无机高性能纤维技术现状及应用
发布时间：2022/5/27 13:25:27 点击数：
随着纺织科技产品在各行各业的融合应用，国家先进功能纤维创新中心将与中国纺织工业联合会科技发展部联手，在公众号上连载推出《中国纺织科技发展报告(2021年)》技术篇专题，内容涉及当下热门纺织技术现状及前景，为读者带来最新且权威的大咖解读。
无机高性能纤维结合了纤维的可纺织加工特性和陶瓷的优异性能，具有轻质耐火、耐高温、耐腐蚀、隔热性好等优异特性，在纺织加工、航空航天、交通通信、建筑及能源、催化和环境净化、生物医学等领域得到了广泛的应用。
近年来无机纳米纤维的研发进入高速发展阶段，使无机高性能纤维在催化和环境净化、生物医学等领域的应用进一步拓展；此外，无机高性能纤维凭借在民生领域的广泛应用，以及在航空航天器等特殊领域具备的聚合物纤维没有的独特优势，逐渐成为纺织等领域发展的重要新动力之一。
尽管如此，目前该领域还有众多的问题亟待突破，针对目前无机纤维的新应用而产生的新问题，归纳无机高性能纤维的研究现状、技术瓶颈，对我国相关领域的高质量发展具有重要意义。
一、无机高性能纤维的种类及技术现状
无机纤维是以无机物为原料制得的化学纤维，可分为两大类：一是无机物和无机化合物纤维，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维等；二是金属纤维，如不锈钢纤维、铜合金纤维等。
无机连续纤维根据不同的加工工艺，可通过一定的成纤方法从无机原料直接加工而成，还可以通过基本化工原料合成制得，也称为无机合成纤维。无机纤维的制造方法主要有熔融纺丝法、前驱体法、溶胶—凝胶法、化学气相沉积法、晶体生长法等。无机纤维除了强度和模量比有机纤维高外，更重要的是其优异的耐高温性。
碳纤维
碳纤维是一种含碳量在95%以上、直径在微米级的纤维状无机非金属材料，其在力学性能上具有优异的比强度和比模量，导电能力超高，质量轻，抗腐蚀、耐磨损、耐高温性能优异，惰性环境下在2000℃能保持强度不发生明显变化。与其他无机纤维相比，碳纤维在非氧化的条件下以及温度低于400℃的有氧条件下具有良好的力学性能、比强度和比模量高，导电导热、耐化学侵蚀和电磁屏蔽性能优异，表现出最好的综合性能。碳纤维基复合材料可以显著减轻机器设备的自重并增加结构强度，在国防及民用领域发挥重要作用。
碳纤维根据力学性能可分为高强度碳纤维、超高强度碳纤维、高模量碳纤维、超高模量碳纤维、高性能碳纤维和通用碳纤维；根据丝束可分为1～24K的小丝束纤维和48~480K的大丝束纤维；根据前驱体的不同可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维和酚醛基碳纤维。
PAN基碳纤维是PAN原丝经过预氧化、碳化及表面处理后制得的高性能纤维材料，是目前发展最快、应用最广泛的高性能纤维材料之一。工业化制备碳纤维所使用的前驱体是PAN。国产碳纤维逐步向高端化、生态化发展。碳纤维的实际强度和模量远远低于单晶石墨的理论强度和模量（180GPa和1000GPa）。碳纤维的径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10%~30%，而且不能结节。
活性碳纤维
与上述碳纤维不同，活性碳纤维一般具有较低的抗拉强度（1000MPa）和较低的碳产率（20%~25%），然而具有非常高的比表面积（超过3000m2/g），以及高达1.6mL/g的微孔体积，因此具有显著的吸附能力和吸附动力优势。
与活性碳相比，活性碳纤维的细纤维形状和短而直的微孔，使其具有比活性碳更快的吸附动力学，而且，活性碳纤维更容易加工成所需的形式和不同的结构。活性碳纤维具有较大的吸附量和较高的吸附/解吸附传质速率，是一种很好的气体吸附材料。
石墨烯纤维
石墨烯纤维是一种新型碳质纤维，自2011年浙江大学高超教授团队基于氧化石墨烯（GO）的溶致液晶现象，利用湿法纺丝和化学还原过程，制备了石墨烯纤维以来就备受关注。此外，制备石墨烯纤维的方法还有限域水热组装法、薄膜卷绕法、模板辅助化学气相沉积法等。
