軍用高強(qiáng)高模有機(jī)纖維的概述與展望

汪亮　董晶　趙春會(huì)　張彤　楊靜

摘 要：重點(diǎn)介紹了目前幾種具有較高國(guó)防、航空航天、軍事用途的高性能有機(jī)纖維，包括芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）、聚對(duì)苯并咪唑纖維（PBI）、聚酰亞胺纖維（PI）、聚對(duì)苯撐苯并二噁唑纖維（PBO）及聚苯撐吡啶并二咪唑纖維（M5或PIPD）的結(jié)構(gòu)特性、主要商品、主要廠商等，直觀展示了這幾種有機(jī)纖維的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀，并展望了這幾種有機(jī)纖維之后的技術(shù)、產(chǎn)品及應(yīng)用情況。對(duì)比分析了這幾種有機(jī)纖維的物理性能指標(biāo)、主要優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用領(lǐng)域，利于讀者掌握有機(jī)纖維的性能、研究以及生產(chǎn)應(yīng)用情況，輔助科研選題和材料應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：軍用;有機(jī)纖維;結(jié)構(gòu)特性;物理性能;應(yīng)用領(lǐng)域

中圖分類號(hào)：TS102.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2019）04-0019-05

Overview and Prospect of High-Strength and High-Modulus Organic Fiber for Military Application

WANG Liang1， DONG Jing2， ZHAO Chunhui1， ZHANG Tong1， YANG Jing1

（1.Chengdu Hairong Special Textile Co.， Ltd.， Chengdu 610000， China; 2.Sichuan Textile Science Institute， Chengdu 610000， China）

Abstract：Several kinds of high performance organic fibers with high national defense， aerospace and military applications were mainly introduced， including aramid fiber， ultra high molecular weight polyethylene fiber （UHMWPE）， polybenzimidazole fiber （PBI）， polyimide fiber （PI）， poly-p-phenylene benzobisthiazole fiber （PBO） and polyphenylene pyridine and imidazole fiber （M5 or PIPD）. Besides， their structural characteristics， main products and main manufacturers were presented. The production status of these kinds of organic fiber production was visually demonstrated at home and abroad， and the technologies， products and applications of these organic fibers were prospected. Through comparative analysis of the physical properties， the main advantages and disadvantages as well as the application areas of these organic fibers， readers could master the performance， research and production applications of these organic fibers， and assist research topics and materials applications.

Key words：military application; organic fiber; structural features; physical properties; application field

有機(jī)纖維是指纖維基材或材質(zhì)為有機(jī)物的纖維，用于軍事用途的有機(jī)纖維主要包含有：芳綸纖維、UHMWPE纖維、PBI纖維、PI纖維、PBO纖維及M5纖維[1]。用于航空航天、軍事用途的高性能纖維，必須具備質(zhì)量輕、高強(qiáng)高模、耐高溫、耐摩擦等特殊物理指標(biāo)[2-5]。例如：研究發(fā)現(xiàn)，如果戰(zhàn)略導(dǎo)彈的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)重量減輕1 kg，射程能夠增加16 km左右[6-8]。與此同時(shí)，航空航天、軍事應(yīng)用過(guò)程中涉及的高速、耐沖擊、防護(hù)等要求，也決定了紡織材料必須具有極高的物理指標(biāo)及耐高溫等性能[3，9]。高性能纖維的發(fā)展與創(chuàng)新，有助于推進(jìn)中國(guó)國(guó)防軍事的更進(jìn)一步穩(wěn)固發(fā)展。概述了這幾種軍用高性能有機(jī)纖維的研究現(xiàn)狀和生產(chǎn)現(xiàn)狀，對(duì)主要軍用高強(qiáng)高模有機(jī)纖維的物理性能指標(biāo)、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了比對(duì)分析。闡述了近期國(guó)內(nèi)外高性能軍用有機(jī)纖維的發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)狀，為軍用高性能有機(jī)纖維的研究和選擇提供依據(jù)。

