超高分子量聚乙烯纖維的案例
具有優(yōu)異的電絕緣、高導(dǎo)熱性能的聚合物復(fù)合材料
聚合物良好的可加工性和電絕緣性能使其在熱管理中不可或缺，但其隨機(jī)盤(pán)繞的共價(jià)分子鏈會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲子散射，由此產(chǎn)生的低導(dǎo)熱系數(shù)極大地限制了其在散熱中的應(yīng)用。
通過(guò)提高分子鏈的結(jié)晶度和有序度，聚乙烯纖維、聚乙烯薄膜、聚乙烯氧化物纖維和聚苯并二惡唑纖維獲得了優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)。這為輕質(zhì)、可加工和絕緣導(dǎo)熱材料開(kāi)辟了兩個(gè)新思路。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)以其優(yōu)異的力學(xué)性能、低密度、良好的耐化學(xué)性、高耐磨性等特點(diǎn)而備受關(guān)注。最近的研究已經(jīng)擴(kuò)大了在熱管理中使用聚乙烯的可能性。
超高分子量聚乙烯纖維具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和優(yōu)良的絕緣性能，非常適合在電絕緣領(lǐng)域發(fā)展為導(dǎo)熱材料。目前，絕緣導(dǎo)熱材料主要是填充導(dǎo)熱填料，然而在高填充量下面臨導(dǎo)熱系數(shù)惡化、密度高、可加工性差等棘手問(wèn)題。利用超高分子量聚乙烯纖維開(kāi)發(fā)全聚合物復(fù)合材料有望解決上述問(wèn)題。但目前很少有研究對(duì)超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行研究，導(dǎo)熱系數(shù)大于10 W/mK的超高分子量聚乙烯復(fù)合材料更是罕見(jiàn)。
02
成果掠影
近期，北京大學(xué)白樹(shù)林教授在開(kāi)發(fā)具有高導(dǎo)熱和電絕緣性能的聚合物復(fù)合材料取得新成果。
針對(duì)開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異機(jī)械性能、電絕緣、高導(dǎo)熱的全聚合物復(fù)合材料，通過(guò)熱壓法制備了種具有（0°/90°、±45°）兩種取向結(jié)構(gòu)的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)約為0/90°復(fù)合材料的1.3~1.4倍，并通過(guò)有限元模擬和模型計(jì)算驗(yàn)證了相應(yīng)的機(jī)理。
UHMWPE纖維形成的導(dǎo)熱通道使0/90°和±45°復(fù)合材料的面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)分別為9.94和13.61 W/mK。通過(guò)在纖維表面沉積聚多巴胺(PDA)和枝接聚醚胺(PEA)，改善了纖維/環(huán)氧樹(shù)脂界面的層間剪切強(qiáng)度(ILSS)和剪切模量分別提高了40.7%和52.3%。
展開(kāi) 中國(guó)制造之防彈材料
凱夫拉(Kevlar)
70年代初，一種具有超高強(qiáng)度、超高模量、耐高溫的合成纖維——?jiǎng)P夫拉(Kevlar)由美國(guó)杜邦(DuPont)公司研制成功，并很快在防彈領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
這種高性能纖維的出現(xiàn)使柔軟的紡織物防彈衣性能大為提高，同時(shí)也在很大程度上改善了防彈衣的舒適性。美軍率先使用Kevlar制作防彈衣，并研制了輕重兩種型號(hào)。新防彈衣以Kevlar纖維織物為主體材料，以防彈尼龍布作封套。其中輕型防彈衣由6層Kevlar織物構(gòu)成，中號(hào)重量為3.83千克。相比尼龍和玻璃纖維防彈衣，重量減輕50%；在單位面積質(zhì)量相同的情況下，其防護(hù)力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韌性。
“Kevlar”（凱夫拉）是商標(biāo)名，實(shí)際材質(zhì)為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺，它是屬于一種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子。這種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子結(jié)構(gòu)，可以在濃溶液中形成高度有序的相疇，在紡絲定向拉伸時(shí)，相疇沿著剪切方向形成幾乎完美的分子取向，而賦予凱夫拉纖維極高的強(qiáng)度和模量。
超高分子量聚乙烯纖維UHMWPE
超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）是由相對(duì)分子質(zhì)量在100萬(wàn)到500萬(wàn)的聚乙烯紡成的纖維，是目前世界上強(qiáng)度最高與比重最輕的纖維，其強(qiáng)度比鋼絲高15倍，但是很輕，最多可比芳綸等材料輕40%。
