高强高模聚乙烯纤维及其在航空航天上的应用(final)

高强高模聚乙烯纤维及其在航空航天
领域的应用初探
驻胶带股份军事代表室廖振魁张勃
驻三七二厂军事代表室龙立军
摘要：高强高模聚乙烯纤维是新兴的高分子纤维，与碳纤维、芳伦并列为三大高性能纤维，其性能优异，已在广泛应用于民用领域，而在军用特别是航空航天上应用较少。

对此，本文该纤维进行介绍，并简要分析如何在航空航天领域应用。

关键词：聚乙烯纤维航空航天应用初探
高强高模聚乙烯纤维(也称为超高分子量聚乙烯纤维，英文Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称UHMWPE)，是上世纪80年代初研制成功的高性能有机纤维，它是当今世界三大高科技纤维（碳纤维、芳伦、高强高模聚乙烯纤维）之一，是一种具有高度取向直链结构的纤维。

UHMWPE纤维具有很高的轴向比拉伸强度和刚度，比强度在所有纤维材料中是最高的一种，比模量仅次于高模量碳纤维；能量吸收性能在所有纤维中是最高的，耐低温、耐紫外光性能极佳。

优异的性能，使其被广泛应用于机械、运输、造船、农业、化工、建筑、矿业及体育运动器械等民用领域，相比之下我国在军事领域特别是航空、航天反而应用较少，这与UHMWPE纤维具备的性能不相称。

具有高强、高模、质轻等优良的物理性能的UHMWPE纤维尤其适合在航空、航天等尖端技术领域应用，可应用于运载火箭和导弹、各类航天器、空间站、人造卫星、宇航服、喷气客机、战斗机和直升机等航空航天领域，本文对UHMWPE纤维进行介绍，并简要分析如何在航空航天领域应用。

一）高强高模聚乙烯纤维的发展史及前景
1、高强高模聚乙烯纤维的发展史
UHMWPE纤维的原材料是高分子量线性聚乙烯，制造高强高模聚乙烯纤维的基础研究始于上世纪70年代Leeds大学的Capaccio 和Ward，他们研制了分子量为十万左右的聚乙烯。

而后Pennings、Smith、Lemstra等相继研制凝胶纺丝——超倍热拉伸技术，荷兰DSM公司对此进行更深入的研究，使用了几百万分子量的聚乙烯材料，纤维性能大大提高，1979年申请了专利，1984年DSM公司推出纤维商品名为Dyneema SK-60产品。

美国的联合信号公司（Allied Signal）在DSM公司技术的基础上改进，1988年形成了其公司的商业化产品（spectra900,spectra1000）。

1982年日本的Mitsui公司，通过自身的研发，也于1984年通过欧洲专利评审，于1988年正式商业化生产。

以上三家主要生产高强高模聚乙烯纤维的公司，2010年的总生产能力已超过1万吨/年。

由于，UHMWPE纤维和碳纤维一样可用于国防军事领域，西方发达国家对其技术严格保密，我国UHMWPE纤维的发展基本上是走自力更生的路，具有独立的技术自主知识产权。

中国纺织科学院于上世纪80年代开展了该纤维生产工艺的研发工作，90年代东华大学也加入研发工作，并于1999年研发成功，2000年，进入商业化生产阶段。

在国内相关科研单位及生产厂家的不断努力下，我国UHMWPE纤维的生产技术及产量都取得了相当的进步，现已部分用于国防领域，并出口国外。

我国生产UHMWPE纤维的主要厂家有上海斯瑞、宁波大成、湖南中泰等，国内厂家纤维的生产能力也已接近1万吨/年。

2、高强高模聚乙烯纤维的发展前景
当今世界上，荷兰、日本、美国及中国已经实现了该种纤维的工业化生产，英国、俄罗斯等国也正开展该纤维的研究工作。

在我国的“十一五”规划中，将此纤维项目列为重点发展的高科技项目，并将该纤维作为国家鼓励发展的特种纤维之一。

当今，作为商品的UHMWPE纤维的拉伸强度可达到3～4GPa,最先进的实验室级纤维的拉伸模量已超过180GPa,拉伸强度高达6～8GPa。

今后高强高模聚乙烯纤维的研究方向一是通过纤维改性提高性能，如提高强度、模量，提升耐温度等级，并改善蠕变性能等；二是开展界面改性、合理结构与混杂形式的优化等研究，开发高性能复合材料，开拓新的应用领域。

