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高強度高模量纖維 圖片來自上海申湘混凝土纖維有限公司

高強度高模量纖維是指強度大於10CN/dkex，模量大於200CN/dkex的合成纖維。

簡介

強度大於10CN/dkex，模量大於200CN/dkex的合成纖維，叫做高強度高模量纖維。例如，美國研製成功的凱夫拉爾（我國叫芳綸—1414）纖維，強度是同質量鋼絲的5倍。它密度小，只有鋼絲的1/6，還能透過微波。它可以做航空器材的增強材料。以粘膠纖維、腈綸、瀝青纖維為原料，經高溫炭化、石墨化，得到的高強度、高模量炭纖維，在原子能、冶金、化工方面有廣泛的應用。

原理

芳香族雜環類的剛性或半剛性鏈聚合物本身是棒狀的高分子，形成摺疊鏈的傾向小，在一定的條件下容易形成各向異性的液晶溶液或熔體，因此大都可通過液晶紡絲和隨後的緊張熱處理來達到理想結構，從而獲得高強度高模量纖維。例如高分子量的聚對苯二甲酰對苯二胺與硫酸在一定條件下配製成旋光各向異性的液晶溶液，通過干－濕法紡絲便可製得強度為22～28克/旦(實驗室製得的纖維強度可高達32克/旦以上)、模量為450～550克/旦的纖維,如果再進行高溫(氮氣保護下)緊張熱處理，由於纖維中的結晶度、結晶尺寸與結晶取向都進一步提高，纖維模量可迅速提高到800～1100克/旦左右。又如芳香族共聚酯和芳香族聚甲亞胺通過液晶態熔體紡絲和多段熱處理,便可製得最高強度各為30和28克/旦、模量各為500～900和900～1100克/旦的纖維。

有一類半剛性的芳香族聚酰胺共聚物，因結構中具有適當的柔性鏈，也可通過其各向同性紡絲原液的濕紡或干 -濕紡和以後的熱拉伸成為高強度高模量纖維。對於脂肪族柔性鏈聚合物，應設法避免或減少鏈摺疊，然後再提高其取向度,使大分子平行排列並且緊密堆砌,以提高分子間的內聚力，如聚己內酰胺等熱塑性高聚物的凍結紡絲(-70℃)可製得強度14～18克/旦的纖維。聚乙烯經超高壓（4000大氣壓）、超高速紡絲可製得強度為25克/旦的纖維，此外,還可採用高速驟冷紡絲、區域熱拉伸和熱定形來達到高強度和高模量。實驗室規模已可製得最高強度為48克/旦、模量1600克/旦的聚乙烯纖維。

在無機合成纖維中，靠帶有六元環或可轉化成六元環結構的原絲，在高溫下轉化成規則層狀結構的碳纖維，其結構愈接近理想的石墨結晶強度模量就愈高。如中間相瀝青碳纖維的模量已接近石墨結晶的模量 100噸/毫米2 。氣相沉積法制的碳纖維是由苯和氫在鐵粉微粒上在高壓下反應生成有序的石墨結晶，因此與其他碳纖維不同，可以達到極高的強度和模量。但目前產量最大的是聚丙烯腈基碳纖維，約占碳纖維總產量的95%，商品纖維的最高強度達500公斤/毫米2以上、模量50噸/毫米2。

生產方法

強度大於20克/旦以上,模量大於400克/旦以上的纖維為超高強度、超高模量纖維。要實現高強度和高模量，必須使分子鏈高度伸展並沿纖維軸取向排列。這有兩種方法：一種是在聚合物溶液或熔體紡絲成形過程中形成理想的結構，如高分子液晶溶液紡絲或液晶熔體紡絲，以及尚處在研究階段的膠狀濕法紡絲和電磁場內紡絲等方法；另一種是通過超拉伸或區域拉伸等方法使纖維在固態形變過程中形成理想的結構。

產品種類

碳化硅纖維主要有三類產品：①以二甲基二氯硅烷為起始原料製得聚碳硅烷，在紡絲後進行高溫熱解而得碳化硅長絲；②將聚碳硅烷氣相沉積於碳纖維或鎢絲上形成複合長絲；③以稻殼為原料製備碳化硅單晶晶須。這三種纖維都處於小批量生產。主要用作金屬基複合材料，應用於宇航的耐高溫結構件和發動機部件等。無機高強度高模量纖維尚有硼纖維與氮化硼纖維。

用途

高強度高模量纖維的主要用途有四個方面：①橡膠增強材料，主要用作輪胎帘子線；②纜繩類和工業織物，包括各種防護材料；③塑料增強材料；④石棉代用品。無機高強度高模量纖維則主要用作塑料、陶瓷和金屬基複合材料及碳-碳複合材料。

其中碳纖維除作結構材料外，還可用作密封材料、耐磨和絕熱材料、燒蝕材料等。