作者：唐见茂 编著
出版社：化学工业出版社
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高性能纤维及复合材料试读：
前言
作为一个在复合材料圈子里摸、爬、滚、打近40年的普通科技工作者，欣然接受了由中国材料研究学会和化学工业出版社联合发起的《新材料丛书》中的《高性能纤维及复合材料》一书的编写任务，这除了本人与复合材料结下了难以割舍的情结之外，主要还是由于复合材料的非常突出的优异性能和极其诱人的光辉前景，正如人们常说的，好的东西就应该拿出来分享。
当今人类正处在“科技一日跨千里”的非凡时代，而新材料作为现代高新技术的基础和先导，在人类面临的日益紧迫的可持续发展的理念中，其地位和作用日益突出，而且是大有作为。就拿高性能碳纤维复合材料而言，最突出的优点是轻质高强，自20世纪60年代起，首先被开发用于飞机结构材料，业内专家指出，与传统的轻质铝合金相比，碳纤维复合材料的飞机结构，减重效果可达20%～40%，在节能减排上体现出巨大的经济效益和社会效益，要知道，飞机结构每减重1kg，经济效益都以百万甚至千万美元计算。
材料复合化是新材料重要的发展趋势之一，半个多世纪以来，以碳纤维复合材料为代表的复合材料技术走过了一段快速发展的历程，由航空航天迅速扩大到其他工业部门，包括新能源、生物、信息、汽车、火车、海洋、医疗、机械、电器等都在越来越多地用到复合材料。有人认为，人类已进入了复合材料时代，可以说，现在就材料而言，什么都要复合，什么都可复合，什么都在复合。
新材料量大面广，发展日新月异，不仅关系到经济和国防建设，还与人们的工作生活息息相关，新材料带来美好生活，因此大力宣传和普及新材料知识，积极开展新材料各种活动，这对提高全民的科学素质，培养年轻一代，吸引更多的优秀人才加入到新材料的阵营中来，为又快又好地发展我国新材料做出贡献，这就是我奉献这本书的初衷。
书稿虽然交付，但心内总有不安，笔者受专业知识及学识水平所限，书中难免“挂一漏万”，言及不当之处，敬请广大读者及同行不吝赐教。唐见茂序言用碳纤维编织梦想——从波音B-787飞机谈起
人类从几千年前开始，望着天空那自由翱翔的飞鸟，就一直在向往，有那么一天，插上双翅，也能像鸟儿一样在天空中自由自在地飞翔。
进入20世纪，人类科技取得空前发展，其中最重大的发明之一，就是飞机的诞生，它使人们实现了飞向天空的梦想。这不能不提到美国的一对兄弟——莱特兄弟。他们是世界航空发展史上的开拓者，在当时大多数人认为飞机依靠自身动力的飞行完全不可能时，莱特兄弟却不相信这种结论，从1900～1902年他们兄弟进行了1000多次滑翔试飞，终于在1903年制造出了第一架依靠自身动力进行载人飞行的飞机——“飞行者1号”，并且试飞成功。因此他们于1909年获得美国国会荣誉奖。同年，他们创办了“莱特飞机公司”。这是在航空发展史上开拓性的巨大成功。
100多年来，航空飞行技术多次实现了跨越式的发展，特别是从20世纪50年代末实现了从活塞式发动机到涡轮喷气发动机的历史性变革，使飞机的飞行速度和机动性大幅提高，现在，超高音速战斗机的飞行速度达每小时2000～3000km，是声速的2～3倍。而民用航空飞行技术也同样取得长足发展，最引人注目的是20世纪60年代开始服役的美国波音大型宽体客机B-747，这种乘客人数超过400人的大型客机，能连续飞行十多个小时，横越太平洋只是一件平常易行的事情。而新近推出的空中“巨无霸”——空客A-380飞机，乘客量达650名。现代民航技术的发展，使人们几乎可以到达任何想去的地方，所以人们常说，现在地球变小了。
航空技术的快速发展，一方面得益于涡轮喷气发动机技术的突破，另一方面也得益于航空材料技术的不断进步，试想，一架能以2～3倍音速飞行的飞机，一架能载客数百人的大型客机，如果没有高性能或超高性能的材料制作机身结构，那是不可能的。
随着人类面临的资源、能源和环境问题的日益突出，同其他工业部门一样，对飞机的节能、降耗、减排提出了更高要求，因此开发使用轻质、高强、高效和低成本的新型飞机结构材料，是当代航空技术的重要发展趋势。而20世纪60年代开发应用的高性能纤维增强的复合材料是其中的一个重要体现。
我们所说的飞机材料，是指用来制造飞机主体结构的材料，飞机主体结构包括构成一架飞机的结构部件，如机身、机翼、头罩和尾翼等，尾翼又包括水平尾翼、垂直尾翼和方向舵等，而这些结构部件是由成千上万的零件、元件和结构件组成的，它们对保障飞机的总体性能和服役安全非常重要，当然，其他一些非结构件材料，如飞机客舱的内装饰材料，包括内舱壁板、座椅、行李舱、地板等也非常重要。
100多年来，飞机的结构材料发展大致经历了三个阶段，最初的十几年，主要是木质材料，用作机翼、蒙皮等。木质材料很难达到高强度，而且易吸湿、易燃、易腐蚀。20世纪20年代，开始用轻质高强的铝合金制造飞机结构，从此开始了全金属飞机结构的时代，铝合金具有轻质、高强、耐腐蚀等优点，直至20世纪60年代，铝合金一直是飞机结构的主要材料，广泛地用于各种型号的军机和民机的机身、机翼、尾翼的蒙皮和其他零部件。随着飞机性能的不断提高，对更加高效的飞机结构材料的追求，成为现代航空技术发展的新目标，在这种背景下，20世纪60年代中期，一代新型的飞机结构材料问世，即高性能的先进结构复合材料。
下面，我们将以B-787飞机为例，来简短介绍发展航空复合材料的重要意义，通过介绍，我们将对什么是复合材料有所了解。
近几年来，航空业界最热门的话题莫过于美国波音飞机公司的B-787型商用飞机，波音公司把这款飞机命名为“梦想”（Dreamliner），其背后包含两层意思，其一是要挽回20世纪90年代波音B-767与空客A-330竞争中的失利，随着世界民航市场份额不断流向空客，波音公司寄希望于推出一种新的机型来实现重振昔日雄风的梦想，在经过几次抉择后，决定推出一款全新概念的飞机，这就是B-7E7，后来正式定名为B-787梦想飞机。其二是该机创新性地采用了许多设计新概念和新技术，其中最引人注目的是飞机结构采用了50%的复合材料制造，这是前所未有的。应用复合材料后，不但能够比它的上一代机型（金属材质的B-767）降低20%的油耗，而且具有更舒适的客舱环境。这种大胆的尝试（用复合材料制作机身）在当时的提出是极具挑战性的，而且在业界颇具争议。波音公司希望通过这种先进的复合材料技术，实现引领当代民用客机发展潮流的梦想。
