 6 GPa；浙江工业大学和北京化工大学正与相关企业合作，分别兴建300和100 t/a的生产线。

3 芳杂环类三元共聚纤维（芳纶Ⅲ）

芳纶Ⅲ是综合性能极佳的有机超纤维，最早由俄罗斯的 3 家科研院所研制，包括全俄合成纤维科学研究院、圣彼德堡化纤研究院和莫斯科复合材料科研生产联合体，现主要由石头城化工厂生产。该纤维的应用领域包括纤维编织、轻质防弹服、火箭和导弹发动机壳体等（图 4）。

目前，产品已形成系列化的有SVM、ARMOS、Rusar系列产品、Artek、Ruslan、Arus等，具有超高强度、高模量、抗燃、耐高温等特点，其中Rusar（苯环上含氯产品）产量最大，成本低，用途最广，其中的Rusar NT的拉伸强度高达 7 GPa，相当于东丽的T1000，在有机纤维中最高。

我国有 4 家单位已小规模投产，四川辉藤、晨光化工研究院、航天46所和广东新会彩艳公司的产能各为300、50、50和50 t/a，今后晨光化工也计划扩至百吨级规模（图 5），但相较于俄罗斯2 000 t/a的规模，仍有较大的距离。

4 聚对苯撑吡啶并二咪唑纤维（PIPDF）

PIPDF最早由AKZO NOBEL（阿克苏·诺贝尔）和DuPont（杜邦）公司研发，取名M5，我国目前只有晨光化工研究院开展小试研究。该纤维的特点不仅在于热分解温度为530 ℃、强度5.0 GPa、模量330 GPa、LOI在50以上，更在于其压缩强度最高可达 2 GPa，比压缩强度居所有纤维之冠。

将其用于防弹装甲时，在达到同等防护水平的前提下，可比对位芳香族聚酰胺纤维减重40%。日本为在本世纪中叶能在海上建设2 000 m乃至4 000 m高的超高层建筑，已花了20余年进行可行性研究，结束显示最硬的花岗岩能实现最高450 m的高度，年轮1 000年的木材能达到900 m的高度，钢铁则为2 000 m，因此只能选用具有超高比压缩强度的纤维代钢筋材料（图 6），当然超碳纤维也是未来最有希望的材料之一。

5 超高相对分子质量聚乙烯纤维（UHMWPEF）

荷兰DSM（帝斯曼）的Dyneema 在2015年取得了重要技术成果，其创新技术包括：拉力倍增技术，使纤维强度达到42 ～ 45 cN/dtex，使其轻质防弹背心减重30% ～ 40%；采用低蠕变技术，在70 ℃和300 MPa张力下经10个月后，蠕变低于0.2%，相当于室温下20年的蠕变值；高耐切割技术，使其防切割工作服、手套和护膝等实现长寿命且更安全。该产品目前主要应用于深海油田平台的锚固绳缆，突破了以往无法用于长期受静态张力领域的限制（图 7） 。

我国山东爱地公司是一家UHMWPEF制造商，已被帝斯曼公司收购，目前其产品主要有TrevoTM 50、TrevoTM 60和TrevoTM 70等几种。其中，TrevoTM 70是TrevoTM纤维产品中超高强规格的代表，特点包括强度高、模量高，其纤维制品主要应用于高端防弹领域（表 2）。

据统计，我国目前约有30家企业从事相关生产，最大规模为3 000 t/a。

6 超液晶聚芳酯纤维（U-LCPF）

LCPF应用广泛，涉及电气和电子领域、防护领域等（图 8）。日本KB-Selen公司最近开发了超细的U-LCPF（产品名Zekushion），密度1.41 g/cm3，强度高达30 cN/ dtex或4.2 GPa，模量1 000 cN/dtex或140 GPa，含湿率0.5%，分解温度大于400 ℃，蠕变低，耐磨和耐腐蚀性好。其致密织物增强的LCP薄膜，热胀系数小、气密性佳，适合用作临近空间的大型驻空飞艇材料，2016年NASA已将其用作成功升天的宇宙旅馆部分壁材。

7 超碳化硅纤维（U-SiCF）

U-SiCF耐热氧化性优于碳纤维，可用作耐烧蚀材料、增强Si-Ti合金复合材料，应用于1 000 ℃以下的飞机发动机低压透平、F1赛车的排气管和炉渣容器等（图 9）。

目前，美国NASA已开发出可耐2 000 ℃超高温的U-SiCF；日本宇部兴产开发了可耐1 800 ℃的含钛碳化硅纤维（TiSiCF），产能10 t/a，计划于2020年正式用于飞机发动机部件，2025年实现连续化生产，并将产能提高至150 ～ 200 t/a。我国迄今只能生产普通型SiC纤维，国防科技大学等曾研发过含钛、铍等元素的SiC纤维，但产品并无特异之处。苏州赛力菲陶纤有限公司拥有产能为20 t/a的生产线，产品正实现系列化。

8 结语

除上述材料外，未来有望发展成为超纤维的新品种还包括碳纳米管（CNT）和石墨烯纤维，理論上其强度和模量极高，但因其成长过程存在结构缺陷，因此目前的实际水平尚未超出 2 GPa，但未来CNT若能制成无限长丝，就可能筑造“宇宙梯”。

除了超性能外，实际上还有超功能纤维，例如最近日本古河电工和信州大学合作开发了全球最高等级的CNT导体，电阻率为6.3×10-6 Ω·cm，今后将开发超轻量导线；浙江大学最近研制了世界先进的石墨烯纤维、含银高导电石墨烯纤维、多功能石墨烯纤维和同轴石墨烯纤维超级电容器。CNT和条带状石墨烯可在纺丝时加入高性能有机纤维中，形成复合材料纤维，可进一步提高纤维性能并赋予其新的功能。

另外，人造蜘蛛丝也有望成为超纤维，其由 3 种以上氨基酸共缩聚而成，目前其力学性能已达到对位芳香族聚酰胺纤维的水平。

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