合成纤维 Synthetic Fiber in China 2013年第42卷第5期 无机特种纤维介绍( 刘克杰1,朱华兰2,彭涛2,王凤德1 1.中蓝晨光化工研究设计院有限公司,四川成都610041 2.蓝星成都新材料有限公司,四川成都6100411 摘要:无机特种纤维具有优异的力学性能和耐高温、抗氧化的热学性能,在高科技领域应用越来越广 泛。对无机特种纤维中的玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维的结构与性能、发展情况、制备方法以及主要 应用领域进行了简要介绍,最后简要总结了这3种纤维的发展过程,展望了其发展前景及发展方向。 关键词:无机纤维:特种纤维:玻璃纤维:玄武岩纤维:碳纤维 中图分类号:TQ343 文献标志码:A 文章编号:1001-705401305-0032-06 材料科学是高技术发展的基础。航空航天、导是人们最早应用的无机纤维,作为工业用纤维材料 弹军事、电子信息工业的高速发展,对材料强度、 已经确立了应有的地位,其市场需求量仍在持续增 模量、低密度、耐高温、抗氧化等性能不断提出更 长。玄武岩纤维是在20世纪80年代中期商业化的 高的要求。在金属以及有机、无机纤维这三大类新 特种无机纤维,玄武岩纤维增强复合材料性能优于 材料中,无机特种纤维由于具有优异的力学性能和特种玻璃纤维增强复合材料。碳纤维是无机特种纤 耐高温、抗氧化的热学性能而在高温结构材料、高维的典型代表,于20世纪70年代取得全方位的商 温耐热材料、高性能功能材料等高科技领域应用越业化发展。如今碳纤维已形成各种系列化牌号,不 来越广,引起了人们的极大关注。无机特种纤维增断突破强度与模量的极限,并成为应用最广泛的无 强金属基、陶瓷基复合材料更是具有广阔的应用前机特种纤维。 无机特种纤维根据加工工艺大致可分为两类: 1玻璃纤维 类是采用无机物作原料,通过不同成纤工艺制造1.1发展情况 成纤维,如玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅 1938年,美国 Owens corning欧文思·科宁, 酸铝纤维、硼纤维等:另一类是从有机化工原料出简称OO公司成立,同时发明了连续玻璃纤维生 发,通过合成工艺制得树脂聚合物,采用不同的纺产工艺,从此玻璃纤维工业正式诞生。1939年 丝工艺纺制成前驱体有机纤维,再无机化制得无机无碱玻璃纤维,即E-玻璃纤维问世,迄今为止它 特种纤维,亦称无机合成纤维,如碳(石墨)纤维、 仍是最重要的玻璃纤维组分。OC公司后来应美国 氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤空军的需求开发了一种强度和模量更高的玻璃纤 维,即S-玻璃纤维,并于1968年以商品名S-2推 本文介绍玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维的发出该产品。1998年,OC公司与法国博舍公司联合 展情况、结构与性能、制备方法和应用。玻璃纤维成立一个新的合资企业AGY公司,此后S系列高 强纤维转由AGY公司生产和销售。2006年,OC 收稿日期:2013-02-18 作者简介:刘克杰(973-),男,汉族,四川简阳人,硕士学历 公司又推出了一种新的高强玻璃纤维 Hiper-tex, 研究方向为芳纶特种纤维的研发工作 后来又把它转让给了欧洲3B公司,现由3B公司 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
