高性能纤维研究进展

摘要本文介绍了T1000 级碳纤维的发展历程，综述了T1000 级碳纤维及其复合材料的研究及应用情况，指出了国产T1000 级碳纤维应用研究需要关注的问题。

1引言碳纤维是一种碳元素组成占总质量90％以上，具有高强度、高模量、耐高温等优点的纤维材料。

最早可追溯至18 世纪的爱迪生和斯旺，1959年日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，而当下碳纤维的核心技术和产能被日本、美国以及一些欧洲发达国家和地区掌控。

T1000 级碳纤维作为碳纤维中的高端产品，在航空航天领域有着极大的用途。

高性能碳纤维的研究可以改善固体火箭发动机消极质量、提升载药量、提高质量比，对于先进武器的发展研究以及航天探索有重大意义。

目前国外已经大量使用T1000 级碳纤维的缠绕容器和固体火箭发动机壳体，因此开展国产T1000级碳纤维及其复合材料的应用研究迫在眉睫。

碳纤维的制备包括物理、化学、材料科学等多个领域的内容，总体分为纺丝原液的聚合、聚丙烯腈原丝的纺制、预氧化和碳化三个步骤，有众多因素需要调控。

根据缺陷理论和最弱连接理论，制备过程中产生的缺陷是影响碳纤维性能的主要因素，为保证碳纤维的性能，需要对每个工艺流程中工艺参数精准调控，由于加工过程中的各参数之间相互作用十分复杂，且目前一些工艺流程中的实际形成和演变机理不明，也使得高性能碳纤维，尤其是T1000 级碳纤维的研制有很大困难。

T1000 级碳纤维的研究主要包括碳纤维本身性能的研究、碳纤维复合材料的改性研究、碳纤维复合材料使用性能的研究几个方面。

由于T1000 级碳纤维本身的高性能、价格昂贵等原因，且国产T1000 级碳纤维还没有正式投入应用的报道，在实际应用方面主要介绍国外T1000 级碳纤维在航空航天以及其他领域的应用情况。

2T1000 级碳纤维性能研究现状1962 年正式开展PAN 基碳纤维的研制，1986 年研制出T1000G 碳纤维。

2014 年 3 月，通过碳化精细控制技术在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G 碳纤维，2017 年 6 月强度由6600MPa 更新至7000MPa，目前东丽已完成了T1200 碳纤维的量产。

高性能纤维的可织性研究进展*吴 宁，韩美月，焦亚男，陈 利（天津工业大学复合材料研究院，先进纺织复合材料教育部重点实验室，天津 300387）[摘要] 高性能纤维的可织性反映了高性能纤维在织造成形加工中的抗损伤能力，其优劣直接影响织造效率和最终复材制品的性能和质量。

本文内容涉及碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和多种无机陶瓷纤维的可织性研究。

主要介绍了高性能纤维的三维机织损伤表征与优化技术，阐述了其可织性评价方法的研究现状与进展，归纳了不同类型高性能纤维织造适应性的改善方法，最后提出了本领域亟待解决的问题和主攻方向。

关键词： 高性能纤维；碳纤维；三维机织；织造损伤；可织性；上浆DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2020.15.081特点，在织机开口及打纬运动过程中纱线会经受更大的摩擦力，更多的摩擦次数以及形成更高的弯曲曲率而产生更加严重的损伤。

高性能纤维的可织性通常是指高性能纤维束在承受织机复合应力作用下，所表现出的织造适应性即抗织造损伤能力。

然而，高性能纤维的可织性无法从国内外生产厂家公开的少量性能指标（丝束拉伸强度、弹性模量、断裂延伸率等）中得到判定依据。

因此，认识高性能纤维的可织性是低损伤三维织造工艺设计的基础，也是三维机织复合材料性能优化的重要途径。

本文围绕高性能纤维三维机织过程损伤表征与优化、可织性评价方法及其织造适应性改善3个方面进行综述，介绍了目前高性能纤维可织性领域的关注热点及主要研究工作，并对其发展趋势进行了展望。

