作者：朱美芳,周哲中国材料研究学会组织编写
出版社：中国铁道出版社有限公司
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高性能纤维试读：
前言
“中国战略性新兴产业——新材料”丛书由中国材料研究学会组织编写，被新闻出版广电总局批准为“十二五”国家重点出版物出版规划项目。根据国务院《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，新材料被列为我国战略性新兴产业之一。本丛书定位为：从战略性新兴产业的高度，着重论述新材料在国民经济和国防建设重大工程和项目中的地位和作用、技术基础、最新研究成果、应用领域及发展前景。其特点在于体现一个“新”字，即在遵守国家有关保密规定的前提下论述当代新材料的最先进的工艺和最重要的性能。它代表当代全球新材料发展主流，对实现可持续发展具有重要的现实意义和深远的指导意义。本丛书共16分册，涵盖了新型功能材料、高性能结构材料、高性能纤维复合材料等16种重点发展材料。本分册为《高性能纤维》。
高性能纤维是指对外界的物理和化学作用具有特殊耐受能力的一类特种纤维，也是近年来全球化学纤维工业的主要发展方向，市场需求持续快速增长，产能和产量不断扩大。高性能纤维不仅是发展航空航天和国防工业所迫切需要的重要战略物资，而且在推进各类战略性新兴产业和低碳经济、节能减排中起着不可替代的作用，是体现一个国家综合实力与技术创新的标志之一。日本、美国和欧洲发达国家高度重视并垄断着全球高性能纤维的研发技术、生产与市场。2006年以来，在国家政策与财政的重点支持下，我国高性能纤维产业发展迅速，已建立起较为完整的国产高性能纤维制备技术研发、工程实践和产业体系，产品质量不断提高，“产学研用”格局初步形成，从而有效缓解了国民经济和国防建设对国产高性能纤维的迫切需求。
本书在总结近年来国内外相关研究与应用开发成果的基础上，系统论述了高性能纤维的基本概念、品种范围和发展趋势，并着重论述了高性能纤维的主要品种——碳纤维、芳香族聚酰胺纤维（芳纶）、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维以及新型的碳纳米管和石墨烯纤维的性能特点、研究进展与产业化进程等内容。
本书内容先进，适合我国高性能纤维产业相关的基础科学和技术领域的科技工作者参考，也可供新材料研究院所、高等院校、新材料产业界、政府相关部门、新材料中介咨询机构等领域的人员参考。
本书由朱美芳、周哲等编著。具体编写分工如下：第1章由周哲编著，第2章由王世超编著，第3章由周家良编著，第4章由王兴平编著，第5章由孟思编著，第6章由胡泽旭编著，第7章由毛宇辰编著，第8章由麻伍军编著。全书由朱美芳和周哲负责统稿定稿。
高性能纤维发展迅速，涉及内容比较广泛，研究成果不断涌现，加之编著者学识和水平有限，书中存在疏漏之处在所难免，恳请读者批评指正。编著者2017年7月第1章概论
高性能纤维是指对外界的物理和化学作用具有特殊耐受能力的一类特种纤维，也是近年来全球化学纤维工业的主要发展方向之一，是通过分子设计、工程控制不断向材料极限挑战的一种努力，通常具有高强度高模量、耐高温及抗燃或耐强腐蚀性等性能。与常规大品种纤维用于纺织服装所不同，其主要应用于工业领域。高性能纤维不仅是发展航空航天和国防工业所迫切需要的重要战略物资，而且在推进各类战略性新兴产业和低碳经济、节能减排中起着不可替代的作用，是体现一个国家综合实力与技术创新的标志之一。日本、美国和欧洲发达国家高度重视并长期垄断着全球高性能纤维的研发技术、生产与市场。2006年以来，在国家政策与财政的重点支持下，我国高性能纤维产业迅速发展，不仅建立起较为完整的国产高性能纤维制备技术研发、工程实践和产业体系，而且不断取得突破性进展，大幅缩短了与发达国家的差距，目前已成为全球范围内高性能纤维生产品种覆盖面最广的国家，有效缓解了国民经济和国防建设对国产高性能纤维的迫切需求。1.1高性能纤维的界定1.1.1 纤维[1]
按照国际人造纤维标准化局（BISFA）的术语 ，纤维（fiber）被定义为具有柔韧性、细度、长度与横截面积比大等特征的一种物质。纤维按其原料来源通常分为天然纤维和化学纤维两大类。
1.天然纤维
