超纤维及其先进复合材料的最新进展

超纤维及其先进复合材料是当代超材料的重要组成部分,是未来新一代航空航天、国防军工和尖端科学的先导和保障材料。本文重点介绍了超碳纤维、聚对亚苯基苯并二噁唑纤维、芳纶Ⅲ、聚对苯撑吡啶并二咪唑纤维、超高相对分子质量聚乙烯纤维、超液晶聚芳酯纤维、超碳化硅纤维等超材料的最新开发及应用进展,并对今后的发展进行了展望,提出碳纳米管和石墨烯纤维等未来有望成为超纤维的新品种。

基于超纤维和引气剂的水泥混凝土路用性能试验研究

传统普通水泥混凝土路面由于受到自身材料的限制,其路用性能往往满足不了长期的使用要求.通过试验研究发现:掺入纤维明显增加水泥混凝土的抗弯拉强度,且随着纤维掺量的增加,弯拉强度逐渐变大,对比5种不同纤维掺量下的水泥混凝土的性能可以看出,掺入1.1 kg/m3时强度最高;掺入引气剂混凝土的劈裂强度明显提高,且随着引气剂掺量的增加,劈裂强度逐渐变大,对比3种不同引气剂掺量下的水泥混凝土的性能可以看出,掺入2880g/m3强度最高.因此在混凝土中掺入超细纤维和引气剂的复合外掺剂后,可以使其力学及抗冻性等性能得到不同程度的提高,从而使其路用性能得到改善.

超纤维的最近动向和今后的扩展

1.前言 一般说来,超纤维又称高科技纤维或高性能纤维等。笔者由于学识浅薄,关于超纤维是否有世界共同的定义还不知道,但一般是指强度20g/d(17.6cN/dtex)以上、模量500g/d(440cN/dtex)以上的纤维。当然,对于广义的超纤维,如果被称作高性能纤维,就包含所说的高功能纤维,前述的这些纤都相当于高性能纤维。在本稿中,由于篇幅有限,此处所介绍的高性能纤维。

超纤维的需求量继续增长

(1)对位芳胺纤维继续增加设备 产业用材料的每个领域都有高档化和IT(信息技术)化的趋势，而可以说成超纤维的高强度、高模量纤维，不仅材料本身而且包括后加工在内的高性能纤维的需求量，着实增加了。 相对于此，从地球环保的观点作为聚酯下一代合纤材料有望的PLA(聚乳酸)，继钟纺合纤、尤尼吉卡、可乐丽之后，东丽等也开始积极介入，今后预期有广阔的需求。PLA也不仅作为纺织材料，而且还进行了无纺布、薄膜和树脂等的应用开发。超纤维不仅仅是对位芳酰胺纤维(PPTA)，其它超纤维增设的机遇也强具有各超纤维功能的纤维，在土木建筑材料等方面的需求匹配性大。 然而，超纤维除杜邦的Kevlar外，日本厂家也很强。生产Dyneema的DSM和东洋纺、生产Vectran的可乐丽和Celanese、生产Zylon的道化学和东洋纺等，都有技术引进的情况，而PPTA纤维除杜邦外，日系的厂家所占的份额高，日系厂家扩大生产规模的动向强。 帝人集团的PPTA纤维Twaron和Technora最先决定大幅度增设。对此，持有世界最大生产能力的杜邦也在美国明确表示要增设1个系列的Kevlar纤维生产线。 (2)继续满负荷生产的聚芳酯纤维“Vect ran” 由PPTA需求坚挺可以看出，其中被指责价格成为问题的芳酰胺浆粕，由于面向石棉代用品等的需求增长，可以进行价格更正。以前只有纤维和短纤维是坚挺的，由于芳酰胺浆粕的需求获得改善，PPTA的需求就变得趋紧。 这种材料拓展的用途广是不言而喻的。作为IT相关的印刷线路基板和光纤的补强元件、以及面向橡胶补强材料的轮胎等方面的需求增加，可以说是帝人和杜邦增设的原因。 其它超纤维也是坚挺的。可乐丽的高强力聚芳酯纤维“Vectran”，公称能力为400t/a，该公司正在考虑大幅度适时扩大其产能。它是熔融液晶系的唯一纤维，是全芳族的共聚聚酯。可以进行熔融聚合和熔纺，因此可生产多种多样的原丝。 Vectran的特长是在超纤维中只有聚酯系是低吸湿性，另外拉伸强度特性与PPTA纤维处于同等的水平等级。有效利用这种特性，在水产材料和缆绳类等是很重要的。 (3)“Dyneema”移向坚挺 东洋纺拥有两种超纤维，高强聚乙烯纤维“Dyneema”和聚对亚苯基苯并双恶唑(PBO)纤维“Zylon”。它们都是坚挺的。 Dyneema是以FRC(混凝土补强材料)为中心，正扩大销售，而目前的产能是410t/a，赶不上需求。它是由东洋纺进行纺丝、DSM承担聚合、通过凝胶纺丝进行生产。强度凌驾于碳纤维和PPTA纤维，可以说与最高水平的PBO纤维并不逊色。 此外，Dyneema的相对密度在1以下并浮于水上，加上耐药品性优良成了其可利用的武器。 (4)用途扩大的PBO纤维“Zylon” PBO纤维“Zylon”拥有200t/a的产能。1998年开始正式生产，用干喷湿纺进行液晶纺丝而生产出的纤维，其拉伸模量和拉伸强度比碳纤维还高。 此外，耐热性和抗燃性优良也是其特长之一，而价格比其它超纤维高得多，则是其难点。 Zylon的中期计划是拟扩大至1 000t/a，为此急于使用途扩大。 以防护服和消防服等的产业用途到体育用品和同步带、FRC等工业用途等为目标，进行研究开发的成果已经出来。 在阪神大地震和新干线隧道内混凝土塌落等事故发生时，对该纤维的关心度很高。 目前正开展新素材的开发，要求既具有“不生锈而又轻”，同时又能满足各项需求的特性，这与超纤维的需求广有关。

