第九章 高性能纤维

高性能纤维材料的研究及应用前景高性能纤维材料是一类非常重要的工业材料，被广泛应用于航空、航天、交通、建筑等领域。

随着科技的不断发展和需求的不断增加，高性能纤维材料的研究也被越来越多的人们所关注。

本文将从材料特性、研究与应用现状以及未来的应用前景三个方面进行探讨。

一、高性能纤维材料的特性高性能纤维材料是由各种材料所制成的纤维，具有优异的力学性能和物理化学性能。

其中，碳纤维、石墨纤维、高强度聚酰胺纤维、芳纶纤维等是较为常见的高性能纤维材料。

这些材料具有以下的特性：1、强度高：高性能纤维材料的强度很高，因此可以承受较大的拉力。

比如碳纤维的强度相当于钢的7倍左右，芳纶纤维的强度甚至比钢还高2倍以上。

因此，在建筑工程中可以采用高性能纤维材料制成的钢筋，以提升建筑物的抗震性和耐久性。

2、刚性好：高性能纤维材料的刚性相对较高，有利于提高材料的稳定性和抗变形能力。

3、重量轻：由于高性能纤维材料的密度相对较低，因此其重量比同体积的钢铁等材料要轻，可以减轻设备和结构物的重量。

4、耐腐蚀性强：很多高性能纤维材料具有较强的耐腐蚀性，可以在恶劣的环境下使用。

二、高性能纤维材料的研究与应用现状随着科技的不断进步和工业生产的发展，高性能纤维材料已经被广泛应用于军事、航空、航天、交通、建筑等领域。

例如，碳纤维材料被广泛应用于航空航天、汽车制造、体育器材等领域；芳纶纤维材料则被应用于防弹衣、安全带、防火服等领域；高强度聚酰胺纤维在火箭、导弹、船舶等领域有着广泛的应用。

目前，高性能纤维材料的研究也在不断深化。

研究人员正在努力提高材料的性能，同时也在探索新的应用领域。

例如，石墨烯纤维作为一种新型的纤维材料受到了极大的关注。

这种纤维具有极高的强度和导电性能，可以应用于高端电子器件、纳米材料等领域。

三、高性能纤维材料未来的应用前景高性能纤维材料的应用前景非常广阔。

未来，高性能纤维材料将在以下几个方面得到进一步的应用：1、智能化材料的发展：高性能纤维材料可以通过特殊的加工工艺使其具有一定的智能化功能，比如具有感应、控制和反应等功能。

《高性能纤维》课程大纲一、课程概述课程名称（中文）高性能纤维（英文）High Performance Fibers课程编号1437104课程学分 2.0学分课程总学时 32学时课程性质专业选修课二、课程简介高性能纤维的发展是一个国家综合实力的体现，是建设现代化强国的重要物资基础。

高性能纤维复合材料是发展国防军工、航空航天、新能源及高科技产业的重要基础原材料，同时在建筑、通信、机械、环保、海洋开发、体育休闲等国民经济领域具有广泛的用途。

本课程主要结合材料科学与工程专业的课程体系，讲述高性能纤维国内外的研究与发展现状，高性能纤维的特性与分类、纤维结构性能及表征、应用领域等，重点介绍芳香族纤维、碳纤维、高强度纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、耐热纤维、耐化学腐蚀纤维等的发展历史、特性、制备工艺、结构性能、主要产品及应用实例。

三、教学目标与要求通过教学，使学生在掌握高性能纤维材料基本知识的前提下，更能及时了解国内外最新的研究和发展动向，提高学生对专业课程知识进行记忆、思考、理解、交流的能力。