天然纤维是指来源于自然界中原有的或经人工培植的植物、人工饲养的动物以及矿物中直接取得的纺织纤维。包括取自于植物的棉纤维、麻类纤维等，取自于动物的毛类纤维、蚕丝纤维等，取自于矿物岩石的石棉纤维等。天然纤维在纺织品方面的利用可追溯至5000多年前。今天，大部分天然纤维仍被用于衣物、家用和其他纺织品，用来确保人们日常生活的温暖、舒适和美观。自20世纪60年代以来，虽然化学纤维的发展利用迅速增加，天然纤维已丧失了大量市场份额，但是其在纺织纤维年总产量中仍约占1/3。
2.化学纤维
化学纤维是采用天然或合成的高分子合成物、无机以及金属物质为原料，在人工条件下加工所制成的纤维，可分为有机纤维和无机纤[2]维。其分类及主要品种见表1-1 。表1-1 化学纤维分类及主要品种
与天然纤维的悠久历史相比，化学纤维的发展历史并不长。1884年，法国人伊莱尔·德·夏杜内（Hilaire de Chardonnet）发明了最早的人造丝——硝酸酯纤维，并于1891年进行工业化生产，这标志着化学纤维工业的开端，随后其发展主要经历了三个阶段：人造纤维工业化、合成纤维工业化和化学纤维高速发展。
20世纪80年代以后，随着化学纤维产量的高速稳定增长，更加重视新产品的开发，通过化学、物理改性及纺丝加工新技术对常规大品种纤维的使用性能进行较大改进，如染色、光热稳定、防污、抗起球、蓬松、手感、吸湿等，开发了各种仿天然纤维的改性品种，主要使常规化纤具有某种特定性能和风格，提升其服装用途的性能，这些纤维被称为差别化纤维（differential fibers）。
另一方面，随着国防军工和高新技术产业的发展需求，化学纤维作为一种重要的工程材料，其在众多产业领域的应用被不断拓展，由此推动了一批具有特殊性能与功能的纤维品种的研发和规模化生产。这些纤维区别于差别化纤维，主要满足某种特需目的并大多应用于高技术产业领域，被称为特种合成纤维（specialty fibers）或高技术纤维（high technology fibers），主要包括高性能纤维（high [3]Performance fibers）和高功能纤维（high function fibers） 。1.1.2 高性能纤维的定义
一般而言，纤维的性能是指其对来自外界的物理或化学作用的抵抗能力，是纤维避免自身遭到破坏而失去使用价值的能力，包括物理[2]性能、力学性能、稳定性能、加工和使用性能等 。而对于涤纶、锦纶等常规大品种纤维来说，其性能主要是能够满足服装用途。
因此，高性能纤维通常是指物理化学结构特殊、用于特定领域，并具有高强度高模量、突出的耐高温及抗燃性或者化学稳定性等优异[4]性能的一类特种化学纤维 。高性能纤维与普通纤维相比，其对外界的物理和化学作用具有特殊的耐受能力，某一项或几项性能指标显著高于普通纤维，其高性能的特点主要体现在比普通纤维具备更高的拉伸强度和模量，更好的热稳定性、耐强腐蚀性、耐候性及电绝缘性等，属于特殊用途的纤维。
高性能纤维是新材料领域研究开发的重要方向之一，是通过分子设计、工程控制不断向材料极限挑战的一种努力，这些性能的获得和应用往往与高新技术或尖端科学领域相关，是材料学、材料加工工程、材料物理与化学、化学反应工程、化工设备设计与制造等多学科交叉融合的结果。虽然其生产量很小，远不能与常规纤维品种相比，但在国民经济中占有重要的地位，是其他材料所难以取代的，不仅是发展航空航天和国防工业所迫切需要的关键性战略物资，而且在船舶、电子信息、医疗、环境保护、能源、桥梁建筑、交通运输、体育娱乐等[5]领域具有广阔的应用前景 。可以认为，高性能纤维是发展高新技术产业的先导和支柱材料之一。1.2高性能纤维的分类和应用领域1.2.1 高性能纤维的分类1.2.1.1 按性能分类
按性能特点，高性能纤维主要可划分为高强度高模量纤维、耐高温纤维、抗燃纤维、耐强腐蚀纤维。其中有些高性能纤维只是某种性能突出，而有些高性能纤维却是两种或两种以上性能突出，所以这种分类方式会有所交叉。例如，超高分子量聚乙烯纤维主要是高强度高模量性能突出；聚苯撑苯并二噁唑纤维不仅属于高强度高模量纤维，而且其耐高温性能也非常优异；聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维不仅属于耐高温纤维，而且其耐酸碱等强腐蚀性能也很突出；还有无机高性能纤维往往同时具有高强度高模量、高耐热性等突出性能。
1.高强度高模量纤维
