近年来，我国纤维材料产业迅猛发展，化纤产量占世界总产量的70%以上。其中，以碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二唑（PBO）纤维、聚酰亚胺纤维等为代表的高性能纤维产量占比虽然较小，但凭借优异的力学性能、环境稳定性（如耐高温、耐辐照、耐腐蚀等）等，在航空航天、国防军工、安全防护、交通工具、电子器件、体育休闲、环境能源、土木工程、医疗器材、海洋水产、绳缆系泊等领域得到广泛应用，已经成为支撑国家安全、科技进步等重要的战略材料。碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维性能突出，应用广泛，为人熟知，被称为当代三大高性能纤维。

站在材料顶峰的碳纤维

碳纤维是由聚丙烯腈、粘胶或沥青基等有机纤维原丝经过预氧化、低温碳化、高温碳化、石墨化等一系列物理化学变化得到的含碳量大于93%的纤维材料，具有高强度、高模量、热膨胀系数低、摩擦系数小、耐腐蚀、抗高温、导电、导热等突出性能。碳纤维自20世纪50年代问世以来，如今已发展成为独立完整的新型工业体系，并被喻为当今世界材料综合性能的顶峰。美国提出21世纪革命性的材料技术共有12项，其中“新一代碳纤维、纳米碳管”位居第四。

碳纤维在使用过程中往往与基体材料复合使用，以充分发挥其优异的性能。碳纤维可用来增强树脂、碳、金属及陶瓷等，目前使用最广泛的是树脂基复合材料。

人们日常生活中比较容易接触到的碳纤维在体育休闲用品领域。与传统材料体育休闲用品相比，碳纤维复合材料具有质轻、高强、力学性能好、可设计性强等优点。例如，碳纤维复合材料制成的钓鱼竿质量更轻，收竿时消耗能量更少，而且收竿距增加20%左右；渔具的卷轴也可以采用碳纤维复合材料制备，其强度高、耐腐蚀，能延长使用寿命。

除钓鱼竿以外，在体育休闲用品领域，碳纤维及其复合材料还可应用于高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、弓箭、滑雪板、赛艇桨、登山用品等，将其优点发挥得淋漓尽致。

碳纤维在航天航空领域的应用较早，最初就是为了解决航天航空材料的难题才发明碳纤维。我国从1996年的“神舟一号”到2010年的“天宫二号”，碳纤维复合材料在飞船、卫星、返回舱中大量使用，为我国的航空航天事业立下汗马功劳。

碳纤维复合材料在能源领域也有应用，例如在风力发电机叶片中替代玻璃纤维材料，可以制得尺寸更大的叶片；同时，碳纤维复合材料优异的抗疲劳特性和良好的导电特性，可有效减弱恶劣环境对叶片材料的损害。目前，风力发电领域使用碳纤维复合材料制风机叶片已成为一种趋势。在原油开采中，碳纤维复合材料制抽油杆替代传统钢制抽油杆，不但大大延长了抽油杆的使用寿命，也减轻了工人劳动强度，还提高了产油量，增加了经济效益。

阻燃又防弹的芳纶

关于芳纶流传着一个故事：某仓库突发大火，仓库中的货物几乎完全焚为灰烬。就在这一堆废墟中，人们惊讶地发现，大量芳纶纱线虽然被熏黑，却依然完好无损。这个故事增添了芳纶的传奇色彩。芳纶最初属于航空航天和军事战略材料而秘不示人，人们日常接触的机会不多，对其了解可能也比较少。那么，芳纶到底是一种什么样的纤维材料呢？

芳纶是一种高性能的合成纤维，学名为芳香族聚酰胺纤维，于20世纪60年代由美国杜邦公司研发成功并商业化（杜邦公司商品名为Kevlar，常译为凯夫拉）。在碳纤维出现之前，芳纶一直占据着高性能纤维市场。芳纶主要分为间位芳纶（芳纶1313）、对位芳纶（芳纶1414、芳纶II）和杂环芳纶（芳纶III）三大类，其化学结构有相似之处，但性能差异较大。其中，间位芳纶有“防火纤维”的美称，对位芳纶有“防弹纤维”的美称，杂环芳纶比前面两种芳纶的性能更优。