合成纤维 S ynthetic Fibe r in China 2013 年第 42 卷第 5 期 无机特种纤维介绍（一） 刘克杰 1 ，朱华兰 2 ，彭 涛 2 ，王凤德 1 [1. 中蓝晨光化工研究设计院有限公司，四川 成都 610041； 2. 蓝星 （成都） 新材料有限公司，四川 成都 610041] 摘 要：无机特种纤维具有优异的力学性能和耐高温、抗氧化的热学性能，在高科技领域应用越来越广 泛。对无机特种纤维中的玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维的结构与性能、发展情况、制备方法以及主要 应用领域进行了简要介绍，最后简要总结了这 3 种纤维的发展过程，展望了其发展前景及发展方向。 关键词：无机纤维；特种纤维；玻璃纤维；玄武岩纤维；碳纤维 中图分类号：TQ343 文献标志码：A 文章编号：1001-7054 （2013） 05-0032-06 材料科学是高技术发展的基础。航空航天、导 弹军事、电子信息工业的高速发展，对材料强度、 模量、低密度、耐高温、抗氧化等性能不断提出更 高的要求。在金属以及有机、无机纤维这三大类新 材料中，无机特种纤维由于具有优异的力学性能和 耐高温、抗氧化的热学性能而在高温结构材料、高 温耐热材料、高性能功能材料等高科技领域应用越 来越广，引起了人们的极大关注。无机特种纤维增 强金属基、陶瓷基复合材料更是具有广阔的应用前 景。 无机特种纤维根据加工工艺大致可分为两类 [1]： 一类是采用无机物作原料，通过不同成纤工艺制造 成纤维，如玻璃纤维、玄武岩纤维、石英纤维、硅 酸铝纤维、硼纤维等；另一类是从有机化工原料出 发，通过合成工艺制得树脂聚合物，采用不同的纺 丝工艺纺制成前驱体有机纤维，再无机化制得无机 特种纤维，亦称无机合成纤维，如碳 (石墨) 纤维、 氧化铝纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氮化硼纤 维等。 本文介绍玻璃纤维、玄武岩纤维、碳纤维的发 展情况、结构与性能、制备方法和应用。玻璃纤维 是人们最早应用的无机纤维，作为工业用纤维材料 已经确立了应有的地位，其市场需求量仍在持续增 长。玄武岩纤维是在 20 世纪 80 年代中期商业化的 特种无机纤维，玄武岩纤维增强复合材料性能优于 特种玻璃纤维增强复合材料。碳纤维是无机特种纤 维的典型代表，于 20 世纪 70 年代取得全方位的商 业化发展。如今碳纤维已形成各种系列化牌号，不 断突破强度与模量的极限，并成为应用最广泛的无 机特种纤维。 1 玻璃纤维 1.1 发展情况 1938 年，美国 Owens Corning （欧文思·科宁， 简称 OC） 公司成立，同时发明了连续玻璃纤维生 产工艺，从此玻璃纤维工业正式诞生。1939 年， 无碱玻璃纤维，即 E-玻璃纤维问世，迄今为止它 仍是最重要的玻璃纤维组分。OC 公司后来应美国 空军的需求开发了一种强度和模量更高的玻璃纤 维，即 S-玻璃纤维，并于 1968 年以商品名 S-2 推 出该产品。1998 年，OC 公司与法国博舍公司联合 成立一个新的合资企业 AGY 公司，此后 S 系列高 强纤维转由 AGY 公司生产和销售 [2]。2006 年，OC 公司又推出了一种新的高强玻璃纤维 Hiper-texTM， 后来又把它转让给了欧洲 3B 公司，现由 3B 公司 收稿日期：2013-02-18 作者简介：刘克杰 （1973—），男，汉族，四川简阳人，硕士学历， 研究方向为芳纶特种纤维的研发工作。 32
2013,42(5) 刘克杰,朱华兰,彭涛,等.无机特种纤维介绍() 生产和销售。 表1几种高强玻璃纤维与E-玻璃纤维性能比较 战后世界各国相继建立了玻璃纤维产业并 E-玻璃 制出了自己的高强玻璃纤维:法国 Saint- Gobain 戈班集团公司于20世纪五六十年代开发R 701430340|>340>3303300380 高强玻璃纤维:日本日东纺织株式会社在20世纪 拉伸模量/CH720847-869838843950 七八十年代开发T高强玻璃纤维:俄罗斯玻璃钢联 断裂伸长率/485.7 540-45 合体开发了BM∏高强玻璃纤维;中国南京玻璃纤 (以上3种可以统称为坩埚法以及池窑法。国际 维研究院在20世纪70年代开发了HS2高强玻璃纤上,20世纪30年代美国OC公司发明了铂金坩埚 维,90年代又开发出Hs4高强玻璃纤维:美国拉丝技术。