1.2　高性能纤维的分类和应用领域

1.2.1　高性能纤维的分类

1.2.1.1　按性能分类

按性能特点，高性能纤维主要可划分为高强度高模量纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、耐强腐蚀纤维。其中有些高性能纤维只是某种性能突出，而有些高性能纤维却是两种或两种以上性能突出，所以这种分类方式会有所交叉。例如，超高分子量聚乙烯纤维主要是高强度高模量性能突出；聚苯撑苯并二噁唑纤维不仅属于高强度高模量纤维，而且其耐高温性能也非常优异；聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维不仅属于耐高温纤维，而且其耐酸碱等强腐蚀性能也很突出；还有无机高性能纤维往往同时具有高强度高模量、高耐热性等突出性能。

1.高强度高模量纤维

高强度高模量纤维一般指强度大于2.5GPa（17.7cN/dtex）、模量高于55GPa（441.5cN/dtex）的纤维。从化学结构上看，属均聚和共聚的芳杂环类及一些无机类纤维，包括对位芳酰胺及其共聚纤维、聚芳酯、聚醚酰亚胺、聚苯并双噁唑和噻唑、超高分子量聚乙烯、聚乙烯醇、碳纤维、碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼纤维、氧化铝纤维等[6]。

代表性品种包括聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（对位芳纶或芳纶1414，PPTA）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、聚苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）、聚芳酯纤维（PAR）、聚（2，5-二羟基-1，4-亚苯基吡啶并二咪唑）纤维（PIPD，M5）、碳纤维（CF）等。主要品种的性能指标对比见表1-2。

2.耐高温纤维

耐高温纤维一般是指在200℃以上可以长期使用并保持主要的物理机械性能的一类纤维[13]，即在此高温下能维持常温时所具备的物理力学性能或经较长使用时间仍具有最低限度的物理力学性能。这类纤维具有以下特征：高温下尺寸大小无变化，软化点及熔点高，阻燃或不燃，热分解温度高，长期暴露在高温下也能保持一般特性，具备纤维制品所必需的柔软性、弹性和可加工性。多为芳杂环类纤维，如间位芳酰胺、聚芳砜酰胺、聚噁唑、噻唑和咪唑类、聚芳砜、聚芳酰亚胺等。

代表性品种包括聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（间位芳纶或芳纶1313，PMIA）、聚酰胺酰亚胺纤维（PAI）、聚酰亚胺纤维（PI）、聚四氟乙烯纤维（PTFE）、聚苯硫醚纤维（PPS）、聚芳噁二唑纤维（POD）、聚苯并咪唑纤维（PBI）、聚对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）、聚对苯撑苯并双噻唑纤维（PBT）、聚砜基酰胺纤维（芳砜纶，PSA）、聚醚醚酮纤维（PEEK）、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维和陶瓷纤维等。主要品种的性能指标对比见表1-3。

3.抗燃纤维

抗燃纤维是指纤维分子结构本身具有抗燃性的一类纤维，即在火焰中难以燃烧，仅发生赤热和炭化。其化学结构具有稠环、三维交联、金属螯合或在火焰中能形成难燃的表面碳化层或分解出不可燃的保护性气体，而且释放出的烟雾和有害气体极少，极限氧指数（LOI）大于32。主要为梯形结构、分子高度交联、金属螯合或芳杂环类纤维[14]。

代表性品种包括酚醛纤维（PF）、三聚氰酰胺纤维（蜜胺，MF）、聚丙烯腈预氧化纤维（PANOF）、连续玄武岩纤维（BF）等。主要品种的性能指标对比见表1-3。

4.耐强腐蚀纤维

耐强腐蚀纤维是指在≤200℃下，耐各种介质腐蚀溶解的一类纤维，主要为含氟纤维。代表性品种包括聚四氟乙烯纤维（PTFE）、聚苯硫醚纤维（PPS）、四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维、聚偏氯乙烯纤维、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤维等。

1.2.1.2　按化学组成分类

按化学组成，高性能纤维可分为有机高性能纤维和无机高性能纤维两大类[20—23]。

1.有机高性能纤维

有机高性能纤维指由有机聚合物制成的高性能纤维或利用天然聚合物经化学处理而制成的高性能纤维，按分子链的刚柔性可分为刚性链聚合物纤维和柔性链聚合物纤维。刚性链聚合物的分子链为刚性链，由于其具有芳香主链、刚性分子链节，且高度有序，柔软度较差，如果分子间作用力很强，容易形成液晶单元，可采用液晶纺丝加工制备高性能纤维，主要包括芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、芳杂环聚合物纤维、聚四氟乙烯纤维等大多数高性能纤维；而柔性链聚合物的分子链为柔性链，不包含芳香环，柔性度较好，由于分子间作用力小，容易择优取向，如果制备高强度高模量纤维，则需要高分子质量以及分子链充分地伸直取向，通常采用冻胶纺丝和超倍拉伸方法加工，主要包括超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯醇纤维等。

2.无机高性能纤维

无机高性能纤维以矿物质、金属或有机聚合物前躯体为原料制成。具有不同的分子构象或结构，如无定形纤维、多晶纤维和单晶纤维等。主要品种有碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、硼纤维、碳化硅纤维、硅硼氮纤维、金属纤维等。

