军用高强高模有机纤维的概述与展望

汪亮　董晶　赵春会　张彤　杨静

摘 要：重点介绍了目前几种具有较高国防、航空航天、军事用途的高性能有机纤维，包括芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、聚对苯并咪唑纤维（PBI）、聚酰亚胺纤维（PI）、聚对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）及聚苯撑吡啶并二咪唑纤维（M5或PIPD）的结构特性、主要商品、主要厂商等，直观展示了这几种有机纤维的国内外生产现状，并展望了这几种有机纤维之后的技术、产品及应用情况。对比分析了这几种有机纤维的物理性能指标、主要优缺点以及应用领域，利于读者掌握有机纤维的性能、研究以及生产应用情况，辅助科研选题和材料应用。

关键词：军用;有机纤维;结构特性;物理性能;应用领域

中图分类号：TS102.5

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2019）04-0019-05

Overview and Prospect of High-Strength and High-Modulus Organic Fiber for Military Application

WANG Liang1， DONG Jing2， ZHAO Chunhui1， ZHANG Tong1， YANG Jing1

（1.Chengdu Hairong Special Textile Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China; 2.Sichuan Textile Science Institute， Chengdu 610000， China）

Abstract：Several kinds of high performance organic fibers with high national defense， aerospace and military applications were mainly introduced， including aramid fiber， ultra high molecular weight polyethylene fiber （UHMWPE）， polybenzimidazole fiber （PBI）， polyimide fiber （PI）， poly-p-phenylene benzobisthiazole fiber （PBO） and polyphenylene pyridine and imidazole fiber （M5 or PIPD）. Besides， their structural characteristics， main products and main manufacturers were presented. The production status of these kinds of organic fiber production was visually demonstrated at home and abroad， and the technologies， products and applications of these organic fibers were prospected. Through comparative analysis of the physical properties， the main advantages and disadvantages as well as the application areas of these organic fibers， readers could master the performance， research and production applications of these organic fibers， and assist research topics and materials applications.

Key words：military application; organic fiber; structural features; physical properties; application field

有機纤维是指纤维基材或材质为有机物的纤维，用于军事用途的有机纤维主要包含有：芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBI纤维、PI纤维、PBO纤维及M5纤维[1]。用于航空航天、军事用途的高性能纤维，必须具备质量轻、高强高模、耐高温、耐摩擦等特殊物理指标[2-5]。例如：研究发现，如果战略导弹的固体火箭发动机重量减轻1 kg，射程能够增加16 km左右[6-8]。与此同时，航空航天、军事应用过程中涉及的高速、耐冲击、防护等要求，也决定了纺织材料必须具有极高的物理指标及耐高温等性能[3，9]。高性能纤维的发展与创新，有助于推进中国国防军事的更进一步稳固发展。概述了这几种军用高性能有机纤维的研究现状和生产现状，对主要军用高强高模有机纤维的物理性能指标、优缺点及应用领域进行了比对分析。阐述了近期国内外高性能军用有机纤维的发展趋势和现状，为军用高性能有机纤维的研究和选择提供依据。

1 国内外生产现状

常见的几种军用高性能有机纤维的名称、主要商品及厂家信息，见表1。

由表1可知，除了M5纤维国内目前无生产制造企业外，其他所属的高性能有机纤维国内目前均已有生产企业[10-12]。这也就意味着除了M5纤维，其他所属的高性能纤维均已打破国外的技术、产品垄断。其中，江苏奥神新材料股份有限公司与东华大学共同研发的PI纤维干法纺丝技术属于全球领先地位，于2011年正式投资生产[13-14]。而深圳市新纶科技股份有限公司也成为继东洋纺公司之后全球第二家PBO纤维生产企业，于2016年正式投资生产[15-16]。UHMWPE纤维[17-19]、F-12高强度芳纶纤维（含杂环芳香族聚酰胺纤维）[20]等也取得一定技术突破，这些高性能纤维的自主化生产应用对中国的国防装备发展和提升具有重大的战略意义。而罗益锋等[21]的研究表明，2016年度全球高性能纤维的产能大概为2.57×105 t/a，并推测出到2020年仅中国高性能纤维的产能就将增长至2.60×105 t/a。由此可知，中国高性能有机纤维的生产制造技术和产能已经迎头赶上，中国的高性能纤维产业正在加大研究和投资力度，创新工艺、技术及产品，不断以“质和新”维持市场竞争的优势，相信不久的将来一定可以超越某些发达国家。值得注意的是高性能M5纤维，仍需积极发挥政府的主体职责，利用产、学、研结合的一体化优势，加快突破技术壁垒和封锁的进度，尽快实现M5纤维的自主产业化。