高强度高模量纤维一般指强度大于2.5GPa（17.7cN/dtex）、模量高于55GPa（441.5cN/dtex）的纤维。从化学结构上看，属均聚和共聚的芳杂环类及一些无机类纤维，包括对位芳酰胺及其共聚纤维、聚芳酯、聚醚酰亚胺、聚苯并双噁唑和噻唑、超高分子量聚乙烯、聚乙烯醇、碳纤维、碳化硅、氮化硅、碳化硼、硼纤维、氧化铝纤维[6]等 。
代表性品种包括聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（对位芳纶或芳纶1414，PPTA）、超高分子量聚乙烯纤维（UHMWPE）、聚苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）、聚芳酯纤维（PAR）、聚（2，5-二羟基-1，4-亚苯基吡啶并二咪唑）纤维（PIPD，M5）、碳纤维（CF）等。主要品种的性能指标对比见表1-2。[7-12]表1-2 高强度高模量纤维主要品种的性能指标对比
2.耐高温纤维
耐高温纤维一般是指在200℃以上可以长期使用并保持主要的物[13]理机械性能的一类纤维 ，即在此高温下能维持常温时所具备的物理力学性能或经较长使用时间仍具有最低限度的物理力学性能。这类纤维具有以下特征：高温下尺寸大小无变化，软化点及熔点高，阻燃或不燃，热分解温度高，长期暴露在高温下也能保持一般特性，具备纤维制品所必需的柔软性、弹性和可加工性。多为芳杂环类纤维，如间位芳酰胺、聚芳砜酰胺、聚噁唑、噻唑和咪唑类、聚芳砜、聚芳酰亚胺等。
代表性品种包括聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（间位芳纶或芳纶1313，PMIA）、聚酰胺酰亚胺纤维（PAI）、聚酰亚胺纤维（PI）、聚四氟乙烯纤维（PTFE）、聚苯硫醚纤维（PPS）、聚芳噁二唑纤维（POD）、聚苯并咪唑纤维（PBI）、聚对苯撑苯并二噁唑纤维（PBO）、聚对苯撑苯并双噻唑纤维（PBT）、聚砜基酰胺纤维（芳砜纶，PSA）、聚醚醚酮纤维（PEEK）、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维和陶瓷纤维等。主要品种的性能指标对比见表1-3。[12-19]表1-3 耐高温及抗燃纤维主要品种的性能指标对比
3.抗燃纤维
抗燃纤维是指纤维分子结构本身具有抗燃性的一类纤维，即在火焰中难以燃烧，仅发生赤热和炭化。其化学结构具有稠环、三维交联、金属螯合或在火焰中能形成难燃的表面碳化层或分解出不可燃的保护性气体，而且释放出的烟雾和有害气体极少，极限氧指数（LOI）大于32。主要为梯形结构、分子高度交联、金属螯合或芳杂环类纤维 [14] 。
代表性品种包括酚醛纤维（PF）、三聚氰酰胺纤维（蜜胺，MF）、聚丙烯腈预氧化纤维（PANOF）、连续玄武岩纤维（BF）等。主要品种的性能指标对比见表1-3。
4.耐强腐蚀纤维
耐强腐蚀纤维是指在≤200℃下，耐各种介质腐蚀溶解的一类纤维，主要为含氟纤维。代表性品种包括聚四氟乙烯纤维（PTFE）、聚苯硫醚纤维（PPS）、四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维、聚偏氯乙烯纤维、乙烯-三氟氯乙烯共聚纤维等。1.2.1.2 按化学组成分类
按化学组成，高性能纤维可分为有机高性能纤维和无机高性能纤[20—23]维两大类 。
1.有机高性能纤维
有机高性能纤维指由有机聚合物制成的高性能纤维或利用天然聚合物经化学处理而制成的高性能纤维，按分子链的刚柔性可分为刚性链聚合物纤维和柔性链聚合物纤维。刚性链聚合物的分子链为刚性链，由于其具有芳香主链、刚性分子链节，且高度有序，柔软度较差，如果分子间作用力很强，容易形成液晶单元，可采用液晶纺丝加工制备高性能纤维，主要包括芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、芳杂环聚合物纤维、聚四氟乙烯纤维等大多数高性能纤维；而柔性链聚合物的分子链为柔性链，不包含芳香环，柔性度较好，由于分子间作用力小，容易择优取向，如果制备高强度高模量纤维，则需要高分子质量以及分子链充分地伸直取向，通常采用冻胶纺丝和超倍拉伸方法加工，主要包括超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯醇纤维等。