毫无争议的是，这是一款全球最为先进的民用客机。波音“梦想飞机”凝聚了民用飞机制造业的全新技术，这款又大又宽敞的飞机主体结构的50%包括机身和机翼全部采用了一种新型的结构材料，也就是碳纤维增强的树脂基复合材料。
之所以使用复合材料，是因为它相对于已经使用长达半个世纪的铝合金材料更具有轻质高强的优点，用复合材料制造飞机结构，同铝合金相比，减重效果可达20%～40%，在节能减排上体现出巨大的经济效益和社会效益。要知道，飞机结构每减重1lb，产生的燃油节能效益，都要用“百万美元”来计算。
也正是因为用了复合材料，使制造工艺大有改进，B-787在总装时不再像以前那么复杂，比如B-787采用了复合材料整体机身，就代替了原来需要的1500张铝板和（4～5）万个紧固件。尽管复合材料目前要比铝合金贵得多，但这一不足已经通过改进制造工艺和降低制造成本而得到了弥补。
此外，B-787飞机许多设计上的新概念，比如客舱更宽敞、更舒适，窗口开得更大，视野更好，起飞降落噪声更低，采用智能监控，飞行更安全等，前提都是因为使用了复合材料。
用作飞机结构的复合材料目前以碳纤维增强的树脂基复合材料为主，因此把B-787飞机看成是一种用碳纤维编织的梦想，一点也不过分。
半个世纪以来，随着复合材料的优点被越来越多地认识和接受，以及使用经验的不断积累，业内专家预言，今后20～30 年碳纤维复合材料将迎来发展新时期，它的大规模采用将带来航空制造产业链革命性的变革，例如，创新的设计概念，将促使设计团队人员组成和知识结构的改变；而材料与结构件成型的同时完成，可以从生产纤维、树脂的原材料供应商或二级供应商直接向飞机制造商供货，传统的航空制造产业链是原材料供应商或二级供应商向制造飞机部件的一级供应商供货，再由一级供应商或向飞机制造商提供部件，但复合材料独特的材料和构件同时成型的特点，改变了这一传统的产业链格局；另外，碳纤维复合材料的独特性能无疑会对飞机维修业提出新的、未预见到的挑战。
通过上述介绍，使我们对复合材料的诸多优点有所了解，复合材料在航空航天业快速发展的同时，也在向其他工业部门扩展，如新能源领域的风电叶片、交通领域的车辆部件、海洋领域的船舶、石油化工领域的钻杆和管道、国防军事领域的装甲和防弹以及建筑领域的各种应用等。第1章 概述
1.1 新材料和复合材料
谈到材料，人们并不陌生，因为我们周围到处都是材料的身影，我们的生活和工作以及其他一切活动都离不开材料，尽管如此，但目前还没有一个共同约定的关于材料的准确定义。一般而言，材料是指具有一定的化学成分与分子结构，以及能提供一定的物理和化学性能使得其可用来制造各种产品和工具的物质。应该说，这个定义是非常广泛的，它几乎涉及人类生活和工作的所有方方面面，以及所有现代高新技术领域和所有现代化产业体系。所以说材料是人类物质文明的基础，也是现代高新技术的基础和先导。
材料按照其化学组成和分子结构，可分成金属材料、无机非金属材料和有机非金属材料（以合成高分子材料为主）三大类，由于复合材料产量越来越大、品种越来越多、应用越来越广泛，所以现在也有的分类体系把复合材料列为第四大类材料，但从材料的属性来看，复合材料只不过是上述三大类材料以不同方式进行组合或复合而得到的一大类材料。
新材料是20世纪90年代开始使用的一个新概念。现在，谈到材料就不得不谈新材料。人类历史进入到20世纪90年代，现代科学技术发展突飞猛进，各种新材料、新产品、新技术不断突破，各个学科和各个领域涌现出大量的性能优异、功能特殊，甚至带有神奇色彩的新材料，为了更能突出材料在现代高新技术中的作用和地位，也为了有别于浩如烟海的传统材料品种，因此就采用了新材料这个概念。并且从20世纪90年代开始，新材料同生物、信息一道被列为当代重点发展的三大领域。
什么是新材料?目前还没有一个统一的说法，一般而言，新材料是指新出现的或正在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。
新材料的发展包括两方面的内容。
一是运用新概念、新方法、新技术，合成或制备出具有高性能或具有特殊功能的全新概念的新材料。如本书将要重点介绍的碳纤维，就是这样一种全新概念的新材料。聚丙烯腈基碳纤维“脱胎”于一种高分子纤维材料，它是用聚丙烯腈基纤维原丝，也叫前驱体（precursor）通过专门而又复杂的碳化工艺制备而得到的一种极细的纤维材料。由于碳化，使原丝中的氢、氧等元素得以排出，成为一种纯碳材料，含碳量一般都在90%以上，而本身质量大为减轻；而且由于碳化过程中对纤维进行了沿轴向的预拉伸处理，使得分子沿轴向进行取向排列，从而使碳纤维轴向拉伸强度大幅提高，成为一种轻质、高强、高模、化学性能稳定的高性能纤维材料。
二是对传统材料的再开发，使性能获得重大的改进和提高，或增加新的功能，这样的例子数不胜数，比如目前非常活跃的塑料改性，通过各种物理和化学的方法，如共混、增强、增韧、分子接枝、分子互穿网络等，可以制备出种类繁多、性能各异的新材料、新品种，不仅性能大幅提升，而且更经济、更环保、更实用。如塑料的阻燃改性，事关人们的安全和健康，被提到越来越重要的高度。
进入21世纪，新材料得到越来越多的重视，这主要是因为新材料在以下几方面显示出特殊的、重要的地位和作用。
①新材料本身就是一种高新技术，又是其他高新技术的基础和先导。
新材料的突破往往会引发人类划时代的变革，如20世纪60年代高纯硅半导体材料技术的突破，使人类进入了至今还方兴未艾的信息化时代。又如前面提到的碳纤维复合材料，在航空航天领域将发展成新一代的高性能结构材料。
②新材料代表国家的科技水平和综合国力。