高性能纤维的三维机织过程损伤表征与优化随着高性能复合材料市场的快速发展，三维织物的高效自动化制备是必然趋势。

为了在不降低织物高性能纤维由于高强度、高模量等特点通常以连续纤维束交织的方式在复合材料中充当增强体，增强体的结构形式以二维和三维机织物为主。

其中三维机织物的纱线交织结构中包含全部或部分贯穿织物厚度方向的捆绑纱线，对比二维机织物可显著提高复合材料的抗分层能力以及冲击损伤容限。

织物用新型纤维的研究现状及发展趋势一、研究背景和意义随着科技的不断进步，人们对纺织品的需求也在不断提高。

传统的纤维已经不能满足人们的需求，因此新型纤维的研究和开发变得尤为重要。

织物用新型纤维的研究现状及发展趋势，正是针对这一问题而展开的。

首先我们需要了解什么是新型纤维，新型纤维是指在传统纤维的基础上，通过改变其分子结构、形态或加工方式等手段制成的具有特殊性能的纤维。

这些新型纤维具有更好的强度、耐磨性、透气性和抗菌性等特点，可以广泛应用于纺织业。

其次我们需要知道为什么研究新型纤维如此重要，随着全球经济的发展和人口的增长，对纺织品的需求也在不断增加。

而传统的纤维已经不能满足人们的需求，因此需要开发出更加优质、环保和可持续的新型纤维来满足市场需求。

此外新型纤维还可以应用于医疗、航空航天等领域，具有广阔的应用前景。

我们需要了解目前新型纤维的研究现状及发展趋势，目前国内外许多科研机构和企业都在积极开展新型纤维的研究和开发工作。

其中一些具有代表性的新型纤维包括：超细纳米纤维、多功能复合纤维、可生物降解纤维等。

未来随着技术的不断进步和人们对环保意识的提高，新型纤维将会得到更广泛的应用和发展。

1. 纤维材料在纺织品中的应用在纺织品领域，纤维材料的应用可谓是无所不在。

从我们日常生活中穿的衣物、家居用品，到各种工业用途的材料，纤维材料都在起着关键作用。

比如我们的内衣、袜子、床上用品等，都是由纤维材料制成的。

而在工业领域，纤维材料也被广泛应用，如汽车、飞机、建筑等领域都需要使用各种类型的纤维材料。

此外随着科技的发展，新型纤维材料也不断涌现出来。

这些新型纤维材料不仅具有传统纤维材料的优点，还具有一些新的特性和功能。

例如有些新型纤维材料可以防火、防水、防紫外线等，这些特性使得它们在特定的领域得到了广泛的应用。

纤维材料在纺织品中的应用非常广泛，而且随着科技的发展，新型纤维材料的出现也为我们的生活带来了更多的便利和选择。

2. 传统纤维材料的局限性和问题尽管新型纤维材料的研究取得了很大的进展，但我们不能忽视传统纤维材料所面临的局限性和问题。

高性能涤纶的催化性能研究进展涤纶是一种广泛应用于纺织、包装、建筑等领域的合成纤维材料。

以其优异的性能和广泛的应用领域而闻名于世。

然而，随着对环境保护和可持续发展的重视，对涤纶纤维的性能提升和绿色生产要求也越来越高。

因此，研究高性能涤纶的催化性能成为当前研究的热点之一。

首先，了解涤纶的基本性质对于研究和改善其催化性能至关重要。

涤纶是通过聚酯化学反应合成得到的合成纤维，其主要成分是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）。