1 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀

常見的幾種軍用高性能有機(jī)纖維的名稱、主要商品及廠家信息，見表1。

由表1可知，除了M5纖維國(guó)內(nèi)目前無(wú)生產(chǎn)制造企業(yè)外，其他所屬的高性能有機(jī)纖維國(guó)內(nèi)目前均已有生產(chǎn)企業(yè)[10-12]。這也就意味著除了M5纖維，其他所屬的高性能纖維均已打破國(guó)外的技術(shù)、產(chǎn)品壟斷。其中，江蘇奧神新材料股份有限公司與東華大學(xué)共同研發(fā)的PI纖維干法紡絲技術(shù)屬于全球領(lǐng)先地位，于2011年正式投資生產(chǎn)[13-14]。而深圳市新綸科技股份有限公司也成為繼東洋紡公司之后全球第二家PBO纖維生產(chǎn)企業(yè)，于2016年正式投資生產(chǎn)[15-16]。UHMWPE纖維[17-19]、F-12高強(qiáng)度芳綸纖維（含雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維）[20]等也取得一定技術(shù)突破，這些高性能纖維的自主化生產(chǎn)應(yīng)用對(duì)中國(guó)的國(guó)防裝備發(fā)展和提升具有重大的戰(zhàn)略意義。而羅益鋒等[21]的研究表明，2016年度全球高性能纖維的產(chǎn)能大概為2.57×105 t/a，并推測(cè)出到2020年僅中國(guó)高性能纖維的產(chǎn)能就將增長(zhǎng)至2.60×105 t/a。由此可知，中國(guó)高性能有機(jī)纖維的生產(chǎn)制造技術(shù)和產(chǎn)能已經(jīng)迎頭趕上，中國(guó)的高性能纖維產(chǎn)業(yè)正在加大研究和投資力度，創(chuàng)新工藝、技術(shù)及產(chǎn)品，不斷以“質(zhì)和新”維持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，相信不久的將來(lái)一定可以超越某些發(fā)達(dá)國(guó)家。值得注意的是高性能M5纖維，仍需積極發(fā)揮政府的主體職責(zé)，利用產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合的一體化優(yōu)勢(shì)，加快突破技術(shù)壁壘和封鎖的進(jìn)度，盡快實(shí)現(xiàn)M5纖維的自主產(chǎn)業(yè)化。

2 物理性能對(duì)比情況

常見的幾種軍用高性能有機(jī)纖維的主要性能指標(biāo)對(duì)比情況，見表2。

由表2可知，新型高性能纖維的出現(xiàn)，打破了以往的既定分類和認(rèn)知，即斷裂伸長(zhǎng)率最低，拉伸強(qiáng)度和拉伸模量最高的不是PBO纖維，而是M5纖維。在材料選取和應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)該綜合利用表2各個(gè)有機(jī)纖維的物理性能，根據(jù)具體使用環(huán)境和要求優(yōu)選適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)纖維進(jìn)行國(guó)防軍事應(yīng)用。例如，根據(jù)防彈復(fù)合材料前面硬度高、剛度大的要求，可選用M5纖維與其他材料進(jìn)行復(fù)合，形成硬質(zhì)防彈裝甲板;與此同時(shí)，UHMWPE纖維、芳綸纖維、PBO纖維也可與其他材料復(fù)合，制備性能較佳的復(fù)合防彈材料。與此同時(shí)，表1、表2的數(shù)據(jù)整理收集過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，中國(guó)目前掌握的部分有機(jī)纖維生產(chǎn)加工技術(shù)僅為中等水平，距離某些發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定距離。但隨著國(guó)外勢(shì)力對(duì)中國(guó)技術(shù)封鎖、先進(jìn)材料限制出口力度的加劇，中國(guó)已被迫進(jìn)行自主研發(fā)和生產(chǎn)。在國(guó)家的宏觀調(diào)控以及地方政府資金和政策的支持下，芳綸纖維、UHMWPE纖維、PI纖維等取得了較好發(fā)展。但仍存在小而散、集中度不夠、創(chuàng)新能力不足、高檔產(chǎn)品及市場(chǎng)開發(fā)不足的弊端。目前國(guó)家正在努力推動(dòng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用創(chuàng)新，督促并領(lǐng)導(dǎo)行業(yè)協(xié)會(huì)促進(jìn)行業(yè)交流、互動(dòng)和合作，制定相關(guān)的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和政策，著力促進(jìn)高性能有機(jī)纖維的更好、更快發(fā)展[31]。