在國(guó)防軍需裝備方面，由于該纖維的耐沖擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以制成防護(hù)衣料、頭盔、防彈材料，如直升飛機(jī)、坦克和艦船的裝甲防護(hù)板、雷達(dá)的防護(hù)外殼罩、導(dǎo)彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌、降落傘等，其中以防彈衣的應(yīng)用最為引人注目。
它具有輕柔的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為占領(lǐng)美國(guó)防彈背心市場(chǎng)的主要纖維。另外超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比彈擊載荷值U/p是鋼的10倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。國(guó)外用該纖維增強(qiáng)的樹(shù)脂復(fù)合材料制成的防彈、防暴頭盔已成為鋼盔和芳綸增強(qiáng)的復(fù)合材料頭盔的替代品。
展開(kāi) 全世界70%防彈衣是"中國(guó)制造"！這些防彈材料你都知道嗎？
凱夫拉(Kevlar)
70年代初，一種具有超高強(qiáng)度、超高模量、耐高溫的合成纖維——?jiǎng)P夫拉(Kevlar)由美國(guó)杜邦(DuPont)公司研制成功，并很快在防彈領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
這種高性能纖維的出現(xiàn)使柔軟的紡織物防彈衣性能大為提高，同時(shí)也在很大程度上改善了防彈衣的舒適性。美軍率先使用Kevlar制作防彈衣，并研制了輕重兩種型號(hào)。新防彈衣以Kevlar纖維織物為主體材料，以防彈尼龍布作封套。其中輕型防彈衣由6層Kevlar織物構(gòu)成，中號(hào)重量為3.83千克。相比尼龍和玻璃纖維防彈衣，重量減輕50%；在單位面積質(zhì)量相同的情況下，其防護(hù)力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韌性。
“Kevlar”（凱夫拉）是商標(biāo)名，實(shí)際材質(zhì)為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺，它是屬于一種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子。這種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子結(jié)構(gòu)，可以在濃溶液中形成高度有序的相疇，在紡絲定向拉伸時(shí)，相疇沿著剪切方向形成幾乎完美的分子取向，而賦予凱夫拉纖維極高的強(qiáng)度和模量。
超高分子量聚乙烯纖維UHMWPE
超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）是由相對(duì)分子質(zhì)量在100萬(wàn)到500萬(wàn)的聚乙烯紡成的纖維，是目前世界上強(qiáng)度最高與比重最輕的纖維，其強(qiáng)度比鋼絲高15倍，但是很輕，最多可比芳綸等材料輕40%。
在國(guó)防軍需裝備方面，由于該纖維的耐沖擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以制成防護(hù)衣料、頭盔、防彈材料，如直升飛機(jī)、坦克和艦船的裝甲防護(hù)板、雷達(dá)的防護(hù)外殼罩、導(dǎo)彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌、降落傘等，其中以防彈衣的應(yīng)用最為引人注目。
它具有輕柔的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為占領(lǐng)美國(guó)防彈背心市場(chǎng)的主要纖維。另外超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比彈擊載荷值U/p是鋼的10倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。
展開(kāi) 全世界70%防彈衣是"中國(guó)制造"！這些防彈材料你都知道嗎？
凱夫拉(Kevlar)
70年代初，一種具有超高強(qiáng)度、超高模量、耐高溫的合成纖維——?jiǎng)P夫拉(Kevlar)由美國(guó)杜邦(DuPont)公司研制成功，并很快在防彈領(lǐng)域得到了應(yīng)用。
這種高性能纖維的出現(xiàn)使柔軟的紡織物防彈衣性能大為提高，同時(shí)也在很大程度上改善了防彈衣的舒適性。美軍率先使用Kevlar制作防彈衣，并研制了輕重兩種型號(hào)。新防彈衣以Kevlar纖維織物為主體材料，以防彈尼龍布作封套。其中輕型防彈衣由6層Kevlar織物構(gòu)成，中號(hào)重量為3.83千克。相比尼龍和玻璃纖維防彈衣，重量減輕50%；在單位面積質(zhì)量相同的情況下，其防護(hù)力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韌性。
