民用、军用及航空航天用纤维发展现状与趋势

民用、军用及航空航天用纤维发展现状与趋势

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天津工业大学

程博闻，陈利，孙颖，任元林，赵晓明

2 T: ]- h! Z/ [; ~( m纤维，特别是特种纤维及高性能纤维的发展为城市安全和国防安全提供了有力保障。纤维在城市安全及国防安全中的具体应用主要包括建筑增强、防灾减灾、单兵服备系统、航空航天等。

1. 城市安全及国防安全用纤维种类
城市安全及国防安全用纤维种类繁多，常规纤维包括：天然纤维，如棉纤维、麻纤维等纤维素纤维；有机合成纤维，如维纶、腈纶、聚乙烯纤维、锦纶、丙纶等；无机纤维，如金属纤维、玻璃纤维（特别是耐碱玻璃纤维）、玄武岩纤维、碳纤维等。特种合成纤维包括：芳香族聚酰胺纤维、聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚纤维、芳砜纶和聚四氟乙烯纤维、特种阻燃聚丙烯纤维、高韧性阻燃聚乙烯醇纤维、阻燃聚酯纤维、阻燃腈纶、有机杂环类纤维（聚苯并二噁唑、聚苯并噻唑、聚苯并咪唑纤维）等。混杂纤维包括：钢丝- 乙纶、钢丝- 维纶、钢丝-丙纶、钢丝- 尼龙等。


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2. 发展现状
% a) @- p% E; u+ y: v) b! T" R2.1 建筑增强及防灾、减灾用纤维
轻质高强纤维增强混凝土及预应力混凝土不仅可减少钢筋用量，减轻混凝土自重，改善钢筋混凝土结构的抗裂性能，并可大大增强其抗震、防灾、减灾性能。

纤维用于建筑增强最早于1965 年由Goldfein 提出，并将聚丙烯纤维用于美军工兵部队的防爆结构。60 年代末，美国、欧洲开始将聚丙烯纤维混凝土用于水泥制品和建筑业。1971 年英国制定了纤维增强混凝土用于管道、管件的国家标准。80 年代以来，美国、欧洲研制出高强、高弹模的改性纤维用于增强混凝土。纤维增强混凝土的用量已占混凝土总量的10% 以上，应用较多的是丙纶、维纶、锦纶以及高强高模聚乙烯纤维等。
中国建筑材料科学研究院和北京建筑材料研究所最早于20世纪80 年代进行了丙纶和维纶混凝土的研究，近年来，国内相继开发了丙纶、高强高模聚乙烯纤维、高韧性维纶、芳纶、碳纤维增强混凝土。其中以碳纤维增强混凝土性能最优，具有其它纤维增强型混凝土所不具备的优良机械性能、防水渗透性能、耐自然温差性能，在强碱环境下具有稳定的化学性能、持久的机械强度和尺寸的稳定性。
如今，纤维混凝土增强受到国内外广泛重视，在美国、英国、日本和西欧等地，纤维混凝土在桥面和路面（公路和机场跑道）的罩面层，采矿和隧道工程、边坡的固定、防火设施、混凝土修补、工业地面等方面的应用均获得了巨大成功。日本防灾科学研究所成功研制出聚丙烯纤维混凝土，由其建造的桥墩模型能够抵抗阪神大地震1.5 倍以上的震动。重庆世界贸易中心在特大型转换层大梁中应用特种聚丙烯纤维增强混凝土，成功解决了高标号大体积混凝土施工中的抗裂和提高韧性等问题。重庆金厦苑大厦工程转换层大梁截面采用在C50 高强混凝土中掺加特种聚丙烯纤维，以提高高强混凝土的抗裂性能。国家大剧院基础底板和地下室防水采用防裂抗渗聚丙烯纤维混凝土，整个浇注过程中未发生堵塞，强度和抗渗等级均满足设计要求，至今未出现可见裂缝。湖南月湖桥为预应力聚丙烯纤维钢筋混凝土连续梁桥，达到动、静态检测标准，符合设计要求。平顶山市平东线姚孟段铺设了200m 的聚丙烯纤维混凝土路面，至今无明显裂缝、断面、错台现象。
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2 d. y9 x! U9 t1 k# a5 a: p) }7 z纤维亦可应用于发泡水泥保温材料的增强，赋予保温材料良好的强度、韧性、保温和阻燃等功效。纤维增强树脂基复合材料筋材应用到建筑混凝土梁、柱及门窗结构，实践证明，在对于抗震性能、耐久性与耐腐蚀性能有特殊要求的梁、柱、屋架等各种建筑承载结构加固补强方面，纤维增强树脂基复合材料以及其智能复合材料具有更为安全的性能优势和简便的施工优势。
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; x+ A9 ?8 E' Y& G纤维对城市防灾、减灾领域的作用体现在建筑结构抗震加固、临近建筑的山体锚固、城市防洪、建筑材料阻燃、工程抢险掩体以及防空工程等技术领域。纤维在给防灾与减灾领域用复合材料带来减重、增强、增韧、抗震、阻燃、保温等性能效益的同时，提供了广阔灵活的可设计性。例如，纤维使得其增强水泥基复合材料的重量大大降低，且韧性指标提升多倍，显著增强建筑结构抵抗瞬间冲击爆裂能力，避免钢筋直接暴露于火灾中，延缓建筑结构的损伤，有效减
少次生灾害。