PET是通过对苯二甲酸酯和乙二醇在催化剂存在下进行酯交换反应得到的。

因此，催化剂的选择和优化对于涤纶的催化性能至关重要。

在涤纶纤维的生产中，催化剂主要用于促进酯交换反应和聚合反应的进行。

催化剂可以提高聚合反应的速度和选择性，降低酯交换反应的温度和压力。

目前常用的催化剂有金属催化剂、盐酸和碱催化剂等。

其中，金属催化剂如锌、钛、铜等被广泛应用于涤纶的生产中。

这些金属催化剂具有良好的催化活性和选择性，能够有效提高涤纶的质量和性能。

然而，传统的催化剂在涤纶纤维生产过程中存在一些问题，如催化效果不稳定、催化剂残留量高等。

因此，科学家们不断探索新型高性能催化剂的研究。

近年来，纳米催化剂成为研究的热点之一。

纳米催化剂具有较大的比表面积和丰富的表面活性位点，能够提高催化反应的速率和选择性。

同时，纳米催化剂具有优异的稳定性和再生性能，能够减少催化剂的损耗和对环境的污染。

此外，研究人员还通过改变催化剂的结构和成分来提高涤纶的催化性能。

例如，将金属催化剂与载体材料进行复合，能够提高催化剂的稳定性和活性。

同时，优化催化剂的组合方式和比例，可以提高涤纶纤维的物理性能和化学稳定性。

另外，研究人员还从天然产物中寻找潜在的催化剂，如酶类，这些天然催化剂具有良好的催化活性和选择性，同时具有较小的对环境的污染。

在涤纶的催化性能研究中，除了催化剂的优化和开发，还需要考虑生产过程中的工艺条件和环境因素。

例如，合理调控催化反应的温度、压力和反应时间，能够提高涤纶纤维的结晶度和拉伸性能。

综述与专论合成纤维工业,2021,44(5):58CHINA㊀SYNTHETIC㊀FIBER㊀INDUSTRY㊀㊀收稿日期:2021-05-20;修改稿收到日期:2021-08-12㊂作者简介:钱鑫(1984 ),博士,高级工程师,主要从事国产高性能碳纤维及其复合材料领域研究㊂E-mail:qx3023@㊂基金项目:宁波市自然科学基金重点项目(202003N4027);宁波市科技创新2025重大专项(2019B10091);浙江省重点研发计划(2021C01004)㊂㊀∗通信联系人㊂E-mail:zhangyonggang@㊂国内外PAN 基高模量碳纤维的技术现状与研究进展钱㊀鑫,王雪飞,马洪波,张永刚∗(中国科学院宁波材料技术与工程研究所碳纤维制备技术国家工程实验室,浙江宁波315201)摘㊀要:简要介绍了PAN 基高模量碳纤维在典型领域应用的性能特点,概述了国外PAN 基高模量碳纤维的发展历程及最新进展,指出兼具高强度㊁高模量㊁高伸长特性的新一代高模量碳纤维有望成为未来重点发展方向㊂分析了国内在PAN 基高模量碳纤维领域的技术现状,并对近几年国内在突破国产M55J 级高模量碳纤维技术基础上开展的系列基础研究工作进行了综述,对国内高模量碳纤维领域存在的主要问题进行了总结,提出提高产品技术成熟度,有效控制生产成本,从而进一步提高产品核心竞争力是现阶段国产PAN 基高模量碳纤维发展的重点㊂关键词:高模量碳纤维㊀航天飞行器㊀高强度㊀高伸长㊀技术现状中图分类号:TQ342.+74㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1001-0044(2021)05-0058-07㊀㊀聚丙烯腈(PAN)基高模量碳纤维是指拉伸模量超过350GPa㊁含碳量在99%以上的一类高性能碳纤维,具有弹性模量高㊁热膨胀系数小㊁尺寸稳定性好等优异性能㊂PAN 基高模量碳纤维增强复合材料可在温度交变环境中实现零膨胀,因此成为航天飞行器㊁深空探测等领域的重要原材料㊂目前PAN 基高模量碳纤维已广泛应用于宇航结构产品中,已成为各级主次结构的核心材料,也是未来航天材料发展的重点[1]㊂PAN 基高模量碳纤维在中模量碳纤维基础上经过进一步高温石墨化制备得到,石墨化过程所需温度最高可达3000ħ,具有基础研发难度大㊁核心技术壁垒高等特点㊂长期以来,PAN 基高模量碳纤维关键制备技术一直被国外少数碳纤维生产企业所垄断[2]㊂近年来尤其是最近5年来,以日本东丽㊁美国Hexcel 为代表的国外企业在PAN 基高模量碳纤维领域不断取得技术突破,引领着该领域技术的创新发展㊂作者从PAN 基高模量碳纤维性能特点出发,详细介绍了国外PAN 基高模量碳纤维的发展历程与最新进展,并对比概述了国内在该领域的发展现状,针对近期国内开展基础的研究工作进行了梳理和总结,最后对目前国内在PAN 基高模量碳纤维领域存在的主要问题进行了总结㊂1㊀PAN 基高模量碳纤维的典型特性PAN 基高模量碳纤维之所以能够在航天领域上获得广泛应用,主要源于以下几个优点:(1)PAN 基高模量碳纤维复合材料可满足航天器高刚度要求㊂由于卫星等航天器在发射过程中需要承受极高的加速过载和剧烈震动,因此在卫星结构设计时,主要考虑问题是在满足强度条件下解决刚度问题,通过采用高刚度结构才能保证卫星结构的完整性和功能性㊂通常PAN 基高模量碳纤维复合材料的单向材料比模量比铝合金大5~7倍[3],因此,高模量碳纤维复合材料是满足卫星等航天器结构刚度要求的最佳材料[4];(2)PAN基高模量碳纤维复合材料可满足航天器尺寸稳定性要求㊂航天器在太空环境运行面临的主要问题是高低温交变,如卫星运行在地球静止轨道面临的最高温度120ħ,最低温度则可达零下160ħ[3]㊂卫星结构件对高低温交变环境中结构的高精度和尺寸稳定性提出了极高要求,以PAN 