【集萃網(wǎng)觀察】

隨著紡織科技產(chǎn)品在各行各業(yè)的融合應(yīng)用，國(guó)家先進(jìn)功能纖維創(chuàng)新中心將與中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技發(fā)展部聯(lián)手，在公眾號(hào)上連載推出《中國(guó)紡織科技發(fā)展報(bào)告(2021年)》技術(shù)篇專(zhuān)題，內(nèi)容涉及當(dāng)下熱門(mén)紡織技術(shù)現(xiàn)狀及前景，為讀者帶來(lái)最新且權(quán)威的大咖解讀。

無(wú)機(jī)高性能纖維結(jié)合了纖維的可紡織加工特性和陶瓷的優(yōu)異性能，具有輕質(zhì)耐火、耐高溫、耐腐蝕、隔熱性好等優(yōu)異特性，在紡織加工、航空航天、交通通信、建筑及能源、催化和環(huán)境凈化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來(lái)無(wú)機(jī)納米纖維的研發(fā)進(jìn)入高速發(fā)展階段，使無(wú)機(jī)高性能纖維在催化和環(huán)境凈化、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)一步拓展；此外，無(wú)機(jī)高性能纖維憑借在民生領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，以及在航空航天器等特殊領(lǐng)域具備的聚合物纖維沒(méi)有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐漸成為紡織等領(lǐng)域發(fā)展的重要新動(dòng)力之一。

盡管如此，目前該領(lǐng)域還有眾多的問(wèn)題亟待突破，針對(duì)目前無(wú)機(jī)纖維的新應(yīng)用而產(chǎn)生的新問(wèn)題，歸納無(wú)機(jī)高性能纖維的研究現(xiàn)狀、技術(shù)瓶頸，對(duì)我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

無(wú)機(jī)高性能纖維的種類(lèi)及技術(shù)現(xiàn)狀

無(wú)機(jī)纖維是以無(wú)機(jī)物為原料制得的化學(xué)纖維，可分為兩大類(lèi)：一是無(wú)機(jī)物和無(wú)機(jī)化合物纖維，如玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、陶瓷纖維等；二是金屬纖維，如不銹鋼纖維、銅合金纖維等。

無(wú)機(jī)連續(xù)纖維根據(jù)不同的加工工藝，可通過(guò)一定的成纖方法從無(wú)機(jī)原料直接加工而成，還可以通過(guò)基本化工原料合成制得，也稱(chēng)為無(wú)機(jī)合成纖維。無(wú)機(jī)纖維的制造方法主要有熔融紡絲法、前驅(qū)體法、溶膠—凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、晶體生長(zhǎng)法等。無(wú)機(jī)纖維除了強(qiáng)度和模量比有機(jī)纖維高外，更重要的是其優(yōu)異的耐高溫性。

碳纖維

碳纖維是一種含碳量在95%以上、直徑在微米級(jí)的纖維狀無(wú)機(jī)非金屬材料，其在力學(xué)性能上具有優(yōu)異的比強(qiáng)度和比模量，導(dǎo)電能力超高，質(zhì)量輕，抗腐蝕、耐磨損、耐高溫性能優(yōu)異，惰性環(huán)境下在2000℃能保持強(qiáng)度不發(fā)生明顯變化。與其他無(wú)機(jī)纖維相比，碳纖維在非氧化的條件下以及溫度低于400℃的有氧條件下具有良好的力學(xué)性能、比強(qiáng)度和比模量高，導(dǎo)電導(dǎo)熱、耐化學(xué)侵蝕和電磁屏蔽性能優(yōu)異，表現(xiàn)出最好的綜合性能。碳纖維基復(fù)合材料可以顯著減輕機(jī)器設(shè)備的自重并增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在國(guó)防及民用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

碳纖維根據(jù)力學(xué)性能可分為高強(qiáng)度碳纖維、超高強(qiáng)度碳纖維、高模量碳纖維、超高模量碳纖維、高性能碳纖維和通用碳纖維；根據(jù)絲束可分為1~24K的小絲束纖維和48~480K的大絲束纖維；根據(jù)前驅(qū)體的不同可以分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維、黏膠基碳纖維和酚醛基碳纖維。

PAN基碳纖維是PAN原絲經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化及表面處理后制得的高性能纖維材料，是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的高性能纖維材料之一。工業(yè)化制備碳纖維所使用的前驅(qū)體是PAN。國(guó)產(chǎn)碳纖維逐步向高端化、生態(tài)化發(fā)展。碳纖維的實(shí)際強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶石墨的理論強(qiáng)度和模量（180GPa和1000GPa）。碳纖維的徑向分子間作用力弱，抗壓性能較差，軸向抗壓強(qiáng)度僅為抗張強(qiáng)度的10%~30%，而且不能結(jié)節(jié)。

活性碳纖維

與上述碳纖維不同，活性碳纖維一般具有較低的抗拉強(qiáng)度（1000MPa）和較低的碳產(chǎn)率（20%~25%），然而具有非常高的比表面積（超過(guò)3000m2/g），以及高達(dá)1.6mL/g的微孔體積，因此具有顯著的吸附能力和吸附動(dòng)力優(yōu)勢(shì)。