与碳纤维相比，石墨烯纤维主要是由sp2杂化碳原子构成，其晶区尺寸可达几十微米，大约是碳纤维中纳米石墨晶区尺寸的1000倍，因此，能更有效地促使石墨烯微观尺度的优异性质在宏观尺度上展现。研究者通过调控石墨烯尺寸、片层规整性、界面相互作用、取向度等参数，将石墨烯纤维的拉伸强度提升至2200MPa，杨氏模量达到400GPa，并逐步形成了提升石墨烯纤维机械性能的方法。
目前，石墨烯纤维的电学和热学性能已经超过碳纤维和碳纳米管纤维，并逐渐在高性能导线、功能织物、传感器件、致动器件、纤维状能源器件等领域展示出应用潜力。可以预见，石墨烯纤维有望发展成为结构—功能一体化的纤维材料，不仅可以和碳纤维一样，用于结构增强的复合材料，还可以在轻质导线、柔性传感、智能织物等领域发挥巨大的应用潜力。
玻璃纤维
玻璃纤维具有比强度大、弹性模量高、伸长率低等特点，同时还具有电绝缘、耐腐蚀等优点。玻璃纤维的软化点为550~580℃，热膨胀系数为4.8×10-6℃；200~250℃以下，强度不变。玻璃纤维几乎对所有化学药品和有机溶剂有很好的化学稳定性（氢氟酸、浓碱、浓磷酸除外），已经成为全球用量最大、应用最广泛的无机纤维材料之一，是复合材料中使用量最大的一种增强材料，在增强、绝缘、隔热、防腐等领域具有不可动摇的地位。
玻璃纤维的化学组成主要是SiO2、N2O3、CaO、Al2O3等，并可通过计算进行精确调控。国外大部分生产线均将继续进行技术改造和产品升级，生产高性能玻璃纤维。生产技术上，提高生产效率、节约能源、趋零排放、减少资源消耗、降低生产成本，营造玻纤绿色经济是发展方向。
我国玻纤发展较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维—树脂界面，目前比较重视纤维—树脂界面的研究。
石英纤维
石英纤维是制备原料为高纯度SiO2或天然的石英晶体，它保持了固体石英的部分性能和特点，是一种良好的耐高温材料（熔点可达1700℃），并可作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度很高（≥99.9%），使其具备抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低等良好特性，其化学稳定性好，介电性能也较为优良，可实现宽频透波，非常适合用作透波材料增强纤维。
但石英纤维处于热力学不稳定状态，是一种玻璃态材料。超过900℃时，析晶致使石英纤维强度迅速下降至原有强度的20%左右，且纤维最高热处理温度不能超过1050℃，否则纤维的脆化将弱化纤维和基体界面结合，复合材料的力学性能达不到设计要求。
碳化硅纤维
航空、航天、原子能、高性能武器装备及高温工程等诸多领域，迫切需要高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀的陶瓷基复合材料，来代替高温合金与单相陶瓷。SiC陶瓷纤维具有高强度（1~4GPa），高模量（150~400GPa）、耐高温（>1200℃）、抗腐蚀、抗氧化、低密度（<3.5g/cm3）和电阻率可调控等其它无机纤维无法比拟的优异性能，主要用于耐高温的复合材料，是金属基和陶瓷基复合材料的首选材料。
SiC纤维有着其它纤维无可替代的作用，发达国家纷纷投入大量资金致力于此类陶瓷纤维的研制与开发，以期在航空、航天、汽车、体育用品和环保方面实现广泛应用。
碳化硅纤维属陶瓷纤维类，是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维。目前制备连续SiC纤维的方法主要有化学气相沉积法，活性炭纤维转化法，先驱体转化法等。
目前国内外研究者主要从控制C、Si原子比、减少纤维中游离碳的含量；改进工艺、在制备过程中避免氧的引入；添加异质元素，维持纤维的无定型结构；引入烧结剂，利用高温脱除杂质反应制备高纯多晶SiC纤维等四个方面提高SiC纤维耐高温、抗氧化性能。