2.无机高性能纤维
无机高性能纤维以矿物质、金属或有机聚合物前躯体为原料制成。具有不同的分子构象或结构，如无定形纤维、多晶纤维和单晶纤维等。主要品种有碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、硼纤维、碳化硅纤维、硅硼氮纤维、金属纤维等。1.2.2 高性能纤维的应用领域
高性能纤维生产技术及其装备水平是体现国家综合实力与技术创新的标志之一，其在国内外已作为发展高新技术、占领尖端科技的重要战略物资，并被广泛应用于航空、航天、国防、军工、能源、交通、运动、环保等产业领域。1.2.2.1 高性能纤维是发展航空航天与尖端武器装备的重要战略物资 [24—26]
高性能纤维材料是从航天航空、国防军工等尖端领域开始应用并发展起来的，反过来其制备和应用技术的不断提高又促进了航空航天及国防工业的发展，成为国防军工高科技领域不可或缺的战略物资。高性能纤维以及用这些纤维制成的二维、三维织物是先进复合材料的关键增强材料，既可作为结构材料用于飞机、导弹、火箭、卫星、坦克、装甲、军舰潜艇等的主承力与次承力构件，也可用作导弹、飞机、军舰、坦克、装甲、个人防护器件等的防热烧蚀、隐身、导电导热等功能复合材料。
现代尖端武器装备发展趋向于隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等，对高性能纤维及复合材料性能要求也越来越高。芳纶、碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、PBO纤维和聚酰亚胺类纤维等的应用包括隐形飞机、轰炸机、侦察机、制动盘、降落伞、武装直升机、导弹的固体发动机壳体、航母等各类舰船特别是水陆两栖装甲船，以及深海水雷和鱼雷、海底声呐、坦克、装甲车、火箭发射筒、军车等，而头盔、防弹服、防切割手套、防刺服、特种军服、飞行服和坦克兵服等个体防护装备则需要采用抗燃、耐高温、防辐射、防生物武器和防毒气的高性能纤维。
其中，碳纤维复合材料不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料，更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。例如，X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器由于应用碳纤维复合材料比例更高，使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。
再如，每发战略导弹需用碳纤维约250kg，每台导弹发射装置需用碳纤维500～1000kg；战略导弹固体火箭发动机减重1kg，射程可增16km；弹头重量减少1kg，可增射程20km。“宙斯盾”防御体系中，每艘DDG“伯克”级驱逐舰就使用了约70t对位芳纶为发动机壳、战斗指挥所提供弹道防护。
高性能纤维在航空航天领域（如高超声速飞行器、国际空间站、先进卫星等装备系统中）被大量应用。例如，运载火箭的壳体、火箭发动机的壳体、燃烧室、喷管、卫星天线、支架、航天服、为登月舱和宇航员返回地面提供的坚牢轻质降落伞、太空运载工具中的热屏蔽护罩等都大量使用高性能纤维增强复合材料。在民用飞机轻量化方面，高性能纤维及其复合材料更是起到了举足轻重的作用。例如，世界最大飞机A380的25％质量部件由复合材料制造，其中22％为碳纤维增强复合材料，3％为首次用于民用飞机的铝合金和玻璃纤维超混杂复合材料的层状结构，这些部件包括飞机的一次和二次结构材料，如减速板、垂直和水平稳定器、方向舵、升降舵、副翼、襟翼扰流板、起落架舱门、整流罩、垂尾翼盒、方向舵、升降舵、上层客舱地板梁、后密封隔框、后压力舱、后机身、水平尾翼和副翼等。芳纶复合材料已成功用于波音B757、B767飞机的壳体、起落架舱门、货舱、内部装饰件及座椅等。而我国自主研制的国产大型客机C919的机舱首次启用国内开发的芳砜纶纤维制作椅罩、门帘，就使得飞机减重30kg以上。1.2.2.2 高性能纤维是支撑国民经济众多产业领域发展的重要基础材料 [27～32]
高性能纤维及其复合材料也是汽车工业（轻量化）、新能源（风能发电）、海洋产业、环境保护、土工建筑、机械制造、电工设备、化工设备、运输机械、农业装备、电子器材、体育运动器材、精密仪器、医疗器械等国民经济众多产业领域需求迅速增长的重要支撑新材料。