在19591960年间,OC公司与PPG PPG公司2010年推出了 Hyon高强玻璃纤维。 公司相继建成了玻璃纤维池窑,采用池窖法生产玻 1.2结构与性能 璃纤维。池窑拉丝工艺技术一出现就显示出强大生 玻璃纤维就是纤维状的玻璃,玻璃是无色透命力,从此突飞猛进,成为世界玻璃纤维生产技术 明具有光泽的无定形脆性固体,所以玻璃纤维是各主流。我国玻璃纤维工业诞生于20世纪50年代后 向同性的均质材料,没有固定的熔点。玻璃纤维的 期,采用陶土坩埚法和铂金坩埚法生产。60年代 化学成分主要是二氧化硅质量分数50%~70%、后期研制成功代铂坩埚法生产工艺,先后在全国玻 氧化二铝(质量分数10%-30%、三氧化二硼、纤厂推广使用。20世纪90年代初,中国开始引入 氧化镁、氧化钙等,不同种类的纤维其组成互有差池窑法生产技术,并逐渐普及。 别。有些品种还加入了氧化钠、氧化钾等碱性氧化 坩埚法生产工艺由制球和拉丝两部分组成, 物作为助溶氧化物。 即先将配合料熔制成高强玻璃球,玻璃球在坩埚中 连续玻璃纤维按照含碱量来分类可分为中碱 二次熔化经漏板拉丝得到纤维。陶土坩埚生产工艺 玻璃纤维、无碱玻璃纤维(也称E-玻璃纤维、特 是一种原始低级的、极其粗糙的落后生产技术,国 种高强玻璃纤维。通常无碱玻璃纤维性能好于中碱家已明令淘汰禁止。铂金坩埚法随着生产规模的扩 玻璃纤维,高强玻璃纤维性能好于无碱玻璃纤维。大,需要的铂铑合金多,成本高,从而很快被代铂 与普通无碱玻璃纤维①-玻璃纤维相比,高强坩埚法替代。代铂坩埚由两部分组成,坩埚的埚身 玻璃纤维生产技术难度大、总产量低,但其需求增及顶盖由耐火材料如刚玉砖等替代砌筑组成,而坩 长速度却是普通玻璃纤维的4倍以上。 埚漏板仍保持铂铑合金。池窑拉丝采用的是一步法 高强玻璃纤维的拉伸强度、弹性模量分别比 生产工艺,即将玻璃配合料投入熔窑熔化,保持恒 E-玻璃纤维提高30%~40%和16%-20%,断裂定的温度和液面高度,在重力及静压力作用下,由 长率通常大于5%,耐冲击性能更好,可以用作防池窑喷丝板流出拉制成连续玻璃纤维。与坩埚法拉 弹材料:高强玻璃纤维的耐疲劳性能比E-玻璃纤维丝相比,池窑拉丝工艺具有工序简化、能耗降低 高出10倍以上:与E-玻璃纤维相比,高强玻璃纤铂铑合金占用量少、窑炉熔化面积大、玻璃液面稳 维具有较高的软化点,通常高强玻璃纤维要比E 定、澄清时间长、温度波动小、玻璃熔制质量好 玻璃纤维耐温高100~150℃:;高强玻璃纤维具有更生产效率高、生产能力大、生产综合成本低及能满 高的化学稳定性,其水煮、酸洗、碱洗后强度保持 足多品种需要等一系列优越性。 率比E-玻璃纤维高国。此外,玻璃纤维还具有良 14主要应用 好的电绝缘性和介电性能,吸湿性小,不燃烧,导 连续玻璃纤维工业于20世纪30年代末奠基以 热系数低,优良的吸声、隔声性能。几种高强玻璃来,已形成一门独立的工业体系。目前,连续玻璃 纤维与E-玻璃纤维性能比较见表1。 纤维产品有数千个品种与规格,成为现代工业材料 制备方法 家族中重要的一员。玻璃纤维广泛应用于电子工 综合玻璃纤维生产技术的发展,制备方法可业、陆上交通工具、基础设施建设、风力发电、土 以分为:陶土坩埚法、铂金坩埚法、代铂坩埚法 木建筑市场、替代石棉制品、光缆加强芯、玻璃钢 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2013, 42(5) 生产和销售。 二战后世界各国相继建立了玻璃纤维产业并 研制出了自己的高强玻璃纤维：法国 Saint-Gobain （圣戈班） 集团公司于 20 世纪五六十年代开发 R 高强玻璃纤维；日本日东纺织株式会社在 20 世纪 七八十年代开发 T 高强玻璃纤维；俄罗斯玻璃钢联 合体开发了 BMП 高强玻璃纤维；中国南京玻璃纤 维研究院在 20 世纪 70 年代开发了 HS2 高强玻璃纤 维，90 年代又开发出 HS4 高强玻璃纤维；美国 PPG 公司 2010 年推出了 Hybon 高强玻璃纤维。 