新材料与现代科学技术深度融合，是推动现代科学技术发展的基础，也是制约现代科学技术发展的瓶颈，目前许多新兴技术的发展受到制约，究其原因，可以归结为材料的关键技术没有突破。
另一方面，新材料产业已经融入到国民经济的各个部门，成为高新技术产业和各工业部门的重要组成部分，对国民经济和国防建设有重要的支撑作用。同时新材料又是重大工程和重大项目建设的物质条件保证。
③新材料对实现可持续发展非常重要，大有作为。
面对资源、能源和环境承受越来越大的压力，要实现可持续发展，新材料首当其冲，同时也是大有作为。例如，新能源材料是新能源、可再生能源开发利用的基础；环境友好材料对节约资源、保护环境、维持生态平衡将起到重要作用；轻质高强的新型结构材料将体现出节能降耗的巨大效益；生物医用材料将提高人类的生活质量和健康水平；新型绿色建材关系到资源的充分利用，以及改善和提高人们的生活质量。
复合材料是新材料中的一个大家族。复合化是新材料的重要发展趋势之一，即是将两种或两种以上不同品质的材料通过专门的成型工艺和制造方法复合而成一种高性能的新材料体系，即复合材料。复合的目的是要改善材料的性能，使材料高性能化，或能满足某种物理性能上的特殊功能要求，如光、电、热、声、磁等。因此，复合材料按使用要求可分为结构复合材料和功能复合材料，到目前为止，主要的发展方向是结构复合材料，但现在也正在发展结构和功能一体化的复合材料。
通常将组成复合材料的材料或原材料称为组分材料（constituent materials），它们可以是金属、陶瓷或高聚物材料。对结构复合材料而言，组分材料包括基体和增强体，基体是复合材料中的连续相，其作用是将另一相即增强体固结在一起并在增强体之间传递载荷；增强体是复合材料中承载的主体，目前用得最多的是纤维增强，也可用颗粒、晶须或小薄片的形式增强。如前所述，用作基体和增强体的材料可以是金属、陶瓷或聚合物材料。
如上所述，复合材料实际上是采用专门的方法和技术将两种或两种以上的不同材料复合而成的一类新材料体系，通过复合，各组分材料可发挥各自的性能优势，达到性能最优化的目的，科学家把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。利用复合效应就可以自由选择不同的组分物质，人为设计各种新型复合材料，把材料科学推进到了一个新阶段。因此，现在也把复合材料称为第四代材料，又称“设计材料”。
1.2 为什么要用复合材料
为什么复合材料会受到如此青睐?这也许要从材料科技的总体发展趋势来理解。
一般认为，现代工业革命应开始于18世纪蒸汽机的发明，200多年来，特别是进入20世纪，科学技术和现代化工业都取得突飞猛进的发展。尤其是材料科学和技术，已发展得相当成熟，比如用作飞行器主要结构材料的铝合金、钛合金以及各种高性能的合金钢，无论是制造加工技术还是应用，都已发展到很高的水平。现在，单一材料包括金属、无机非金属和有机高分子材料，在性能上继续实现重大突破的余地已经有限，但现代高新技术，例如航空航天技术的快速发展，却对材料提出了越来越高的要求，这就促使人们去研究开发更新的和更高效的材料。另一方面，单一材料尽管性能很好，但在使用中总表现出一些不尽如人意的地方，例如金属材料，强度高，耐热性好，但金属材料一般都密度高，质量大，不利于减轻结构质量；新型陶瓷材料耐高温、耐腐蚀，但致命的缺陷是脆性大，限制了其在结构上的使用；新型高分子材料，综合性能好，加工容易，成本低，适合于大量推广，但本身的强度和耐热性都不够。基于这样的认识，通过将它们按一定的方式复合就可以达到取长补短、优势互补的目的，高性能复合材料正是在这种背景下于20世纪60年代应运而生，并首先在飞机结构上得到应用的。
复合的目的是要使材料高性能化，复合材料在这方面显示出了独特的优势。
例如，如前所述，用碳纤维增强的树脂基复合材料，具有轻质高强的优点，在飞机结构减重上体现出了巨大的经济效益，并能实现大型复杂结构的整体化成型，节省了成千上万个金属紧固件。
又如，通过计算机数字模拟和优化，可以设计出功能独特的复合材料。典型的案例是梯度功能复合材料。梯度功能复合材料（gradient functional composite，GFC）是指通过连续的改变两种材料的结构、组成、密度等因素，使其内部界面减小乃至消失，从而能得到随组成与结构的变化而性能呈连续渐变的新型非均质复合材料。
一般复合材料中分散相是均匀分布的，材料的整体性能是统一的，但在有些情况下，人们常常希望同一件材料的两侧具有不同的性质或功能，又希望不同性能的两侧结合完美，从而不至于在苛刻的使用条件下因性能不匹配而发生破坏。因此有了梯度功能的概念。
梯度功能复合材料是基于航空航天器表面热防护要求技术而开发的一种新材料。航天器在大气层中以极超音速飞行，机头尖端和发动机燃烧室内壁的温度高达2100℃以上，因此材料必须承受2100℃的高温以及1600℃的温度落差，服役条件极为恶劣。因此，迫切需要开发新型超耐热的防护材料。1984年，日本学者首先提出了梯度功能复合材料的概念，其设计思想一是采用耐热性及隔热性的陶瓷材料以适应几千摄氏度高温气体的环境，二是采用热传导和机械强度高的金属材料，通过控制材料的组成、组织和显微气孔率，使之沿厚度方向连续变化，即可得到陶瓷/金属梯度功能复合材料。由于该材料内部不存在明显的界面，陶瓷和金属的组分和结构呈连续变化，从而物理性能也呈连续变化。在用作航天器的表面热防护时，耐热性好的陶瓷材料用于外侧以抵抗飞行中产生的高温，而与航天器表面连接的一侧内壁采用导热和强度好的金属材料；这样外侧陶瓷通过烧蚀作用带走大量的热量，而使内侧的金属材料能很好地保证航天器表面不受损坏。其三是在纤维增强的结构复合材料基础上，还可以实现功能的继续扩展，得到结构/功能一体化、多功能一体化和智能化的复合材料。例如，20世纪在海湾战争中开始使用的隐身飞机，就是采用了一种吸波/隐身结构复合材料。
实现飞机隐身主要有两种技术途径，即外形设计和隐身材料。