基高模量碳纤维为增强材料,通过合理的铺层设计可以获得热膨胀系数近乎为零的复合材料,从而满足航天器对高低温交变环境中尺寸稳定性要求;(3)PAN 基高模量碳纤维复合材料可满足航天器轻量化要求㊂航天器使用的燃料每吨约需花费500万美元,携带大量燃料会增加航天器的起飞和飞行重量,大大提高航天器的制造成本和飞行费用[5]㊂据估算,卫星每节省1kg的质量,运载火箭就可以减少500kg的燃料,并降低发射成本2万美元[3]㊂与金属材料相比,PAN基高模量碳纤维复合材料在满足航天器高刚度和尺寸稳定性的同时,轻量化效果显著,有助于降低发射和运行成本㊂PAN基高模量碳纤维也存在一定的制约因素,以日本东丽公司的PAN基高模量碳纤维为例,按照拉伸模量,东丽公司将其碳纤维产品分为标准模量级(230GPa)㊁中模量级(294GPa)和高模量级(大于350GPa)㊂东丽公司常见的商品化碳纤维力学性能指标见表1㊂表1㊀日本东丽公司几款代表性产品的力学性能Tab.1㊀Mechanical properties of representative productsof Japan Toray Company产品牌号拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂伸长率,%T3003530230 1.5T700S4900230 2.1T800H5490294 1.9T800S5880294 2.0T1000G6370294 2.2M40J4400377 1.2M50J41204750.9M55J40205400.7M60J38205880.7㊀㊀由表1可知,与T800H㊁T800S等中模量碳纤维相比,高模量碳纤维的拉伸强度普遍偏低,如M40J级碳纤维强度最高也仅为4400MPa,致使PAN基高模量碳纤维断裂伸长率小于等于1.2%,这将进一步导致高模量碳纤维复合材料的断裂伸长下降㊁冲击韧性降低等㊂而近年来国外在PAN基高模量碳纤维领域的研究和突破也大多围绕着提升纤维强度和断裂伸长率而展开㊂2㊀国内外PAN基高模量碳纤维的现状2.1㊀国外PAN基高模量碳纤维的发展历程及最新进展日本东丽公司作为全球PAN基碳纤维领先制造商,在高模量碳纤维领域一直处于领先地位㊂1971年东丽公司在研制出T300级碳纤维基础上,经过进一步石墨化处理制备了拉伸强度2100 MPa㊁拉伸模量400GPa的M40型高模量碳纤维,而后经过了10余年发展,M40型高模量碳纤维性能逐渐稳定在拉伸强度2740MPa㊁拉伸模量392 GPa,随后该公司又研发出了拉伸强度2450MPa㊁拉伸模量490GPa的M50型高模量碳纤维㊂20世纪80年代中期,为了适应飞机结构件强度㊁模量并重的需求,东丽公司开发了高强高模MJ 系列碳纤维产品,形成了以M40J㊁M55J㊁M60J为代表的系列产品,相比于M40㊁M50型产品,MJ系列高模量碳纤维的拉伸强度得到优化提升(见表1),而其顶级商品之一的M60J级高模量碳纤维拉伸模量更是高达588GPa㊂随后20年里,东丽公司MJ系列碳纤维形成稳定化生产,并在航空航天㊁深空探测等领域获得广泛应用㊂近年来,东丽公司不断加强基础研究并取得了一定的技术突破㊂2014年3月,在传统PAN 溶液纺丝工艺基础上,该公司通过对碳化过程精细化控制实现了纤维微结构如石墨微晶取向㊁微晶尺寸㊁缺陷等纳米尺度的改善,成功开发出拉伸强度6600MPa㊁拉伸模量324GPa的T1100G碳纤维;2017年该公司成功实现了T1100G产品的商业化生产,并将碳纤维拉伸强度优化提升至7000MPa,拉伸模量仍为324GPa㊂该型产品研制成功的重要意义体现于它在中模量级碳纤维基础上同时实现了拉伸强度和拉伸模量的提升,比如与T800S级碳纤维相比,T1100G碳纤维拉伸强度与拉伸模量分别提升了19%㊁10%,这为后续研发具有高强度㊁高伸长特性的PAN基高模量碳纤维奠定了基础㊂2018年11月,东丽公司又成功开发出拉伸强度5700MPa㊁拉伸模量377GPa的M40X新型PAN基高模量碳纤维㊂之所以将其称为新型高模量碳纤维,是因为该款碳纤维的拉伸强度达到了传统高模量碳纤维前所未有的新高度,特别是鉴于其显著的高强度优势,使得纤维断裂伸长率达到1.5%,从而同时具备了高强度㊁高模量和高伸长的特点㊂而M40X新型高模量碳纤维与目前广泛使用的M40J级高模量碳纤维相比,两者拉伸模量相同,但前者拉伸强度却比后者提高了29%㊂日本东丽M40X新型高模量碳纤维的研发成功解决了长期以来碳纤维高强度㊁高模量和高伸长难以共存的难题㊂2020年5月,东丽公司在PAN基高模量碳纤维领域再度取得新进展,开发出拉伸强度4800 MPa㊁拉伸模量390GPa的高模量碳纤维㊂根据95第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钱㊀鑫等.