超纤维正快速增设

从世界的范围看，拥有高强度、高模量等高性能的超纤维厂家不少。包括帝人集团和包含东丽-杜邦在内的杜邦集团，都生产对位芳酰胺纤维。在这方面，有可乐丽的高强力聚芳酯纤维“Vectran”、东洋纺的高强力聚乙烯纤维“Dyneema”和PBO纤维“Zylon”等，大都集中于日系厂家。 这些超纤维，不仅在不景气的情况下来评价以对位芳酰胺为中心的各种材料的特性，而且有关方面还随需求量的增长进行分析。另外，不仅由于IT相关的光纤及手提电话的普及而增加需求量，在汽车方面也可看到为了适应地球的环境保护而使车体轻量化所进行的超纤维评价，此外为了适应各领域的安全性，不难看出对该纤维的关心很高涨。 在IT相关产业，面向光纤的LTM(线形张力元件)和面向手提电话的印刷线路基板大幅度增加。其中光纤将以中国市场及东欧、中南美为中心，预期今后会迅速普及。 另外，芳酰胺浆粕作为石棉代用品而面向汽车刹车片补强材料的需求也确定了。芳酰胺浆粕除杜邦先后于2000年10月和2001年4月降价10％左右外，今后还将积极降价。 特别是对位芳酰胺纤维，由于自2000年年中需求量进一步增长，因此供心继续紧张。受此影响，2001年6月帝人集团决定将荷兰的帝人特威隆的“Twaron”增设7500t/a，将日本国内的“Technora”增设600t/a。通过这些增设使集团的产能于 2003年4月将由目前的1.2万 t/a增至2万 t/a。 继此，最近杜邦公司也在美国Richmond增设一个系列生产线，到2002年底产能将增加10％-15％，预期将增至2.5万t/a(推定)。到2003年这两集团的对位芳酰胺纤维的产能，将由目前的3.2万-3.3万t/a急增至4.5万 t/a。然而，中国、东欧和中南美为中心的光纤补强张力元件等IT相关产业等的需求最，预计将继续增长10％/a左右。 这样急追对位芳酰胺纤维的需求增长的，是其它超纤维。 可乐丽的“Vectran”和东洋纺的“Dyneema”，都持续满负荷生产。Vectran将以2005年为目标使产能倍增至800t/a。东洋纺的Dyneema早就急于增加200t/a，使之达到600t/a 的产能，同时东洋纺生产的最高强度纤维“Zylon”，计划大幅度倍增至400t/a。而且在中长期，使下一次增设进入视野的步伐将加快。 可乐丽和东洋纺的这3个素材，除高强度和高模量等性能外，在有效利用各自特性的得意领域的需求也在增加。Vectran由于时水性和尺寸稳定性优良，主要用途是水产海洋用材、绳索类、体育用品等。东洋纺的Dyneema以低密度和高强度为基础，在RCN(绳索、帘子线和网类)、FRC(混凝土补强材料)和以面向特殊用途的头盔和手套等为中心的领域，用途十分广泛。该公司的Zylon 因强度最高、耐热性优良，从体育用品防灾等安全衣料至产业用材等的需求在增长。