轻量化研究是现代材料设计制造的一大主流，随着节能减排和低碳经济的迫切需求，轻量化材料在各领域的应用将会更为广泛，而高性能纤维增强复合材料具有质轻、高强度和高模量、易加工成形、耐高温、耐腐蚀等特性，因此，不仅能满足高性能和轻量化要求，对节能减排也有重要贡献。汽车部件轻量化是汽车产业发展的一大趋势，高性能纤维则在其中扮演着至关重要的角色。汽车的结构材料部分改用碳纤维复合材料，可省油、少排放、抗冲击、提车速。碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维复合材料部件、对位芳香族聚酰胺纤维子午胎、胶带、胶管、制动片（含碳纤维制品）等已在汽车上得到全方位应用。例如，日本东丽与丰田汽车公司共同开发出了只需加热1min即可成形的碳纤维树脂薄板，主要用在丰田汽车公司推出的燃料电池车“未来（MIRAI）”的底板部件。
在能源工业领域，高性能纤维及其复合材料在地热能源、水能、海洋能、核能、太阳能、原子能等领域的开发、存储及利用方面有关键的应用。碳纤维增强复合材料可用于制备风力发电叶片、输电杆塔及电网设备等；碳纤维是功率在5MW以上的风力发电机叶片的结构材料，每个叶片需用超过500kg碳纤维。耐高温纤维通过加工成纱线、机织布、针织布、非织造布、绝缘纸以及复合材料等，可广泛用于防护制品、高温过滤材料、电绝缘材料、摩擦密封材料、各种工业织物等耐高温领域，已在工业领域中发挥越来越重要的作用。例如，聚苯硫醚纤维、聚酰亚胺纤维、聚四氟乙烯纤维等对高温烟道气、工业尘埃有很好的过滤收集作用，因此，在金属冶炼、水泥石灰生产、炼焦、发电和化工等行业中广泛用于制作高温过滤除尘袋，有利于减少排放、改善环境。1.3高性能纤维简要发展历程[33～38]1.3.1 国外高性能纤维发展历程与现状
美国一直是全球高性能纤维的开发先锋，并将其作为重要的技术支撑，特别是在20世纪50～80年代，以杜邦公司为首的美国企业研制过上百种特种纤维，并探索出有效促进其产业化的道路。50年代重点发展含氟纤维，如聚四氟乙烯纤维在1953年由杜邦公司开发，1957年实现工业化生产。美国Wright-Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤维；1959年美国UCC公司生产低模量黏胶基碳纤维Thornel-25。随后，杜邦公司最早研制成功芳纶1313，并于1967年实现了工业化生产，商品名为Nomex，开创了耐高温纤维的新纪元。1971年，杜邦公司采用干喷湿纺的液晶纺丝新技术试制成功聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（即芳纶1414），芳纶1414具有高强度高模量性能，商品名为Kevlar，并于1981年开始规模化生产。美国先后研发了聚芳噁二唑纤维、聚苯硫醚纤维、酚醛纤维、聚芳酯纤维、聚苯撑苯并二噁唑纤、聚苯并双噻唑纤维、四氟乙烯-六氟丙烯纤维以及一系列无机纤维和大丝束碳纤维等，从而奠定了美国在世界高性能纤维领域的领导地位。由于在航空航天、先进武器、防卫防护等方面相关的高性能纤维需求与规模大，目前美国的战略重点在于高性能复合材料方面，其在高性能纤维的技术加工能力、制品应用开发能力及产业链方面仍处于世界领先水平。
20世纪60年代日本科学家相继发明了聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维，所以日本在碳纤维产业方面无论是技术还是产量均处于世界领先水平。进入20世纪90年代后，日本通过与美国、欧洲企业合作开发，以及兼并收购国外优势品种等方式，全力扶持发展高性能纤维产业，使其很快提升到世界先进水平。例如，群荣化学公司兼并了美国开发的酚醛纤维，成为唯一生产商；可乐丽公司将美国塞拉尼斯开发的聚芳酯纤维实现产业化；东洋纺公司投产了PBO纤维Zylon；帝人公司于2000年收购了荷兰阿克苏·诺贝尔公司的芳纶1414纤维Twaron事业部；东丽公司则先后兼并了杜邦的聚四氟乙烯纤维事业部和菲利浦公司的聚苯硫醚纤维事业部而形成绝对优势的产品。作为产品系列化、精细化发展的代表，日本已经成为世界高性能纤维的头号生产国。由于日本企业在高性能纤维产业化技术方面拥有丰富的实例，因此许多欧美公司将其研发的新纤维品种转移到日本来实现产业化。目前，日本不仅拥有最多的高性能纤维产品，而且拥有一批如聚芳酯纤维、含钛的碳化硅纤维、杂环类纤维等世界上独有的品种。