同时结合本校已有的高性能纤维方面的科研力量，促进学生的科研能力的提升，从而全面提高学生在该领域继续深造或专业研究工作中的竞争力。

四、教学内容与学时安排绪论（2学时）一、高性能纤维的基本性能、发展概况（1学时）二、掌握高性能纤维的应用及主要产品（1学时）第一章芳香族聚酰胺（6学时）1.教学目的与要求（1）掌握芳香族聚酰胺纤维结构、制品及其应用（2）了解芳香族聚酰胺纤维的发展概况（3）了解芳香族聚酰胺的制造工艺（4）掌握芳香族聚酰胺其它纤维材料2.教学重点与难点（1）教学重点芳香族聚酰胺主要纤维材料（2）教学难点芳香族聚酰胺纤维的结构、生产工艺第一节方向族酰胺基本概念、发展历史及其基本性能（2学时）一、芳香族聚酰胺纤维概念、产生背景二、芳香族酰胺的基本性能第二节芳香族聚酰胺结构、制备及应用（2学时）一、芳香族酰胺的结构及制备工艺二、芳香族聚酰胺应用第三节芳香族聚酰胺其它纤维（2学时）一、芳香族杂环纤维二、PBO三、PBI四、芳香族聚酯纤维（一）Ekonol Vectran；PHQT；3,4-PCOPGT（二）聚酰亚胺纤维（三）聚苯硫醚纤维（PPS）的发展、性质、制备及应用第二章超高分子量聚乙烯纤维（4学时）1.教学目的与要求（1）掌握超高分子量聚乙烯纤维结构、制品及其应用（2）了解超高分子量聚乙烯纤维的发展概况（3）了解超高分子量聚乙烯纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点超高分子量聚乙烯纤维制品及其应用（2）教学难点掌握超高分子量聚乙烯纤维结构及制备工艺第一节超高分子量聚乙烯纤维发展概况、结构（2学时）第二节超高分子量聚乙烯纤维主要制品及其应用实例（2学时）第三章高强度纤维（4学时）1.教学目的与要求（1）掌握高强度纤维结构、制品及其应用（2）了解高强度纤维的发展概况（3）了解高强度纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点高强度纤维的发展概况、主要制品及其应用（2）教学难点高强度纤维结构及制备、改良工艺第一节高强度纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能、分类与制造（2学时）一、高强度纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能二、高强度纤维分类与制造第二节高强度纤维的结构与性能（2学时）第四章碳纤维材料（4课时）1.教学目的与要求（1）掌握碳纤维结构、制品及其应用（2）了解碳纤维的发展概况（3）了解碳纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点碳纤维的发展概况、主要制品及其应用（2）教学难点碳纤维结构及制备、改良工艺第一节碳纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能、分类与制造（2学时）一、碳纤维的基本概况（发展史、应用领域）、结构及基本性能二、碳纤维分类与制造第二节碳纤维的结构、产品、性能及应用实例（2学时）一、碳纤维的结构二、碳纤维主要产品及其增强复合材料第五章玻璃纤维（4学时）1.