外形设计是要改变一般飞机比较复杂的外形。一般飞机的外形总有许多部分能够强烈反射雷达波，像发动机的进气道和尾喷口、飞机上的凸出物和外挂物、飞机各部件的边缘和尖端以及所有能产生镜面反射的表面等，因此隐形飞机的外形设计要避免使用大而垂直的垂直面，大幅减小雷达波的散射面积；大量采用凹面，这样可以使截获的雷达波向偏离雷达接收的方向散射。例如F-117战斗机基本上就是由平面组成的角锥形体，尾翼为V形；而B-2轰炸机则是前缘后掠、后缘为大锯齿形，没有机身和尾翼，整个飞机像一个大的飞翼，这些飞机的造型之所以较一般飞机古怪，就是因为特种的形状能够完成不同的雷达波散射功能。
隐身材料就是采用雷达吸波材料。吸波材料能吸收投射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗使吸收到的电磁波能量转化为热能或其他形式的能量而耗散掉，从而减少或消除反射回到雷达探测器的电磁波。
综上所述，复合材料的发展前景十分广阔，因此有人说，现在人类已开始进入复合材料的时代了。
第2章 高性能纤维
2.1 纤维和高性能纤维
纤维材料是连续的细丝材料，在外观上表现为直径极为细小而长度很大，有的可达数千米。现在最细的人工合成纤维，其直径可达几个微米（μm）。纳米纤维（nanofiber）直径在纳米级，但其长度有限，在应用上受到局限。
纤维长度与直径的比称为长径比，纤维材料的定义是能保持长径比大于100的均匀条状或丝状的材料。根据美国材料试验协会（ASTM）的定义，纤维长丝必须具有比其直径大100倍的长度，并不能小于5mm。
2.1.1 纤维的性能指标
纤维的性能与其材料的化学组成有关，用不同的材料制取的纤维，会表现出不同的物理化学性能，如强度、模量、耐温性、耐腐蚀性等。在实际工程应用中，为了更好地评价和选择不同的纤维，国际上统一规定了几个主要的性能指标。
（1）线密度（纤度）
线密度是指一定长度纤维所具有的重量，是表示纤维粗细程度的一个指标，其单位名称为“tex”/特（克斯），1/10称为分特（克斯），单位符号dtex。1000m长纤维质量的克数称为“特”。
支数是指单位质量的纤维所具有的长度。对于同一种纤维，支数越高，纤维越细。人们在选择纺织品时，有时也看它的支数。
（2）断裂强度及断裂伸长率
断裂强度是指纤维在连续增加载荷的作用下，直至断裂所能承受的最大载荷与纤维的线密度之比。
断裂强度高，纤维在加工过程中不易断头、绕辊，纱线和织物牢度高；若断裂强度太高，纤维刚性增加，手感变硬。
断裂伸长率是指纤维在伸长至断裂时的长度比原来长度增加的百分数。
断裂伸长率大，纤维的韧性好，手感柔软，在纺织加工时，毛丝、断头少；若断裂伸长率过大，织物易变形。
（3）初始模量（弹性模量）
模量是指纤维外力作用下抵抗变形的能力。
初始模量为纤维受拉伸而当伸长率为原长的1%时所需的应力。它表征纤维对小形变的抵抗能力。
纤维的初始模量越大，越不易变形，在合成纤维中，涤纶的初始模量最大，腈纶次之，锦纶较小，故涤纶织物挺括，不易起皱，锦纶织物易起皱，保形性差。
2.1.2 纤维分类
一般有3种分类方法：一是根据材料来源可分为天然纤维和化学纤维；二是根据材料的性质分为有机纤维和无机纤维；三是其他分类，根据使用性能和要求可分出种类繁多的不同品种。
（1）根据材料来源分类
①天然纤维。天然纤维是自然界存在的，可以直接取得的纤维，根据其来源分成植物纤维、动物纤维和矿物纤维三类。
植物纤维是由植物的种子、果实、茎、叶等得到的纤维，是天然纤维素纤维。如棉、木棉、亚麻、黄麻、罗布麻等；植物纤维包括种子纤维、韧皮纤维、叶纤维、果实纤维。
动物纤维是由动物的毛或昆虫的腺分泌物中得到的纤维。如毛发、蚕丝等。
矿物纤维是从纤维状结构的矿物岩石中获得的纤维，主要组成物质为各种氧化物，如二氧化硅、氧化铝、氧化镁等，其主要来源为各类石棉，如温石棉、青石棉等。
②化学纤维。化学纤维是经过化学处理加工而制成的纤维。可分为人造纤维和合成纤维两类。
a.人造纤维。人造纤维是用含有天然纤维或蛋白纤维的物质，如木材、竹、甘蔗、芦苇、大豆蛋白质纤维等，经过化学加工后制成的纤维材料。
b.合成纤维。合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同，是由一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气等，先合成聚合物单体，再聚合成高分子化合物，然后用溶液抽丝的方法制成纤维。这是一大类高分子聚合物材料，主要品种有聚酯纤维（涤纶）、聚酰胺纤维（锦纶或尼龙）、聚乙烯醇纤维（维纶）、聚丙烯腈纤维（腈纶）、聚丙烯纤维（丙纶）、聚氯乙烯纤维（氯纶）等。
（2）根据材料性质分类
① 有机纤维。上述植物纤维、动物纤维及高分子合成纤维都属于有机纤维。
②无机纤维。以金属和无机非金属为原料制取的纤维，如金属丝、玻璃纤维、玄武岩纤维、陶瓷纤维。
碳纤维是一种特殊的无机纤维，它不是直接从碳材料抽取，而是将有机高分子纤维如聚丙烯腈纤维、沥青纤维和胶黏丝作为前驱体，用专门的碳化或石墨化制取的纤维材料。
2.1.3 高性能纤维
纤维单丝很少有实用价值，工程应用的纤维材料通常是将多股或大量的单丝组合成丝束，或在此基础上编织成各种形状和规格的织物、布、毡或预形体。
用于制造复合材料的纤维增强体品种很多，在选用时要考虑到工艺性能、使用性能、价格和环保等因素。
航空航天高端应用的先进复合材料必须采用高性能纤维作增强体，高性能纤维目前的主流产品是碳纤维，还包括芳纶和超高分子量聚乙烯纤维。高性能纤维的界定主要依据的是其优异的力学性能，即轻质、高强和高模，也就是单位质量的强度和模量，称之为比强度和比模量，它们比传统的结构材料，如轻质高强的铝合金，还要高出许多倍，非常适合于制造航空结构复合材料部件。
纤维增强材料的主要品种有玻璃纤维、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维，以及其他纤维，如金属丝、硼纤维和陶瓷纤维。增强的形式可以是纤维本身，分连续纤维、长纤维和短切纤维，也可以是纤维织物和布、纤维毡、二维和三维的纤维编织件或缝合件（见图2-1）。图2-1 几种典型的纤维增强材料