1.2 结构与性能 玻璃纤维就是纤维状的玻璃，玻璃是无色透 明具有光泽的无定形脆性固体，所以玻璃纤维是各 向同性的均质材料，没有固定的熔点。玻璃纤维的 化学成分主要是二氧化硅 （质量分数 50 %~70 %）、 三氧化二铝 （质量分数 10 %~30 %）、三氧化二硼、 氧化镁、氧化钙等，不同种类的纤维其组成互有差 别。有些品种还加入了氧化钠、氧化钾等碱性氧化 物作为助溶氧化物。 连续玻璃纤维按照含碱量来分类可分为中碱 玻璃纤维、无碱玻璃纤维 （也称 E-玻璃纤维）、特 种高强玻璃纤维。通常无碱玻璃纤维性能好于中碱 玻璃纤维，高强玻璃纤维性能好于无碱玻璃纤维。 与普通无碱玻璃纤维 （E-玻璃纤维） 相比，高强 玻璃纤维生产技术难度大、总产量低，但其需求增 长速度却是普通玻璃纤维的 4 倍以上。 高强玻璃纤维的拉伸强度、弹性模量分别比 E-玻璃纤维提高 30 %~40 %和 16 %~20 %，断裂 伸长率通常大于 5 %，耐冲击性能更好，可以用作防 弹材料；高强玻璃纤维的耐疲劳性能比 E-玻璃纤维 高出 10 倍以上；与 E-玻璃纤维相比，高强玻璃纤 维具有较高的软化点，通常高强玻璃纤维要比 E- 玻璃纤维耐温高 100~150 ℃；高强玻璃纤维具有更 高的化学稳定性，其水煮、酸洗、碱洗后强度保持 率比 E-玻璃纤维高 [3]。此外，玻璃纤维还具有良 好的电绝缘性和介电性能，吸湿性小，不燃烧，导 热系数低，优良的吸声、隔声性能。几种高强玻璃 纤维与 E-玻璃纤维性能比较见表 1。 1.3 制备方法 综合玻璃纤维生产技术的发展，制备方法可 以分为：陶土坩埚法、铂金坩埚法、代铂坩埚法 （以上 3 种可以统称为坩埚法） 以及池窑法。国际 上，20 世纪 30 年代美国 OC 公司发明了铂金坩埚 拉丝技术。在 1959—1960 年间，OC 公司与 PPG 公司相继建成了玻璃纤维池窑，采用池窖法生产玻 璃纤维。池窑拉丝工艺技术一出现就显示出强大生 命力，从此突飞猛进，成为世界玻璃纤维生产技术 主流。我国玻璃纤维工业诞生于 20 世纪 50 年代后 期，采用陶土坩埚法和铂金坩埚法生产。60 年代 后期研制成功代铂坩埚法生产工艺，先后在全国玻 纤厂推广使用。20 世纪 90 年代初，中国开始引入 池窑法生产技术，并逐渐普及 [5]。 坩埚法生产工艺由制球和拉丝两部分组成， 即先将配合料熔制成高强玻璃球，玻璃球在坩埚中 二次熔化经漏板拉丝得到纤维。陶土坩埚生产工艺 是一种原始低级的、极其粗糙的落后生产技术，国 家已明令淘汰禁止。铂金坩埚法随着生产规模的扩 大，需要的铂铑合金多，成本高，从而很快被代铂 坩埚法替代。代铂坩埚由两部分组成，坩埚的埚身 及顶盖由耐火材料如刚玉砖等替代砌筑组成，而坩 埚漏板仍保持铂铑合金。池窑拉丝采用的是一步法 生产工艺，即将玻璃配合料投入熔窑熔化，保持恒 定的温度和液面高度，在重力及静压力作用下，由 池窑喷丝板流出拉制成连续玻璃纤维。与坩埚法拉 丝相比，池窑拉丝工艺具有工序简化、能耗降低、 铂铑合金占用量少、窑炉熔化面积大、玻璃液面稳 定、澄清时间长、温度波动小、玻璃熔制质量好、 生产效率高、生产能力大、生产综合成本低及能满 足多品种需要等一系列优越性 [6-7]。 1.4 主要应用 连续玻璃纤维工业于 20 世纪 30 年代末奠基以 来，已形成一门独立的工业体系。目前，连续玻璃 纤维产品有数千个品种与规格，成为现代工业材料 家族中重要的一员。玻璃纤维广泛应用于电子工 业、陆上交通工具、基础设施建设、风力发电、土 木建筑市场、替代石棉制品、光缆加强芯、玻璃钢 牌号 E-玻璃 纤维 S-2 R T BMП HS4 国别 美国 法国 日本 俄罗斯 中国 密度/(g·cm-3) 2.58 2.46 2.56 2.49 2.58 2.53 拉伸强度/MPa 2 400 3 700~4 300 >3 400 >3 400 >3 300 3 300~3 800 拉伸模量/GPa 72.0 84.7~86.9 83.8 84.3 95.0 86.4 断裂伸长率/% 4.8 5.7 4.5 4.5 4.0~4.5 5.2 表 1 几种高强玻璃纤维与 E-玻璃纤维性能比较 [4] 刘克杰，朱华兰，彭涛，等. 无机特种纤维介绍（一） 33