超纤维进入国际竞争时代

高强力纤维和耐热纤维作为超纤维，引起了人们的关注。从芳酰胺纤维起相继开发了超高强聚乙烯纤维、PBO纤维、PPS纤维、聚芳酯纤维、聚酮纤维等。超纤维的用途主要面向能有效利用高强力和耐热性的特殊材料，而基本上非衣料领域。在超纤维中已经大批量生产的是碳纤维，其它超纤维的现状介绍如下。

“超纤维”概论

＂超纤维＂具有超过普通纤维的性能：①强度弹性模量很高;②耐热性优。狭义的定义是：①拉伸断裂强度2 GPa以上;②拉伸初始弹性模量50 GPa以上。本文介绍了几种高强度、高弹性模量纤维的制备及其特性。1纤维的结构1.1纤维的微细结构表1列出了从纤维的分子结构求出的理论强度（极限强度）和理论弹性模量（极限弹性模量）,以及市售纤维的强度和弹性模量。普通纤维的强度只有其极限强度的7％以下；除聚甲醛（POM）纤维外，普通纤维的弹性模量都是在其极限弹性模量的40％以下，这说明分子结构的力学特点尚未充分发挥出来。

BFRP筋与超高性能纤维混凝土黏结性能试验研究

为探究玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋与超高性能纤维混凝土(UHPFRC)之间的黏结性能,通过中心拉拔试验,对BFRP-UHPFRC试件破坏模式、黏结-滑移曲线进行分析,且探讨了筋材直径、单一纤维及钢-PVA混杂纤维对黏结强度的影响。结果表明,试件破坏模式包括BFRP筋拔出破坏与拉断破坏。BFRP筋直径的增大将导致黏结强度降低。随着单一纤维掺量增加,黏结强度呈先增大后减小的趋势。而相较于单一纤维,钢-PVA混杂纤维显著提高了试件的黏结强度,当掺入1%钢纤维和0.5%PVA纤维时,黏结强度最高(25.35 MPa)。此外,通过灰狼算法优化的支持向量回归模型实现对黏结强度的预测,预测值与实际值拟合较好。

基于还原氧化石墨烯-MXene三维气凝胶修饰碳纤维超微电极的一氧化氮检测

一氧化氮(NO)作为人体内重要的二级信使,在多种生理过程中起到关键作用,对其高灵敏度、高选择性的在体检测至关重要。基于电化学方法快速、准确、灵敏度高等优点,本研究提出了基于还原氧化石墨烯-MXene三维复合材料修饰碳纤维超微电极的NO检测方法。利用碳纤维超微电极极小的体积、良好的生物相容性和较高的灵敏度等优点,最大限度的减小电极本身对生物体的刺激和损伤。利用还原氧化石墨烯-MXene复合材料大的比表面积、高电导率、丰富的多孔结构及金纳米材料对NO的高催化性能,聚苯胺和聚邻苯二氨的高导电性和分子过滤性能,提高了电极的灵敏度和选择性。测得NO的线性检测范围为0.11~235.67μmol/L(R^(2)=0.998),检出限(S/N=3)为16.8 nmol/L,灵敏度为0.23 nA/(μmol/L)。该电极对抗坏血酸、多巴胺等体内常见干扰物没有响应,具有较强的抗干扰能力。

超高性能纤维混凝土在公路桥梁加固中的应用

结合四川省某桥梁工程施工案例,对超高性能纤维混凝土种类选择和配比计算进行分析,深入探讨超高性能纤维混凝土在桥梁加固施工中的应用,通过使用超高性能纤维混凝土材料,取得理想的加固效果,提高桥梁工程整体稳定性。

