前言

    近年，高強輕質纖維的研發技術取得了重大進展，為國防裝備的升級和擴大應用，以及民用諸多產業的更新換代奠定了基礎。作為新材料之王的碳纖維，在未來3～5年內將出現高效、節能和低成本的大規模生產線，加上超高品級碳纖維的商品化，勢將推動國防裝備特別是航空航天產業的飛躍式發展、并推進民用諸多產業的更新換代。

    近年來被譽為“后碳纖維時代”的高性能納米纖維素纖維，因來自低成本的木材，引起了越來越多人的關注，發展很快。高性能纖維的新品種，紛紛向產業化過渡，而老品種不斷擴大適應不同應用領域的型號和規格，有利于用戶的個性化選擇。3D打印復合材料技術和設備的不斷創新發展，將改變未來的世界。

    一.碳纖維

    1.聚丙烯腈基碳纖維（PAN-CF）研發取得多方面突破

    1.1美國能源部橡樹嶺國家實驗室（ORNL）

    ORNL在能源部和各界的資金支持下，建成了用民用PAN原絲生產碳纖維的500t/a中試線，預氧化創造性地釆用等離子體加熱方式，使預氧化時間從60-90min縮短至25-35min、能耗下降75%、成本降低20%，最終產品質量與以往相仿或有所改進。這種新工藝技術可生產所有等級的碳纖維，現正與RMX技術公司合作推進等離子體預氧化設備的設計和建造，目前的樣機為1t/a的產能，今后要建造175t/a的爐子，計劃于2017年應用于生產線上實現產業化。

    1.2 澳大利亞CarbonNexus 公司

    該公司在迪根大學對PAN原絲預氧化機理的深化研究基礎上，進行了工藝技術的優化改進，使預氧化時間降至1O～15min。同時對設備進行改造和工藝進一步優化后，產能可提高至400t/a，使PAN-CF的成本下降50～60%。

    1.3 中國臺灣永虹碳纖維有限公司（UHT Unitech）

    該公司在5年前便首創用微波進行PAN-CF的石墨化技術，石墨化溫度無需那么高，使能耗下降70%，產品優質品率高達90%,成本比其他公司的同級產品低30%。目前產能約500t/a，可生產中模、高模和高強三大系列PAN-CF產品，最高品級的拉伸強度為6GPa、模量315GPa。

    2016年該公司參與臺灣經濟部科技研究發展專案，獲得補助款1150萬新臺幣，占該創新優化專案的40%左右，用于開發航太級高強高模PAN-CF。2016年二季度，日本最大創投公司集富集團（TAFC0）參與該項目投資，最近臺灣航太產業A-Team 4.0聯盟的領導者漢翔飛機制造公司，也入股該企業。

    1.4 德國RWTH Aachen 大學紡織技術學院（ITA）

    ITA研發用等離子體進行碳纖維表面處理，可提高CF與樹脂的粘合力，降低處理能耗，提高CFRP質量。圖1示出所用的低壓等離子體裝置，由Diener公司制造，可集成到連續碳纖維生產線上。

    1.5 日本新能源產業技術綜合開機構（NED0）

    2012～2014年日本經濟部啟動“創新碳纖維基礎技術開發”計劃，由東京大學統管技礎研究、NEDO負責領導該項目。2015～2016年NEDO邀請東麗、帝人和三菱麗陽加盟，形成全日本的開發體制，研究成果和知識產權由東京大學統一管理。創新的PAN原絲和碳纖維的連續化工藝流程，與以往的傳統工藝相比，砍掉了預氧化工序和設備，而將預氧化過程移到紡絲原液中進行，靠氧化劑和氧化促進劑來實現。

    為了使聚合物能溶在溶劑中，需要在PAN分子中接枝側鏈，并釆用甲基磺酸作為溶劑，以溶解下示結構的梯型結構聚合物。

    總之，這種全新的原絲和碳化工藝，可使總生產效率提高1倍，成本大幅度下降。

    開發目標：①開發無需預氧化工序的新型碳纖維前驅體化合物，②解明碳化結構的形成機理，③碳纖維的評價手段和標準化，④具體目標數據（2016年）：拉伸強度3.5GPa、拉伸模量≥235GPa、斷裂伸長率≥1.5%。