2.2 纤维材料的先驱——玻璃纤维
玻璃纤维（glass fiber，fiberglass，GF）是最早开发的一种性能优异的无机非金属材料，已有数十年的发展历史，种类很多，技术已较成熟，目前以商品提供的主要品种有纤维本身和各种纤维布或织物。优点是绝缘性好、耐热、抗腐蚀，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。它是以玻璃球或废旧玻璃为原料经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制得的，其单丝的直径为几个微米到二十几个微米，相当于一根头发丝的1/5～1/2，玻璃纤维丝束都由数百根甚至上千根单丝组成。玻璃纤维被大量用作电绝缘材料，工业过滤材料，防腐、防潮、隔热、隔声、减震材料。还被大量用作复合材料中的增强材料，制成的玻璃纤维复合材料，俗称“玻璃钢”，玻璃纤维复合材料具有透电压波功能，在航空领域被用作雷达罩，此外，在建筑、电气、交通、信息、机械、能源等国民经济各个领域也得到广泛应用，近年来风电叶片的制造需要大量用到玻璃纤维。
玻璃纤维的优点包括：
①拉伸强度高，伸长率小于3%；
②弹性模量高，刚性好，复合制件尺寸稳定性好；
③具不燃性，耐化学腐蚀；
④吸水性小；
⑤耐热性好，不易燃烧，高温下可熔成玻璃状小珠；
⑥加工性好，可制成股、束、毡、织布等不同形态的产品；
⑦透明性好，可透过光线；
⑧价格便宜，应用广泛，可回收再利用。
玻璃纤维发展很快，品种繁多，可以从玻璃原料成分和品种用途进行分类。
2.2.1 按玻璃原料成分分类
（1）无碱玻璃纤维（E-玻璃纤维）
主要成分是钙铝硼硅酸盐，是目前应用最广泛的一种玻璃纤维品种，具有良好的电气绝缘性及力学性能，广泛用于生产电绝缘件和复合材料，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适用于酸性环境。
（2）中碱玻璃纤维（C-玻璃纤维）
其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维10%～20%，在国外，中碱玻璃纤维只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，如用于生产玻璃纤维表面毡、玻璃纤维棒，也用于增强沥青屋面材料，但在我国中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半（60%），广泛用作玻璃钢的增强体，以及过滤织物、包扎织物等，因为其价格低于无碱玻璃纤维而有较强的竞争力。
（3）有碱玻璃纤维（A-玻璃纤维）
有碱玻璃纤维是一种典型的钠硅酸盐玻璃，因含碱量高，强度低，耐水性差，很少用作增强玻璃纤维。
（4）高强玻璃纤维（S-玻璃纤维）
其特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为2800MPa，比无碱玻璃纤维抗拉强度高25%左右，弹性模量86GPa，用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、航空航天、防弹盔甲及运动器械。
2.2.2 按品种用途分类
（1）无捻粗纱
无捻粗纱是由平行原丝或平行单丝集束而成的，是一种用途极为广泛的纤维增强材料。按玻璃成分可划分为：无碱玻璃无捻粗纱和中碱玻璃无捻粗纱。生产玻璃粗纱所用玻璃纤维直径为12～23μm。无捻粗纱可直接用于某些复合材料工艺成型方法中，如缠绕、拉挤工艺，因其张力均匀，也可织成无捻粗纱织物，在某些用途中还将无捻粗纱进一步短切。
无捻粗纱按不同玻璃钢制品的成型工艺要求还可继续分为：
①喷射用无捻粗纱；
②片状模塑料（SMC）用无捻粗纱；
③纤维缠绕用无捻粗纱；
④拉挤成型用无捻粗纱；
⑤纤维织物或玻璃布用无捻粗纱；
⑥二维或三维纤维增强预型件用无捻粗纱等。
（2）玻璃纤维毡
玻璃纤维毡是将原丝或粗纱用不同方式铺敷而成的轻松制品，其形状就像生活中所用的棉线毡或毛线毡，具有低密度、轻质量、高强度等优点，可用于制造各种轻质玻璃钢制品。
按用途玻璃纤维毡可分为：
①短切原丝毡；
②连续原丝毡；
③表面毡；
④针刺毡，它是将连续玻璃原丝用抛丝装置随机抛在连续网带上，经针板针刺，形成纤维相互勾连的三维结构的毡，其主要用途包括用作隔热隔声材料、衬热材料、过滤材料等。
（3）玻璃纤维织物
用玻璃纤维纱线织造的各种玻璃纤维织物有以下几类。
①玻璃布。分无碱和中碱两类。无碱玻璃布主要用于生产各种电绝缘层压板、印刷线路板、各种车辆车体、贮罐、船艇、模具等。中碱玻璃布主要用于生产涂塑包装布，以及用于耐腐蚀场合。
织物的特性由纤维性能、经纬密度、纱线结构和织纹所决定。经纬密度又由纱结构和织纹决定。经纬密度加上纱结构，就决定了织物的物理性质，如重量、厚度和断裂强度等。有五种基本的织纹：平纹、斜纹、缎纹、螺纹和席纹。
② 玻璃带。玻璃带分为有织边带和无织边带（毛边带），主要织纹是平纹。玻璃带常用于制造高强度、介电性能好的电气设备零部件。
③单向织物。单向织物是一种粗经纱和细纬纱织成的四经缎纹或长轴缎纹织物。其特点是在经纱主向上具有高强度。
④ 立体织物。立体织物是相对于平面织物而言的，其结构特征从一维、二维发展到了三维，从而使制得的复合材料具有良好的整体性和仿形性，大大提高了复合材料的层间剪切强度和抗损伤容限。它是随着航天、航空、兵器、船舶等部门的特殊需求发展起来的，目前其应用已拓展至汽车、体育运动器材、医疗器械等部门。主要有五类：机织三维织物、针织三维织物、正交及非正交非织造三维织物、三维编织织物和其他形式的三维织物。立体织物的形状有块状、柱状、管状、空心截锥体及变厚度异形截面等。
⑤ 异形织物。异形织物的形状和它所要增强的制品的形状非常相似，必须在专用的织机上织造。对称形状的异形织物有：圆盖、锥体、帽、哑铃形织物等，还可以制成箱、船壳等不对称形状。