对位芳纶稍晚问世，外观与聚亚酰胺纤维相似，呈金黄色，貌似闪亮的金属丝线。其分子链沿长度方向高度取向，具有极强的链间结合力，从而赋予其高强度、高模量和耐高温特性。对位芳纶强度是优质钢材的5～6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢材的2倍，而质量仅为钢材的1/5。其连续使用温度范围极宽，耐热性更胜间位芳纶一筹，且具有良好的绝缘性和抗腐蚀性，生命周期很长。对位芳纶的发现被认为是材料界发展的一个重要里程碑。

与众多国外巨头企业相比，我国芳纶发展起步较晚，而且多数国家把芳纶作为战略物资在技术等方面进行严格管制，以致我国芳纶产业的发展经过了漫长的技术突破期。由于技术、资源等原因，直到21世纪初，我国生产的间位芳纶才达到世界水平，而对位芳纶的性能与美国等国家还有差距。至于杂环芳纶，到2003年我国才开发成功。

杂环芳纶的力学性能和与树脂的复合性能都比间位芳纶和对位芳纶高；同时具有良好的耐热性和尺寸稳定性，使用温度可达300℃，在350～400℃几乎不会发生收缩；其阻燃性能优异，极限氧指数可达39%～42%，比对位芳纶约高10%。

由于杂环芳纶具有多种独特的优异性能，近年来国内外对杂环芳纶及其复合材料进行了广泛的研究，杂环芳纶制备与应用技术的难题不断被攻克，其复合材料的应用也越来越广泛。杂环芳纶及其复合材料已成为各国航空航天、国防军工的关键战略物资。目前，我国的杂环芳纶已应用于固体火箭发动机壳体，可减轻发动机质量。杂环芳纶有优异的高抗冲击性及轻量化等特点，其抗弹能力更强，在防弹衣、防弹头盔、坦克、方舱和防弹装甲车等领域有着更广阔的应用前景。例如，杂环芳纶层压板应用在方舱上，能使方舱承受更大的压力，防洞穿，可承受核爆炸产生的压力波和热辐射高温。

承重惊人的超高分子量聚乙烯纤维

2018年，由中央电视台和中国电影股份有限公司联合出品的大型纪录电影《厉害了，我的国》在全国上映，影片中在港珠澳大桥收官之战接头安装中发挥作用的缆绳，是由14万根超高分子量聚乙烯纤维组成的。这样一根直径0.5mm的细丝线，承重力能达到35kg。

超高分子量聚乙烯纤维，简称UHMWPE纤维，又叫高强高模聚乙烯纤维、高性能聚乙烯纤维等。它是将分子量在100万以上的聚乙烯进行纺丝和高倍牵伸而制成的纤维，一般强度高于20厘牛/分特、模量高于800cN/dtex，与碳纤维、芳纶并称为当代三大高性能纤维。

早在20世纪30年代，就有人提出超高分子量聚乙烯纤维的基础理论，后来逐渐形成了两条不同的生产技术路线：一条是溶液干法冻胶纺丝技术路线，简称干法纺丝技术；另一条是溶液湿法冻胶纺丝技术路线，简称湿法纺丝技术。我国自20世纪80年代开展冻胶纺丝生产超高分子量聚乙烯纤维的研究工作，其后被国家发改委、科技部列为国家科技成果重点发展计划。

尽管生产技术路线不尽相同，但目的都是增大超高分子量聚乙烯大分子链取向，提高结晶度，改善纤维的聚焦态结构，使纤维在物理力学性能和化学性能方面极具优势，因此其在很多领域得到广泛使用，如军事、航空航天、航海、医疗、工业、渔业养殖、体育用品等。