合成纤维 Synthetic Fiber in China 2013年第42卷第5期 渔船、玻纤防水材料、单纱涂复玻纤窗纱、玻璃纤 表2玄武岩纤维与其他纤维力学性能比较叫 维涂层织物等领域。 纤维名称密度/gcm 2玄武岩纤维 玄武岩纤维[260-28030004800 E-玻璃纤维[250-2603100-380076-78 4.70 碳纤维IS|1.78310050230-240120 2.1发展情况 Kevlar@29 2800 以玄武岩为原料可以生产岩棉与纤维长丝。 岩棉于1840年在英国威尔士试制成功,然后一直 仓,转入池窑中升温至1500℃左右熔化成液体, 发展至今。1922年法国人Paul曾申请专利提出玄再流入纺丝炉中,此过程需要保证熔体充分均匀并 武岩长纤维制造技术,但没有实质性生产。 脱除气泡。调节熔体至适当的纺丝温度后,通过铂 玄武岩纤维的生产技术起源于前苏联。1953—铑合金喷丝板拉制成纤维。初生纤维经冷却、拉 1954年间,苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出伸、集束后得到玄武岩纤维成品。 了玄武岩纤维,随后苏联科研、生产工作者经过约 24主要应用 30年的持续研究与技术积淀,于1985年在乌克 玄武岩纤维具有广泛的应用领域:在土木建 率先实现工业化生产,产品全部用于前苏联国防军 筑方面,玄武岩与混凝土有着基本相同的成分,所 工和航空航天领域。 以玄武岩纤维的相容性和分散性好于其他增强纤 玄武岩纤维的生产与应用引起世界各国的重维,不仅能提高建筑物强度,还能大大延长建筑物 视,各国先后展开了科学研究与生产。目前,生产的使用寿命:在耐火防热方面,玄武岩纤维具有不 玄武岩纤维的有俄罗斯、乌克兰、美国、加拿大和燃性、耐温性、无有毒气体排出、绝热性好、无熔 中国等少数国家 融滴落、无热收缩现象等优点,应用于耐火防热有 国内浙江石金玄武岩纤维有限公司、横店集 独特的优势:在过滤环保领域方面,玄武岩纤维可 团上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的纤维及复合 用于对有害介质、气体的过滤、吸附和净化,特别 材料,得到了军工和 域有关用户的认可。 是在高温过滤领域远优于传统过滤材料,是过滤基 2.2结构与性能 布、过滤材料、耐高温毡的首选材料;在电子领域 玄武岩是一种火山岩,由火山喷发出的岩浆在低方面,玄武岩纤维是优良的绝缘材料,利用这一介 压条件下迅速凝固而成。玄武岩主要由基性岩浆构成 电特性和吸湿率低、耐温好的特性可以制成高质量 二氧化硅占45%-52%,其他主要成分包括三氧化二 印刷电路板等材料:另外,玄武岩纤维增强树脂基 铝Q2%-16%、碱Q%-8%、碱土Q0%-20 复合材料也是制造坦克、火炮、发动机罩、减震装 以及三氧化二铁和氧化铁哄占6%-18%鬥与玻置等结构部件的理想材料Ⅲ。 璃纤维相比,玄武岩纤维因含有大量的铁而呈黑色 玄武岩纤维具有较好的力学性能,拉伸强度 3碳纤维 30004800MPa,弹性模量7995GPa,断裂伸长率3.1发展情况 30%-3.3%;耐高温性能显著,使用温度范围为 日本是聚丙烯腈①AN基、沥青基碳纤维的 260~880℃:导热系数较低,为0031-0038W/m·K 发源地。1959年,日本大阪工业试验所的 Shindo 化学稳定性好,耐酸、耐碱、耐溶剂、耐紫外线、A(进藤昭男)发明了PAN基碳纤维。1962年, 抗氧化:吸音因数较高,为09-099,吸音隔音性能日本碳公司开始生产低模量的PAN基碳纤维 优异:吸湿性低,低于0.1%;电绝缘性和介电性能1963年,英国皇家航空研究所(AE的Wat!等 良好:与硅酸盐具有天然的相溶性。玄武岩纤维与人成功通过在预氧化过程中施加张力打通了制造高 其他纤维的力学性能比较见表2 性能PAN基碳纤维的技术路线吗。1971年,日本 23制备方法 东丽公司开始工业化规模生产PAN基碳纤维,牌 玄武岩的制备工序与玻璃纤维相似。选取 号为T300,此后生产规模不断扩大,产品性能不 合适的玄武岩矿石原料,经破碎、清洗后储存在料断提高,其1986年研制成功的T1000级碳纤维强 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