“Kevlar”（凱夫拉）是商標(biāo)名，實(shí)際材質(zhì)為聚對(duì)苯二甲酰對(duì)苯二胺，它是屬于一種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子。這種液態(tài)結(jié)晶性棒狀分子結(jié)構(gòu)，可以在濃溶液中形成高度有序的相疇，在紡絲定向拉伸時(shí)，相疇沿著剪切方向形成幾乎完美的分子取向，而賦予凱夫拉纖維極高的強(qiáng)度和模量。
超高分子量聚乙烯纖維UHMWPE
超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPE）是由相對(duì)分子質(zhì)量在100萬(wàn)到500萬(wàn)的聚乙烯紡成的纖維，是目前世界上強(qiáng)度最高與比重最輕的纖維，其強(qiáng)度比鋼絲高15倍，但是很輕，最多可比芳綸等材料輕40%。
在國(guó)防軍需裝備方面，由于該纖維的耐沖擊性能好，比能量吸收大，在軍事上可以制成防護(hù)衣料、頭盔、防彈材料，如直升飛機(jī)、坦克和艦船的裝甲防護(hù)板、雷達(dá)的防護(hù)外殼罩、導(dǎo)彈罩、防彈衣、防刺衣、盾牌、降落傘等，其中以防彈衣的應(yīng)用最為引人注目。
它具有輕柔的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為占領(lǐng)美國(guó)防彈背心市場(chǎng)的主要纖維。另外超高分子量聚乙烯纖維復(fù)合材料的比彈擊載荷值U/p是鋼的10倍，是玻璃纖維和芳綸的2倍多。
展開(kāi) 
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）分子量及其分布的3種表征方法
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）一般指黏均分子量在100萬(wàn)以上的線性長(zhǎng)鏈聚乙烯材料，具有高強(qiáng)度、耐沖擊、耐磨損、自潤(rùn)滑、耐化學(xué)腐蝕、耐低溫等優(yōu)異性能，利用其制備的纖維是世界三大高性能纖維之一，其比強(qiáng)度和比模量更是優(yōu)于碳纖維以及芳綸纖。此外，該纖維還具有良好的彎曲性能、耐紫外線輻射、耐化學(xué)腐蝕、比能量吸收高、介電常數(shù)低、電磁波透射率高、摩擦系數(shù)低及突出的抗沖擊、抗切割等優(yōu)異性能。
國(guó)高材分析測(cè)試中心的高溫GPC設(shè)備，分子量測(cè)試范圍從1,000到1000,000，流動(dòng)相為1,2,4-三氯苯，可在150 ℃下對(duì)聚合物進(jìn)行分析，適用于常溫下難溶的聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、聚噻吩等，樣品要求為1 mg～1g固體或液體。
分子量大小決定了樹(shù)脂的最基本性能，隨著反應(yīng)溫度的降低，平均分子量變大，而反應(yīng)溫度上升鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)的速度增加高于鏈增長(zhǎng)反應(yīng)速度時(shí)，平均分子量降低。在反應(yīng)系統(tǒng)中，催化劑濃度的增加，使催化劑活性中心的數(shù)量隨之增大，造成鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)的速度和鏈終止反應(yīng)的速度增加高于鏈增長(zhǎng)反應(yīng)速度，平均分子量降低。
UHMWPE的各種性能直接與其分子量及其分布有關(guān)。UHMWPE分子量增大，不同鏈段偶然位移相互抵消的機(jī)會(huì)增多，分子鏈中心轉(zhuǎn)移減慢，要完成流動(dòng)過(guò)程就需要更長(zhǎng)時(shí)間和更多的能量，所以其黏度隨分子量的增大而增加，黏度過(guò)高又致使加工變得十分困難。目前國(guó)內(nèi)UHMWPE纖維主要是采用濕法凍膠紡絲-超倍拉伸工藝，由于分子量不同的聚乙烯具有不同的溶脹、溶解性能，低分子量部分易于溶脹和溶解，率先進(jìn)入溶解階段，引起溶液黏度劇增，并占據(jù)大量溶劑，阻礙高分子量部分的溶解。因此要求UHMWPE原料的分子量分布盡可能的小，否則會(huì)影響UHMWPE的均勻溶解，難以獲得均勻的溶液，甚至?xí)绊懝に嚨捻樌M(jìn)行。通常分子量分布一般應(yīng)小于3.5。
展開(kāi) 單根細(xì)絲線的承重高達(dá)35公斤，用于港珠澳大橋中的紡織高科技
港珠澳大橋
英文名：Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge
全長(zhǎng)：55公里 設(shè)計(jì)壽命：120年 總投資：1000億元以上
開(kāi)工時(shí)間：2009年12月15日 通車(chē)時(shí)間：2018年10月24日
港珠澳大橋是一幅名副其實(shí)的高科技大橋，用于吊裝港珠澳大橋的高性能吊繩正是我國(guó)自主研發(fā)生產(chǎn)的超高分子量聚乙烯纖維，由14萬(wàn)根高強(qiáng)度纖維絲組成的吊帶要在海上吊裝6000噸的鋼筋混凝土預(yù)制件。