二）高强高模聚乙烯纤维生产工艺和性能
超高分子量聚乙烯突出的特性是与其极高的分子量分不开的，树脂分子量越高，纤维的性能越好。

一般来说，只有平均分子量大于170万的超高分子量聚乙烯树脂，才具有常规分子聚乙烯所不具备的、其它工程塑料无法比拟的优良性能。

因此，人们通常把平均分子量超过170万（1.7×106）的聚乙烯称之为超高分子量聚乙烯。

国内外一般用于UHMWPE纤维生产的聚乙烯树脂相对分子量介于（3～6）×106，部分可达到9×106。

目前还没有单纯的高分子材料具有如此多的优良性能。

1、纤维的制作工艺
国内生产该纤维的工艺方法主要是凝胶纺丝－超倍热拉伸法，工艺方法是：用溶剂溶解聚乙烯树脂，制取超高分子量聚乙烯粘稠溶液——通过喷丝板将溶液挤出——挤出后的粘稠溶液骤冷形成凝胶原丝——再对凝胶原丝进行去溶剂化及干燥——再将其进行高倍热拉伸，从而制得高强高模的聚乙烯纤维。

2、主要物理机械性能
密度：0.97～0.98g/cm3；
拉伸断裂强度：20～40cN/dtex，1940～3880MPa；
拉伸模量： 500～1500 cN/dtex，48.5～145.5GPa；
断裂伸长率：1.0～6.5%；
熔点：120～160℃。

3、基本特性
3.1 高强、高模、轻质
由于这种纤维的主链结合强度很高，取向度和结晶度也极高，断裂强度非常高，加之密度小，因此它的比强度是当今材料中最高的，相当于优质钢丝的15倍，比普通有机纤维高出近10倍，比对位芳伦（芳伦1414）高40%左右；比拉伸模量仅次于高模碳纤维，较对位芳伦高得多；它还有一种独特的物理性能，就是密度小于1，可浮在水面。

UHMWPE纤维与常用纤维的强度、模量对比关系见图1、图2。

图1 应力、应变对比曲线图2 强度、模量对比图
3.2 优越的能量吸收性能
UHMWPE纤维是玻璃化转变温度较低的热塑性纤维，韧性很好，能在塑性变形过程中大量吸收能量；纤维的模量非常高，具有较低的伸长率，断裂所需的能量很大。

因此，它的复合材料在高应
变率和低温下仍具有良好的力学性能，抗冲击能力比碳纤维、芳伦纤维及一般玻璃纤维复合材料高。

该纤维复合材料的比冲击总吸收能量Et/ρ分别是碳、芳伦和E玻璃纤维的1.8，2.6和3倍，其防弹能力是芳伦纤维的装甲结构高2.5倍。

这些性能被用于弹道保护产品和防切割、防冲击产品上。

3.3 良好的抗湿性和耐化学腐蚀性
UHMWPE纤维具有高度的分子取向和结晶，大分子截面积小，所以链间排列紧密，从而有效地阻止水分子和化学试剂的侵蚀，因此纤维具有杰出的抗水、潮气、多数化学品以及良好的耐溶剂溶解的性能。

该纤维在多种溶剂中浸泡半年，强度却完全保留，显现出与大多数有机纤维不同的优良特性。

表1列出UHMWPE纤维和芳伦在各种溶剂中性能变化。

3.4 优越的耐磨性、耐疲劳性、挠曲性
材料的耐磨性一般随模量的增大而减小，但对UHMWPE纤维，趋势却相反，这是因为它的摩擦系数低。

该纤维特别适合于耐疲劳要求高的场合，该纤维在具有高模量的同时，在大变形作用下
仍然具有柔韧性，而且有长的挠曲寿命，具有良好的加工能力，这个性能常被用来制作高强缆绳以及制作耐疲劳要求高的复合材料。

3.5低的介电常数和介电损耗
UHMWPE纤维的介电常数和介电损耗值低，在各种制作复合材料的纤维中最小，反射雷达波最小，因此对雷达波的透射率很高，这个性能常被用来制作各型雷达的外罩。