2.3 独占鳌头的碳纤维
碳纤维（carbon fiber，CF）是一种连续细丝碳材料，直径范围在6～8μm内，仅为人的头发丝的1/3左右。是近数十年来为满足高性能飞机对材料的需求而发展起来的一种新型材料。尽管碳纤维的含碳量在90%以上，但是它的制备不是直接用碳材料抽取的。碳材料不溶于任何溶剂，也不能用熔融纺丝法制取，而是由有机高分子纤维，即聚丙烯腈纤维，或石油沥青或煤沥青纤维经专门的碳化处理而制得的。用于制备碳纤维的有机纤维称为前驱体或原丝。在美国，碳纤维也被称为石墨纤维（graphite fiber），但真正意义上的石墨纤维是将相应的有机前驱体纤维制成碳纤维后，再经2000～3300℃石墨化处理后而得到的纤维材料，含碳量高达99%，因此弹性模量也大为提高，用石墨纤维制造的复合材料，不仅轻质高强，而且刚性和尺寸稳定性特别好，在航天应用中，被用来制造卫星天线或太阳能电池矩阵。
碳纤维的研究开发启迪于对20世纪50年代开发的玻璃纤维复合材料性能的认识和经验。通常的玻璃纤维复合材料，密度要高出碳纤维复合材料1/3以上，而拉伸强度仅是碳纤维复合材料的2/3，模量则更低，不到1/3，满足不了高性能飞机的要求。因此研究高强、高模及低密的增强纤维成为发展高性能纤维复合材料的前提。在碳纤维之前，曾经开发过硼纤维，1960年钨丝芯硼纤维开始了小批量的生产，硼纤维直径约100μm，拉伸模量达400GPa，拉伸强度达3800MPa，纤维体积分数为60%的硼纤维增强环氧复合材料（相对密度≈2.0），拉伸模量达200GPa，比玻璃纤维复合材料（相对密度≈1.8）的拉伸模量（40GPa）大5倍，比铝合金（相对密度≈2.7）的拉伸模量（70GPa）大3 倍，因此美国空军材料实验室将硼纤维/环氧复材料命名为先进复合材料（advanced composite materials，ACM），并于20世纪60年代后期开始了在飞机结构上的应用，如飞机水平尾翼和垂直安定面翼盒结构等。
但是，硼纤维生产工艺复杂，成本高，硼纤维本身粗硬，很难在结构上推广应用。
在这种背景下，于20世纪60年代后期，创新型的聚丙烯腈基碳纤维研发成功并实现批量生产，从此开始了碳纤维复合材料在航空航天领域应用的里程碑。由于碳纤维复合材料优异的综合性能，特别是超常的高比强度和比模量，使结构的效率得以极大程度的发挥，因而到目前为止，被看成是一种理想的航空航天结构材料，近50年来，它在航空航天领域的应用得到了长足的发展。
碳纤维的微观结构尚未完全清楚，但基本可以认为碳纤维的微观结构类似人造石墨，碳原子以石墨化的六方微晶体的形式连接在一起，形成无规乱层石墨结构，并沿纤维的轴向进行取向排列，这种结晶的取向排列使碳纤维强度变得非常高。典型的碳纤维结构如图2-2所示。图2-2 碳纤维微观结构示意图
碳纤维的力学行为可以看成在断裂之前呈线性的应力-应变关系，表示它的强度与应变成正比。但碳纤维断裂是瞬时的脆性断裂，这在碳纤维复合材料结构设计时必须充分考虑。
碳纤维最突出的优点体现在它的超出其他工程材料许多的比强度和比刚度（见表2-1）。表2-1 碳纤维与其他材料性能的比较
由表2-1可以看出，碳纤维的比强度和比模量要远高出高强钢和高强铝合金，“比强度（specific strength）”和“比模量（specific modulus）”，它们是指材料单位质量的强度和模量，显然如果一种材料的密度小而又能提供相当高的强度和模量，也就是它具有高比强度和高比模量，碳纤维正是在这点上体现出了巨大的优势。用碳纤维增强的树脂基复合材料是一种优秀的轻质高强的结构材料，在许多工业领域，特别是在航空航天领域得到了广泛的应用。
此外，碳纤维还具有耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、膨胀系数小、尺寸稳定性高、导电等优点。
目前碳纤维主要从原丝类型、使用性能方面进行分类。
按原丝类型分类有聚丙烯腈基纤维、沥青基纤维、黏胶基纤维、木质素纤维基纤维和其他有机纤维基碳纤维。
按使用性能分则有通用级碳纤维（其拉伸强度＜1.4GPa，拉伸模量＜140GPa）和高性能碳纤维，包括：高强型（强度2000MPa，模量250GPa）、高模型（模量300GPa以上）、超高强型（强度大于4000MPa）、超高模型（模量大于450GPa），还有高强-高模、中强-中模等碳纤维。
商品化的碳纤维主流产品有两大类，一是聚丙烯腈基碳纤维（PAN-base CF），二是沥青基碳纤维（pitch-base CF）。
同玻璃纤维一样，用作增强体的碳纤维可以是纤维本身，包括连续、长、短纤维，以及各种纤维织物、布、带、毡等。
2.3.1 聚丙烯腈基碳纤维（PAN-base CF）
聚丙烯腈基碳纤维是用聚丙烯腈原丝制造的碳纤维，在全球高性能碳纤维的产量中，聚丙烯腈基碳纤维占有80%以上的份额，成为碳纤维的主导品种，主要用作增强材料用于纤维复合材料的制造，广泛地用于航空航天及其他工业部门。
聚丙烯腈基碳纤维制造的基本工艺流程如下：
聚丙烯腈基碳纤维的制造过程包括：聚丙烯腈原液聚合、纺丝、原丝预氧化、碳化（石墨化）及深加工处理几个环节。
（1）聚合
用聚丙烯腈单体加入2%的第二和第三共聚单体，在引发剂的作用下进行共聚，得到聚丙烯腈共聚物原液。加入共聚单体能使原丝预氧化时既能加速大分子的环化，又能缓和纤维化学反应的激烈程度，使反应易于控制；并可大大提高预氧化及碳化的速度；有利于预氧化过程的沿纤维方向的牵伸。所加的共聚单体，多为不饱和羧酸类：如甲基丙烯酸、丙烯酸、丁烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等。聚合单体和其他原料的纯度必须控制，以减少杂质对原丝质量的影响，避免将原丝中的杂质和缺陷“遗传”给碳纤维。
（2）纺丝