欧洲在高性能纤维的研发与产业化方面也具有独特的发展优势，并且保留了一批独有的产品。俄罗斯是高技术纤维的发源地之一，最早研发了高强度高模量纤维类的杂环芳纶SVM、Armos以及连续玄武岩纤维等，并实现了工业化生产，处于领先水平。20世纪80年代，荷兰帝斯曼（DSM）公司开发了低成本、高浓度的超高分子量聚乙烯纤维干法凝胶纺丝新工艺，最早实现了纤维的商业化，打开了柔性链高聚物制备高强高模纤维领域的大门，目前在超高分子量聚乙烯纤维的产品性能与产量方面仍处于领导地位。聚酰胺-酰亚胺纤维于20世纪60年代由法国Rhône Poulenc公司研究开发，1992年该公司和Amoco织物与纤维公司共同成立Kermel公司，将该纤维正式定名为Kermel；Kermel公司是欧洲耐高温及阻燃纤维市场上的领先企业，生产的面料广泛应用于消防、军队、警察等职业防护服。20世纪80年代，奥地利Lenzing AG公司推出了耐高温的聚酰亚胺纤维P84，现为德国赢创集团（EVONIK）下属的Inspec Fibres GmbH公司所有。德国巴斯夫（BASF）公司于20世纪90年代采用离心纺丝或干法纺丝、热空气干燥固化的工艺成功开发了三聚氰胺纤维，在德国西部建成世界上第一家示范工厂，商品名为Basofil纤维。德国西格里集团（SGL）则在大丝束PAN基碳纤维方面占有一席之地。
表1-4所示为国外高性能纤维主要品种的发展历程。表1-4 国外高性能纤维主要品种的发展历程续表[39～43]1.3.2 我国高性能纤维发展历程与现状
我国高性能纤维的基础研究工作起步于20世纪60年代，对大多数国外已有的品种都做过不同程度的研究。例如，上海合成纤维研究所1969年就完成了聚四氟乙烯纤维的小试研究工作，还采用干法纺丝工艺小批量生产聚酰亚胺纤维，70年代相继对芳纶1313、芳纶1414、碳纤维、氮化硼纤维、聚苯并咪唑纤维等进行研究开发；吉林应用化学研究所60年代初着手研究PAN基碳纤维，到70年代初已完成连续化中试装置。到20世纪80年代，在国家财政的投入下又开始研究开发，包括超高分子量聚乙烯纤维、芳纶1414、PAN基碳纤维等的小试和中试生产，如芳纶1414在“六五”计划期间主要进行工业化小试，“七五”计划期间进行中试，但由于产、学、研有一定程度的脱节，产业化进展较为缓慢。“十五”计划期间，黏胶基碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶1313、芳砜纶、聚苯硫醚纤维等高技术纤维的产业化取得了初步成果。中国纺织大学（现东华大学）形成了双螺杆纺丝、连续萃取、多级多段拉伸的全套超高分子量聚乙烯纤维的产业化工艺，从1994年开始，先后在中纺投资公司、湖南升鑫高新材料股份有限公司、宁波大成化纤集团等三家企业实现了200～300t/a的规模化生产，这一项目的成功使我国成为继美国、荷兰、日本之后，世界上第四个能够生产超高分子量聚乙烯纤维的国家，而烟台氨纶则建成了产能为500t/a的间位芳纶一期工程生产线。2002年上海纺织控股（集团）公司整合优势力量，结合产学研联合攻关，完成千吨级的我国具有自主知识产权的耐高温纤维芳砜纶产业化工程关键技术的开发。四川得阳公司在中国纺织科学研究院研究成果基础上，成功完成了聚苯硫醚纤维纺丝关键设备与成套技术的开发。这一阶段，我国高性能纤维的工业化生产规模较小，而且在核心技术的掌握、产业化规模以及产品应用开发上落后于发达国家。
2006年以来，国家高度重视高性能纤维发展，政府的推动力度明显加大，行业协会的管理协调显著加强，一批国家级骨干企业和民营高新技术企业积极参与，真正成为技术创新的主体，使得我国高性能纤维技术水平和产业化发展取得了重大进步，PAN基碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维、玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维、聚四氟乙烯纤维等品种的自主化技术及产业化生产取得一定突破，相关的工艺技术、配套装备、产品应用、标准法规等也取得较好进展。