2 物理性能对比情况

常见的几种军用高性能有机纤维的主要性能指标对比情况，见表2。

由表2可知，新型高性能纤维的出现，打破了以往的既定分类和认知，即断裂伸长率最低，拉伸强度和拉伸模量最高的不是PBO纤维，而是M5纤维。在材料选取和应用过程中，应该综合利用表2各个有机纤维的物理性能，根据具体使用环境和要求优选适当的有机纤维进行国防军事应用。例如，根据防弹复合材料前面硬度高、刚度大的要求，可选用M5纤维与其他材料进行复合，形成硬质防弹装甲板;与此同时，UHMWPE纤维、芳纶纤维、PBO纤维也可与其他材料复合，制备性能较佳的复合防弹材料。与此同时，表1、表2的数据整理收集过程中发现，中国目前掌握的部分有机纤维生产加工技术仅为中等水平，距离某些发达国家仍有一定距离。但随着国外势力对中国技术封锁、先进材料限制出口力度的加剧，中国已被迫进行自主研发和生产。在国家的宏观调控以及地方政府资金和政策的支持下，芳纶纤维、UHMWPE纤维、PI纤维等取得了较好发展。但仍存在小而散、集中度不够、创新能力不足、高档产品及市场开发不足的弊端。目前国家正在努力推动基础研究和应用创新，督促并领导行业协会促进行业交流、互动和合作，制定相关的产品标准和政策，着力促进高性能有机纤维的更好、更快发展[31]。

3 主要优缺点及应用领域

常见的几种军用高性能有机纤维的主要优缺点及应用领域情况，见表3。

表3所示的每一种纤维都有其优势性能和缺点，而这些优缺点只是针对这些纤维用于航空、军事用途时而言，如果它们用于民用纺织品时也许截然不同。同时，就纤维各自的主要缺点而言，可通过等离子体处理、紫外及辐射处理、偶联剂处理、共聚及表面化学改性等方法得到有效解决，让其得到更广、更充分的应用。材料的应用缺点和弊端并非一成不变，应用过程中必须尽可能做到科学选材以及复合。将多个性能优良、应用性能相近的有机纤维复合在一起，凸显各自的优势性能，尽可能消除其不利的弊端和缺点。与此同时，应该着重提升和把控高性能有机纤维的品质质量。例如，对位芳纶纤维以及杂环芳纶纤维性能不稳定、质量波动大;UHMWPE纤维，质量不稳定、单丝产能低、蠕变性能和成本较高;究其综合性能及应用领域，尚无法形成较高国际竞争力[31]。

4 结 语

a）研究发现，国内M5纤维的发展存在明显的滞后，仍停留在实验室研发、试制阶段，还不能形成产业化和应用。为尽快满足国防、航空、军事装备的需求，相关部门及院校应积极与相关企业做好对接，真正做到产学研一体化;同时，各职能部门及行业协会应及时跟进M5纤维的研发、生产情况，促进相关技术的交流和合作。

b）积极尝试、运用国产新型PBO纤维，给予国内高性能纤维以更大的市场空间和发展机遇。让PBO纤维尽快发挥其不可替代的作用。取长补短，按需选材，熟知每一种高性能有机纤维的物理性能、主要优缺点及应用领域，将芳纶纤维、UHMWPE纤维、PI纤维、PBI纤维的性能都应用到极致。既要有高品质的高性能有机纤维，也要有物尽其用的应用技术手段。

c）稳定高品质、高强芳纶纤维、UHMWPE纤维、PBO纤维、PI纤维的优势发展，提高PBI纤维、M5纤维的技术、生产实力。拓展各型高强高模有机纤维的产品型号和应用领域，逐步提高生产加工技术水平，完善并提高我国军需高强高模有机纤维的实力。

d）国防军事装备的发展离不开高性能材料，当然也包括高性能纺织材料。各军需协作单位应把握国防军事装备的需要，掌握最新纺织材料的动态，努力为国防军事的发展奉献最优质的纺织材料及纺织品。

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