    表1示出該新工藝和以往工藝的生產效率、能耗和CO2排放量的對比。

    2. 中間相瀝青基碳纖維

    日本三菱樹脂公司開發了面向建筑物補強的新品種“K13312”，拉伸模量為420GPa，強度為3200GPa，比以往產品高20%。創新的途徑是通過嚴格控制液晶中間相的質量，優化全工藝流程而達到的。其二次加工性大大改善了，若將該纖維打結，在拉伸情況下的斷裂強度提高約5倍，從原2Kg提高至5Kg，因此用戶加工時不會發生斷絲，加工速度可提高。

    北京特米納特公司已實現高性能瀝青基碳纖維的小規模量產，據稱各項指標優于目前市場上性能最佳的同類產品。

    3.發展動向

    2020年前各大碳纖維廠家均有擴產打算，特別是大絲束PAN-CF廠家Z0LTEK將以每年約2000t/a的速率擴產，滿足風電葉片和汽車的需求，小絲束則滿足新一代民航機的需求。中復神鷹碳纖維有限公司計劃于2018年將產能擴大至8000t/a左右，保持在國內的領先水平。

    二.有機高性能纖維

    1.芳酰胺纖維

    世界工業防護服（包括軍工）的巿場，將由2015年的54.2億美元增至2023年的144億美元。其中抗燃和防化學服占主要消費，2015年的消費量為9.97億平方米，占全球巿場的57.9%。

    在機械防護服領域，2015年的市場已超過15億美元，到2023年將以14.5%的速率增長。美國Luvis公司開發了全新的防火服，外層由80：20對位和間位芳酰胺纖維組成，內層由100%間位芳酰胺纖維構成。該公司計劃研發功能性超纖維，在芳酰胺纖維中附加了伸縮性、輕量和疏水性，目的是擴大在防火服的巿場，預期2016年在特殊防火服的市場約為4萬件，此后消防站的特殊防火制服的需求約為1萬件。

    國家安全服裝（NSA）公司開發了軍隊單兵防護用的先進高性能安全服“Drifire”，它具有優異的抗燃性，現已擴大應用于電廠、石化廠和LNDYCAR賽車服等。

    帝人公司最近開發了一種適用作高可視度防護服的新型芳酰胺織物，它具有超鮮艷的色澤并耐褪色，符合ISO 20471：20l3的高可視度服裝國際標準，在各種閃電的情況下都可使其他人能看到該穿著者。帝人是與領先的織物制造商Komatsu Seiren公司合作，使其安全服具有舒適性和機動性。

    2.聚噁二唑纖維（P0DZF）

    白俄羅斯OJSC SvetlogorskKhimvolokno公司，是一家生產化纖和P0DZF和紗線“Arselon”的生產廠家，其高層曾兩次訪問全國特種合成纖維信息中心，在其指導下自行研發P0DZ漿粕及絕緣紙。這種Arselon紙，具有耐高溫、高介電常數和力學性能，適用于各種電子和電器設備的高溫電絕緣材料及耐熱蜂窩增強結構材料等。

    3.聚對亞苯基苯并雙噁唑纖維（PB0F）

    東洋紡的PB0纖維“Zylon”，因具有2倍于對位芳酰胺纖維的強度和超高模量和耐熱性、LOI為68，主要用作消防服、安全手套、耐高溫氈、賽車等體育器材的復合材料等。最近開始應用于高級音響喇叭的振動板，并由雅馬哈公司于2016年7月開始銷售釆用它的高級音響“NS-5000”。該振動板使用100%Zylon織物，已用于高音、中音、低音全系列音響裝置，其音色和音速在全帶域統一，因此聽起來具有良好而又嚴密的聲音再現力。由于該振動板比模量高，傳遞音速快，內部損失大時能吸收振動能，衰減速度快，因此不會與從后面出來的聲音產生共振，因而可放出清晰的聲音。