将聚丙烯腈原液抽取成聚丙烯腈原丝。一般采用湿法纺丝，包括原液过滤、喷丝、凝固浴（溶剂的水溶液）、水洗、拉伸等几个阶段。足够的水洗时间有利于去掉原丝残留溶剂，提高原丝和碳纤维的强度和模量。纺丝过程必须在洁净的无尘纺丝车间进行，避免空气中的尘埃粒子污染原丝。
所得到的原丝应具备高纯度、高强度和高取向度、细旦化等性能特点，以保证碳纤维性能的优良。
干喷湿法纺丝是近年来发展起来的纺丝新方法，具体方法是：将纺丝液由喷丝板喷出之后先经过（3～10mm）空气层，然后进入凝固浴。该法使用的喷丝孔孔径较大（0.1～0.3mm）可使高黏度纺丝液成纤；空气干层是有效拉伸区，不仅可提高纺丝速度，而且容易得到高强度高取向度的纤维，纤维的结构均匀致密，它的强度比湿法纺丝得到的原丝强度高，从而保证了碳纤维有足够的强度。
（3）预氧化
原丝在200～300℃下氧化气氛中（空气）受张力的情况下进行。预氧化的目的是使线型分子链转化成耐热梯形六元环结构，以使PAN纤维在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态，从而得到高质量的CF。
预氧化将使纤维颜色由白到黄，再到棕褐色直至最后变成黑色。
为了得到优质碳纤维，继续保持大分子主链结构对纤维轴的择优取向，预氧化过程必须对纤维施加张力，实行多段拉伸。
（4）碳化
分预碳化和碳化两个阶段。处理温度分别为400～600℃和600～1000℃。碳化必须在惰性气体保护下，一般采用高纯度氮气（含量为99.990%～99.999%），纤维中的非碳原子如N、H、O等元素被裂解出去，纤维中的含碳量从60%左右提高到92%以上。碳化时纤维也会发生物理收缩和化学收缩，因此，碳化时也必须加适量的张力进行拉伸，以得到优质碳纤维。纤维经过低温碳化处理后，其强度大约在1.5～2.0GPa，模量约120GPa，经过高温处理后强度显著提高。
碳化过程的技术关键是保证非碳元素的各种气体（如CO、2CO、HO、NH、H、HCN、N）的瞬间排除，如不及时排除，将2322造成纤维表面缺陷，甚至断裂。
（5）石墨化
2500～3000℃下在密封装置中采用保护气体进行，多使用高纯氩气，也可采用高纯氦气，并对纤维施加张力，目的是引起纤维石墨化晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减小，以提高碳纤维的弹性模量。石墨化过程中，结晶碳含量不断提高，可达99%以上，纤维结构不断完善，由碳纤维的乱层石墨结构变成石墨纤维的类似石墨的层状结晶结构。
（6）表面处理和上浆
成品的碳纤维还需进行表面处理和上浆。表面处理是对纤维表面进行氧化或涂覆处理，以增加纤维的润湿性、抗氧化性，以及与基材的黏着性。方法主要有电化学法、热气氧化法和气体沉淀法等，其中较常用的为电化学法，处理装置包括电解槽和水洗槽两部分，纤维在以铂板为阴极和与之平行的石墨板为阳极的电解槽中使表面得到氧化，然后在水洗槽中用软水除去纤维上的电解质。
表面处理后的碳纤维还需进行上浆，目的是保护碳纤维表面处理（特别是臭氧处理或等离子体处理）后产生的表面活性，有利于改善与树脂基体的黏合力及后加工性能，防止毛丝的产生。上胶剂大多用聚酰胺类和环氧树脂类的低浓度溶液。上浆装置由调装槽、导辊、上浆槽、上浆辊、刮浆辊等构成。碳纤维经上浆后，复合材料强度提高15%～20%。
2.3.2 沥青基碳纤维（pitch-base carbon fiber）
沥青基碳纤维是一种以石油沥青或煤沥青为原料，经沥青的精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化而制得的含碳量大于92%的特种纤维。具有高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电与导热等优良性能，在航空航天工业、交通、机械、体育娱乐、休闲用品、医疗卫生和土木建筑方面得到广泛应用。
沥青基碳纤维与聚丙烯腈基碳纤维相比，强度和模量都较低，因而发展较慢。但随着中间相沥青制备工艺的不断完善和更新，沥青基碳纤维的性能得到较大的提高，目前抗拉强度已经达到300MPa以上，模量达到50GPa以上，有的甚至达到90GPa的水平。这就形成了PAN碳纤维和沥青基碳纤维在性能上互补的局面，但是沥青基碳纤维的生产成本非常低，在民用方面有更强的竞争力。
与聚丙烯腈基碳纤维一样，沥青基碳纤维也具有相对密度小、耐酸碱、耐腐蚀、导电、尺寸稳定性好等优点。
通用型沥青基碳纤维的制备分以下几个阶段。
（1）原料沥青的精制
沥青中，特别是煤焦油沥青中常含有游离碳和固体杂质，它们在纺丝过程中可能堵塞纺丝孔，细小颗粒残留在纤维中则是碳纤维的断裂源。为此，必须对沥青进行精制，以除去这些不溶物杂质。通常采取的方法是在沥青中加入一定量的溶剂，并将沥青加热到100℃以上，用不锈钢网或耐热玻璃纤维等进行过滤；在热过滤过程中，还必须用一定的氮气进行保护，防止过滤时沥青的氧化。
（2）沥青调制
沥青调制的目的一是除去沥青中的轻组分，防止在纺丝过程中产生气泡，造成丝的断裂；二是提高软化点，使分子量分布均匀。调制是通过沥青的热缩聚、加氢预处理、溶剂萃取的方法制取可纺沥青。调制的一般方法是空气吹扫法和热缩聚法。研究发现在360℃下空气吹扫2～4h煤沥青软化点能够显著提高，达到了282.6℃，并且具有良好的纺丝性能。
各种调制后的沥青需要进行分离，主要方法有沉降法、热滤法和超声波分离法等，从而达到除去各向同性沥青中的二次喹啉不溶物的目的。
（3）纺丝
沥青的熔纺与一般的高分子不同，它们在极短的时间内固化后就不能再进行牵伸，得到的沥青纤维十分脆弱，因此，在纺丝时就要求能纺成直径在l5μm以下的低纤度纤维，以提高最终碳纤维的强度。纺丝方法主要有挤压法、离心法、熔吹法、涡流法。挤压法是用高压泵将熔化的高温液体沥青压入喷丝头，挤出成细丝；离心法是将熔化的高温沥青液体在高速旋转的离心转鼓内通过离心力作用被甩出立即凝固成纤维丝；熔吹法是将熔化的高温沥青液体送到喷丝头内，沥青液体从小孔压出后立即被高速流动的气体冷却和携带牵伸成纤维丝；涡流法是将高温液体沥青由热气流在其流出的切线方向吹出并被牵伸，所纺出的纤维具有不规则的卷曲。