钢纤维对超高性能混凝土力学性能影响研究综述

超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)凭借其出色的力学性能被应用在高层建筑、大跨度桥梁、海底隧道等混凝土结构工程。其中,钢纤维类型、钢纤维添加量以及钢纤维长度等参数会改变UHPFRC的力学性能。但对于这些参数如何选取,目前还没有统一的认识,为此,对现有研究中关于钢纤维类型、纤维添加量及纤维长度对超高性能纤维增强混凝土力学性能的影响进行了总结、分析。结果表明:①波纹状及钩状钢纤维相比于直型纤维对UHPFRC的抗拉性能、抗弯性能均有较大的提升,但钢纤维形状对抗压力学性能没有明显的影响;②与钢纤维类型相似,钢纤维长度的增加有助于提升UHPFRC的抗拉性能、抗弯性能,但同样对抗压性能影响不明显;③钢纤维用量对UHPFRC的抗压性能、劈裂抗拉性能、抗弯强度学性能以及断裂性能均具有明显的提升作用。研究成果为理解钢纤维参数对UHPFRC力学性能的影响提供了帮助,同时也为UHPFRC的配置提供一定的参考。

超高性能纤维混凝土增强RC梁抗剪性能研究

为确保梁在弯曲加载下保持良好的稳定性,文章系统探讨了超高性能纤维混凝土(UHPFRC)对常规RC梁抗剪强度的强化效果,对12根钢筋混凝土梁进行四点荷载测试,观测其破坏模式。结果显示.UHPFRC能显著提高RC梁的抗剪性能,相较于未加固梁,强化后的梁抗剪强度提升了1.54倍,其初始刚度、延性和韧性也得到了显著增强。此外,加固梁主要在最大弯矩区域展现出弯曲破坏.显示出较好的延性性能。

超高性能纤维混凝土在路桥加固施工中的应用

当今社会,路桥是经济发展的命脉,但随着车辆数量的增加,对路桥产生了较高的应力,致使桥梁发生裂缝等风险的概率增加,影响了部分路桥的正常使用,若重新建设不仅建设周期长,而且建设成本高。超高性能纤维混凝土具有水胶比低、强度大、耐久性强、吸水率低、孔隙率低等优点,在路桥施工中应用超高性能纤维混凝土对路桥进行加固处理,能有效提高路桥的稳定性能。基于此,本文首先分析了钢纤维桥面段构造,然后介绍了超高性能纤维混凝土的选择与配比计算方法,最后阐述了超高性能纤维混凝土在路桥加固施工中的应用,以供施工企业参考。

多段打浆法制备涤纶超短纤维基纸袋纸及其性能研究

以中浓、低浓打浆相结合的多段打浆工艺为基础,采用涤纶超短纤维与针叶木浆混抄方法,制备高透气度纸袋纸。结果表明,针叶木浆采用中浓(浆料浓度10%,打浆至18 oSR)+低浓(浆料浓度6%,打浆至20 oSR)两段打浆的方法,所抄纸张各项物理强度性能较佳且透气度可达11.23μm/(Pa·s)。随着涤纶超短纤维添加量的提高,纸袋纸的孔隙率与透气度随之提高。当涤纶超短纤维添加量为5%~10%时,纸袋纸透气度可达28.13~47.48μm/(Pa·s),各项物理强度性能均能满足使用要求。

超高性能钢纤维增强混凝土腐蚀损伤的CT观察

【目的】为探究混凝土因钢纤维腐蚀引发的损伤行为,采用X射线计算机断层扫描技术对UHPSFRC试样的通电加速腐蚀过程进行无损测试。【方法】通过高分辨率的三维重建,对试样腐蚀损伤过程及分布特征进行可视化表征与定量分析。【结果】结果表明:钢纤维腐蚀造成UHPSFRC混凝土保护层发生由外到内的腐蚀损伤。随着通电时间的增加,钢纤维腐蚀速率加快,初始损伤区域的损伤程度加重。【结论】研究认为,X-CT可以作为研究钢纤维腐蚀及腐蚀诱导混凝土保护层损伤的有力工具,且具有较高的适用度与准确性。

超高性能纤维增强混凝土中钢纤维拔出行为研究

自行研发的纤维定位装置可较为精准地控制钢纤维的空间位置,基于此,研究了钢纤维埋置深度、直径和埋置角度对超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)中钢纤维拔出行为的影响。结果表明:随着钢纤维埋置深度增加,钢纤维最大拔出力、拔出功、最大拔出应力及钢纤维强度利用率均呈不断提高的趋势,而最大平均黏结强度却呈减小的趋势;随着钢纤维直径增加,钢纤维最大拔出力、拔出功和最大平均黏结强度相应增加,而钢纤维强度利用率和最大拔出应力均减小;随着钢纤维埋置角度增大,钢纤维最大拔出力和拔出功呈先上升后下降的趋势,分别在埋置角度为45°和30°时达到最大,而埋置角度为75°时,试件破坏模式表现为钢纤维拉断失效。