超高分子量聚乙烯紗線
超高分子量聚乙烯纖維直徑比頭發(fā)絲還細(xì)，單根細(xì)絲線的承重卻高達(dá)35公斤。由于該纖維具有密度低、比強(qiáng)度高、耐化學(xué)腐蝕性能優(yōu)異、良好的耐沖擊性等眾多特性，在汽車(chē)船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材、現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)、航空航天、海域防御裝備等領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用，是繼碳纖維和芳綸之后的世界第三代高強(qiáng)、高模、高科技的高技術(shù)纖維。
超高分子量聚乙烯繩索▲
港珠澳大橋是中國(guó)建設(shè)史上里程最長(zhǎng)、投資最多、施工難度最大的跨海橋梁項(xiàng)目，也是全球第一例集橋、島、隧道為一體的跨海大橋，建設(shè)難度極高，集成了很多跨行業(yè)跨領(lǐng)域的高科技，我們應(yīng)該為大橋的建設(shè)者們點(diǎn)贊，為我們的紡織高科技點(diǎn)贊。
展開(kāi) 一種用于熱管理的聚乙烯/石蠟/氮化硼相變復(fù)合材料
該文報(bào)道了一種同時(shí)提高傳統(tǒng)PCM的導(dǎo)熱性和力學(xué)性能的新方法，該方法是通過(guò)將螺旋編織的超高分子量聚乙烯纖維織物嵌入PCM基體中。最終的PW/BN/UHMWPE PCM的面外導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)10.05 W/mK，面內(nèi)導(dǎo)熱系數(shù)為7.92 W/mK，穿刺強(qiáng)度高達(dá)47.13 N，盡管溫度高于其相變點(diǎn)，但優(yōu)于大多數(shù)報(bào)道的無(wú)機(jī)填充PCM。這種PW/BN/UHMWPE PCM用于封裝三重鋰離子電池系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的PW/BN PCM相比，它使電池能夠更可靠地抵抗熱和機(jī)械濫用。這種通過(guò)將高導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度的纖維織物設(shè)計(jì)成基體的材料方法，也適用于其他導(dǎo)熱纖維和應(yīng)用，這將為未來(lái)合成具有高導(dǎo)熱性和優(yōu)異機(jī)械強(qiáng)度的聚合物復(fù)合材料提供更多機(jī)會(huì)。研究成果以“Dressing Paraffin Wax/Boron Nitride Phase Change Composite with a Polyethylene “Underwear” for the Reliable Battery Safety Management”為題發(fā)表于《Small》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1. 超高分子量聚乙烯纖維織物增強(qiáng)PCM的材料設(shè)計(jì)。
圖2. PCM材料的導(dǎo)熱性能。
圖3. PCM材料的力學(xué)和相變特性。
圖4. 鋰離子電池系統(tǒng)的熱管理和機(jī)械保護(hù)。
END
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展開(kāi) 復(fù)合材料？
據(jù)預(yù)測(cè)，土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)碳纖維。1997~2000年間，宇航用碳纖維的年增長(zhǎng)率估計(jì)為31%，而工業(yè)用碳纖維的年增長(zhǎng)率估計(jì)會(huì)達(dá)到130%。我國(guó)的碳纖維總體水平還比較低，相當(dāng)于國(guó)外七十年代中、末期水平，與國(guó)外差距達(dá)20年左右。國(guó)產(chǎn)碳纖維的主要問(wèn)題是性能不太穩(wěn)定且離散系數(shù)大、無(wú)高性能碳纖維、品種單一、規(guī)格不全、連續(xù)長(zhǎng)度不夠、未經(jīng)表面處理、價(jià)格偏高等。
3、芳綸纖維
20世紀(jì)80年代以來(lái)，荷蘭、日本、前蘇聯(lián)也先后開(kāi)展了芳綸纖維的研制開(kāi)發(fā)工作。日本及俄羅斯的芳綸纖維已投入市場(chǎng)，年增長(zhǎng)速度也達(dá)到20%左右。芳綸纖維比強(qiáng)度、比模量較高，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的高性能復(fù)合材料零部件（如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙、整流罩、方向舵等）、艦船（如航空母艦、核潛艇、游艇、救生艇等）、汽車(chē)（如輪胎簾子線、高壓軟管、摩擦材料、高壓氣瓶等）以及耐熱運(yùn)輸帶、體育運(yùn)動(dòng)器材等。