    在我國研發的重點是改進PB0F的耐紫外光性，優化工藝流程和降低成本，今年起將有數家企業興建百噸級小型生產線，產品已少量應用于軍工領域。

    4.液晶聚芳酯纖維（LCPF）

    LCP具有高流動性、低吸濕性和高頻特性，主要用于小型和薄型筆記本電腦和手機等電子電噐外殼等。目前的巿埸分配約為：SMT連接噐約60%、電子電噐部件27%、汽車關聯部件8.0%、纖維和薄膜5.0%。目前產能最大的是日本聚塑料公司1.5萬t/a，其次是美國塞拉尼斯和日本住友化學各為1.05萬和0.96萬t/a。現聚塑料公司正控制纖維級產品質量的穩定性，以滿足可樂麗對LCPF日益増長的需求。

    可樂麗公司最近將LCPF的產能提高至1150t/a，主要用途有水產資材、耳機線、平流層飛艇膜材料的張力元件、排球和網球網繩、塑料補強材料、海洋考察用繩、水上運送實驗充氣囊、防護手套、纜繩、膜體基布等。

    在航天領域，利用其高強高模、低蠕變、非吸濕性、耐磨性和耐極低溫性等，過去已應用于火星探測器的空氣囊，20l6年春天NASA已用于成功升天的宇宙旅館的部分壁材。SK-Celen公司則利用住友化學公司的LCP生產出細規格的超高強纖維，最高強度為30cN/dtex。

    我國在“十三五”期間，將建成百噸級LCPF生產線，填補產品的空白。

    5.人造蜘蛛絲（MSS）

    蜘蛛絲（SS）是古老的生物材料，具有全球最高的韌性，在同直徑時強度比鋼絲高5倍，在-40℃至220℃仍能保持強度。密度1.31g/cm3，是鋼絲的1/6，SS拉索的能量密度為1.2x10 8J/m3，可拉伸5倍而不斷裂，韌性和對位芳酰胺纖維相仿，回彈性好。

    日本蜘蛛絲公司和Goldwin公司合作，成功實現了全球首家能生產MSS的企業，商品名“Qmonos”，并已應用在Moon Parka和The North Face公司作為新一代的高性能運動服。它是由20種氨基酸組合成紡絲原料，才能保證生產出連續均勻的纖維，其堅韌性是鋼絲的340倍。

    美國Bolt Threads公司也開始較大規模生產蛋白工程用絲產品。

    6.纖維素納米纖維（CNF）

    CNF的強度是鋼的5倍以上，質量是鋼的1/5，模量與對位芳酰胺纖維相當，熱尺寸穩定性與玻纖相仿，對氧等氣體具有良好的屏蔽性，被譽為僅次于碳纖維的強有力材料。

    日本造紙公司投資16億日元，在原年產30t的中試基礎上，開始建設500t/a的大型生產廠，目標是2017年春投產。生產技術釆用東京大學的“TEMPO”特殊催化劑，將原料進行處理的方法，纖維寛度3～4nm、具有均勻的高結晶性，主要用途是作為高強輕質的樹脂與橡膠復合材料。

    中越漿粕工業公司投資12億日元，計劃建設100t/a的生產廠，于2017年4月投產。制造技術釆用九州大學發明的水中對抗沖突法，所得CNF在水和油中容易分散，原料釆用針葉林或廣葉樹的木材，也可用竹子，可作為功能材等使用。

    信州大學開發了CNF的新制法，無需釆用酸和堿，只需在水液中加入蛋白質并用超聲波處理即可，所得纖維寬度3～100nm。

    旭化成公司選用再生纖維素“銅氨”作為原料，制成平均纖維直徑100nm以下的CNF非織造布，是一種有許多微孔的高比表面積材料。主要用途是作為樹脂基復合材料，其難點是如何在致密的多孔非織造布上，均勻浸漬樹脂并將氣泡除凈，一般要選用流動性好的熱固型樹脂，今后若能用熱塑性樹脂，利用價值就高了。