表2列出不同材料的介电常数和介电损耗值。

3.6 耐紫外线能力强
芳伦纤维不耐紫外光，使用时必须避免阳光直接照射，而UHMWPE纤维是有机纤维中耐光性最优异的纤维。

同样经紫外光照射1500小时，该纤维的强度保持率在90%左右，而芳伦纤维只有30%。

3.7 耐低温能力强
在很低的温度下，该纤维仍能够保持柔软，有研究表明，即使在－150℃的条件下，纤维也无脆化点。

该性能可被应用于温度极低的太空环境下的装备，如宇航服、飞行器结构等。

三）高强高模聚乙烯纤维与常用有机纤维的比较在高强、高模聚乙烯纤维问世前，航空、航天领域使用有机纤维主要是聚酯纤维（涤纶）、聚酰胺纤维（锦伦/尼龙）等，相
比天然棉、麻纤维，它们在比强度、比模量上具有非常大的优势，因此被广泛地使用，至今仍然是它们一统天下局面。

如橡胶件的骨架材料、受力件的增强材料，压力容器、压力导管的增强材料，阻力伞、降落伞的面料、带绳，航空轮胎的帘子线等。

以下介绍UHMWPE纤维与常用有机纤维的性能对比，从表3中我们可以看出该纤维具有比聚酯纤维、聚酰胺纤维更加优异的性能，高强、高模、质轻，而且耐紫外、酸碱，不水解。

该纤维完全可以在航空、航天领域取代聚脂和聚酰胺纤维，并且比后者更具广泛的用途。

四）高强高模聚乙烯纤维的不足
上述介绍了UHMWPE纤维的特点和优良的性能，其也有一些不足之处,如界面粘接性能差、不耐高温等。

在应用UHMWPE纤维之时应尽量用其长处，而对其不足可采取技术手段，扩大该纤维的应用范围和领域。

1、界面粘接强度低
由于UHMWPE纤维表面的惰性和非极性，浸润性差，因此纤维与基体之间的界面粘接强度低，影响了该纤维复合材料的力学性能，尤其是层间剪切、横向拉伸和断裂韧性等性能，限制了它作为结构材料方面的应用。

可以通过纤维表面处理、使用粘结剂等方法改善复合材料的界面强度。

该纤维表面处理方法有化学处理、低温等离子改性、辐射接枝改性、化学氧化法改性等；粘结的使用，无须对纤维进行表面处理就能改善界面状态，提高该纤维复合材料的整体性能。

1、蠕变
蠕变是有机纤维普遍存在的问题，UHMWPE纤维的蠕变比一般化纤小，但相比其它高性能纤维却要高，影响了其在复合材料中的应用。

可通过纤维本身改性，来提高纤维抗蠕变的性能，通过溶有光敏剂的超临界二氧化碳辅助渗透预处理后，再经紫外光辐照使超高分子量聚乙烯纤维内部分子链间发生交联，可提高它的抗蠕变性能；可将其与其它抗蠕变性能好的纤维（碳纤维、玻璃纤维等）混杂，可明显提高其抗蠕变的性能。