教学目的与要求（1）掌握玻璃纤维结构、制品及其应用（2）了解玻璃纤维的发展概况（3）了解玻璃纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点玻璃纤维的制品及其应用发展概况（2）教学难点玻璃纤维的结构及制备工艺第一节玻璃纤维的概况（2学时）一、玻璃纤维的概念二、玻璃纤维的发展历史三、玻璃纤维的应用第二节玻璃纤维的基本性能、制品及制造工艺（2学时）一、玻璃纤维的基本性能二、玻璃纤维制品三、玻璃纤维的制造工艺第六章陶瓷纤维（2学时）1.教学目的与要求（1）掌握陶瓷纤维结构、制品及其应用（2）了解陶瓷纤维的发展概况（3）了解陶瓷纤维的制造工艺2.教学重点与难点（1）教学重点陶瓷纤维制品及其应用（2）教学难点陶瓷纤维结构及其生产工艺第一节陶瓷纤维的基本概念、主要特性及其应用领域（1学时）一、陶瓷纤维的概念二、陶瓷纤维的特性三、陶瓷纤维的应用第二节陶瓷纤维的结构、制备、主要产品及应用实例（1学时）一、陶瓷纤维的制备二、陶瓷纤维的结构三、陶瓷纤维的应用实例第七章耐热纤维（2学时）1.教学目的与要求（1）掌握耐热纤维制品及其应用（2）了解耐热纤维的发展概况2.教学重点与难点（1）教学重点耐热纤维制品及其应用（2）教学难点耐热纤维结构及改性第一节耐热纤维发展的基本概况、基本性能及结构单元（1学时）一、耐热纤维概况二、耐热纤维基本性能三、耐热纤维结构第二节耐热纤维制品及其应用实例（1学时）一、耐热纤维制品二、耐热纤维应用第八章耐化学腐蚀纤维（2学时）1.教学目的与要求（1）掌握耐化学腐蚀纤维制品及其应用（2）了解耐化学腐蚀的发展概况2.教学重点与难点（1）教学重点耐化学腐蚀制品及其应用（2）教学难点耐化学腐蚀结构及改性第一节耐化学腐蚀纤维概况、结构及基本性能（1学时）一、耐化学腐蚀纤维概况二、耐化学腐蚀纤维结构三、耐化学腐蚀纤维基本性能第二节耐化学腐蚀纤维制品及其应用（1学时）一、耐化学腐蚀制品二、耐化学腐蚀纤维应用第九章高性能纤维的发展趋势（2学时）1.教学目的与要求（1）理解高性能发展的趋势（2）了解高性能纤维改良与发展的手段2.教学重点与难点（1）教学重点高性能纤维发展的趋势（2）教学难点高性能纤维改良手段及工艺第一节高性能纤维发展的趋势（1学时）第二节高性能纤维主要的改良工艺和技术手段（1学时）5.考核方式与成绩评定闭卷考试，平时成绩30%（考勤占10%，课内总结报告占20%），卷面成绩70%6.教材与主要参考资料主教材：《高性能纤维》，J W S Hearle,中国纺织出版社，2004.主要参考资料：[1] Menachem Lewin, Jack Preston.High technology fibers[M].纺织工业出版社，1992.[2] 徐僖.高分子材料科学与工程[M].高分子材料科学与工程出版社[3] 罗益锋.世界主要高性能纤维简况[J].化工新型材料，2001，29(5)：1-4.[4] 裘愉发.主要高性能纤维的特性和应用[J].现代丝绸科学与技术，2010（1）17-24[5] 罗益锋.3大高性能纤维及其应用新动向与对策建议高科技纤维与应用，2012，37（6）：1-6.。