合成纤维 S ynthetic Fibe r in China 2013 年第 42 卷第 5 期 纤维名称 密度/(g·cm-3) 拉伸强度/ MPa 拉伸模量/ GPa 断裂伸长率/ % 玄武岩纤维 2.60~2.80 3 000~4 800 79~95 3.15 E-玻璃纤维 2.50~2.60 3 100~3 800 76~78 4.70 碳纤维 HS 1.78 3 100~5 000 230~240 1.20 Kevlar R 29 1.44 2 800 63 4.00 渔船、玻纤防水材料、单纱涂复玻纤窗纱、玻璃纤 维涂层织物等领域。 2 玄武岩纤维 2.1 发展情况 以玄武岩为原料可以生产岩棉与纤维长丝。 岩棉于 1840 年在英国威尔士试制成功，然后一直 发展至今。1922 年法国人 Paul 曾申请专利提出玄 武岩长纤维制造技术，但没有实质性生产 [8]。 玄武岩纤维的生产技术起源于前苏联。1953— 1954 年间，苏联莫斯科玻璃和塑料研究院开发出 了玄武岩纤维，随后苏联科研、生产工作者经过约 30 年的持续研究与技术积淀，于 1985 年在乌克兰 率先实现工业化生产，产品全部用于前苏联国防军 工和航空航天领域。 玄武岩纤维的生产与应用引起世界各国的重 视，各国先后展开了科学研究与生产。目前，生产 玄武岩纤维的有俄罗斯、乌克兰、美国、加拿大和 中国等少数国家。 国内浙江石金玄武岩纤维有限公司、横店集 团上海俄金玄武岩纤维有限公司生产的纤维及复合 材料，得到了军工和民用领域有关用户的认可。 2.2 结构与性能 玄武岩是一种火山岩，由火山喷发出的岩浆在低 压条件下迅速凝固而成。玄武岩主要由基性岩浆构成， 二氧化硅占 45 %~52 %，其他主要成分包括三氧化二 铝 （12 %~16 %）、碱 （2 %~8 %）、碱土 （10 %~20 %） 以及三氧化二铁和氧化铁 （共占 6 %~18 %） [9] 。与玻 璃纤维相比，玄武岩纤维因含有大量的铁而呈黑色。 玄武岩纤维具有较好的力学性能，拉伸强度 3000~4800 MPa，弹性模量 79~95 GPa，断裂伸长率 3.0 %~3.3 %；耐高温性能显著，使用温度范围为- 260~880 ℃；导热系数较低，为 0.031~0.038 W/m·K； 化学稳定性好，耐酸、耐碱、耐溶剂、耐紫外线、 抗氧化；吸音因数较高，为 0.9~0.99，吸音隔音性能 优异；吸湿性低，低于 0.1 %；电绝缘性和介电性能 良好；与硅酸盐具有天然的相溶性。玄武岩纤维与 其他纤维的力学性能比较见表 2 [8,10]。 2.3 制备方法 玄武岩的制备工序与玻璃纤维相似 [8]。选取 合适的玄武岩矿石原料，经破碎、清洗后储存在料 仓，转入池窑中升温至 1 500 ℃左右熔化成液体， 再流入纺丝炉中，此过程需要保证熔体充分均匀并 脱除气泡。调节熔体至适当的纺丝温度后，通过铂 铑合金喷丝板拉制成纤维。初生纤维经冷却、拉 伸、集束后得到玄武岩纤维成品。 2.4 主要应用 玄武岩纤维具有广泛的应用领域：在土木建 筑方面，玄武岩与混凝土有着基本相同的成分，所 以玄武岩纤维的相容性和分散性好于其他增强纤 维，不仅能提高建筑物强度，还能大大延长建筑物 的使用寿命；在耐火防热方面，玄武岩纤维具有不 燃性、耐温性、无有毒气体排出、绝热性好、无熔 融滴落、无热收缩现象等优点，应用于耐火防热有 独特的优势；在过滤环保领域方面，玄武岩纤维可 用于对有害介质、气体的过滤、吸附和净化，特别 是在高温过滤领域远优于传统过滤材料，是过滤基 布、过滤材料、耐高温毡的首选材料；在电子领域 方面，玄武岩纤维是优良的绝缘材料，利用这一介 电特性和吸湿率低、耐温好的特性可以制成高质量 印刷电路板等材料；另外，玄武岩纤维增强树脂基 复合材料也是制造坦克、火炮、发动机罩、减震装 置等结构部件的理想材料 [11-13]。 