與活性碳相比，活性碳纖維的細(xì)纖維形狀和短而直的微孔，使其具有比活性碳更快的吸附動(dòng)力學(xué)，而且，活性碳纖維更容易加工成所需的形式和不同的結(jié)構(gòu)�；钚蕴祭w維具有較大的吸附量和較高的吸附/解吸附傳質(zhì)速率，是一種很好的氣體吸附材料。

石墨烯纖維

石墨烯纖維是一種新型碳質(zhì)纖維，自2011年浙江大學(xué)高超教授團(tuán)隊(duì)基于氧化石墨烯（GO）的溶致液晶現(xiàn)象，利用濕法紡絲和化學(xué)還原過(guò)程，制備了石墨烯纖維以來(lái)就備受關(guān)注。此外，制備石墨烯纖維的方法還有限域水熱組裝法、薄膜卷繞法、模板輔助化學(xué)氣相沉積法等。

與碳纖維相比，石墨烯纖維主要是由sp2雜化碳原子構(gòu)成，其晶區(qū)尺寸可達(dá)幾十微米，大約是碳纖維中納米石墨晶區(qū)尺寸的1000倍，因此，能更有效地促使石墨烯微觀尺度的優(yōu)異性質(zhì)在宏觀尺度上展現(xiàn)。研究者通過(guò)調(diào)控石墨烯尺寸、片層規(guī)整性、界面相互作用、取向度等參數(shù)，將石墨烯纖維的拉伸強(qiáng)度提升至2200MPa，楊氏模量達(dá)到400GPa，并逐步形成了提升石墨烯纖維機(jī)械性能的方法。

目前，石墨烯纖維的電學(xué)和熱學(xué)性能已經(jīng)超過(guò)碳纖維和碳納米管纖維，并逐漸在高性能導(dǎo)線(xiàn)、功能織物、傳感器件、致動(dòng)器件、纖維狀能源器件等領(lǐng)域展示出應(yīng)用潛力�？梢灶A(yù)見(jiàn)，石墨烯纖維有望發(fā)展成為結(jié)構(gòu)—功能一體化的纖維材料，不僅可以和碳纖維一樣，用于結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的復(fù)合材料，還可以在輕質(zhì)導(dǎo)線(xiàn)、柔性傳感、智能織物等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。

玻璃纖維

玻璃纖維具有比強(qiáng)度大、彈性模量高、伸長(zhǎng)率低等特點(diǎn)，同時(shí)還具有電絕緣、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。玻璃纖維的軟化點(diǎn)為550~580℃，熱膨脹系數(shù)為4.8×10-6℃；200~250℃以下，強(qiáng)度不變。玻璃纖維幾乎對(duì)所有化學(xué)藥品和有機(jī)溶劑有很好的化學(xué)穩(wěn)定性（氫氟酸、濃堿、濃磷酸除外），已經(jīng)成為全球用量最大、應(yīng)用最廣泛的無(wú)機(jī)纖維材料之一，是復(fù)合材料中使用量最大的一種增強(qiáng)材料，在增強(qiáng)、絕緣、隔熱、防腐等領(lǐng)域具有不可動(dòng)搖的地位。

玻璃纖維的化學(xué)組成主要是SiO2、N2O3、CaO、Al2O3等，并可通過(guò)計(jì)算進(jìn)行精確調(diào)控。國(guó)外大部分生產(chǎn)線(xiàn)均將繼續(xù)進(jìn)行技術(shù)改造和產(chǎn)品升級(jí)，生產(chǎn)高性能玻璃纖維。生產(chǎn)技術(shù)上，提高生產(chǎn)效率、節(jié)約能源、趨零排放、減少資源消耗、降低生產(chǎn)成本，營(yíng)造玻纖綠色經(jīng)濟(jì)是發(fā)展方向。

我國(guó)玻纖發(fā)展較國(guó)外起步較晚，中堿玻璃纖維仍然占大多數(shù)，正向粗纖維方向發(fā)展，池窯拉絲工藝正在推廣，新型偶聯(lián)劑不斷出現(xiàn)，改善了纖維—樹(shù)脂界面，目前比較重視纖維—樹(shù)脂界面的研究。

石英纖維

石英纖維是制備原料為高純度SiO2或天然的石英晶體，它保持了固體石英的部分性能和特點(diǎn)，是一種良好的耐高溫材料（熔點(diǎn)可達(dá)1700℃），并可作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體。石英纖維的純度很高（≥99.9%），使其具備抗燒蝕性強(qiáng)、耐溫性好、導(dǎo)熱率低等良好特性，其化學(xué)穩(wěn)定性好，介電性能也較為優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)寬頻透波，非常適合用作透波材料增強(qiáng)纖維。