纤维成型时的纺丝温度变得非常重要。纺丝温度的微小变化可导致纺丝压力的很大波动。因而，纺丝温度关系到纺丝操作的稳定性，以及最终碳纤维的性能。除此之外，挤出流速、收丝速度及这两者的比值（牵伸比）都会影响碳纤维的力学性能。
现在纺丝的方法有熔喷法和熔纺法，二者各具特色，可根据产品的特性和工艺装备的可能性进行选择。
（4）沥青纤维的预氧化稳定
沥青纤维必须通过碳化，充分除去其中的非碳原子，最终得到碳元素所固有的特性；但由于沥青的可溶性和黏性，在刚开始加温时就会黏合在一起，影响单丝碳纤维的形成，所以必须先进行碳纤维的预氧化处理。另外预氧化还可以提高沥青纤维的力学性能，增加碳化前的抗拉强度。沥青纤维在氧化过程中发生了十分显著的化学变化和物理变化，其中最主要的变化是分子之间产生了交联，使纤维具有不溶解、不熔融的性能。
目前，预氧化有气相法和液相法两种，气相法氧化剂通常采用空气、NO、SO、臭氧和富氧气体等；液相法氧化剂采用硝酸、硫酸、23高锰酸钾和过氧化氢等溶液。在预氧化过程中，要求纤维氧化均匀，不应形成中心过低、边缘过高的皮芯结构。氧化温度一般在200～400℃下。
（5）沥青基碳纤维的碳化和石墨化
预氧化后的沥青纤维应送到惰性气氛中进行碳化或石墨化处理，以提高最终力学性能。碳化是在1200℃左右进行，而石墨化则是在接近3000℃的条件下进行。碳化时，单分子间产生缩聚，同时伴随着脱氢、脱甲烷、脱水反应，使非碳原子不断被脱除，碳化后的纤维碳含量可达到92%以上，碳的固有特性得到发展，单丝的拉伸强度、模量增加。随着碳纤维应用领域的拓宽，比如说将其组装成锂离子电池和超级电容器，使得对其性质的要求更高，于是进一步石墨化便变得不可缺少，以进一步增加碳含量。
（6）沥青基碳纤维的后处理
为了进一步提高沥青纤维与复合基体的亲和力和黏结力，还必须对沥青纤维进行表面处理，以消除表面杂质，并在纤维表面形成微孔，增加表面能。但是这方面由于要根据具体的实际需要而定，因此方法的种类很多。现在主要的处理方法有空气氧化法、液相氧化法等。
当前，制备沥青基碳纤维的产业化仍然存在一些问题，如沥青的高度精制、热稳定性高的中间相沥青的制备、高轴径比和高分子性能的中间相沥青的制备、纺丝时纤维内取向的控制、纺丝后沥青纤维强度的提高、不熔化处理生产能力的提高、碳纤维性能强度、弹性模量、伸长率的改进等。
2.4 带有神秘色彩的芳纶
芳纶（aramid fiber）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），其分子结构是：至少有85%的酰胺链（—CONH—）直接与两个苯环相连接。它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℃的温度下，不分解，不熔化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶目前主要分对位芳纶和间位芳纶。
芳纶的性能特点如下。
（1）良好的机械特性
芳纶是一种柔性高分子，断裂强度高于普通涤纶、棉、尼龙等，伸长率较大，手感柔软，可纺性好，可生产成不同纤度、长度的短纤维和长丝，用一般纺织机械制成不同纱支织成的面料、无纺布，经过后整理，满足不同领域的防护服装的要求。
（2）优异的阻燃、耐热性能
间位芳纶的极限氧指数（LOI）大于28，因此当它离开火焰时不会继续燃烧。间位芳纶的阻燃特性是由其自身化学结构所决定的，因而是一种永久阻燃纤维，不会因使用时间和洗涤次数而降低或丧失阻燃性能。间位芳纶具有很好的热稳定性，在205℃的条件下可以连续使用，在大于205℃高温条件下仍能保持较高的强力。
（3）稳定的化学性质
芳纶具有优异的耐大多数化学物质的性能，可耐大多数高浓度的无机酸，常温下耐碱性能好。
（4）耐辐射性
-22芳纶的耐辐射性能十分优异。例如在1.2×10W/in紫外线和1.72×108rads的γ射线的长时间照射下，其强度仍保持不变。
（5）耐久性
芳纶优良的耐摩擦和耐化学品性能，经过100次洗涤后，用间位芳纶加工的布料撕破强力仍可以达到原强力的85%以上。
芳纶具有很高的拉伸强度和优异的韧性，可与树脂基体或陶瓷基体制成复合材料，用于装甲和防护。利用芳纶的阻燃性，制成的复合材料可用来制造飞机的内舱件。此外在造船、体育器材、汽车、建筑等工业领域也有广泛应用，如：在建筑业可以作增强混凝土构件、汽车业可替代石棉来制造刹车片、离合器、整流器等，芳纶子午线汽车轮胎是发展很快的新产品，能有效地提高轮胎的使用寿命和防爆安全性。此外，还有耐热制品如芳纶增强的橡胶传送带，以及高性能的绳索等。
2.5 纤维家族的新宠——超高分子量聚乙烯纤维
超高分子量聚乙烯纤维（ultra high molecular weight polyethylene fiber，UHMWPE）又称高强高模聚乙烯纤维，是近年来出现的强度最高的纤维，是用相对分子质量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。
纤维的制作，总体上与常规聚酯纤维的制作有相似之处，主要生产工序如下：原料制备→双螺杆挤出→纺丝箱→喷丝板→萃取→干燥→加热牵伸→卷绕成型。每个环节都必须进行严格的质量控制。
（1）原料制备
原料制备方法不一，采用的溶剂不同，固含量也不一样。因此原料的配比不能有波动，要求始终均匀一致。
（2）双螺杆挤出
对物料起着输送→搅拌→加热→加压等作用。首先，进入“螺杆”之前的浆料要脱泡，不能含有水汽，物料在输送过程中，要充分得到混炼搅拌。各区的加热温度，要通过螺杆上捏合块的位置加以设定，并且要保证一定的输送压力。螺杆捏合块的设定，理论性很强，不同的组合，对物料的搅拌会有不同的效果。
（3）纺丝箱
它的作用主要是保温；控温；均匀地将物料分配到每一个纺丝组件。
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