世界三大高性能纤维简介

世界三⼤⾼性能纤维简介
中国⾼性能纤维复合材料需求将⽇渐强劲，尤其是航天航空、汽车、风电等领域。

根据JEC集团研报显⽰，最近⼏年全球复合材料需求增长⼀半都在亚洲，亚洲尤其中国市场增长较快，预计到2013年中国将占据全球复合材料市场增长43%的份额；⽬前国内复合材料⽤于交通运输的⽐例相对⽐较⼩，只占5%，低于全球24%平均⽔平；在⼯业设备领域⽐例为10%，也低于全球26%的平均⽔平。

⽬前⾼性能纤维在飞机上的⽐例为50%-80%，波⾳公司预计到2025年中国运输飞机数量将是原有的3倍；国内风电和汽车领域需求旺盛，⾼性能纤维复合材料作为⼀种先进的轻质⾼强材料，符合风⼒发电机组⼤容量发展趋势，迎合汽车安全、轻型化发展⽅向。

世界三⼤⾼性能纤维：
（1）芳纶纤维：⽬前全球芳纶纤维整体已出现供过于求局⾯，但其中芳纶1414的供求形势依旧偏紧。

国内芳纶纤维消费旺盛，年复合增长率约为30%。

我们认为，随着供给增加，国内⾼温滤料⽤芳纶1313或将出现产能过剩，芳纶1313在需有⼀定技术含量的防护领域、芳纶纸⾼端产品应⽤领域市场潜⼒⼤；国内芳纶1414主要依靠进⼝，供给是关键。

芳纶简介
芳纶全称为"聚对苯⼆甲酰对苯⼆胺",英⽂为Aramid fiber（杜邦公司的商品名为Kevlar），是⼀种新型⾼科技合成纤维，具有超⾼强度、⾼模量和耐⾼温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能,其强度是钢丝的 5～6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2～3倍，韧性是钢丝的2倍，⽽重量仅为钢丝的1/5左右，在560度的温度下，不分解，不融化。

它具有良好的绝缘性和抗⽼化性能，具有很长的⽣命周期。

芳纶的发现，被认为是材料界⼀个⾮常重要的历史进程。

芳纶纤维是重要的国防军⼯材料，为了适应现代战争的需要，⽬前，美、英等发达国家的防弹⾐均为芳纶材质，芳纶防弹⾐、头盔的轻量化，有效提⾼了军队的快速反应能⼒和杀伤⼒。

在海湾战争中，美、法飞机⼤量使⽤了芳纶复合材料。

除了军事上的应⽤外，现已作为⼀种⾼技术含量的纤维材料被⼴泛应⽤于航天航空、机电、建筑、汽车、体育⽤品等国民经济的各个⽅⾯。

在航空、航天⽅⾯，芳纶由于质量轻⽽强度⾼，节省了⼤量的动⼒燃料，据国外资料显⽰，在宇宙飞船的发射过程中，每减轻1公⽄的重量，意味着降低100万美元的成本。

除此之外，科技的迅猛发展正在为芳纶开辟着更多新的民⽤空间。

据报道，⽬前，芳纶产品⽤于防弹⾐、头盔等约占7～8%，航空航天材料、体育⽤材料⼤约占40%；轮胎⾻架材料、传送带材料等⽅⾯⼤约占20%左右，还有⾼强绳索等⽅⾯⼤约占 13%。

芳纶主要分为两种，对位芳酰胺纤维（PPTA）和间位芳酰胺纤维（PMIA），⾃20世纪60年代由美国杜邦（DuPont）公司成功地开发出芳纶纤维并率先产业化后，在30多年的时间⾥，芳纶纤维⾛过了由军⽤战略物资向民⽤物资过渡的历程，价格也降低了将近⼀半。

现在国外芳纶⽆论是研发⽔平还是规模化⽣产都⽇趋成熟。

在芳纶纤维⽣产领域，对位芳酰胺纤维发展最快，产能主要集中在⽇本和美国、欧洲。

如美国杜邦的 Kevlar纤维，荷兰阿克苏诺贝尔（Akzo Nobel）公司（已与帝⼈合并）的Twaron纤维，⽇本帝⼈公司的Technora纤维及俄罗斯的Terlon纤维等。