先驱体转化法制备SiC陶瓷纤维是日本东北大学矢岛教授1975年开发成功。目前使用该法制备连续SiC纤维的单位主要有：日本碳公司，宇部兴产公司，美国道康宁公司和德国Bayer公司等。
国防科技大学是国内最早从事先驱体转化法连续SiC纤维研究与开发的科研单位，现在已经具有一定的规模。
西北工业大学张立同院士等研制的“连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料”，打破了国际高技术封锁，在2005年获得国家技术发明一等奖。
厦门大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、航天特种材料及工艺技术研究所等单位也在SiC纤维的制备研究上取得了较好的成绩。
纺织类院校中浙江理工大学陈建军教授课题组一直致力于SiC纤维及其增强陶瓷的研究，并取得了较好的研究成果。
SiC纤维不仅是国防高科技领域极其重要的战略材料，也具有巨大的商业价值，目前商品化规模生产技术只被日本和美国掌握，且对我国实行严密封锁技术及限制产品出口，独立自主开发和研究SiC纤维尤其是耐超高温SiC纤维，才能保证我国先进复合材料和武器装备的发展研制。
氮化硅纤维
氮化硅纤维具有与碳化硅纤维类似的性质，具有很好的服役性能，作为一种性能优良的高温结构材料，主要应用于金属基、陶瓷基复合材料的增强材料和防热功能复合材料的制备。
氮化硅纤维极佳的抗辐射性能使其编织成的电缆可在核聚变实验反应器等极端环境中应用；氮化硅纤维较高的电磁波透过率来源于其本身的低介电常数和低介电损耗，使其在超高音速飞行器天线罩等航空航天高温透波材料中具有广泛的应用前景。
近年来，氮化硅陶瓷材料已成为国内外高温透波材料研究的重点。
美国Dow Corning公司在1987年首先开发了高纯度的Si3N4纤维。日本东亚燃料公司、法国Domaine大学、日本原子能研究所均研究出各自制备Si3N4纤维的方法。
国内对氮化硅纤维的制备研究开展相对较晚，目前对氮化硅纤维开展系统研究的单位主要有厦门大学和国防科技大学，技术路线与日本原子能研究所类似。（来源：国家先进功能纤维创新中心）
无机高性能纤维结合了纤维的可纺织加工特性和陶瓷的优异性能，具有轻质耐火、耐高温、耐腐蚀、隔热性好等优异特性，在纺织加工、航空航天、交通通信、建筑及能源、催化和环境净化、生物医学等领域得到了广泛的应用。
近年来无机纳米纤维的研发进入高速发展阶段，使无机高性能纤维在催化和环境净化、生物医学等领域的应用进一步拓展；此外，无机高性能纤维凭借在民生领域的广泛应用，以及在航空航天器等特殊领域具备的聚合物纤维没有的独特优势，逐渐成为纺织等领域发展的重要新动力之一。
尽管如此，目前该领域还有众多的问题亟待突破，针对目前无机纤维的新应用而产生的新问题，归纳无机高性能纤维的研究现状、技术瓶颈，对我国相关领域的高质量发展具有重要意义。
一、无机高性能纤维的种类及技术现状
无机纤维是以无机物为原料制得的化学纤维，可分为两大类：一是无机物和无机化合物纤维，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维等；二是金属纤维，如不锈钢纤维、铜合金纤维等。
无机连续纤维根据不同的加工工艺，可通过一定的成纤方法从无机原料直接加工而成，还可以通过基本化工原料合成制得，也称为无机合成纤维。无机纤维的制造方法主要有熔融纺丝法、前驱体法、溶胶—凝胶法、化学气相沉积法、晶体生长法等。无机纤维除了强度和模量比有机纤维高外，更重要的是其优异的耐高温性。
碳纤维
碳纤维是一种含碳量在95%以上、直径在微米级的纤维状无机非金属材料，其在力学性能上具有优异的比强度和比模量，导电能力超高，质量轻，抗腐蚀、耐磨损、耐高温性能优异，惰性环境下在2000℃能保持强度不发生明显变化。与其他无机纤维相比，碳纤维在非氧化的条件下以及温度低于400℃的有氧条件下具有良好的力学性能、比强度和比模量高，导电导热、耐化学侵蚀和电磁屏蔽性能优异，表现出最好的综合性能。碳纤维基复合材料可以显著减轻机器设备的自重并增加结构强度，在国防及民用领域发挥重要作用。