国内外PAN基高模量碳纤维的技术现状与研究进展该公司介绍,该款高模量碳纤维产品未来主要应用领域为轻型汽车零件及工业领域㊂与目前东丽公司工业领域应用最为广泛的T700碳纤维相比,虽然该款碳纤维拉伸强度略有降低,但纤维拉伸模量提升了70%㊂在推出该新款高模量碳纤维的同时,东丽公司也配套研发出用于该型碳纤维注塑成型加工的热塑性颗粒,通过使用这些颗粒能有效地生产出具有轻量化优势和复杂结构的高刚性零件,在降低对环境影响的同时,可以大大提高成本效益㊂除日本以外,美国部分科研机构和企业也在积极探索具有高强度㊁高伸长特性的PAN基高模量碳纤维的关键研发技术㊂2015年5月,美国佐治亚理工学院采用凝胶工艺获得PAN共聚物,随后在连续碳化生产线上制备得到拉伸强度5500~5800MPa,拉伸模量354~375GPa的PAN基高模量碳纤维㊂该款纤维高强度㊁高模量的组合使得PAN基高模量碳纤维的力学性能达到了新的高度[6]㊂2019年3月,美国Hexcel公司在巴黎复合材料展览会上推出了商品化的HexTow®HM50型高模量碳纤维,该型碳纤维的拉伸强度5723MPa㊁拉伸模量345GPa,断裂伸长率也达到了1.5%㊂2020年初,在Hexcel公司最新版产品目录又新增了一款HexTow®HM54型高模量碳纤维,拉伸强度4826MPa㊁拉伸模量372GPa㊂HM54型高模量碳纤维与日本东丽M40J级碳纤维的模量相接近,但拉伸强度提高了9%,断裂伸长率也提高到1.3%㊂同年8月,Hexcel公司对外宣布HexTow®HM54型高模量碳纤维被全球知名高尔夫球杆生产商True Temperate Sports选定来生产其最新的产品HZRDUS Smoke Black RDX㊂近年来国外在PAN基高模量碳纤维领域的研究重心主要是解决碳纤维高强度和高模量的性能匹配问题,通过多年的技术优势积累,日本东丽㊁美国Hexcel分别成功研发出M40X型㊁HM50型㊁HM54型等新型高模量碳纤维,这些兼具高强度㊁高模量㊁高伸长特性的新一代PAN基高模量碳纤维有望成为未来PAN基高模量碳纤维领域发展的重点方向,而随着纤维力学性能的不断优化提升,PAN基高模量碳纤维的断裂伸长率将可能实现进一步提高㊂2.2㊀国内PAN基高模量碳纤维的技术现状由于国外实施严格技术封锁,国内PAN基高模量碳纤维长期发展缓慢,与日本㊁美国等相比存在明显的差距㊂进入2000年以后,随着国家对高性能碳纤维领域重视程度提升以及持续不断的科研投入,高性能国产化工作成效显著㊂近年来,国内已突破T800级㊁T1000级中模量碳纤维制备技术㊂与中模量碳纤维相比,国内从事PAN基高模量碳纤维研究单位较少,主要有中国科学院山西煤化所㊁北京化工大学㊁东华大学㊁中国科学院宁波材料所等㊂早在2006年中国科学院山西煤化所便开展了PAN基高模量碳纤维研究工作,通过使用日本东丽T300级碳纤维为原料,经过2400~3000ħ高温石墨化处理制备得到的高模量碳纤维,模量最高达到424GPa[7-8]㊂2009年,北京化工大学制备得到国产M40型高模量碳纤维(拉伸强度3200~3300MPa㊁拉伸模量400GPa),并初步具备了小批量供应能力[9-10]㊂由于高温石墨化处理工艺温度高,对装备要求极高,2011年,东华大学科研人员开展了碳纤维的催化石墨化研究,使用东丽T700级碳纤维为原料,经过硼酸浸渍处理后再进行石墨化处理,进一步采用催化石墨化方法制备了高模量碳纤维,其单丝最高拉伸模量在400GPa左右,拉伸强度则介于2000~3000 MPa[11-13]㊂十二五 期间国内高性能碳纤维进展迅速,在PAN基高模量碳纤维领域也取得阶段性进展㊂2015年,北京化工大学突破了国产M40J级高模量碳纤维技术,并与蓝星集团㊁中国空间技术研究院㊁北京首都科技发展集团就产业化项目签约[14]㊂2016年1月,中国科学院宁波材料所在吨级中试平台研制出拉伸强度4860MPa㊁拉伸模量541GPa的PAN基高模量碳纤维,标志着国内在国产M55J级高模量碳纤维制备技术领域实现了突破[15-17]㊂2018年3月,中国科学院宁波材料所再度研制出拉伸强度5240MPa㊁拉伸模量593 GPa的国产M60J级高模量碳纤维[18]㊂随后国内在PAN基高模量碳纤维工程化技术也取得一定进展,2018年6月,北京化工大学联合中国空间技术研究院㊁威海拓展纤维有限公司等单位承担国家科技部项目 聚丙烯腈碳纤维石墨化关键技术研究 通过技术验收,突破了QM4055级(M55J 级)高模量碳纤维制备关键技术,初步具备了工程化制备能力㊂2020年6月,中国科学院宁波材料所在PAN基高模量碳纤维领域取得最新进展,06㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年第44卷研制的PAN基高模量碳纤维最高模量已达到639GPa[19]㊂目前国内开展PAN基高模量碳纤维技术研发的生产企业较少,威海拓展纤维有限公司自2012年开展PAN基高模量碳纤维研发,2015年在国家科技部支持下,威海拓展纤维有限公司㊁中简科技发展有限公司分别承担了国产M55J级高模量碳纤维关键技术项目研发,项目于2018年通过验收;2019年8月,威海拓展纤维有限公司在公开发表的文献介绍,其研制的QM4055J碳纤维拉伸模量最高达到565GPa[20]㊂综上所述,国内在PAN基高模量碳纤维领域长期处于技术跟踪阶段,但是得益于国家对高性能碳纤维领域的高度重视和政策支持,近年来尤其是 十二五 以来,国内已经形成了M40J㊁M55J 级高模量碳纤维工程化技术,突破了M60J㊁M65J 