3 碳纤维 3.1 发展情况 日本是聚丙烯腈 （PAN） 基、沥青基碳纤维的 发源地。1959 年，日本大阪工业试验所的 Shindo A （进藤昭男） 发明了 PAN 基碳纤维。1962 年， 日本碳公司开始生产低模量的 PAN 基 碳 纤 维。 1963 年，英国皇家航空研究所 （RAE） 的 Watt 等 人成功通过在预氧化过程中施加张力打通了制造高 性能 PAN 基碳纤维的技术路线 [14]。1971 年，日本 东丽公司开始工业化规模生产 PAN 基碳纤维，牌 号为 T300，此后生产规模不断扩大，产品性能不 断提高，其 1986 年研制成功的 T1000 级碳纤维强 表 2 玄武岩纤维与其他纤维力学性能比较 [11] 34
2013,42(5) 刘克杰,朱华兰,彭涛,等.无机特种纤维介绍() 度达637GPa以上,1992年研制成功的M7OJ级碳 碳纤维是一种纤维状的碳素材料,分子结构 纤维的模量高达690GPa,确立了世界第一大碳纤介于石墨与金刚石之间。碳纤维一般作为增强材料 维制造商的地位。目前,除东丽公司以外,日本加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等基体材料中, Toho(东邦,美国 Hexcel(赫克塞尔)、 zoltek构成具有优异性能的复合材料。目前,日本和美国 (卓尔泰克、 Aldila阿尔迪拉,德国SGL哂西格在碳纤维的研究与生产上处于领先水平。 里,中国台湾台塑集团等公司均采用PAN为原料 碳纤维具有各种优异性能:强度高,拉伸强度在 生产碳纤维。 3500MPa以上,其中东丽公司的T1000达64GPa; 965年,日本群马大学的大谷杉郎发明了沥模量高,拉伸模量在230GPa以上,其中东丽公司的 青基碳纤维。1970年,日本吴羽化学公司用各向M60J达588GPa:断裂伸长率较小,一般小于2%; 同性沥青生产通用级沥青基碳纤维。1975年,美密度小、比强度高,碳纤维密度约1.8gm,约是 国UCC(美国联合碳化物公司利用中间相沥青钢的1/4,比强度比钢大16倍:耐低温、耐高温性 生产高性能沥青基碳纤维“ Thorel-P",建成了能优异,在液氮温度下碳纤维仍很柔软,也不脆 240ta规模的生产装置。1987年,日本三菱化学建化,在非氧化气氛条件下,碳纤维可在2000℃使 成500血a的高性能沥青基碳纤维生产线,标志着沥 用:耐腐蚀,能耐硫酸、磷酸、浓盐酸、各种油剂 青基碳纤维开始逐步进入工业化规模生产阶段。现的侵蚀:热膨胀系数小,约等于零:导热系数高, 在世界上生产沥青碳纤维的主要公司有日本吴羽化约为10-140W/m·K:导电性能优异,可作导电 学公司、日本三菱化学和美国 Amoco公司。 材料使用:此外,碳纤维还具有摩擦因数小,防光 美国是黏胶基碳纤维的发源地。1950年,美照、防辐射,吸收有毒气体等优异性能。日本东丽 国 Wright- Patterson空军基地开始研制黏胶基碳纤和三菱化学、美国赫克塞尔公司的碳纤维力学性能 维。1959年,美国UCC公司开始生产低模量黏胶 见表3。 基碳纤维“ Thorne-25”,并在1965年通过发明石 表3东丽、三菱化学、赫克塞尔公司碳纤维力学性能 墨化过程中的牵伸技术生产出高模量黏胶基碳纤 密度/拉伸强度/拉伸模量八断裂伸长 司 牌号 维。与PAN基碳纤维和沥青基碳纤维相比,黏胶 基碳纤维的整体性能要差一些,而且工艺条件苛 T300 T600s 刻、生产成本较高,因此在市场上占有率很低。但 T700S 是与上述两种碳纤维相比,黏胶基碳纤维也有许多 日本东丽 不可替代的优点,比如其密度小、耐烧蚀、导热系 QAN基 M0G1.7351029417 数小、断裂伸长率大、生物相容性好等性能,因此 17744 MJ18841247508 发达国家依然保留生产。