3 主要優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域

常見的幾種軍用高性能有機(jī)纖維的主要優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域情況，見表3。

表3所示的每一種纖維都有其優(yōu)勢(shì)性能和缺點(diǎn)，而這些優(yōu)缺點(diǎn)只是針對(duì)這些纖維用于航空、軍事用途時(shí)而言，如果它們用于民用紡織品時(shí)也許截然不同。同時(shí)，就纖維各自的主要缺點(diǎn)而言，可通過(guò)等離子體處理、紫外及輻射處理、偶聯(lián)劑處理、共聚及表面化學(xué)改性等方法得到有效解決，讓其得到更廣、更充分的應(yīng)用。材料的應(yīng)用缺點(diǎn)和弊端并非一成不變，應(yīng)用過(guò)程中必須盡可能做到科學(xué)選材以及復(fù)合。將多個(gè)性能優(yōu)良、應(yīng)用性能相近的有機(jī)纖維復(fù)合在一起，凸顯各自的優(yōu)勢(shì)性能，盡可能消除其不利的弊端和缺點(diǎn)。與此同時(shí)，應(yīng)該著重提升和把控高性能有機(jī)纖維的品質(zhì)質(zhì)量。例如，對(duì)位芳綸纖維以及雜環(huán)芳綸纖維性能不穩(wěn)定、質(zhì)量波動(dòng)大;UHMWPE纖維，質(zhì)量不穩(wěn)定、單絲產(chǎn)能低、蠕變性能和成本較高;究其綜合性能及應(yīng)用領(lǐng)域，尚無(wú)法形成較高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力[31]。

4 結(jié) 語(yǔ)

a）研究發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)M5纖維的發(fā)展存在明顯的滯后，仍停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)、試制階段，還不能形成產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用。為盡快滿足國(guó)防、航空、軍事裝備的需求，相關(guān)部門及院校應(yīng)積極與相關(guān)企業(yè)做好對(duì)接，真正做到產(chǎn)學(xué)研一體化;同時(shí)，各職能部門及行業(yè)協(xié)會(huì)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)M5纖維的研發(fā)、生產(chǎn)情況，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的交流和合作。

b）積極嘗試、運(yùn)用國(guó)產(chǎn)新型PBO纖維，給予國(guó)內(nèi)高性能纖維以更大的市場(chǎng)空間和發(fā)展機(jī)遇。讓PBO纖維盡快發(fā)揮其不可替代的作用。取長(zhǎng)補(bǔ)短，按需選材，熟知每一種高性能有機(jī)纖維的物理性能、主要優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，將芳綸纖維、UHMWPE纖維、PI纖維、PBI纖維的性能都應(yīng)用到極致。既要有高品質(zhì)的高性能有機(jī)纖維，也要有物盡其用的應(yīng)用技術(shù)手段。

c）穩(wěn)定高品質(zhì)、高強(qiáng)芳綸纖維、UHMWPE纖維、PBO纖維、PI纖維的優(yōu)勢(shì)發(fā)展，提高PBI纖維、M5纖維的技術(shù)、生產(chǎn)實(shí)力。拓展各型高強(qiáng)高模有機(jī)纖維的產(chǎn)品型號(hào)和應(yīng)用領(lǐng)域，逐步提高生產(chǎn)加工技術(shù)水平，完善并提高我國(guó)軍需高強(qiáng)高模有機(jī)纖維的實(shí)力。

d）國(guó)防軍事裝備的發(fā)展離不開高性能材料，當(dāng)然也包括高性能紡織材料。各軍需協(xié)作單位應(yīng)把握國(guó)防軍事裝備的需要，掌握最新紡織材料的動(dòng)態(tài)，努力為國(guó)防軍事的發(fā)展奉獻(xiàn)最優(yōu)質(zhì)的紡織材料及紡織品。

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