高性能纤维的制备及应用在科技快速发展的今天，高性能纤维的研发和制备技术成为了人们关注的焦点。

高性能纤维具有高强度、高模量、低密度、低热膨胀系数、高耐热性、耐腐蚀性等优异的性能，在能源、航空、航天、汽车、体育用品等领域都得到了广泛应用。

一、制备工艺高性能纤维的制备工艺主要有两种方法：一种是螺旋丝法，另一种是湿法。

螺旋丝法是通过将高分子材料拉伸成纤维状的工艺制备高性能纤维。

湿法是在高分子材料中加入化学剂，在合适的温度和湿度下制备高性能纤维。

这两种制备工艺都具有各自的优点和缺点。

1. 螺旋丝法螺旋丝法是一种利用高分子材料原有的纤维形态，通过拉伸制备高性能纤维的工艺。

该方法主要步骤如下：第一步，高分子材料被加工成粉末或颗粒状物质；第二步，将粉末或颗粒状高分子材料放置在牵伸器中，进行加热和牵伸处理；第三步，将形成的高性能纤维经过染色、热定型等加工处理。

螺旋丝法制备的高性能纤维具有均匀的强度和模量，可以制备的纤维种类较多。

但是，该方法需要高温、高压的条件，成本较高，且生产效率低。

2. 湿法湿法是一种在高分子材料中加入化学剂，通过反应和加热使其成为纤维状物质的制备方法。

该方法主要步骤如下：第一步，高分子材料和化学剂混合均匀，成为“毛茸状物质”；第二步，将“毛茸状物质”置于加热条件下，进行牵拉处理；第三步，将牵拉后的纤维进行染色和加工处理。

湿法制备的高性能纤维生产成本较低，生产效率较高，适用于小批量生产。

但是，该方法制备的纤维几乎不能选择其形状和尺寸，且纤维强度和模量不均匀。

二、应用领域1. 航空航天领域高性能纤维在航空航天领域的应用已经得到广泛推广，例如，碳纤维和玻璃纤维在飞机、飞行器和卫星的结构部件中被广泛应用，在轻量化和强度耐久性方面取得了显著效果。

2. 汽车领域高性能纤维在汽车领域的应用也已经逐渐成为趋势，例如碳纤维、玻璃纤维、UD纤维等在汽车外壳和零部件制造中得到广泛应用，提高了汽车的燃油经济性、降低了空气阻力、改善了安全性。

高性能纤维的特征及其应用一、高性能纤维的定义：具备特殊耐受力的一类材料高性能纤维，是指对外部的力、热、光、电等物理作用和酸、碱、氧化剂等化学作用具有特殊耐受能力的一种材料。

包括高强度、高模量、耐高温、阻燃、抗电子束辐射、抗射线辐射、耐酸、耐碱、耐腐蚀等的纤维。

被称为第三代合成纤维。

这类纤维由于具有比普通纤维更高的机械强度和弹性模量，更好的热稳定性、耐酸碱性及耐候性。

是20世纪60年代初发展以来，高分子纤维材料领域发展迅速的一类特种纤维。

它被称为继第一代锦纶、涤纶和腈纶及第二代改性纤维(包括差别化纤维)之后的第三代合成纤维。

二、高性能纤维类别繁多高性能纤维按化学组成可分为有机和无机高性能纤维两大类。

有机高性能纤维是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，按其大分子刚柔性可分为刚性链聚合物纤维和柔性链聚合物纤维。

其中，刚性链聚合物纤维由芳香族大分子构成，大分子柔软度较差，包括芳纶、聚四氟乙烯等；而柔性链聚合物纤维大分子不包含芳香环，柔性度较好，包括超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯醇纤维、超高分子量聚丙烯腈纤维等。

无机高性能纤维一般以矿物质或金属为原料制成。

它同样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、玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、金属纤维等，此外尚有石棉纤维、矿渣棉、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等其他无机纤维。

三、应用集中于工业，其中高强度高模量纤维发展最快高性能纤维在国防军事和工业领域应用十分广泛。

尤其是在有特殊要求的工业和技术领域，比如宇宙开发、海洋开发、情报信息、能源交通、土木建筑、军事装备、化工和机械等诸多方面，高性能纤维起着不可缺少的作用。

有机高性能纤维中的高模量高强度纤维每年以两位数速率增长。

有机高性能纤维可分为4大类近40种，分别为高强高模纤维、耐热纤维、抗燃纤维及耐腐蚀纤维。

目前，已经商品化的高性能有机纤维当属高强高模纤维增长最快，主要品种的需求量均以2位数增长，耐热纤维次之，主要品种以5%-10%的年增长率发展，抗燃纤维和耐强腐蚀性纤维相对增长缓慢，但又不可缺。