我国高性能纤维年增长率达到30％以上，超过常规化纤增长率约10倍，高性能纤维产业实现了初具规模、初上水平。“十二五”期间，我国高性能纤维生产全面开花，其研发和产业化取得突破性进展。聚丙烯腈基碳纤维突破了干喷湿法原丝纺丝关键技术，实现了产业化、规模化生产，碳纤维产品已覆盖高强、高强中模、高强高模等多个系列，T700级碳纤维实现稳定生产，已具备较强市场竞争力，中复神鹰碳纤维有限公司的国内首条千吨级T800原丝生产线成功投产，所有的核心设备和技术都是自主研发，性能基本与国外同类产品一致。间位芳纶产业化规模继续扩大并批量供应市场，产品品质接近国际先进水平，品种结构包括长丝、短纤维和芳纶纸三大类；对位芳纶则已实现高强型、高模型产品国产化，建成了千吨级液晶纺通用级、高模量级对位芳纶生产线。超高分子量聚乙烯纤维已形成干法和湿法两种生产工艺，产品质量达到荷兰DSM公司SK75水平，产业化规模不断扩大，国内市场占有率已达90％以上，出口数量和品种也进一步增加，应用领域逐步拓展。突破了聚苯硫醚纤维级树脂合成与纯化成套技术，开发了纳米复合改性聚苯硫醚纤维，提高了产品的氧化诱导温度，并逐渐向细旦化发展。分别实现了千吨级湿法和干法纺聚酰亚胺纤维、膜裂法聚四氟乙烯纤维、百吨级聚醚醚酮纤维产业化生产规模，还有聚芳酯纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维等品种正在产业化攻关阶段。同时，我国高性能纤维产业基本上完成了区域布局，碳纤维及其复合材料以江苏、山东、吉林为主要的产业集聚地，芳纶以山东和江苏为主，聚苯硫醚纤维主要分布在四川和江苏两地，超高分子量聚乙烯纤维以江苏、浙江和湖南为重点，聚酰亚胺纤维集中在吉林和江苏，连续玄武岩纤维以浙江和四川为主。
我国的高性能纤维产业用不到十年时间缩短了与发达国家30年的差距，目前已成为全球范围内高性能纤维生产品种覆盖面最广的国家，品种齐步发展，产品几乎覆盖所有品种，生产能力仅次于欧美日，部分品种质量达到国际中等以上水平。打破了国外的垄断和封锁，大幅度降低了成本，为下游用户创造了难得的战略性发展机遇，不仅能初步满足航空、航天等领域的急需，而且有效地推动了能源环保、体育休闲、交通运输等国民经济重大产业的创新和发展，创造了良好的产业链经济效益。
但相对高速发展的国民经济与国防建设，我国高性能纤维及其复合材料理论研究和产业化基础相对薄弱；碳纤维、芳纶及其复合材料高效制备与广泛应用等领域中的一系列关键科学技术问题还没有完全突破；成本高、质量波动大、品种差别化水平较低、应用技术开发滞后；行业自主创新能力不强。和世界先进水平相比，我国的高性能纤维无论在产品质量、品种，还是在生产规模等方面和世界先进国家相比还有着相当大的差距，综合实力排在欧美日之后。未来5～10年，依旧是高性能纤维发展的上升期，具有广阔的空间。
表1-5所示为我国高性能纤维产业化品种及主要生产厂家。表1-5 我国高性能纤维产业化品种及主要生产厂家续表1.4高性能纤维发展前景展望1.4.1 高性能纤维产业的发展趋势
高性能纤维是全球化纤工业的发展趋势。近十年间，全球化纤产量以年均3％的速度增长，而高性能纤维以接近30％的速度增长。同时，高性能纤维生产国已由原来仅限于欧美日少数发达国家扩展到包括中国、土耳其、韩国等在内的十多个国家和地区。但由于技术含量高，全球高性能纤维的生产仍高度集中在日本、美国、欧洲等少数企业手中，而且这些公司大都走完了高性能纤维的规模化发展阶段。由于全球市场需求保持较快增长，目前这些公司一方面积极投资以扩大其产品的市场占有率，同时，国外企业在主要产品已经较为成熟且完成系列化生产的前提下，将研发重点转向不断提高核心技术与产品质量和性能上，通过技术储备以进一步拉大与竞争对手的差距，保持其行业垄断地位。
目前，国际上先进的高性能纤维及复合材料正向着制造技术先进化、低成本化、材料高性能化、结构功能一体化和应用扩大化的方向发展。其发展趋势是：大力发展低成本高性能纤维及其复合材料，以适应低碳经济技术的迫切需求；不断研发满足特殊要求的高性能纤维新品种，如超高强度碳纤维、高模量碳纤维、低成本碳纤维、新型芳纶、超强聚乙烯纤维、高性能无机纤维及其复合材料以及蜘蛛纤维、[44-46]碳纳米管和石墨烯纤维 等新一代尖端纤维；高性能纤维材料的应用领域进一步拓宽，如日本企业在继续保持碳纤维、芳纶等竞争优势的同时，也将民用高技术纤维作为发展方向，力争在航空航天高精技术纤维领域和应用广泛的民用高新技术纤维领域都要占有一席之地，以获得最为理想的市场份额和利润。[47]1.4.2 我国高性能纤维产业发展方向