级高模量碳纤维实验室技术,而在兼具高强度㊁高模量㊁高伸长特性的新一代PAN基高模量碳纤维领域,国内部分科研院所与企业也正在进行联合技术攻关,逐步缩小着与国外的技术差距㊂3㊀国内PAN基高模量碳纤维的最新研究进展近两年来国内在突破国产M55J级高模量碳纤维技术基础上也开展了一系列基础研究工作㊂3.1㊀微观结构碳纤维宏观性能取决于内部微观结构,在高温石墨化过程中,中模量碳纤维内部的二维乱层石墨结构逐渐向三维石墨微晶结构转变,而且随着石墨化温度提升,纤维内部石墨微晶层间距下降,微晶尺寸则不断提升,因此碳纤维拉伸模量随之增加㊂QIAN X等[21]以自制PAN基中模量碳纤维为原料,经连续石墨化处理得到国产M55J 级高模量碳纤维,针对石墨化过程中纤维内部石墨特征结构演变规律开展了系统研究,结果表明:在石墨化过程中碳纤维拉伸模量随着石墨微晶层间距下降及石墨微晶堆砌厚度增加而提高;碳纤维石墨微晶层间距和微晶取向是影响纤维拉伸强度两个主要因素,在国产M55J级高模量碳纤维与东丽M55J碳纤维石墨微晶层间距相同情况下,由于国产M55J级高模量碳纤维石墨微晶具有更高取向致使其拉伸强度显著高于东丽M55J 碳纤维的强度㊂OUYANG Q等[22]利用激光Raman光谱详细分析了PAN基高模量碳纤维的拉伸模量由323GPa提高到544GPa时纤维表面Raman特征光谱结构变化规律,结果显示:随着碳纤维拉伸模量提升,纤维表面特征结构中代表无序结构的D峰半高宽和峰面积及代表石墨特征G峰半高宽逐渐下降,如图1所示;研究同时表明,碳纤维拉伸模量与D峰㊁G峰结构参数之间存在多项式关系:y=ax3+bx2+cx+d(1)式中:y为D峰㊁G峰的半高宽和峰面积;x为碳纤维拉伸模量㊂经测试分析碳纤维拉伸模量与D峰半高宽㊁D峰峰面积及G峰半高宽,多项式相关系数高达0.999,而拉伸模量与G峰面积相关系数也高达0.968[22]㊂图1㊀PAN基高模量碳纤维Raman光谱D峰及G峰结构参数与拉伸模量的关系Fig.1㊀Relationship between structural parameters of D and G peaks in Raman spectra and tensile modulus forPAN-based high-modulus carbon fiberʏ D峰;Ә G峰张月义等[20]以自研QM4055J(M55J)级高模量碳纤维与东丽公司M55J高模量碳纤维进行结构对比,发现QM4055J碳纤维石墨晶体结构更加完善,通过进一步对两者增强树脂基复合材料力学性能进行对比测试,结果显示:QM4055J碳纤维增强复合材料的拉伸强度达到2526MPa,显著高于东丽公司M55J碳纤维复合材料的1925 MPa,此外,QM4055J碳纤维增强复合材料在压缩强度㊁弯曲强度等性能上较之东丽M55J碳纤维复合材料具有一定优势㊂3.2㊀导热导电性能金属材料热传导以电子为主,而PAN基高模量碳纤维作为具有石墨结构的非金属材料,其热传导以声子传导为主,声子是晶格振动波的能量量子化,具有离子性和波动性㊂由于声子平行自由行程受结构缺陷㊁杂质㊁孔隙等结构影响,一般16第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钱㊀鑫等.国内外PAN基高模量碳纤维的技术现状与研究进展而言,碳纤维石墨层面越发达㊁取向越高,热导率越高[23]㊂田艳红等[24]研究了PAN 基高模量碳纤维拉伸模量从398GPa 提升至539GPa 时纤维导热性能变化规律及影响因素,结果显示:随拉伸模量提高,纤维导热性能也随之提升;而随碳纤维体密度的提高及石墨微晶尺寸的增大,晶体的缺陷减少,结构有序度提高,致使声子导热增强,从而使热导率逐渐升高(导热性与密度之间关系见图2,导热性与微晶尺寸之间关系见图3)㊂图2㊀PAN 基高模量碳纤维导热性与体密度的关系Fig.2㊀Relationship between thermal conductivity and bulkdensity of PAN-based high-modulus carbonfiber图3㊀PAN 基高模量碳纤维导热性与石墨微晶尺寸的关系Fig.3㊀Relationship between thermal conductivity and graphitecrystallite size of PAN-based high-modulus carbon fiber㊀㊀PAN 基高模量碳纤维内部石墨结构使其具有一定导电性,而且其导电性能与热处理温度㊁石墨化程度及结构参数有关㊂随着热处理温度升高,纤维内部石墨化程度增加,石墨层面逐渐增大而且沿纤维轴向有序排列,因此纤维导电性越好㊂QIAN X 等[21]通过对国产PAN 基高模量碳纤维导电性研究发现,PAN 基高模量碳纤维的导电性与纤维拉伸模量正相关,纤维模量越高,其电阻率越低㊁导电性越好(图4),而且纤维内部石墨微晶层间距㊁微晶堆砌厚度对电阻率存在一定影响,石墨微晶层间距越低㊁堆砌厚度越大,碳纤维电阻率越低㊂研究表明,碳纤维电阻率与PAN 基高模量碳纤维表面Raman 光谱的D 峰㊁G 峰结构参数存在定量关系,随着碳纤维表面D 峰与G 峰积分强度比(I D /I G )下降,纤维有序化程度提升,碳纤维拉伸模量提高,而纤维电阻率则呈下降趋势㊂图4㊀PAN 基高模量碳纤维电阻率与拉伸模量的关系Fig.4㊀Relationship between resistivity and tensile modulusof PAN-based high-modulus carbon