2、耐高温性能差
UHMWPE纤维耐低温性能好，但其玻璃化转变温度低，熔点也低（150℃），影响在高温环境下的使用。

在接近100℃时，耐恒定静拉载荷能力迅速下降，不适用在此温度范围较长时间承受较大载荷的场合。

耐高温性能差是该纤维的固有特性，尽量避免使用在高温的环境下。

若对纤维作长时间的热处理（130℃），在承载较小时能保持它的室温性能；在纤维分子间生存架桥结构，可提高其耐热
性能。

3、压缩强度低
由于UHWMPE长链分子间的结合力（如范德瓦耳斯力）弱，其纤维复合材料的轴向压缩强度低，只有拉伸强度的1/6～1/12，影响应用范围。

可将该纤维与高性能纤维（碳纤维、玻璃纤维）进行混杂制成复合材料，提高压缩强度，得到预期的性能。

五）国内、外高强高模聚乙烯纤维主要性能比较我国的UHMWPE纤维经过“十一五”的发展，技术指标已基本达到国际一流水平，完全可以满足国内航空、航天上的需求。

该纤维及其产品（含复合材料），除满足国内的需求外，还大量出口到世界各地。

现以上海斯瑞UHMWPE纤维为例与荷兰DSM公司、美国Allied Signal 公司的纤维的基本物理性能进行比较，详见表2。

* DSM公司产品名为：Dyneema SK××
从表2中我们可以看出，部分国产UHMWPE纤维断裂强度仅略逊于DSM公司产品，而拉伸模量远远高于国外产品。

从综合性能来说，国产的纤维已基本与国外的纤维保持一致，仅在产品性能的一致性上还略逊国外产品，特别是DSM的产品，但国产纤维在性价比上却远远高于国外产品。

因此在航空、航天领域，国产纤维完成可以取代进口的纤维。

六）UHWMPE在航空、航天领域的应用分析
由于UHWMPE纤维及其复合材料具有独特的优良性能，而且原
材料资源丰富，成本较其它高性能纤维低，所存在的不足通过采用一定的技术措施可逐步解决。

因此，近10多年以来，该纤维及其复合材料是应用最为广泛的新型先进材料之一。

也因其具有高强、高模、质轻，其产品和复合材料都具备耐水、耐潮湿、耐化学腐蚀、耐太阳暴晒、耐低温、防辐射等特点，使其在航空、航天领域大有应用空间。

1、结构上的应用
由于UHMWPE纤维复合材料轻质高强和防撞击性能好，适用于各种飞机的翼尖整流罩、背鳍，与碳纤维混杂复合材料可解决蠕变和压缩强度低的问题，可制作耐温要求不高的飞机、直升机、飞船结构件。

2、绳索、织布上的应用
UHMWPE纤维制作的绳索，在自重下的断裂长度是钢绳的8倍，是芳伦的2倍，而且其耐紫外线能力非常强，特别适用超高空预警气球系留绳，飞机阻栏网上主体网和绳，飞机、航天飞机（航天器回收舱）阻力伞、降落伞布和绳，直升机悬吊重物的绳索，直升机机降绳，飞艇织布和绳索。

可完全取代芳伦、涤纶、锦伦纤维绳索和织布,并解决了以往使用这些纤维缆绳遇到的水解、紫外降解，引起缆绳强度降低和断裂而需要经常更换的问题。

3、防弹击和抗冲击上的应用
UHMWPE纤维复合材料的比弹击载荷值是钢的10倍，是芳伦的2 倍，适合应用于飞行员轻质头盔、武装直升机、强击机和客机的防弹座椅及防弹装甲防护板（“9.11”后，美国强制客机驾驶舱隔框及舱门必须做1层UHMWPE纤维防护装甲），是替代飞机防弹钢板的最佳材料，基本上可取代芳伦纤维。

采用该纤维为原料制成的轻质头盔抗冲击能力强，能有效地保护飞行乘员的安全；
与碳纤维的混杂复合材料可起到防弹和结构的双重作用。

4、在轻质量高压气瓶的应用
使用铝合金、聚合物内胆，在瓶胆外缠绕UHWMPE纤维及碳纤维的高压航空气瓶能承受使用过程中承受的应力应变，而且其具有抗弹击、撞击能力，不会产生爆破，安全性好。

它具有体积小、质量轻、使用寿命长、抗腐蚀、耐疲劳容重比大等优点，较常规气瓶具有更优良的性能。

5、应用于压力软管增强
现航空、航天压力软管采用的是不锈钢丝增强聚四氟乙烯软管(或橡胶软管)，低压的有采用聚脂纤维增强的聚四氟乙烯软管(或橡胶软管)。

非高温场合下输送介质的软管，可采用UHMWPE纤维增强的软管，重量、柔软性、寿命、可靠性都将有很大的提高。

6、雷达罩上应用
UHMWPE纤维的介电常数低，介电损耗值低，电信号失真小，比传统用作雷达的玻璃纤维（GF）低，而它的透射系数比GF高，其复合材料可应用于飞机、直升机和地面的各种类型雷达罩，特点重量轻、透波率高、使用寿命长，因此UHMWPE纤维是制造飞行器高性能轻质雷达罩的首选材料。

7、橡胶增强和骨架材料
UHMWPE纤维可取代聚酰胺纤维，用作橡胶的增强（可分为短纤和长纤增强）和骨架材料。

如飞机胶管和橡胶软油箱的骨架材料、航空橡胶轮胎帘子线。