间位芳酰胺纤维的品种有 Nomex、Conex、Fenelon纤维等。

美国的杜邦是芳纶开发的先驱，他们⽆论在新产品的研发、⽣产规摸上，还是在市场占有率上都是世界⼀流⽔平，仅他们⽣产的Kevlar纤维，⽬前就有Kevlar⼀49、Kevlar－29等⼗多个牌号，每个牌号⼜有数⼗种规格的产品。

杜邦公司在去年宣布将扩⼤Kevlar纤维的⽣产能⼒，该扩建项⽬预计在今年年底完⼯。

帝⼈、赫斯特等芳纶⽣产的知名企业也不⽢⽰弱，纷纷扩产或联合，并积极开拓市场，希望成为这个朝阳产业的⽣⼒军。

德国Acordis公司近期开发出⾼性能超细对位芳纶 (Twaron)产品，它既不燃，也不会熔融，还有很⾼强度和极⼤杭切割能⼒，主要可⽤于⽣产涂层及⾮涂层织物、针织产品和针剌毡等既耐⾼温⼜抗切割的各种纺织服装装备。

Twaron超细长丝的细度仅为职业安全服常⽤对位芳纶的60%，⽤它织造⼿套·其抗切割能⼒提⾼l0%，⽤它⽣产梭织物和针织产品，其⼿感更柔和，使⽤更舒适。

Twaron防切割⼿套主要⽤于汽车制造业、玻璃⼯业及⾦属零部件⽣产⼚，还能为森林⼯业⽣产护腿⽤品，为公共运输⾏业提供防破坏装备等。

利⽤Twaron的阻燃耐热性，可为消防队提供防护套装和毡毯等装备，以及为铸造，炉窑、玻璃⼚等⾼温作业部门提供耐热防⽕服，以及⽣产飞机座阻燃防⽕包覆材料。

⽤这⼀⾼性能纤维还能创造汽车轮胎、冷却软管、V型⽪带等机件、光学纤维电缆和防弹背⼼等防护装备，还能代替⽯棉做摩擦材料和密封材料等。

据有关部门统计，芳纶纤维世界总需求量在2001年为36万吨/年，⽽在2005年将达到50万吨/年。

全球对芳纶的需求呈现不断增长的态势，芳纶作为⼀种新兴的⾼性能纤维进⼊了飞速发展的时期。

（2）超⾼分⼦聚⼄烯纤维：⽬前全球超⾼分⼦聚⼄烯纤维供不应求，供给缺⼝为9万吨上；国内供给缺⼝为8000吨左右，国内部分企业产品已达世界先进⽔平，供给是关键。

超⾼分⼦量聚⼄烯纤维(英⽂全称： Ultra High Molecular Weight Polyethylene Fiber，简称UHMWPE)，⼜称⾼强⾼模聚⼄烯纤维，是⽬前世界上⽐强度和⽐模量最⾼的纤维,其分⼦量在100万～500万的聚⼄烯所纺出的纤维。

特殊性能
1、⾼⽐强度，⾼⽐模量。

⽐强度是同等截⾯钢丝的⼗多倍，⽐模量仅次于特级碳纤维。

2、纤维密度低，密度是0.97g/cm 3 ，可浮于⽔⾯。

3 、断裂伸长低、断裂功⼤，具有很强的吸收能量的能⼒，因⽽具有突出的抗冲击性和抗切割性。

4、抗紫外线辐射，防中⼦和γ射线，⽐能量吸收⾼、介电常数低、电磁波透射率⾼。

5、耐化学腐蚀、耐磨性、有较长的挠曲寿命。

物理性能：
　密度：0.97～0.98g/cm3。

⽐⽔的密度低，可以漂浮在⽔上。

强度：2.8～4N/tex。

模量：91～140N/tex。

延伸度：3.5％～3.7％。

冲击吸收能⽐对位芳酰胺纤维⾼近⼀倍，耐磨性好，摩擦系数⼩，但应⼒下熔点只有145～160℃。

（3）碳纤维：⽬前全球碳纤维产能已供过于求，虽然国内碳纤维进⼝依赖率⾼达83.9%，进⼝替代空间⼤，但国内碳纤维技术仍待突破，⽬前进⼝碳纤维产品价格已逼近国内⽣产成本。

