民用、軍用及航空航天用纖維發展現狀與趨勢

民用、軍用及航空航天用纖維發展現狀與趨勢

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天津工業大學

程博聞，陳利，孫穎，任元林，趙曉明

, Y7 ?' l- ^; Z/ A$ U  Y1 ]纖維，特別是特種纖維及高性能纖維的發展為城市安全和國防安全提供了有力保障。纖維在城市安全及國防安全中的具體應用主要包括建筑增強、防災減災、單兵服備系統、航空航天等。
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1. 城市安全及國防安全用纖維種類
城市安全及國防安全用纖維種類繁多，常規纖維包括：天然纖維，如棉纖維、麻纖維等纖維素纖維；有機合成纖維，如維綸、腈綸、聚乙烯纖維、錦綸、丙綸等；無機纖維，如金屬纖維、玻璃纖維（特別是耐堿玻璃纖維）、玄武巖纖維、碳纖維等。特種合成纖維包括：芳香族聚酰胺纖維、聚酰亞胺纖維、聚苯硫醚纖維、芳砜綸和聚四氟乙烯纖維、特種阻燃聚丙烯纖維、高韌性阻燃聚乙烯醇纖維、阻燃聚酯纖維、阻燃腈綸、有機雜環類纖維（聚苯并二噁唑、聚苯并噻唑、聚苯并咪唑纖維）等?；祀s纖維包括：鋼絲- 乙綸、鋼絲- 維綸、鋼絲-丙綸、鋼絲- 尼龍等。


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2. 發展現狀
2 Q9 O0 u' f/ W. [2.1 建筑增強及防災、減災用纖維
輕質高強纖維增強混凝土及預應力混凝土不僅可減少鋼筋用量，減輕混凝土自重，改善鋼筋混凝土結構的抗裂性能，并可大大增強其抗震、防災、減災性能。
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纖維用于建筑增強最早于1965 年由Goldfein 提出，并將聚丙烯纖維用于美軍工兵部隊的防爆結構。60 年代末，美國、歐洲開始將聚丙烯纖維混凝土用于水泥制品和建筑業。1971 年英國制定了纖維增強混凝土用于管道、管件的國家標準。80 年代以來，美國、歐洲研制出高強、高彈模的改性纖維用于增強混凝土。纖維增強混凝土的用量已占混凝土總量的10% 以上，應用較多的是丙綸、維綸、錦綸以及高強高模聚乙烯纖維等。
中國建筑材料科學研究院和北京建筑材料研究所最早于20世紀80 年代進行了丙綸和維綸混凝土的研究，近年來，國內相繼開發了丙綸、高強高模聚乙烯纖維、高韌性維綸、芳綸、碳纖維增強混凝土。其中以碳纖維增強混凝土性能最優，具有其它纖維增強型混凝土所不具備的優良機械性能、防水滲透性能、耐自然溫差性能，在強堿環境下具有穩定的化學性能、持久的機械強度和尺寸的穩定性。
' H9 v. X8 z+ V3 u& G9 Z8 P如今，纖維混凝土增強受到國內外廣泛重視，在美國、英國、日本和西歐等地，纖維混凝土在橋面和路面（公路和機場跑道）的罩面層，采礦和隧道工程、邊坡的固定、防火設施、混凝土修補、工業地面等方面的應用均獲得了巨大成功。日本防災科學研究所成功研制出聚丙烯纖維混凝土，由其建造的橋墩模型能夠抵抗阪神大地震1.5 倍以上的震動。重慶世界貿易中心在特大型轉換層大梁中應用特種聚丙烯纖維增強混凝土，成功解決了高標號大體積混凝土施工中的抗裂和提高韌性等問題。重慶金廈苑大廈工程轉換層大梁截面采用在C50 高強混凝土中摻加特種聚丙烯纖維，以提高高強混凝土的抗裂性能。國家大劇院基礎底板和地下室防水采用防裂抗滲聚丙烯纖維混凝土，整個澆注過程中未發生堵塞，強度和抗滲等級均滿足設計要求，至今未出現可見裂縫。湖南月湖橋為預應力聚丙烯纖維鋼筋混凝土連續梁橋，達到動、靜態檢測標準，符合設計要求。平頂山市平東線姚孟段鋪設了200m 的聚丙烯纖維混凝土路面，至今無明顯裂縫、斷面、錯臺現象。

纖維亦可應用于發泡水泥保溫材料的增強，賦予保溫材料良好的強度、韌性、保溫和阻燃等功效。纖維增強樹脂基復合材料筋材應用到建筑混凝土梁、柱及門窗結構，實踐證明，在對于抗震性能、耐久性與耐腐蝕性能有特殊要求的梁、柱、屋架等各種建筑承載結構加固補強方面，纖維增強樹脂基復合材料以及其智能復合材料具有更為安全的性能優勢和簡便的施工優勢。

纖維對城市防災、減災領域的作用體現在建筑結構抗震加固、臨近建筑的山體錨固、城市防洪、建筑材料阻燃、工程搶險掩體以及防空工程等技術領域。纖維在給防災與減災領域用復合材料帶來減重、增強、增韌、抗震、阻燃、保溫等性能效益的同時，提供了廣闊靈活的可設計性。例如，纖維使得其增強水泥基復合材料的重量大大降低，且韌性指標提升多倍，顯著增強建筑結構抵抗瞬間沖擊爆裂能力，避免鋼筋直接暴露于火災中，延緩建筑結構的損傷，有效減
少次生災害。