4、超高分子量聚乙烯纖維
超高分子量聚乙烯纖維的比強(qiáng)度在各種纖維中位居第一，尤其是它的抗化學(xué)試劑侵蝕性能和抗老化性能優(yōu)良。它還具有優(yōu)良的高頻聲納透過(guò)性和耐海水腐蝕性，許多國(guó)家已用它來(lái)制造艦艇的高頻聲納導(dǎo)流罩，大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力。除在軍事領(lǐng)域，在汽車(chē)制造、船舶制造、醫(yī)療器械、體育運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應(yīng)用前景。該纖維一經(jīng)問(wèn)世就引起了世界發(fā)達(dá)國(guó)家的極大興趣和重視。
5、熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料
熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料是指以熱固性樹(shù)脂如不飽和聚酯樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、乙烯基酯樹(shù)脂等為基體，以玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維等為增強(qiáng)材料制成的復(fù)合材料。環(huán)氧樹(shù)脂的特點(diǎn)是具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、電絕緣性、耐腐蝕性、良好的粘接性能和較高的機(jī)械強(qiáng)度，廣泛應(yīng)用于化工、輕工、機(jī)械、電子、水利、交通、汽車(chē)、家電和宇航等各個(gè)領(lǐng)域。
展開(kāi) 長(zhǎng)春應(yīng)化所簡(jiǎn)忠保研究員在常溫常壓溫和條件制備功能化超高分子量聚乙烯領(lǐng)域取得新進(jìn)展
課題組隸屬于中科院長(zhǎng)春應(yīng)化所高分子物理與化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，主要研究方向?yàn)楦咝阅芫巯N與彈性體基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用研究（主攻醫(yī)用材料、光學(xué)材料、交通與通信材料）。面向國(guó)家對(duì)化工新材料的重大需求，課題組集基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究、應(yīng)用導(dǎo)向研究、與工業(yè)化探索研究于一體，多維度培養(yǎng)人才。熱忱歡迎有志青年（保研考研/博士后/特別研究助理）加入！
課題組簡(jiǎn)介：
http://yjsb.ciac.cas.cn/dsjj/gfzhxywl/201905/t20190507_486556.html
相關(guān)進(jìn)展
長(zhǎng)春應(yīng)化所簡(jiǎn)忠保研究員課題組《Angew》：簡(jiǎn)單而高效的鎳系催化制備超低支化UHMWPE
長(zhǎng)春應(yīng)化所簡(jiǎn)忠保研究員課題組《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》：超高支化主鏈官能化聚乙烯精準(zhǔn)合成
四川大學(xué)張杰課題組：通過(guò)超高分子量聚乙烯和多流振動(dòng)注射成型協(xié)同增強(qiáng)高密度聚乙烯——具有工業(yè)應(yīng)用前景的簡(jiǎn)易策略
紐約州立大學(xué)布法羅分校任申強(qiáng)教授課題組在仿生加工超高分子量聚乙烯上取得新進(jìn)展
四川大學(xué)傅強(qiáng)教授：超高分子量聚乙烯燒結(jié)制品的鏈纏結(jié)調(diào)控及其對(duì)性能影響
高分子科技原創(chuàng)文章。
展開(kāi) 國(guó)防軍工等領(lǐng)域倚重點(diǎn)碳成金的碳纖維復(fù)合材料
高性能纖維復(fù)合材料屬于高分子復(fù)合材料，是由各種高性能纖維作為增強(qiáng)體置于基體材料復(fù)合而成。高性能纖維是近年來(lái)纖維高分子材料領(lǐng)域中發(fā)展迅速的一類(lèi)特種纖維。高性能纖維復(fù)合材料是發(fā)展國(guó)防軍工、航空航天、新能源及高科技產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)原材料，同時(shí)在建筑、通信、機(jī)械、環(huán)保、海洋開(kāi)發(fā)、體育休閑等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣泛的用途。
高性能纖維主要分為碳纖維、芳綸纖維、特殊玻璃纖維、超高分子聚乙烯纖維等，其中碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維是當(dāng)今世界三大高性能纖維。
國(guó)內(nèi)企業(yè)將取得突破