我们认为碳纤维价格若维持低位，将促进碳纤维在⾼端产业和⼯业领域中的普及应⽤，由于碳纤维每⼀级的深加⼯都有⾼幅度的增值，碳纤维下游复合材料企业将从中直接受益。

碳纤维
碳纤维是由有机纤维经碳化及⽯墨化处理⽽得到的微晶⽯墨材料。

碳纤维的微观结构类似⼈造⽯墨，是乱层⽯墨结构。

碳纤维是⼀种⼒学性能优异的新材料，它的⽐重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度⼀般都在3500Mpa以上，是钢的7~9倍，抗拉弹性模量为23000~43000Mpa亦⾼于钢。

因此CFRP的⽐强度即材料的强度与其密度之⽐可达到
2000Mpa/(g/cm3)以上，⽽A3钢的⽐强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右，其⽐模量也⽐钢⾼。

材料的⽐强度愈⾼，则构件⾃重愈⼩，⽐模量愈⾼，则构件的刚度愈⼤，从这个意义上已预⽰了碳纤维在⼯程的⼴阔应⽤前景，综观多种新兴的复合材料(如⾼分⼦复合材料、⾦属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少⼈预料，⼈类在材料应⽤上正从钢铁时代进⼊到⼀个复合材料⼴泛应⽤的时代。

化学性质
碳纤维是含碳量⾼于90％的⽆机⾼分⼦纤维。

其中含碳量⾼于99％的称⽯墨纤维。

碳纤维的轴向强度和模量⾼，⽆蠕变，耐疲劳性好，⽐热及导电性介于⾮⾦属和⾦属之间，热膨胀系数⼩，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。

但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作⽤下发⽣氧化，与⾦属复合时会发⽣⾦属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。

因此，碳纤维在使⽤前须进⾏表⾯处理。

碳纤维的制备
碳纤维可分别⽤聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；按状态分为长丝、短纤维和短切纤维；按⼒学性能分为通⽤型和⾼性能型。

通⽤型碳纤维强度为1000兆帕（MPa）、模量为100GPa左右。

⾼性能型碳纤维⼜分为⾼强型（强度2000MPa、模量250GPa）和⾼模型（模量300GPa以上）。

强度⼤于4000MPa的⼜称为超⾼强型；模量⼤于450GPa的称为超⾼模型。

随着航天和航空⼯业的发展，还出现了⾼强⾼伸型碳纤维，其延伸率⼤于2％。

⽤量最⼤的是聚丙烯腈PAN基碳纤维。

⽬前应⽤较普遍的碳纤维主要是聚丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维。

碳纤维的制造包括纤维纺丝、热稳定化（预氧化）、碳化、⽯墨化等4个过程。

其间伴随的化学变化包括，脱氢、环化、氧化及脱氧等。

碳纤维的强伸性能测试
由于原料、模量、强度和最后的热处理温度不同，产⽣了特性不同的碳纤维，前者硬⽽脆的常⽤于复合材料，软⽽柔顺的常⽤于纺织；后者多被⽤于⼯程⽤料。

由于碳纤维的应⽤越来越多兼之其特性，碳纤维强⼒拉伸性能测试的紧迫性摆在了我们⾯前。

强伸性能试验属于破坏性的，试验完毕试样没有可恢复性，⼜因为碳纤维分离成为单纤维以后⾮常脆弱，因此在每次试验过程中，需要细⼼、耐⼼，试验前不要对试样造成损伤。

⼀般试验需要得到的技术指标是CV值、平均值等。

碳纤维的拉伸性能测试分单丝法和复丝法。

碳纤维分离成为单纤维以后⾮常脆弱，剪切强度很低，稍有不慎就会断裂，因此在每次试验过程中，需要细⼼、耐⼼，不要对试样造成损伤。

单纤维强伸性能试验通常采⽤纸框法固定试样，当然也不排除其他⽅法。

单纤维强伸性能试验要采⽤能测试碳纤维的⾼强⾼模纤维强⼒仪。