碳纤维根据力学性能可分为高强度碳纤维、超高强度碳纤维、高模量碳纤维、超高模量碳纤维、高性能碳纤维和通用碳纤维；根据丝束可分为1～24K的小丝束纤维和48~480K的大丝束纤维；根据前驱体的不同可以分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维和酚醛基碳纤维。
PAN基碳纤维是PAN原丝经过预氧化、碳化及表面处理后制得的高性能纤维材料，是目前发展最快、应用最广泛的高性能纤维材料之一。工业化制备碳纤维所使用的前驱体是PAN。国产碳纤维逐步向高端化、生态化发展。碳纤维的实际强度和模量远远低于单晶石墨的理论强度和模量（180GPa和1000GPa）。碳纤维的径向分子间作用力弱，抗压性能较差，轴向抗压强度仅为抗张强度的10%~30%，而且不能结节。
活性碳纤维
与上述碳纤维不同，活性碳纤维一般具有较低的抗拉强度（1000MPa）和较低的碳产率（20%~25%），然而具有非常高的比表面积（超过3000m2/g），以及高达1.6mL/g的微孔体积，因此具有显著的吸附能力和吸附动力优势。
与活性碳相比，活性碳纤维的细纤维形状和短而直的微孔，使其具有比活性碳更快的吸附动力学，而且，活性碳纤维更容易加工成所需的形式和不同的结构。活性碳纤维具有较大的吸附量和较高的吸附/解吸附传质速率，是一种很好的气体吸附材料。
石墨烯纤维
石墨烯纤维是一种新型碳质纤维，自2011年浙江大学高超教授团队基于氧化石墨烯（GO）的溶致液晶现象，利用湿法纺丝和化学还原过程，制备了石墨烯纤维以来就备受关注。此外，制备石墨烯纤维的方法还有限域水热组装法、薄膜卷绕法、模板辅助化学气相沉积法等。
与碳纤维相比，石墨烯纤维主要是由sp2杂化碳原子构成，其晶区尺寸可达几十微米，大约是碳纤维中纳米石墨晶区尺寸的1000倍，因此，能更有效地促使石墨烯微观尺度的优异性质在宏观尺度上展现。研究者通过调控石墨烯尺寸、片层规整性、界面相互作用、取向度等参数，将石墨烯纤维的拉伸强度提升至2200MPa，杨氏模量达到400GPa，并逐步形成了提升石墨烯纤维机械性能的方法。
目前，石墨烯纤维的电学和热学性能已经超过碳纤维和碳纳米管纤维，并逐渐在高性能导线、功能织物、传感器件、致动器件、纤维状能源器件等领域展示出应用潜力。可以预见，石墨烯纤维有望发展成为结构—功能一体化的纤维材料，不仅可以和碳纤维一样，用于结构增强的复合材料，还可以在轻质导线、柔性传感、智能织物等领域发挥巨大的应用潜力。
玻璃纤维
玻璃纤维具有比强度大、弹性模量高、伸长率低等特点，同时还具有电绝缘、耐腐蚀等优点。玻璃纤维的软化点为550~580℃，热膨胀系数为4.8×10-6℃；200~250℃以下，强度不变。玻璃纤维几乎对所有化学药品和有机溶剂有很好的化学稳定性（氢氟酸、浓碱、浓磷酸除外），已经成为全球用量最大、应用最广泛的无机纤维材料之一，是复合材料中使用量最大的一种增强材料，在增强、绝缘、隔热、防腐等领域具有不可动摇的地位。
玻璃纤维的化学组成主要是SiO2、N2O3、CaO、Al2O3等，并可通过计算进行精确调控。国外大部分生产线均将继续进行技术改造和产品升级，生产高性能玻璃纤维。生产技术上，提高生产效率、节约能源、趋零排放、减少资源消耗、降低生产成本，营造玻纤绿色经济是发展方向。
我国玻纤发展较国外起步较晚，中碱玻璃纤维仍然占大多数，正向粗纤维方向发展，池窑拉丝工艺正在推广，新型偶联剂不断出现，改善了纤维—树脂界面，目前比较重视纤维—树脂界面的研究。
石英纤维
石英纤维是制备原料为高纯度SiO2或天然的石英晶体，它保持了固体石英的部分性能和特点，是一种良好的耐高温材料（熔点可达1700℃），并可作为先进复合材料的增强体。石英纤维的纯度很高（≥99.9%），使其具备抗烧蚀性强、耐温性好、导热率低等良好特性，其化学稳定性好，介电性能也较为优良，可实现宽频透波，非常适合用作透波材料增强纤维。