繼石器和鋼鐵等金屬之后，碳纖維被國(guó)際上稱(chēng)之為“第三代材料”，因?yàn)橛锰?em>纖維制成的復(fù)合材料具有極高的強(qiáng)度，且超輕、耐高溫高壓，廣泛應(yīng)用于航空、汽車(chē)及國(guó)防領(lǐng)域等。碳纖維是由90%以上的碳元素組成的纖維。碳纖維結(jié)構(gòu)近乎石墨結(jié)構(gòu)，比金剛石結(jié)構(gòu)規(guī)整性稍差，具有很高的抗拉強(qiáng)度，它的強(qiáng)度約為鋼的4倍，密度為鋼的四分之一。碳纖維同時(shí)具有耐高溫、尺寸穩(wěn)定、導(dǎo)電性好等其他優(yōu)良性能。
按原料分碳纖維可分為粘膠基碳纖維、聚丙烯腈基碳纖維(PAN基碳纖維)和瀝青基碳纖維，目前世界各國(guó)發(fā)展的主要是PAN基碳纖維和瀝青基碳纖維。日本是全球最大的碳纖維生產(chǎn)國(guó)，2002年日本東麗(Toray)公司碳纖維生產(chǎn)能力達(dá)7300噸/年，東邦公司(TohoTenax)擁有5600噸/年的生產(chǎn)能力，三菱人造絲(Rayon)有4700噸的年產(chǎn)量，這3家公司碳纖維的總銷(xiāo)售份額約占全球小絲束市場(chǎng)的75%。
從2004年起，碳纖維市場(chǎng)突然緊缺，出現(xiàn)了供不應(yīng)求局面，價(jià)格隨之急劇上漲。碳纖維需求擴(kuò)大的背景包括兩個(gè)方面：一是越來(lái)越多的民用飛機(jī)制造商將碳纖維作為機(jī)體材料；二是碳纖維在風(fēng)力發(fā)電、液化氣罐、自行車(chē)、體育用品等領(lǐng)域的用途正在逐漸擴(kuò)大。
隨著航空航天、體育休閑和擠塑模具工業(yè)應(yīng)用對(duì)碳纖維的需求大幅度增加，全球碳纖維市場(chǎng)正以平均每年兩位數(shù)的速度快速增長(zhǎng)。
展開(kāi) 用于熱管理的分層導(dǎo)熱聚合物納米復(fù)合材料
02
成果掠影
近期，布法羅大學(xué)Shenqiang Ren研究團(tuán)隊(duì)提出了分層導(dǎo)熱納米復(fù)合材料，由納米結(jié)構(gòu)陶瓷共形涂層和混合排列的超高分子量聚乙烯纖維組成，可定制電導(dǎo)體的散熱?；旌吓帕械臒峤缑婢哂蟹浅＠硐氲母飨虍愋愿邔?dǎo)熱系數(shù)，可達(dá)0.98W/mK，介電強(qiáng)度為3.4。此外，電隔熱界面在動(dòng)態(tài)負(fù)載條件下表現(xiàn)出高性能和可靠的電氣系統(tǒng)。在相同的電負(fù)載下，非均勻陶瓷-聚合物封裝導(dǎo)體的表面溫度比聚合物封裝導(dǎo)體低17.8℃。研究成果以“Hierarchical thermal-conductive polymer nanocomposites for thermal management”為題發(fā)表于《Applied Materials Today》。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1 a. 由超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和陶瓷涂層組成的導(dǎo)熱材料示意圖。(I)排列UHMWPE纖維。（II）陶瓷涂層UHMWPE纖維。（III）異質(zhì)陶瓷UHMWPE薄膜。（IV）異質(zhì)薄膜涂層銅線。(V)異質(zhì)薄膜盆栽銅線。b.熱導(dǎo)率、密度和介電常數(shù)圖和典型的聚合物。
圖2 a.UHMWPE涂層銅導(dǎo)線與UHMWPE聚合物鏈方向夾角的銅導(dǎo)線示意圖。b.帶有UHMWPE涂層的銅線的光學(xué)圖像。c.UHMWPE涂層銅線的溫度衰減曲線與電流方向和UHMWPE鏈方向的溫度衰減關(guān)系。(d)不同輸入功率下UHMWPE涂層銅線的溫度圖。
圖3 a.
展開(kāi) 
中國(guó)055大驅(qū)將裝備新型涂料，抗爆性能比鋼板提高20%
在最近發(fā)布的裝備預(yù)研創(chuàng)新項(xiàng)目中，為解決大型水面艦艇抗反艦導(dǎo)彈輕量化防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的迫切急需，向全社會(huì)科技機(jī)構(gòu)公開(kāi)征求研制一種新型抗彈防爆涂層。該涂層適應(yīng)實(shí)際需要，并不要求能完全抵擋住數(shù)百公斤重高爆炸藥反艦導(dǎo)彈彈頭的攻擊，而是配合艦用防護(hù)裝甲使用：防護(hù)裝甲對(duì)反艦導(dǎo)彈爆炸產(chǎn)生的破片進(jìn)行有效防護(hù)，抗彈防爆涂料能對(duì)爆炸產(chǎn)生的沖擊載荷進(jìn)行有效防護(hù)，還能將接觸爆炸的毀傷范圍約束在有限的一個(gè)艙段內(nèi)，解決目前不能有效降低反艦導(dǎo)彈接觸爆炸的毀傷范圍的問(wèn)題，提高水面艦艇的生命力水平。