fiber3.3㊀表面结构改性PAN 基高模量碳纤维经2000~3000ħ高温石墨化制备得到,纤维表面呈现极高的化学惰性结构,用于树脂基体增强时,纤维与基体界面结合极弱㊂通常而言,碳纤维拉伸模量越高,碳纤维与树脂基体界面结合强度越低㊂支建海等[25]针对国产M50J㊁M55J 级高模量碳纤维及其复合材料性能与日本东丽相同型号产品进行了对比研究,测试结果如表1所示㊂表2㊀国产PAN 基高模量碳纤维及其复合材料性能Tab.2㊀Properties of China-made PAN-based high-modulus carbon fiber and its composites产品拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa断裂伸长率,%层间剪切强度/MPa层间剪切强度变异系数,%东丽M50J 42404770.7969.8 2.39东丽M55J 41005610.7363.0 1.38宁波所M50J 5080484 1.0569.9 2.36宁波所M55J45005680.7958.02.08㊀㊀从表1可以看出:国产M55J 级碳纤维复合材料或东丽公司M55J 碳纤维复合材料层间剪切强度均明显低于M50J 级碳纤维复合材料;通过进一步微观结构研究发现,国产M55J 级碳纤维26㊀合㊀成㊀纤㊀维㊀工㊀业㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀2021年第44卷石墨化程度要略高于东丽公司M55J碳纤维,致使其表面呈现更高惰性,不利于树脂基体浸润,说明国产M55J碳纤维增强树脂基复合材料的层间剪切强度略低于东丽公司M55J碳纤维增强树脂基复合材料㊂㊀㊀PAN基高模量碳纤维的惰性表面结构可以显著影响复合材料力学性能,因此,必须对其表面进行改性处理以提高纤维表面活性㊂乔伟静等[26]采用电化学处理方法对PAN基高模量碳纤维表面进行改性,首先对比研究了电化学氧化常用电解质溶液的循环伏安特性,结果显示以酸性NH4HSO4作为电解质溶液时,氧化能力最强,以其为电解质对国产M55J级高模量碳纤维表面进行了电化学处理,当电流密度为2mA/cm2时,碳纤维增强树脂基复合材料层间剪切强度由处理前22MPa提高到66MPa,但处理后纤维拉伸强度由处理前4052MPa下降到3637MPa㊂QIAN X等[27]以碱性NH4HCO3为电解质对PAN基高模量碳纤维表面进行了电化学氧化,并分析了纤维表面电化学氧化机理,结果表明:高模量碳纤维表面电化学氧化过程分两步进行,纤维惰性表面结构首先在电化学作用下发生化学刻蚀,并在表面产生少量含氧官能团,而化学刻蚀作用致使碳纤维拉伸强度下降;随后,随着电流密度增加㊁氧化程度提升,化学刻蚀作用逐渐增强并导致纤维表面与内部结构产生一定化学交联,而该交联结构有助于纤维拉伸强度提升,因此在高强度氧化作用下纤维拉伸强度又出现一定幅度增加,两步式氧化机制如图4所示㊂经过改性处理后,国产M55J级高模量碳纤维在保持高拉伸强度的同时,其增强树脂基复合材料的层间剪切强度也突破了70MPa㊂图4㊀PAN基高模量碳纤维的表面氧化机制Fig.4㊀Surface oxidation mechanism of PAN-based high-modulus carbon fibers㊀㊀国内在PAN基高模量碳纤维的结构性能关联性㊁导热导电机理㊁表面调控等领域的基础研究工作,将有助于进一步提升对PAN基高模量碳纤维微观结构和宏观性能的认知,并对国产高模量碳纤维及其复合材料性能的优化提升提供一定理论依据㊂4　结语国外在PAN基高模量碳纤维领域长期处于领先地位,为了解决碳纤维的高强度和高模量性能匹配问题,近几年以日本东丽㊁美国Hexcel为代表的国外企业成功研发出兼具高强度㊁高模量㊁高伸长特性的新一代PAN基高模量碳纤维㊂与之相比,虽然国内在PAN基高模量碳纤维领域一直处于跟踪状态,但是近年来在国家相关政策支持下,该领域技术发展迅速,相继突破M40J㊁M55J级高模量碳纤维工程化技术,以及M60J㊁M65J级高模量碳纤维实验室技术,关键产品已经实现国产化㊁自主化,而国内在新一代PAN基高模量碳纤维领域的布局也将进一步缩小与国外在该领域的技术差距㊂但是,目前国内在PAN基高模量碳纤维领域也存在一定的问题,比如国内市场上成熟化的国产高模量碳纤维十分有限㊁市场占有率仍然较低,说明国产PAN基高模量碳纤维工程化乃至产业化技术有待进一步提升;而且,由于高模量碳纤维存在高能耗特点,致使其生产成本居高不下,如何有效控制生产成本㊁提升产品成熟度,进而保证国产高模量碳纤维的竞争力也将是现阶段国内重点解决的问题之一㊂此外,国内外在高模量碳纤维领域研究工作仍是围绕力学性能展开,由于高模量碳纤维具有更高碳元素含量和更完善石墨结构,因而在导电㊁导热等领域相比于传统的中模量碳纤维具有一定的优势,因此如何充分发挥高模量碳纤维的其他优异特性,开发高模量碳纤维的功能化产品也会成为未来研究方向之一㊂参㊀考㊀文㊀献[1]㊀陶积柏,黎昱,张玉生,等.高模量碳纤维在中国宇航结构产品上的应用现状及实现自我保障的建议[J].材料科学36第5期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀钱㊀鑫等.国内外PAN基高模量碳纤维的技术现状与研究进展。

