【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、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。可以預(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、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