隨著反艦導(dǎo)彈威力的飛速發(fā)展，現(xiàn)代軍艦在水面上和水線下采用多層鋼防護(hù)裝甲并不現(xiàn)實(shí)，加裝上部裝甲太多導(dǎo)致重心上移的話，軍艦可能在惡劣天氣和海況中連基本的航行都無(wú)法保證。并且大量使用鋼制裝甲將導(dǎo)致船體質(zhì)量增大，武器彈藥減少或航速降低，因此，防護(hù)材料的輕量化對(duì)于艦船的發(fā)展至關(guān)重要。陶瓷材料因其優(yōu)良的抗彈性能，作為一種輕量化防護(hù)材料曾經(jīng)在艦船領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但陶瓷材料脆性大，在爆炸沖擊中極易破碎產(chǎn)生碎片，防爆炸性能不佳。玻璃纖維、芳綸和超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維輕質(zhì)高強(qiáng)易于加工，對(duì)爆炸沖擊波具有良好的衰減作用，但其在金屬表面上的附著力差，壽命有限，限制了這些材料性能的發(fā)揮。
在第九屆國(guó)際軍民兩用技術(shù)博覽會(huì)上，我國(guó)某高科技企業(yè)展出了一種黑科技產(chǎn)品——新型結(jié)構(gòu)增強(qiáng)涂層。該公司稱(chēng)，該涂料具有抗沖擊、耐磨性、防腐蝕、無(wú)污染四個(gè)特性，使用壽命可超過(guò)50年，可以用噴涂、刷涂等快捷簡(jiǎn)單的方式，在零下50攝氏度至零上100攝氏度的環(huán)境進(jìn)行施工和使用。6毫米的鋼板，原來(lái)可在70米距離外被7.62口徑步槍彈擊穿，但增加3毫米抗彈防爆涂層后，便無(wú)法被步槍彈擊穿，非常符合現(xiàn)在軍隊(duì)車(chē)輛載具的防護(hù)需要。涂在鐵皮墻和水泥墻上后，連爆破都不怕。
展開(kāi) 纖維新材料的軍事應(yīng)用與發(fā)展
3、纖維材料在軍工國(guó)防中的應(yīng)用
碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、生物基聚酰胺纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射設(shè)備、航空航天器、人造衛(wèi)星、戰(zhàn)斗機(jī)、單兵防護(hù)等方面，不僅能提高各項(xiàng)器材的防御性能，還能提高單兵作戰(zhàn)效率。
為了提高戰(zhàn)斗效率，減少戰(zhàn)斗人員體能消耗，降低高昂的運(yùn)輸成本要加強(qiáng)研究便于執(zhí)行多樣化任務(wù)、輕質(zhì)的地面戰(zhàn)斗車(chē)輛和戰(zhàn)斗防護(hù)服。如比重小、強(qiáng)度高的高強(qiáng)聚酰胺纖維，用于帳篷支架、背架等的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可制造輕便防彈衣，防彈插板等的高強(qiáng)高模纖維。
復(fù)合纖維材料是減重纖維研究的重要方向。例如，金屬纖維層狀材料被認(rèn)為是用于下一代飛機(jī)的先進(jìn)材料，不僅重量輕，而且還具有較好的力學(xué)性能。目前DLR 在機(jī)身殼體部件自動(dòng)化鋪放方面已取得了部分成果。減重材料應(yīng)用在車(chē)輛中可減輕車(chē)身重量( 減重100-200kg)，即可減少燃料消耗，降低尾氣排放，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化組裝過(guò)程，提高運(yùn)行效果等。
同樣還可廣泛應(yīng)用于后勤裝備，如帳篷支架、野炊箱組（蓋板、油罐、掛件等）、冷藏箱（箱體、隔板等）、醫(yī)療方倉(cāng)（倉(cāng)體、擔(dān)架）等?？傊瑴p重材料可根據(jù)其性能的不同應(yīng)用于現(xiàn)代化建設(shè)中的方方面面。
我國(guó)纖維材料經(jīng)過(guò)發(fā)展，建立了較完整的工業(yè)化生產(chǎn)體系，這些帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)用紡織品發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了纖維的跨行業(yè)對(duì)接，提升了防護(hù)服裝的技術(shù)水平，在國(guó)防等關(guān)鍵領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，為做強(qiáng)我國(guó)國(guó)防纖維材料奠定了基礎(chǔ)。
展開(kāi) 【科普】纖維新材料的軍事應(yīng)用與發(fā)展
3、纖維材料在軍工國(guó)防中的應(yīng)用
碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、生物基聚酰胺纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈發(fā)射設(shè)備、航空航天器、人造衛(wèi)星、戰(zhàn)斗機(jī)、單兵防護(hù)等方面，不僅能提高各項(xiàng)器材的防御性能，還能提高單兵作戰(zhàn)效率。
為了提高戰(zhàn)斗效率，減少戰(zhàn)斗人員體能消耗，降低高昂的運(yùn)輸成本要加強(qiáng)研究便于執(zhí)行多樣化任務(wù)、輕質(zhì)的地面戰(zhàn)斗車(chē)輛和戰(zhàn)斗防護(hù)服。如比重小、強(qiáng)度高的高強(qiáng)聚酰胺纖維，用于帳篷支架、背架等的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可制造輕便防彈衣，防彈插板等的高強(qiáng)高模纖維。