但石英纤维处于热力学不稳定状态，是一种玻璃态材料。超过900℃时，析晶致使石英纤维强度迅速下降至原有强度的20%左右，且纤维最高热处理温度不能超过1050℃，否则纤维的脆化将弱化纤维和基体界面结合，复合材料的力学性能达不到设计要求。
碳化硅纤维
航空、航天、原子能、高性能武器装备及高温工程等诸多领域，迫切需要高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀的陶瓷基复合材料，来代替高温合金与单相陶瓷。SiC陶瓷纤维具有高强度（1~4GPa），高模量（150~400GPa）、耐高温（>1200℃）、抗腐蚀、抗氧化、低密度（<3.5g/cm3）和电阻率可调控等其它无机纤维无法比拟的优异性能，主要用于耐高温的复合材料，是金属基和陶瓷基复合材料的首选材料。
SiC纤维有着其它纤维无可替代的作用，发达国家纷纷投入大量资金致力于此类陶瓷纤维的研制与开发，以期在航空、航天、汽车、体育用品和环保方面实现广泛应用。
碳化硅纤维属陶瓷纤维类，是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维。目前制备连续SiC纤维的方法主要有化学气相沉积法，活性炭纤维转化法，先驱体转化法等。
目前国内外研究者主要从控制C、Si原子比、减少纤维中游离碳的含量；改进工艺、在制备过程中避免氧的引入；添加异质元素，维持纤维的无定型结构；引入烧结剂，利用高温脱除杂质反应制备高纯多晶SiC纤维等四个方面提高SiC纤维耐高温、抗氧化性能。
先驱体转化法制备SiC陶瓷纤维是日本东北大学矢岛教授1975年开发成功。目前使用该法制备连续SiC纤维的单位主要有：日本碳公司，宇部兴产公司，美国道康宁公司和德国Bayer公司等。
国防科技大学是国内最早从事先驱体转化法连续SiC纤维研究与开发的科研单位，现在已经具有一定的规模。
西北工业大学张立同院士等研制的“连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料”，打破了国际高技术封锁，在2005年获得国家技术发明一等奖。
厦门大学、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、航天特种材料及工艺技术研究所等单位也在SiC纤维的制备研究上取得了较好的成绩。
纺织类院校中浙江理工大学陈建军教授课题组一直致力于SiC纤维及其增强陶瓷的研究，并取得了较好的研究成果。
SiC纤维不仅是国防高科技领域极其重要的战略材料，也具有巨大的商业价值，目前商品化规模生产技术只被日本和美国掌握，且对我国实行严密封锁技术及限制产品出口，独立自主开发和研究SiC纤维尤其是耐超高温SiC纤维，才能保证我国先进复合材料和武器装备的发展研制。
氮化硅纤维
氮化硅纤维具有与碳化硅纤维类似的性质，具有很好的服役性能，作为一种性能优良的高温结构材料，主要应用于金属基、陶瓷基复合材料的增强材料和防热功能复合材料的制备。
氮化硅纤维极佳的抗辐射性能使其编织成的电缆可在核聚变实验反应器等极端环境中应用；氮化硅纤维较高的电磁波透过率来源于其本身的低介电常数和低介电损耗，使其在超高音速飞行器天线罩等航空航天高温透波材料中具有广泛的应用前景。
近年来，氮化硅陶瓷材料已成为国内外高温透波材料研究的重点。
美国Dow Corning公司在1987年首先开发了高纯度的Si3N4纤维。日本东亚燃料公司、法国Domaine大学、日本原子能研究所均研究出各自制备Si3N4纤维的方法。
国内对氮化硅纤维的制备研究开展相对较晚，目前对氮化硅纤维开展系统研究的单位主要有厦门大学和国防科技大学，技术路线与日本原子能研究所类似。（来源：国家先进功能纤维创新中心）
- 上一篇：波司登再次入选“全球最有价值50强服饰品牌榜单” 2022/5/27
- 下一篇：新型医用抗菌聚丙烯纤维料研发成功 2022/5/27