    日本涂料油墨廠家則開發CNF涂覆劑，提高涂料的耐磨性，如在透明的水性涂料中添加2%的CNF后，就可在顯示屏或膜表面產生透明、疏水而又耐磨的保護層。

    三井化學分析中心開發了能看到CNT在樹脂中分散的技術，有助于解析復合材料的內部結構，并開始接受外界委托的評價試驗。

    三.復合材料

    1.新形勢

    以碳纖維為主的復合材料（CFRP），今后的主要市場推動力是新一代飛機、汽車和風電葉片，前者以小絲束CF為主，后兩者主要選用大絲束CF。

    飛機的需求來自B-787的訂貨數在増加、A-350巳開始生產、加拿加和巴西的中小型新飛機使用CFRP的比例在提高、B-777X機型的主翼和尾翼將使用CFRP并于2017年開始生產。

    風電的需求正向大型化、輕量化（CFRP化）和向海上發展，我國是世界的牽引力，也在朝上述趨勢發展。

    汽車到2020年要求續駛100Km的汽油消耗量不超過5L，歐洲到2021年的尾氣C02排放量限制在95g/Km，今后還要降至50g/Km，這是法規嚴格規定的，不然新車不許上路，因此必須CFRP化。

    壓力容器的需求隨壓縮天然氣、油頁巖氣、和氫氣瓶的需求增長而發展，特別是氫燃料電池汽車的商品化，車載CFRP氫氣瓶和氫氣站的大型儲氫罐的需求越來越大。

    2.高效低成本成型技術

    NED0領導的“創新的結構材料等研究開發計劃”中，提出了名古屋大學研發的LFT-D工法和東京大學研發的CTT（帶材）或CMT（席材）等各種纖維形態為基材的新成型法，可減重60%。

    日本制鋼所開發了面向汽車部件的CFRP直接成型法，如圖6所示。

    PP或PE等通用熱塑性樹脂與添加劑在雙螺桿混煉擠出機中高溫熔融，碳纖維連續絲束直接喂入中部擠出機入口處，然后送入壓機的模具中壓制成型，可降低生產成本。

    東邦Tenax導入了昂貴的高壓樹脂注入成型設備HT-RTM法，并與材料的預成型體自動制造法PvP相組合，形成了CFRP部件的一貫生產體制，可生產復雜形狀或同一部件有不同厚度的部件。該公司還開發了阻燃、高模量的熱塑性紡織預浸料，碳纖維含量可提高至55%以上，使之具有高阻燃性和堅固的機械性能。

    在熱塑性CFRTP部件的生產裝置中，還有四層積層裝置、形狀切斷積層裝置、附有快速加熱冷卻裝置的成型機等。

    然而近年來出現的最重要的CFRP等復合材料的創新成型技術，是3D打印技術。2014年秋，MarkForged公司開始銷售連續長絲的3D打印機，稱作MarkOne。

    德國Diesen集團開發了FRP汽車彈簧，所用纖維為玻纖或碳纖維，或兩種纖維相組合，與金屬制品相比可輕量50%，耐久性可達到200萬次以上的壽命次數，預期將于2018年實現量產。

    結束語

    輕質高強纖維是軍民兩用的重要新材料，是國防裝備先代化和民用產業更新換代的必不可少材料，品種繁多，發展進程不同，有些已步入大發展的快速道，有些因成本過高，眼下只能用在航天航空等尖端領域，等待時機進一步發展。

    陶瓷纖維便是一例，碳化硅纖維可耐1200-2000℃的高溫，主要用作飛機發動機葉片和殼體，可減重30%，直到最近才擴大應用于火力發電廠的大型渦輪葉片等。

    氧化鋁纖維可耐1500℃，過去約60%應用于高溫鍋爐的耐火材料，最近隨著汽車有關環保法規的強化，才大規模應用于尾氣的催化劑載體過濾材料，使總需求量高達1萬t/a。

    有些重要的高性能纖維如超強聚乙烯、聚苯硫醚和雜環類纖維等，因在其他報告中作過新進展的介紹，此處不再重復。