[科普中国]-纤维材料

简介

纤维材料是纤维状物质通过纺织加工工艺形成的结构化材料，通常也被称为纺织材料。纤维材料的应用历史已经相当的悠久，虽然并无明确的记录说明这种材料是何时产生，但在人类古代贸易中，纤维材料始终占据着重要的地位充分说明纤维材料对人类发展的重要性。

天然纤维或合成纤维可以制成纤维纸或各种纺织品直接用做绝缘材料；或用纸浸以液体介质后成为浸渍纸用作电容器介质和电缆绝缘；或浸（涂）以绝缘树脂（胶）后经热压，卷制成绝缘层压制品、卷制品作绝缘材料；或用绝缘漆浸渍制成绝缘漆布（带）、漆绸等用于电绝缘。天然无机纤维可以单独使用，也可以同植物纤维或合成纤维结合使用，作为耐高温绝缘。纤维材料还广泛用作超导和低温绕组线的绝缘材料，因它具有如下优点：

①在超导磁体线圈中，能使冷却剂浸透所有的截面，增加传热面积；

②保证浸渍漆或包封胶直接与超导纤维及复合层接触。原则上，天然丝、玻璃纤维和合成纤维都可作为低温用丝包绝缘材料。但实际上，在超导磁体线圈中广泛使用的是聚己内酰胺和聚酯纤维等合成纤维。

分类天然纤维包括植物纤维和动物纤维。植物纤维包括棉、麻和木纤维等，其主要成分是纤维素(C6H10O5)n，分子量较大,分子中含有OH基。纤维素常形成细管状的微纤维,由此构成空心管状的植物纤维,直径约0.02～0.07毫米，具有多孔结构。由于存在OH基和多孔性，其吸湿性很大，浸渍性很好。吸湿后机械强度显著降低，浸渍后介电性能大为提高。植物纤维的耐热性较差。动物纤维通常使用的有蚕丝，其组成为蛋白质，但其形态与植物纤维大不相同，是一类光滑的长丝。其耐热性也较差。

合成纤维用具有高分子量的聚合物加于有机溶剂中（有时还加助溶剂）制成纺丝液后再用干法或湿法纺丝工艺制成。重要的有聚酯纤维和聚芳酰胺纤维。由于所用聚合物不同，各种合成纤维的性能大不相同。例如用聚芳酰胺制得的纤维的耐热性很高:在180℃热空气中经过10000 小时后纤维强度仍能保持在原始值的80%以上;在400℃以上才有明显分解。它具有自熄性（即在直接火焰中可燃，火焰移去后即迅速自熄）和较高的化学稳定性，良好的耐碱性、水解稳定性和耐辐射性。

在电工中，合成纤维和天然纤维使用时都要浸渍处理或脱脂加工处理，以减少吸潮性，提高耐热性和工作温度，增加柔软性、弹性,提高介电性能和机械强度。用绝缘漆和胶浸渍的天然或合成纤维材料有不同的耐热等级。由天然有机纤维材料浸有机材料构成的，属于A～E级绝缘材料；由耐热性高的合成有机纤维浸以有机硅、二苯醚、聚酰亚胺等材料的，可达F、H和更高耐热等级。

无机纤维有石棉、玻璃纤维。常用来做电绝缘的石棉是温石棉，主要化学成分为含结晶水的正硅酸镁盐(3MgO·2SiO2·2H2O)。当温度高达450～700℃时,温石棉将失去化合水而变成粉状物。电工中用的石棉纤维有长纤维（由手工加工而成）和短纤维（由机选而得）之分，它们的共同特点是有很高的耐热性，但是介电性能较差，一般用作耐高温的低压电机、电器绝缘、密封和衬垫材料。

应用纤维材料在纺织服装领域如此璀璨，让很多人忽视了它在其他领域上的应用。诚然，在化学纤维出现以前，由于天然纤维在力学性能、对恶劣环境适应能力上的不足，纤维材料在工程领域的应用较少，一般只是用作隔热材料，如蓄热取暖设备、工业用炉、发电设备等。在19世纪末期化学纤维发明之后，通过化学合成技术，能够生产出具有着高强、高模量、耐高温、耐腐蚀、阻燃等特性的化学纤维，极大的弥补了天然纤维在性能上的不足。

得益于化学纤维的进步，纤维材料被材料科学所认识。由于纤维材料结构上的特殊性，纤维材料有着传统固体材料不可比拟的物理学特性，加之其重量轻、可以整体成型的特点，受到各个领域重视。上世纪20年代，波音公司就已经使用纺织结构来增强飞机的机翼。在波音公司新机型波音787上，纤维复合材料的使用量已经达到了50%。纤维材料在建筑上的应用已有近40年的历史，包括了蓬帆布材料、膜结构材料、防水材料、纤维增强复合材料等。这些材料不仅有美化、装饰作用，还具有质轻、高强、保温、可回收、可降解、可再生等特点，属于现代建筑领域的新型材料。在医用材料中，从缝合线到人造皮肤、人造血管、人造骨骼、人造关节、人工韧带，乃至人工肾、人工肝、人工肺、人工心脏等，都大量的应用了纤维材料。

结构纤维材料的结构十分特别，首先它并不是通常意义上的连续介质，在纤维材料的内部存在大量的纤维与纤维、纤维与空气的界面，纤维与纤维之间的连接非常松散，在力学特性上具有十分独特的模量;其次，纤维材料中的孔隙是纤维之间自然形成的空隙，这些孔隙都是贯通孔隙，这使得纤维材料的有效孔隙率非常高；再次，纤维是一种长径比很大的物质形态，直径又十分的细小，容易发生弯曲变形，因此纤维材料也十分的柔软，形状适应性非常好。对此Pan认为纤维材料的一些特性与软物质结构（soft material）更为接近。从微观结构角度看，非织造或毡化法生产的纤维材料与植物或动物细胞极为相似。1

纤维材料与装饰艺术的关系装饰艺术，不能够独立存在，通常存在于一定的环境范围之中，它与建筑是分不开的，两者的结合组成了环境的整体。随着社会的发展，现代建筑越来越多，并且越来越高大、密集，建筑多是由钢筋、水泥等硬质材料筑造而成，面对着密密麻麻的高楼大厦，工作了一天的人们承受着一种莫名的压抑感。生活在这种社会形态中的人们比以往更需要一种用来释放压力的媒介，能够调节和补充快节奏的现代生活，减轻人们的生活压抑感，使身心得到更大的放松。

在众多艺术领域中，最能够缓解人们生活压抑感的就是纤维材质的作品，称之为纤维艺术，纤维艺术给人以温暖、柔和的感觉，用于装饰在建筑环境中，使现代装饰空间充满了温情。

因此，以具有新颖的装饰效果，独特的审美以为的纤维艺术为代表的软雕塑打破了以壁画、雕塑等作为传统装饰一统天下的时代，纤维艺术的悄然兴起，与传统装饰艺术相互补充，相辅相成。纤维艺术在装饰风格上、材质运用与表现形式上不再是单一形式，越来越趋于多元化，既表现出毛纤维的厚重，又能够表现出麻纤维的朴实，在造型的和色彩上表现更加多变，在材质的对比与肌理的表现上更加丰富。现代科学技术的发展推动了装饰艺术中工艺手段的创新，以及新型材料的融入使得纤维材料更具有很强的综合表现性。2