但石英纖維處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，是一種玻璃態(tài)材料。超過(guò)900℃時(shí)，析晶致使石英纖維強(qiáng)度迅速下降至原有強(qiáng)度的20%左右，且纖維最高熱處理溫度不能超過(guò)1050℃，否則纖維的脆化將弱化纖維和基體界面結(jié)合，復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

碳化硅纖維

航空、航天、原子能、高性能武器裝備及高溫工程等諸多領(lǐng)域，迫切需要高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕的陶瓷基復(fù)合材料，來(lái)代替高溫合金與單相陶瓷。SiC陶瓷纖維具有高強(qiáng)度（1~4GPa），高模量（150~400GPa）、耐高溫（>1200℃）、抗腐蝕、抗氧化、低密度（<3.5g/cm3）和電阻率可調(diào)控等其它無(wú)機(jī)纖維無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，主要用于耐高溫的復(fù)合材料，是金屬基和陶瓷基復(fù)合材料的首選材料。

SiC纖維有著其它纖維無(wú)可替代的作用，發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛投入大量資金致力于此類(lèi)陶瓷纖維的研制與開(kāi)發(fā)，以期在航空、航天、汽車(chē)、體育用品和環(huán)保方面實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

碳化硅纖維屬陶瓷纖維類(lèi)，是以有機(jī)硅化合物為原料經(jīng)紡絲、碳化或氣相沉積而制得具有β-碳化硅結(jié)構(gòu)的無(wú)機(jī)纖維。目前制備連續(xù)SiC纖維的方法主要有化學(xué)氣相沉積法，活性炭纖維轉(zhuǎn)化法，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法等。

目前國(guó)內(nèi)外研究者主要從控制C、Si原子比、減少纖維中游離碳的含量；改進(jìn)工藝、在制備過(guò)程中避免氧的引入；添加異質(zhì)元素，維持纖維的無(wú)定型結(jié)構(gòu)；引入燒結(jié)劑，利用高溫脫除雜質(zhì)反應(yīng)制備高純多晶SiC纖維等四個(gè)方面提高SiC纖維耐高溫、抗氧化性能。

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備SiC陶瓷纖維是日本東北大學(xué)矢島教授1975年開(kāi)發(fā)成功。目前使用該法制備連續(xù)SiC纖維的單位主要有：日本碳公司，宇部興產(chǎn)公司，美國(guó)道康寧公司和德國(guó)Bayer公司等。

國(guó)防科技大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早從事先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法連續(xù)SiC纖維研究與開(kāi)發(fā)的科研單位，現(xiàn)在已經(jīng)具有一定的規(guī)模。

西北工業(yè)大學(xué)張立同院士等研制的“連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料”，打破了國(guó)際高技術(shù)封鎖，在2005年獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。

廈門(mén)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、航天特種材料及工藝技術(shù)研究所等單位也在SiC纖維的制備研究上取得了較好的成績(jī)。

紡織類(lèi)院校中浙江理工大學(xué)陳建軍教授課題組一直致力于SiC纖維及其增強(qiáng)陶瓷的研究，并取得了較好的研究成果。

SiC纖維不僅是國(guó)防高科技領(lǐng)域極其重要的戰(zhàn)略材料，也具有巨大的商業(yè)價(jià)值，目前商品化規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)只被日本和美國(guó)掌握，且對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)密封鎖技術(shù)及限制產(chǎn)品出口，獨(dú)立自主開(kāi)發(fā)和研究SiC纖維尤其是耐超高溫SiC纖維，才能保證我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料和武器裝備的發(fā)展研制。

氮化硅纖維

氮化硅纖維具有與碳化硅纖維類(lèi)似的性質(zhì)，具有很好的服役性能，作為一種性能優(yōu)良的高溫結(jié)構(gòu)材料，主要應(yīng)用于金屬基、陶瓷基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料和防熱功能復(fù)合材料的制備。

氮化硅纖維極佳的抗輻射性能使其編織成的電纜可在核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)器等極端環(huán)境中應(yīng)用；氮化硅纖維較高的電磁波透過(guò)率來(lái)源于其本身的低介電常數(shù)和低介電損耗，使其在超高音速飛行器天線(xiàn)罩等航空航天高溫透波材料中具有廣泛的應(yīng)用前景。

近年來(lái)，氮化硅陶瓷材料已成為國(guó)內(nèi)外高溫透波材料研究的重點(diǎn)。

美國(guó)Dow Corning公司在1987年首先開(kāi)發(fā)了高純度的Si3N4纖維。日本東亞燃料公司、法國(guó)Domaine大學(xué)、日本原子能研究所均研究出各自制備Si3N4纖維的方法。

國(guó)內(nèi)對(duì)氮化硅纖維的制備研究開(kāi)展相對(duì)較晚，目前對(duì)氮化硅纖維開(kāi)展系統(tǒng)研究的單位主要有廈門(mén)大學(xué)和國(guó)防科技大學(xué)，技術(shù)路線(xiàn)與日本原子能研究所類(lèi)似。

來(lái)源：國(guó)家先進(jìn)功能纖維創(chuàng)新中心