高性能纤维技术了解高性能纤维在行业中的应用高性能纤维是一种具有出色强度和耐磨性的纤维材料，其在各个行业中广泛应用。

本文将从不同的角度介绍高性能纤维技术及其在不同行业的应用。

一、高性能纤维技术的概述高性能纤维是一种由特定材料制成的纤维，具有较高的拉伸强度和抗拉应力。

它们通常由聚合物、金属或陶瓷等制成，并经过特殊的加工和处理过程，以获得优异的性能。

高性能纤维广泛应用于航空航天、汽车、体育器材、防护装备等领域。

二、高性能纤维在航空航天领域的应用航空航天领域对材料的要求极高，高性能纤维由于其轻量、高强度和耐高温等特性而成为首选材料。

在航空航天领域中，高性能纤维常被用于制造飞机、导弹和航天器的结构件，如飞机机身、发动机罩等。

其优异的性能可以有效提高飞行器的性能和安全性。

三、高性能纤维在汽车行业的应用汽车行业对材料的要求包括强度、刚度、热稳定性等方面，高性能纤维在满足这些要求的同时减轻了整车的重量，提高了燃油经济性。

高性能纤维可以用于制造汽车的结构件、内饰件以及汽车电池等。

其优异的性能可以提供更好的碰撞安全性和驾驶舒适性。

四、高性能纤维在体育器材领域的应用在体育器材领域，高性能纤维的应用范围广泛，如高性能碳纤维、芳纶纤维等。

这些纤维被广泛应用于制造高尔夫球杆、网球拍、自行车车架等器材。

高性能纤维的轻质和高强度能够提供更好的性能，为运动员提供更好的体验。

五、高性能纤维在防护装备领域的应用防护装备领域对材料的要求非常高，高性能纤维由于其出色的抗冲击性和抗刺穿性而成为理想的材料。

在防弹背心、防刺服、安全带等防护装备中广泛采用高性能纤维制成的材料，有效保护人身安全。

总结：高性能纤维技术在航空航天、汽车、体育器材和防护装备等行业中得到广泛应用。

高性能纤维的轻质、高强度和耐磨性使其成为各行业中的理想材料，大大提升了产品的性能和质量。

随着技术的不断发展，相信高性能纤维将在更多的领域展现出其巨大潜力。

高性能纤维目录编辑本段定义高性能纤维是具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维，一般指强度大于17.6cN/dtex，弹性模量在440cN/dtex以上的纤维。

如耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能。

这些纤维大都应用于工业、国防、医疗、环境保护和尖端科学各方面。

编辑本段分类高性能纤维按性能可分为耐腐蚀性纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、高强度高模量纤维、功能纤维和弹性体纤维等。

①耐腐蚀纤维：即含氟纤维。

有聚四氟乙烯纤维（Teflon TFE）、四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维(TeflonFEP)、聚偏氯乙烯纤维(Kynar)、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤维(Halar)等。

②耐高温纤维：有聚间苯二甲酰间苯二胺纤维(No-mex)、聚酰亚胺纤维(Αримид ∏Μ)、聚苯砜酰胺纤维(СульФон-Τ)、聚酰胺酰亚胺纤维(Kermel)、聚苯并咪唑纤维(PBI)等。

③抗燃纤维:有酚醛纤维(Kynol)、芳香族聚酰胺表面化学处理纤维、金属螯合纤维、聚丙烯腈预氧化纤维(Pyromex)等。

④高强度高模量纤维：有聚苯二甲酰对苯二胺纤维(Kevlar)、芳香族聚酰胺共聚纤维(HM-50)、杂环族聚酰胺纤维(Βниивлон СΒΜ)、碳纤维(Carbon fiber :Torayca)、石墨纤维(M40)、碳化硅纤维等。

⑤功能纤维:有中空纤维半透膜(B-9、B-10、PRISM等)、活性碳纤维(KF等) 、超细纤维毡(Ф∏∏15等)、吸油纤维毡(Tafnel等)、光导纤维(Crofon、Eska等)、导电纤维(Antron Ⅲ)等。

⑥弹性体纤维：有聚酯型和聚醚型聚氨基甲酸酯纤维(Spandex)、聚丙烯酸酯类纤维(Anidex)、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维(Fibre-L)等。

大多数高性能特种纤维采用湿法纺丝制成。