世界高性能纤维及复合材料的最新发展与创新
摘要：当前世界高性能纤维与复合材料领域已形成美、日、欧盟、中和俄的五极格局，而新型发展国家也开始重视主要高性能纤维及其复合材料的发展。本文以聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）及复合材料（CFRP）、中间相沥青基碳纤维（MP-CF）、芳酰胺纤维（ARF）、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）等为例，全面介绍了全球高性能纤维材料领域的最新发展动态及应用实例，同时指出我国应不断创新生产工艺技术，深入开展应用研究与市场开发研究，实现高性能纤维的高效化、高性能化、低成本化生产。
关键词：高性能纤维；复合材料；聚丙烯腈基碳纤维；中间相沥青基碳纤维；碳纤维复合材料；芳酰胺纤维；超高分子量聚乙烯
中图分类号：TB332 文献标志码：A
The Latest Development of High-performance Fibers and Composites in the World
Abstract： Currently， the world high-performance fibers and composites circle has formed a five-polar pattern led by the United States， Japan， EU， China and Russia and meanwhile emerging economies start to play emphasis on developing high-performance fibers and composites. This paper， by taking polyacrylonitrile carbon fiber （PAN-CF） and carbon fiber-reinforced plastic （CFRP）， mesophase pitch-based carbon fiber （MPCF）， aramid fiber （ARF） and ultra-high-molecular-weight polyethylene （UHMWPE） for examples， makes an overview on the latest development of global high-performance fiber industry based on case study. It points out that China should constantly improve production process and technology and make profound study on related applications and markets， so as to realize high-efficiency， high-performance and low-cost production of high-performance fibers.
Key words： high-performance fiber； composites； PAN-CF； MP-CF； ARF； UHMWPE
当前世界高性能纤维与复合材料领域已形成美、日、欧盟、中和俄的五极格局。其中，美国保持在主要高性能纤维与复合材料高端领域的强势，支撑其在航空航天和军工领域的独特优势；日本的高性能纤维产业化品种最全、质量上乘，近年来先进复合材料发展迅猛，形成后起之秀；欧盟有几种高性能纤维如聚酰胺酰亚胺（Kermel）、酮酐类聚酰亚胺（P84）纤维等都是独有的，大丝束碳纤维和超高相对分子质量聚乙烯纤维（Dyneema）处于领先水平，产业用先进复合材料保持优势，特别是在飞机、风电、汽车和军工领域。
我国近年来在中央和各级政府的大力推动下，高性能纤维与复合材料产业发展很快，研发和产业化品种较全，少数品种如超高分子量聚乙烯、玄武岩及聚酰亚胺纤维已具有国际竞争力，复合材料设备先进，推动了诸多产业、航空航天和军工的快速发展；俄罗斯的高性能纤维和复合材料基础研究扎实，拥有几种独有的世界领先的高强高模纤维，如SVM、ARMOS、RUSAR、Artec等芳杂环类有机纤维和数种耐高温纤维，但产业化水平较低。
除此之外，近年来新型发展国家开始重视主要高性能纤维及其复合材料的发展，如印度、沙特、伊朗开始发展碳纤维，巴西的区间飞机产业相当发达。
1 聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF）及复合材料（CFRP）
1.1 发展近况
1.1.1 美国
美国Hexcel（赫氏）公司在先进复合材料（ACM）产业的领先地位，表现为：拥有从PAN原丝、碳纤维、织物、预浸料、树脂体系、粘合剂、复合材料直到航空航天、国防和工业领域如风电叶片等复合材料制品的全套产业链；可垂直整合相关产业的供应商，以更好地控制成本、质量和产品供货，可为全球客户提供所需的设计方案；生产供上述应用领域所需的碳纤维、对位芳酰胺纤维、玻纤及其混杂织物和非织造布等。
美国Cytec公司除拥有从PAN原丝、CF、织物、预浸料及复合材料制品的完整产业链外，还拥有400 t/a的中间相沥青基碳纤维（MP-CF）及下游制品，其中Thornel K1100的MP-CF模量高达965 GPa以上，居世界领先。 美国复合材料织物（CFA）公司是专业生产碳纤维等织物的老企业，产品已应用于航空航天、建筑结构、风电叶片、船舶、汽车、体育用品和国防领域。
美国Cytec Engineering拥有从丙烯腈、原丝、碳纤维、织物、预浸料到复合材料制品的全套产业链，并拥有全球强度和模量最高沥青基碳纤维K1100。Cytec生产风电、海浪发电及潮汐发电用的碳纤维、织物、预浸料、薄膜粘合剂、可重复使用的软模具、真空袋组件等，包括上述叶片的CFRP结构梁和蒙皮。在船舶应用方面，Cytec可提供CF与酚醛、氰酸酯、双马来酰亚胺和乙烯酯的预浸料，阻燃复合材料等产品。在汽车用途方面，Cytec可提供轻量、高性能、价格合理的多种材料解决方案，耐高温、抗冲击的CFRP结构材料、车体板材和各种具体部件；在轨道交通方面，Cytec可提供制备CF预浸料所需的模具硬件用模具材料等；在国防和防弹领域，Cytec可提供防弹、防爆和结构用途的各种CF预浸料、树脂膜、结构粘合剂、真空带系列组件及天线罩和头盔。
美国创造新复合材料工程公司（ICE）专业生产先进复合材料用编织预成型体、手工铺放/针刺预成型体、RTM和VARTM模塑组件，可制得最佳性能和最低成本的产品。其产品包括CFRP飞机结构和二次结构、翼间支柱和支架、航天和卫星结构件、各种船只设计制造、自行车部件、滑翔机结构件、汽车传动轴、悬置控制臂、结构撑壁、防碰撞结构件及座椅结构件（图 7）。
美国ATK公司专业从事航空航天和军工部件的生产，有50年的复合材料创新经验，其产品包括F-22猛禽战斗机和F-35闪电Ⅱ战斗机部件，直径 4 ～ 5 m的航天器如Delta IV、Atlas V和Ariane V等400多个各种复合材料部件的生产。此外，该公司还生产商用飞机的FRP纵梁、框架和发动机叶片壳体等（ 图 8）。
美国B/E航天复合材料公司是专业设计和制造高精度复合材料部件的厂家，其产品包括热固型预浸料的压制和气囊模塑，先进热塑性复合材料的压印、缠绕部件和结构件的加工、组装和分析表征等。
美国军队航空和导弹研发与工程中心AMRDEC是负责将政府技术、资产、试验设备等向非政府机构转移并实现商品化的机构，其业务包括专利技术的转让，与其国内合作者开展合作研究、协助小型企业开展创新研究和承担测试与工程服务等。
美国PlastiComp公司是专业从事设计、分析、CFRTP母粒制造和模塑物生产的企业，除长碳纤维（LCF）和玻纤（LGF）增强N-66、N-6、PP、PU、PEEK和TPU半透明系列树脂外，还有对位芳酰胺纤维和不锈钢丝及其混杂纤维增强热塑性树脂产品。
图 9 为LCF和LGF增强PP、N-6、N-66、TPU的比强度对比，并与镁、铝、不锈钢和钛作比较。图10对比了LCF、LGF与短碳纤维（SCF）和玻纤（SGF）增强N-66的拉伸强度与密度。用途包括弓箭、棒球棒、橄榄球运动员面部护具等（图11）。