1.2.2　高性能纤维的应用领域

高性能纤维生产技术及其装备水平是体现国家综合实力与技术创新的标志之一，其在国内外已作为发展高新技术、占领尖端科技的重要战略物资，并被广泛应用于航空、航天、国防、军工、能源、交通、运动、环保等产业领域。

1.2.2.1　高性能纤维是发展航空航天与尖端武器装备的重要战略物资[24—26]

高性能纤维材料是从航天航空、国防军工等尖端领域开始应用并发展起来的，反过来其制备和应用技术的不断提高又促进了航空航天及国防工业的发展，成为国防军工高科技领域不可或缺的战略物资。高性能纤维以及用这些纤维制成的二维、三维织物是先进复合材料的关键增强材料，既可作为结构材料用于飞机、导弹、火箭、卫星、坦克、装甲、军舰潜艇等的主承力与次承力构件，也可用作导弹、飞机、军舰、坦克、装甲、个人防护器件等的防热烧蚀、隐身、导电导热等功能复合材料。

现代尖端武器装备发展趋向于隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等，对高性能纤维及复合材料性能要求也越来越高。芳纶、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维和聚酰亚胺类纤维等的应用包括隐形飞机、轰炸机、侦察机、制动盘、降落伞、武装直升机、导弹的固体发动机壳体、航母等各类舰船特别是水陆两栖装甲船，以及深海水雷和鱼雷、海底声呐、坦克、装甲车、火箭发射筒、军车等，而头盔、防弹服、防切割手套、防刺服、特种军服、飞行服和坦克兵服等个体防护装备则需要采用抗燃、耐高温、防辐射、防生物武器和防毒气的高性能纤维。

其中，碳纤维复合材料不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料，更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。例如，X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器由于应用碳纤维复合材料比例更高，使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。

再如，每发战略导弹需用碳纤维约250kg，每台导弹发射装置需用碳纤维500～1000kg；战略导弹固体火箭发动机减重1kg，射程可增16km；弹头重量减少1kg，可增射程20km。“宙斯盾”防御体系中，每艘DDG“伯克”级驱逐舰就使用了约70t对位芳纶为发动机壳、战斗指挥所提供弹道防护。

高性能纤维在航空航天领域（如高超声速飞行器、国际空间站、先进卫星等装备系统中）被大量应用。例如，运载火箭的壳体、火箭发动机的壳体、燃烧室、喷管、卫星天线、支架、航天服、为登月舱和宇航员返回地面提供的坚牢轻质降落伞、太空运载工具中的热屏蔽护罩等都大量使用高性能纤维增强复合材料。在民用飞机轻量化方面，高性能纤维及其复合材料更是起到了举足轻重的作用。例如，世界最大飞机A380的25％质量部件由复合材料制造，其中22％为碳纤维增强复合材料，3％为首次用于民用飞机的铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构，这些部件包括飞机的一次和二次结构材料，如减速板、垂直和水平稳定器、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼等。芳纶复合材料已成功用于波音B757、B767飞机的壳体、起落架舱门、货舱、内部装饰件及座椅等。而我国自主研制的国产大型客机C919的机舱首次启用国内开发的芳砜纶纤维制作椅罩、门帘，就使得飞机减重30kg以上。

1.2.2.2　高性能纤维是支撑国民经济众多产业领域发展的重要基础材料[27～32]

高性能纤维及其复合材料也是汽车工业（轻量化）、新能源（风能发电）、海洋产业、环境保护、土工建筑、机械制造、电工设备、化工设备、运输机械、农业装备、电子器材、体育运动器材、精密仪器、医疗器械等国民经济众多产业领域需求迅速增长的重要支撑新材料。

轻量化研究是现代材料设计制造的一大主流，随着节能减排和低碳经济的迫切需求，轻量化材料在各领域的应用将会更为广泛，而高性能纤维增强复合材料具有质轻、高强度和高模量、易加工成形、耐高温、耐腐蚀等特性，因此，不仅能满足高性能和轻量化要求，对节能减排也有重要贡献。汽车部件轻量化是汽车产业发展的一大趋势，高性能纤维则在其中扮演着至关重要的角色。汽车的结构材料部分改用碳纤维复合材料，可省油、少排放、抗冲击、提车速。碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维复合材料部件、对位芳香族聚酰胺纤维子午胎、胶带、胶管、制动片（含碳纤维制品）等已在汽车上得到全方位应用。例如，日本东丽与丰田汽车公司共同开发出了只需加热1min即可成形的碳纤维树脂薄板，主要用在丰田汽车公司推出的燃料电池车“未来（MIRAI）”的底板部件。

在能源工业领域，高性能纤维及其复合材料在地热能源、水能、海洋能、核能、太阳能、原子能等领域的开发、存储及利用方面有关键的应用。碳纤维增强复合材料可用于制备风力发电叶片、输电杆塔及电网设备等；碳纤维是功率在5MW以上的风力发电机叶片的结构材料，每个叶片需用超过500kg碳纤维。耐高温纤维通过加工成纱线、机织布、针织布、非织造布、绝缘纸以及复合材料等，可广泛用于防护制品、高温过滤材料、电绝缘材料、摩擦密封材料、各种工业织物等耐高温领域，已在工业领域中发挥越来越重要的作用。例如，聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚四氟乙烯纤维等对高温烟道气、工业尘埃有很好的过滤收集作用，因此，在金属冶炼、水泥石灰生产、炼焦、发电和化工等行业中广泛用于制作高温过滤除尘袋，有利于减少排放、改善环境。