我国已初步建立起较为完整的国产高性能纤维制备技术研发、工程实践和产业体系，产品质量不断提高，产学研用格局初步形成，有效缓解了国民经济和国防建设对国产高性能纤维的迫切需求。但我国高性能纤维及其复合材料理论基础和产业化开发仍相对薄弱，一些关键科学技术问题尚未完全突破，行业自主创新能力不强，部分高性能纤维及其复合材料仍处于受制于人的局面。我国高性能纤维产业的发展方向主要在以下几个方面：
1.高性能纤维的关键科学技术问题研究
高性能纤维是高度复杂性产品，具有对基础研究依赖性强、生产工艺前后关联度高的特点，高性能纤维的性能源于其独特的微观结构，要在生产中确保其微观结构得以实现，就需要对其形成过程有非[48]常清楚的认识，对影响其形成的外部条件有精准的控制 。因此，对相关共性基础科学问题的深入研究、统筹和有机关联是解决发展过程遇到的问题、建立具有自主知识产权的生产体系和实现工业化稳定生产的关键。核心技术掌握的背后是基础研究的长期积累，但目前国内企业缺乏对相关基础科学问题的正确理解与清晰认识。需要加强纳[49]米技术 、信息技术、高分子科学等在内的先进科学与技术的融合及再创新研究，以进一步提升现有高性能纤维的性能，开发新型高性能纤维品种。
2.高性能纤维的产业化关键技术与成套装备开发的系统集成
高性能纤维产业技术难度高、专业跨度大，是复杂的系统工程和高度的集成创新，具有对设备质量和控制精度要求高以及对生产管理要求严格等工程技术特性。需加强多学科、多专业的相互交融和前后衔接，加快高性能纤维及其复合材料高附加值、低成本关键工艺及装备工程化研究，包括有机高性能纤维级专用树脂的研发与产业化，新型溶剂、助剂、萃取剂等的开发，新型纺丝及后处理等连续化工程成套技术及设备开发等，提升高水平产业化的系统集成、项目管理和过程融合。
3.高性能纤维性能、品质提升以及品种系列化、功能化研发
全球主要高性能纤维已经进入技术和工艺全面更新的阶段，生产效率不断提高，成本不断下降，新产品个性化明显，要完善和系列化生产各种型号规格的产品，重点拓展新品种和应用领域。一方面突破国外垄断高端产品的产业化，另一方面通过降低纤维制造成本，来提高产品的市场竞争力和扩大纤维的应用领域。加强高性能纤维产品多领域市场应用开发，携同下游复合材料企业大力发展协同设计、制造、服务，通过下游稳定应用支撑上游行业发展，拓展整体产业上下游产业链的宽度和深度。
4.从原料到纤维的对应标准和评价体系
瞄准国际先进水平，立足自主技术，健全高性能纤维新材料标准体系、技术规范、检测方法和认证机制。加快制定产品全产业链标准，鼓励产学研用联合开发重要技术标准，积极参与国际标准制定，加快国外先进标准向国内标准的转化。参考文献
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碳纤维是一种由90％以上的碳元素组成的纤维，具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等特性，作为复合材料的增强体，广泛应用于航空航天、国防军事、体育休闲等领域，是国民经济和国防建设不可或缺的一种材料。制备碳纤维的前驱体有很多，主要包括黏胶纤维（rayon）、沥青（pitch）纤维、聚丙烯腈（PAN）纤维和木质素（lignin）纤维，其中黏胶基碳纤维是最早问世的一种，主要作为耐火和隔热材料广泛应用于航空航天等领域，其产量不足世界碳纤维总产量的1％。沥青基碳纤维的含碳量高，包括通用级沥青基碳纤维和中间相沥青基碳纤维，通用级沥青基碳纤维的成本较低，但其强度不高，可重复性差，应用领域受到一定限制。中间相沥青基碳纤维的强度有所提高，但工艺复杂，产量较低。PAN基碳纤维综合性能最好，是目前生产规模最大、需求量最大、发展最快的一种碳纤维，其产量已达碳纤维总产量的90％以上。而木质素基碳纤维仍处于研发阶段，其具有原料来源广，价格低廉，含碳量高等优点。作为碳纤维的前驱体，木质素纤维成本约为PAN纤维的1/10，有望制成低成本碳纤维而广泛应用于汽车等领域。
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