超高分子量聚乙烯纤维具有优良的耐冲击性能，它在变形和塑形过程中吸收能量的能力和抵抗冲击的能力比E-玻璃纤维、碳纤维、芳纶都高。即使在-70℃的条件下，仍然保持相当高的冲击强度。这个性能使得其在防护防弹方面有很大的用武之地。在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料，如直升机、坦克和舰船的装甲防护板，以及雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣（手套、护颈等）、盾牌等。其中，以软质防弹衣的应用最为引人注目，它具有轻柔的优点，防弹效果优于芳纶，现已成为防弹背心的重要材料。此外，超高分子量聚乙烯纤维复合材料的比弹击载荷值是钢的10倍，是玻璃纤维和芳纶的2倍多。用该纤维增强树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶增强复合材料头盔的替代品。

在航天工程中，由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好，适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索，取代传统的钢缆绳和合成纤维绳索，其发展速度异常迅速。

超高分子量聚乙烯纤维的比强度和比模量是目前已知纤维中最高的，其比强度分别为高强度碳纤维的2倍、钢材的14倍，具有其他纤维不可比拟的优势。此外，它的耐疲劳、耐弯曲性、耐磨性好，所制成的缆绳反复加载7000次，强力不衰减。因此，用其制成吊起6000吨港珠澳大桥接头的缆绳，是物尽其用。

超高分子量聚乙烯纤维化学结构比较单一，化学性质比较稳定，而且具有高度结晶的结构取向，使得其在强酸和强碱中不易受到活性基因的攻击，能够保持原有的化学性质和结构，所以大部分化学物质都不容易腐蚀它。它还具有抗紫外线性佳、电绝缘性好等特点，密度约0.97g/cm⊃2;，比水要小，因此被广泛应用于舰船系泊与拖缆、舰载机阻拦索与阻拦网、海洋平台拖缆、深海能源与矿产探测开发、移动式系泊缆绳、海洋打捞与救生等领域，解决了以往使用钢缆遇到的锈蚀，锦纶、涤纶缆绳遇到的腐蚀、水解、紫外降解等引起缆绳强度降低和断裂，需经常更换的问题。此外，超高分子量聚乙烯纤维缆绳具有高强轻质、安全性高、携带使用方便等特点，在树木养护、园林设计修剪、直升机快速投放物资等方面广泛使用；具有绝缘耐高压等特点，使其被广泛用于电力牵引线、搭桥、绝缘吊装、平衡挂线、江河跨线等领域；由于高强轻质的特点，超高分子量聚乙烯纤维缆绳在舞台特技、保护摄影机控制等方面也逐渐被使用。

值得一提的是，由于它具有优良的耐腐蚀性和高强度，在海岛建设方面，成为传统钢筋骨架绝佳的替代建筑材料。

超高分子量聚乙烯纤维结晶度在98%以上，具有高纯度、高强度、耐磨性、耐疲劳、生物相容性好、辐照后不降解等特点，因此在医疗生物材料方面广泛应用。该纤维增强复合材料用于牙托材料、医用移植物和手术缝合线等方面，生物相容性和耐久性都较好，并具有高稳定性，不会引起过敏，已作临床应用。此外，它还被用于医用手套和其他医疗措施等方面。

在工业上，超高分子量聚乙烯纤维及其复合材料可用作耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等；建筑方面可以用作墙体、隔板结构等，用其制作增强水泥复合材料可以改善水泥的韧度，提高抗冲击性能。

由于超高分子量聚乙烯纤维具有优良的物理化学性能，其在远洋深海生物捕捞、固定式海洋养殖网箱与海湾养殖、可移动式养殖网箱等方面得到很好的应用，让上述捕捞和“草原游牧式”养殖得以实现。

未来，超高分子量聚乙烯纤维在生产工艺、产品质量和品种等方面仍然需要科技人员不断攻关，不断提高产品性能，降低成本，推动我国高性能纤维材料的创新发展、普及和应用。

来源：石化与生活

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