高性能纖維是纖維科學及工程界開發(fā)的一批具有高強度、高模量、耐高溫性的新一代化學纖維。
由于高科技產業(yè)的興起,高速交通、海洋開發(fā)、超高層建筑、醫(yī)療器材、環(huán)境保護和體育休閑業(yè)的發(fā)展都需要多種高性能纖維材料的支持,從而促進了高性能纖維產業(yè)的發(fā)展。
高性能纖維具有普通纖維沒有的特殊性能,應用于軍工和高科技產業(yè)的各個領域中。隨著科技的進步,有些品種纖維的性能還在不斷地改進提高,新的市場也在擴大和開拓,已經形成具有特色的新一代纖維材料。和無機非金屬材料、金屬材料相比,它是重量輕、加工簡便、容易成型、物理性能好、不會銹蝕的高性能材料;和普通有機高分子材料比較,它在材料的強韌度、耐熱性、尺寸穩(wěn)定性方面有很大的優(yōu)勢,用它增強的復合材料被稱為先進復合材料。代表性高性能纖維的性能見表1。
表1 代表性高性能纖維的性能
纖維種類 | 強度/GPa | 斷裂伸長率/% | 彈性模量/GPa | 密度/g·cm-3 | 熔點/℃ | |
對位芳香族 聚酰胺纖維 | 2.8 | 2.4 | 132 | 1.44 | 560① | |
2.8 | 2.0 | 121 | 1.44 | 560① | ||
3.0 | 4.6 | 120 | 1.39 | 500① | ||
間位芳香族 聚酰胺纖維 | 0.5~0.8 | 25~45 | 6.7~9.8 | 1.38 | 430① | |
芳香族聚酯纖維 | 2.8 | 3.7 | 69 | 1.40 | 330 | |
芳雜環(huán)類纖維 | 5.5 | 2.5 | 280 | 1.59 | 650① | |
0.38 | 25~30 | 5.7 | 1.43 | 4500① | ||
高強聚乙烯纖維 | 3.4 | 2.0 | 160 | 0.98 | 140 | |
碳纖維 | 高強 | 4.9 | 2.1 | 230 | 1.80 | 3700① |
高模 | 3.92 | 1.8 | 540 | 1.80 | 3700① | |
高強玻璃纖維 | 3.5 | 2.0 | 87 | 2.50 | 1200 | |
鋼纖維 | 1.8 | 2.0 | 48 | 7.85 | 1600 | |
注:①為分解溫度 |
從表1可見,高性能纖維除了強度大、模量高外,其密度相當低,和金屬比較,其比強度、比模量要高好幾倍,因此作為結構材料應用時,輕量化特別明顯,這為節(jié)能、小型化、高速化、高技術產品帶來很多有利條件。表1中所示纖維大部分在市場上可以買到。高性能纖維種類繁多,性能差異大,價格相差很多,所以使用者要熟悉它們的特性,在考慮強度、模量等力學性能時,還需要根據最終用途,綜合評估纖維的性價比。
高性能纖維的出現與發(fā)展只有 40 多年的時間,但是人們對以芳綸及碳纖維為代表的高性能纖維已相當熟悉。防dan衣、宇宙服、光纖電纜、先進復合材料等jian端科技產品都離不開高性能纖維的支撐。就是體育比賽用品,如高爾夫球桿、賽s車及車手防護頭盔等,也是高性能纖維制造的產品。
纖維科學家和系統(tǒng)工程師們對高性能纖維的大分子構造、聚合工藝學、高分子液晶態(tài)及流變學、纖維加工技術等方面進行了大量研究,奠定了高性能纖維的基礎科學理論。