混凝土常用合成纤维的性能

纤维种类	抗拉强度	弹性模量	极限延伸率	比重	耐碱性	吸湿率	耐光性
聚丙烯单丝	285-570	3-9	15-25	0.91	好	0	不好
聚丙烯裂膜	450-650	8-10	8-10	0.91	好	0	不好
聚丙烯腈纤维	250-440	3-8	12-20	1.17	尚好	2.0	好
对位芳纶	1500-2000	27-40	3-5	1.43	尚好	2.0	尚好

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2.2 国防安全用纤维
2.2.1 单兵防护系
8 H1 d) H  Z3 K( h  t7 M一套典型的单兵防护系统包括头盔、作战套服、携行具、防弹背心、作战靴等五个部分，可用于装备部队、武警等，在全域作战、立体攻防情况下为单兵提供战斗生存保障。系统基本的防护要求涉及伪装、阻燃、保暖、防弹、耐磨、透气、吸湿、散热、速干、拒水、保温、防水等，更高的防护要求还包括对化学、生物、放射性尘埃的防护。美军从上世纪80 年代就启动了单兵综合系统的一体化建设，我国起步较晚，但近年来已获得高度重视。单兵防护系统的整体特点是根据任务不同，可逐层叠加，以满足全域作战要求。在设计时应考虑穿戴方便快捷、贴身稳固，便于肢体运动、具备多样化随身物品装载手段，易于快速取放等。单兵防护系统开发的关键是结构设计和材料性能，特种纤维材料为性能设计提供了可能性。

纤维品种主要有芳纶、阻燃粘胶、阻燃尼龙、吸湿排汗涤纶、抗菌整理聚酯、氨纶、腈氯纶、活性碳纤维等。
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2.2.2 航空与航天领域
0 p! Z9 E; ^8 P" @作为国家战略发展的关键新材料，高性能纤维及复合材料增强用特种纺织品在航空航天、国防安全等高技术领域的应用和需求与日俱增。军用和民用航空领域高性能纤维复合材料的应用已经从三级结构扩展到主、次承力结构件，例如直升机旋翼系统、方向舵、着陆架等；战斗机发动机前锥套、雷达罩、电磁发射窗等透波部件以及垂直尾翼、方向舵、着陆装置、机翼箱等；Ａ 380 客机机身、消音板、座舱、高温管道、GLARE 地板，多型号航空发动机风扇机匣包容环、喷管燃烧室、火焰筒、内衬、隔热屏、混合器、静子和转子叶片、喷管调节片、密封片等热端部件和涡轮导向器绝缘板等。高性能纤维及其复合材料更容易适应导弹、运载火箭、卫星和航天飞机等苛刻运行环境的需要，已成功应用于导弹天线罩、天线窗、承力筒、相机镜筒、卫星束缚展开系统等。基于纤维材料，美国航空航天局正致力于研发用于航天器再循环水处理系统的过滤装置，宇航服生命维持系统以及宇航服反射绝缘层和外防火层等。
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; J: T. T% Q( v3 _9 E! N5 h. z通常，应用于航空航天、国防安全领域的纤维要求具有低密度、高比强、高比模量、耐高温、抗化学腐蚀、低电阻、高热导、低热膨胀和耐化学辐射等特性。关注的纤维种类有主要包括：玻璃纤维、T300 级以上、M 系列、MJ 系列聚丙烯腈基碳纤维、芳香族聚酰胺纤维（芳纶Ⅲ）、聚芳酯（Vectran）纤维、耐高温沥青基碳纤维及粘胶基碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维、石英纤维、氮化硼纤维、氧化锆纤维、氧化铝纤维、莫来石纤维、聚酰亚胺（PI）纤维、聚苯硫醚（PPS）纤维、聚对苯撑苯并双噁唑（PBO）纤维、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维等。
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航空航天用特种织物具有高维自由度的可设计性，通过改变织物内部结构，可以在很宽的范围内“量体设计” 材料的力学性能和物理性能以满足特殊环境下的使用要求。目前，包括三维机织物、三维编织物、三维针织物、正交非织造织物、针刺和z-pinning 织物等在内的仿形三维织物被认为是提高复合材料强度、抗烧蚀、抗热震和抗蠕变等性能最为有效的方法，同时是实现航空航天飞行器结构一体化设计制造的技术关键，已成为新一代飞行器研制的核心技术和重点发展领域。

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三维织物
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3. 结语
城市安全及国防安全用纤维品种虽然种类繁多，但真正实际应用的纤维品种有限，然而，国家的城镇化建设的突飞猛进及国防建设的飞速发展，对纤维提出了更高的要求：
1.纤维要满足高强度、高模量，轻量化、多功能化、智能化及低成本的发展需要。对于特殊要求的领域如居民建筑、作战服、航空航天等还应满足阻燃、燃烧低毒性、透波性、吸波性、电磁性、隔音、保温等要求。
  O* e1 h' v8 N3 a5 F/ a3 Z2.建筑增强纤维通过表面构筑技术增加纤维与混凝土的相容性，不出现界面剥离问题。