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混凝土常用合成纖維的性能

纖維種類	抗拉強度	彈性模量	極限延伸率	比重	耐堿性	吸濕率	耐光性
聚丙烯單絲	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
聚丙烯腈纖維	250-440	3-8	12-20	1.17	尚好	2.0	好
對位芳綸	1500-2000	27-40	3-5	1.43	尚好	2.0	尚好

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2.2 國防安全用纖維
4 Z5 {' P0 {7 l. r, Q* N/ D  f2.2.1 單兵防護系
: V$ x; s* U& D: ]1 u. Z8 k一套典型的單兵防護系統包括頭盔、作戰套服、攜行具、防彈背心、作戰靴等五個部分，可用于裝備部隊、武警等，在全域作戰、立體攻防情況下為單兵提供戰斗生存保障。系統基本的防護要求涉及偽裝、阻燃、保暖、防彈、耐磨、透氣、吸濕、散熱、速干、拒水、保溫、防水等，更高的防護要求還包括對化學、生物、放射性塵埃的防護。美軍從上世紀80 年代就啟動了單兵綜合系統的一體化建設，我國起步較晚，但近年來已獲得高度重視。單兵防護系統的整體特點是根據任務不同，可逐層疊加，以滿足全域作戰要求。在設計時應考慮穿戴方便快捷、貼身穩固，便于肢體運動、具備多樣化隨身物品裝載手段，易于快速取放等。單兵防護系統開發的關鍵是結構設計和材料性能，特種纖維材料為性能設計提供了可能性。
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, a% Z7 o* R/ D3 {纖維品種主要有芳綸、阻燃粘膠、阻燃尼龍、吸濕排汗滌綸、抗菌整理聚酯、氨綸、腈氯綸、活性碳纖維等。

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2.2.2 航空與航天領域
  y+ ^3 r9 k( ~* t4 f* F作為國家戰略發展的關鍵新材料，高性能纖維及復合材料增強用特種紡織品在航空航天、國防安全等高技術領域的應用和需求與日俱增。軍用和民用航空領域高性能纖維復合材料的應用已經從三級結構擴展到主、次承力結構件，例如直升機旋翼系統、方向舵、著陸架等；戰斗機發動機前錐套、雷達罩、電磁發射窗等透波部件以及垂直尾翼、方向舵、著陸裝置、機翼箱等；Ａ 380 客機機身、消音板、座艙、高溫管道、GLARE 地板，多型號航空發動機風扇機匣包容環、噴管燃燒室、火焰筒、內襯、隔熱屏、混合器、靜子和轉子葉片、噴管調節片、密封片等熱端部件和渦輪導向器絕緣板等。高性能纖維及其復合材料更容易適應導彈、運載火箭、衛星和航天飛機等苛刻運行環境的需要，已成功應用于導彈天線罩、天線窗、承力筒、相機鏡筒、衛星束縛展開系統等?；诶w維材料，美國航空航天局正致力于研發用于航天器再循環水處理系統的過濾裝置，宇航服生命維持系統以及宇航服反射絕緣層和外防火層等。

7 ^& Z8 F' S! [. U通常，應用于航空航天、國防安全領域的纖維要求具有低密度、高比強、高比模量、耐高溫、抗化學腐蝕、低電阻、高熱導、低熱膨脹和耐化學輻射等特性。關注的纖維種類有主要包括：玻璃纖維、T300 級以上、M 系列、MJ 系列聚丙烯腈基碳纖維、芳香族聚酰胺纖維（芳綸Ⅲ）、聚芳酯（Vectran）纖維、耐高溫瀝青基碳纖維及粘膠基碳纖維、硼纖維、碳化硅纖維、石英纖維、氮化硼纖維、氧化鋯纖維、氧化鋁纖維、莫來石纖維、聚酰亞胺（PI）纖維、聚苯硫醚（PPS）纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑（PBO）纖維、超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維等。
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% {- d6 E1 _+ u7 ^航空航天用特種織物具有高維自由度的可設計性，通過改變織物內部結構，可以在很寬的范圍內“量體設計” 材料的力學性能和物理性能以滿足特殊環境下的使用要求。目前，包括三維機織物、三維編織物、三維針織物、正交非織造織物、針刺和z-pinning 織物等在內的仿形三維織物被認為是提高復合材料強度、抗燒蝕、抗熱震和抗蠕變等性能最為有效的方法，同時是實現航空航天飛行器結構一體化設計制造的技術關鍵，已成為新一代飛行器研制的核心技術和重點發展領域。
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三維織物
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3. 結語
, b* x1 M+ r* F) u+ Z* ^城市安全及國防安全用纖維品種雖然種類繁多，但真正實際應用的纖維品種有限，然而，國家的城鎮化建設的突飛猛進及國防建設的飛速發展，對纖維提出了更高的要求：
1.纖維要滿足高強度、高模量，輕量化、多功能化、智能化及低成本的發展需要。對于特殊要求的領域如居民建筑、作戰服、航空航天等還應滿足阻燃、燃燒低毒性、透波性、吸波性、電磁性、隔音、保溫等要求。
2.建筑增強纖維通過表面構筑技術增加纖維與混凝土的相容性，不出現界面剝離問題。