復(fù)合纖維材料是減重纖維研究的重要方向。例如，金屬纖維層狀材料被認(rèn)為是用于下一代飛機(jī)的先進(jìn)材料，不僅重量輕，而且還具有較好的力學(xué)性能。目前DLR 在機(jī)身殼體部件自動(dòng)化鋪放方面已取得了部分成果。減重材料應(yīng)用在車(chē)輛中可減輕車(chē)身重量( 減重100-200kg)，即可減少燃料消耗，降低尾氣排放，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化組裝過(guò)程，提高運(yùn)行效果等。
同樣還可廣泛應(yīng)用于后勤裝備，如帳篷支架、野炊箱組（蓋板、油罐、掛件等）、冷藏箱（箱體、隔板等）、醫(yī)療方倉(cāng)（倉(cāng)體、擔(dān)架）等。總之，減重材料可根據(jù)其性能的不同應(yīng)用于現(xiàn)代化建設(shè)中的方方面面。
我國(guó)纖維材料經(jīng)過(guò)發(fā)展，建立了較完整的工業(yè)化生產(chǎn)體系，這些帶動(dòng)了產(chǎn)業(yè)用紡織品發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了纖維的跨行業(yè)對(duì)接，提升了防護(hù)服裝的技術(shù)水平，在國(guó)防等關(guān)鍵領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用，為做強(qiáng)我國(guó)國(guó)防纖維材料奠定了基礎(chǔ)。
4、我國(guó)前沿性纖維材料發(fā)展思考
我國(guó)的高性能纖維材料中，民用多于國(guó)防應(yīng)用，需借鑒國(guó)外“軍民融合” 的成功經(jīng)驗(yàn)，制定適宜我國(guó)國(guó)情的發(fā)展戰(zhàn)略，引領(lǐng)新材料的發(fā)展方向，使高性能纖維進(jìn)入快速發(fā)展階段，以應(yīng)用需求牽引纖維開(kāi)發(fā)，創(chuàng)建產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合的研發(fā)系統(tǒng)，注重應(yīng)用開(kāi)發(fā)和應(yīng)用服務(wù)，上下產(chǎn)業(yè)鏈聯(lián)合，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，建立系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系。
展開(kāi) ：新型拓?fù)浠瘜W(xué)聚合-固態(tài)合成可溶液加工和功能化的超高分子量聚合物
拓?fù)浠瘜W(xué)聚合 (TCP) 是一種固態(tài)化學(xué)轉(zhuǎn)化，即在一些外部的能量刺激下（如熱或者光），單體將按照其晶體內(nèi)部分子排列形式進(jìn)行聚合。如TCP 得到有效利用，它將成為除ROMP 和 ATRP以外，可用于生成超高分子量 (數(shù)均分子量Mn > 106) 聚合物的有效“工具”。然而目前已報(bào)道的TCP 的化學(xué)反應(yīng)有限，且多數(shù)所得聚合物溶解性差，這極大的限制了對(duì)TCP聚合產(chǎn)物的研究和后功能化。
近日，勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室劉毅研究員課題組開(kāi)發(fā)了一種基于氮雜對(duì)苯二醌二甲烷 (AQMs)的新型TCP反應(yīng)體系。研究人員合成了一系列以AQM為骨架的芳香小分子單晶，通過(guò)可見(jiàn)光/熱引發(fā)的固態(tài) TCP 反應(yīng)，得到了對(duì)應(yīng)的聚合物晶體。實(shí)驗(yàn)證實(shí)不同烷基取代對(duì)此類(lèi)TCP反應(yīng)的活性影響甚微?；诖耍狙芯渴褂没诶鋬鐾干潆婄R的微晶電子衍射法(micro-ED) 首次獲得了原子分辨率的基于正丁基取代TCP 聚合物晶體結(jié)構(gòu)。并且，研究人員通過(guò)引入長(zhǎng)烷基鏈作為增溶基團(tuán)，制備了可溶的超高分子量聚合物。得益于其優(yōu)異的溶液加工性，此類(lèi) TCP 聚合物可作為電極活性材料，組裝成薄膜電容器。所制備器件展現(xiàn)出高介電常數(shù)和優(yōu)異介電儲(chǔ)能特性。除此之外，研究人員利用聚合物中保留的三氟甲磺酸酯基團(tuán)，成功通過(guò)親核取代反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)所得超高分子量的聚合物的后功能化。
圖1.基于AQM骨架的芳香小分子及其TCP產(chǎn)物。
圖2.正丁基取代的AQM小分子單晶結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)TCP產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)（micro-ED 表征）。
圖3.
展開(kāi) 