[科普中国]-高强度高模量纤维

高强度高模量纤维是指强度大于10CN/dkex，模量大于200CN/dkex的合成纤维。

简介强度大于10CN/dkex，模量大于200CN/dkex的合成纤维，叫做高强度高模量纤维。例如，美国研制成功的凯夫拉尔（我国叫芳纶—1414）纤维，强度是同质量钢丝的5倍。它密度小，只有钢丝的1/6，还能透过微波。它可以做航空器材的增强材料。以粘胶纤维、腈纶、沥青纤维为原料，经高温炭化、石墨化，得到的高强度、高模量炭纤维，在原子能、冶金、化工方面有广泛的应用。

原理芳香族杂环类的刚性或半刚性链聚合物本身是棒状的高分子，形成折叠链的倾向小，在一定的条件下容易形成各向异性的液晶溶液或熔体，因此大都可通过液晶纺丝和随后的紧张热处理来达到理想结构，从而获得高强度高模量纤维。例如高分子量的聚对苯二甲酰对苯二胺与硫酸在一定条件下配制成旋光各向异性的液晶溶液，通过干－湿法纺丝便可制得强度为22～28克/旦(实验室制得的纤维强度可高达32克/旦以上)、模量为450～550克/旦的纤维,如果再进行高温(氮气保护下)紧张热处理，由于纤维中的结晶度、结晶尺寸与结晶取向都进一步提高，纤维模量可迅速提高到800～1100克/旦左右。又如芳香族共聚酯和芳香族聚甲亚胺通过液晶态熔体纺丝和多段热处理,便可制得最高强度各为30和28克/旦、模量各为500～900和900～1100克/旦的纤维。

有一类半刚性的芳香族聚酰胺共聚物，因结构中具有适当的柔性链，也可通过其各向同性纺丝原液的湿纺或干 -湿纺和以后的热拉伸成为高强度高模量纤维。对于脂肪族柔性链聚合物，应设法避免或减少链折叠，然后再提高其取向度,使大分子平行排列并且紧密堆砌,以提高分子间的内聚力，如聚己内酰胺等热塑性高聚物的冻结纺丝(-70℃)可制得强度14～18克/旦的纤维。聚乙烯经超高压（4000大气压）、超高速纺丝可制得强度为25克/旦的纤维，此外,还可采用高速骤冷纺丝、区域热拉伸和热定形来达到高强度和高模量。实验室规模已可制得最高强度为48克/旦、模量1600克/旦的聚乙烯纤维。1

在无机合成纤维中，靠带有六元环或可转化成六元环结构的原丝，在高温下转化成规则层状结构的碳纤维，其结构愈接近理想的石墨结晶强度模量就愈高。如中间相沥青碳纤维的模量已接近石墨结晶的模量 100吨/毫米2 。气相沉积法制的碳纤维是由苯和氢在铁粉微粒上在高压下反应生成有序的石墨结晶，因此与其他碳纤维不同，可以达到极高的强度和模量。但目前产量最大的是聚丙烯腈基碳纤维，约占碳纤维总产量的95%，商品纤维的最高强度达500公斤/毫米2以上、模量50吨/毫米2。

生产方法强度大于20克/旦以上,模量大于400克/旦以上的纤维为超高强度、超高模量纤维。要实现高强度和高模量，必须使分子链高度伸展并沿纤维轴取向排列。这有两种方法：一种是在聚合物溶液或熔体纺丝成形过程中形成理想的结构，如高分子液晶溶液纺丝或液晶熔体纺丝，以及尚处在研究阶段的胶状湿法纺丝和电磁场内纺丝等方法；另一种是通过超拉伸或区域拉伸等方法使纤维在固态形变过程中形成理想的结构。2

产品种类碳化硅纤维主要有三类产品：①以二甲基二氯硅烷为起始原料制得聚碳硅烷，在纺丝后进行高温热解而得碳化硅长丝；②将聚碳硅烷气相沉积于碳纤维或钨丝上形成复合长丝；③以稻壳为原料制备碳化硅单晶晶须。这三种纤维都处于小批量生产。主要用作金属基复合材料，应用于宇航的耐高温结构件和发动机部件等。无机高强度高模量纤维尚有硼纤维与氮化硼纤维。

用途高强度高模量纤维的主要用途有四个方面：①橡胶增强材料，主要用作轮胎帘子线；②缆绳类和工业织物，包括各种防护材料；③塑料增强材料；④石棉代用品。无机高强度高模量纤维则主要用作塑料、陶瓷和金属基复合材料及碳-碳复合材料。

其中碳纤维除作结构材料外，还可用作密封材料、耐磨和绝热材料、烧蚀材料等。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学