高性能涤纶织物的研究进展与应用展望摘要：高性能涤纶织物具有轻薄柔软、耐磨、抗紫外线、透气、防水、抗静电等多种优良性能，因此在各个领域得到广泛应用。

本文综述了高性能涤纶织物的研究进展，包括材料改性、织物结构优化和功能化处理等方面的最新研究成果，并对未来的应用前景进行了展望。

1. 引言高性能涤纶织物作为一种具有广泛应用前景的新型材料，已经吸引了广泛的研究兴趣。

具有优异的物理性能和化学性能，高性能涤纶织物在服装、家居、体育用品、工业用品等领域都有着重要的应用价值。

本文将对高性能涤纶织物的研究进展进行综述，并展望其未来的应用前景。

2. 材料改性的研究进展材料改性是提升高性能涤纶织物性能的关键步骤。

近年来，通过纳米材料的添加、功能性化合物的掺杂、复合材料的制备等措施，不断改善了高性能涤纶织物的性能。

例如，添加金属氧化物纳米颗粒可以提高织物的抗菌性能和紫外线防护效果；掺杂碳纳米管可以增强织物的导电性能和抗静电性能；制备纳米纤维复合材料则可以使织物具有降解性能和自愈合功能。

材料改性的研究不仅提高了高性能涤纶织物的性能，也为其在不同领域的应用提供了更多可能性。

3. 织物结构优化的研究进展织物结构对高性能涤纶织物的性能起着重要作用。

研究人员通过优化织物结构，如改变纱线密度、纱线粗细、纹理形状等来改善高性能涤纶织物的性能。

例如，采用高分子纤维增强的三维编织织物，可以提高织物的抗撕裂性能和抗拉伸性能；通过调整织物纹理形状，可以增强织物的导湿性能和透气性能。

织物结构优化的研究可以有效提高高性能涤纶织物的性能，并满足不同应用领域的需求。

4. 功能化处理的研究进展功能化处理是高性能涤纶织物研究中的重要方向。

通过表面改性、化学处理等方法，增加高性能涤纶织物的功能性。

研究人员利用纳米技术制备纳米涂层，提高织物的防水性能和抗污性能；采用等离子体处理，增强织物的抗紫外线性能和耐磨性能；利用染料分子的吸附与树脂的反应，实现织物的抗褪色性能和抗菌性能等。