此外,黏胶纤维在碳化过 58807 程中失重较大,纤维多孔,经过活化可以制备出有 K1352U21236062006 日本三菱[139215370 吸附活性的碳纤维,具有特殊的用途 3.2结构与性能 历青K13C2u220 00000 碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维, K13D2U22137093 既具有碳材料的固有特性,又具有纺织纤维的柔软 AsA4C17738622616 性和加工性能 美国赫克 碳纤维按照原材料分为PAN基碳纤维、沥青 塞AN MM6 6 基碳纤维、黏胶基碳纤维:按力学性能分为通用型 基与沥青 碳纤维、高性能型碳纤维(又分为高强型、高模 型、超高强型、超高模型;按用途分为宇航级碳 u1g345410 纤维(24K以下的小丝束以及工业级碳纤维3.3制备方法 48K以上的大丝束。 碳纤维生产过程分为三个阶段:第一个阶段 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2013, 42(5) 度达 6.37 GPa 以上，1992 年研制成功的 M70J 级碳 纤维的模量高达 690 GPa，确立了世界第一大碳纤 维制造商的地位。目前，除东丽公司以外，日本 Toho （东邦），美国 Hexcel （赫克 塞 尔）、Zoltek （卓尔泰克）、Aldila （阿尔迪拉），德国 SGL （西格 里），中国台湾台塑集团等公司均采用 PAN 为原料 生产碳纤维。 1965 年，日本群马大学的大谷杉郎发明了沥 青基碳纤维。1970 年，日本吴羽化学公司用各向 同性沥青生产通用级沥青基碳纤维。1975 年，美 国 UCC （美国联合碳化物） 公司利用中间相沥青 生产高性能沥青基碳纤维“Thornel-P”，建成了 240 t/a 规模的生产装置。1987 年，日本三菱化学建 成 500 t/a 的高性能沥青基碳纤维生产线，标志着沥 青基碳纤维开始逐步进入工业化规模生产阶段。现 在世界上生产沥青碳纤维的主要公司有日本吴羽化 学公司、日本三菱化学和美国 Amoco 公司。 美国是黏胶基碳纤维的发源地。1950 年，美 国 Wright-Patterson 空军基地开始研制黏胶基碳纤 维。1959 年，美国 UCC 公司开始生产低模量黏胶 基碳纤维“Thornel-25”，并在 1965 年通过发明石 墨化过程中的牵伸技术生产出高模量黏胶基碳纤 维。与 PAN 基碳纤维和沥青基碳纤维相比，黏胶 基碳纤维的整体性能要差一些，而且工艺条件苛 刻、生产成本较高，因此在市场上占有率很低。但 是与上述两种碳纤维相比，黏胶基碳纤维也有许多 不可替代的优点，比如其密度小、耐烧蚀、导热系 数小、断裂伸长率大、生物相容性好等性能，因此 发达国家依然保留生产。此外，黏胶纤维在碳化过 程中失重较大，纤维多孔，经过活化可以制备出有 吸附活性的碳纤维，具有特殊的用途。 3.2 结构与性能 碳纤维是含碳量高于 90 %的无机高分子纤维， 既具有碳材料的固有特性，又具有纺织纤维的柔软 性和加工性能。 碳纤维按照原材料分为 PAN 基碳纤维、沥青 基碳纤维、黏胶基碳纤维；按力学性能分为通用型 碳纤维、高性能型碳纤维 （又分为高强型、高模 型、超高强型、超高模型）；按用途分为宇航级碳 纤维 （24 K 以下的小丝束） 以及工业级碳纤维 （48 K 以上的大丝束） [15]。 碳纤维是一种纤维状的碳素材料，分子结构 介于石墨与金刚石之间。碳纤维一般作为增强材料 加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等基体材料中， 构成具有优异性能的复合材料。目前，日本和美国 在碳纤维的研究与生产上处于领先水平。 碳纤维具有各种优异性能：强度高，拉伸强度在 3500 MPa 以上，其中东丽公司的 T1000 达 6.4 GPa； 模量高，拉伸模量在 230 GPa 以上，其中东丽公司的 M60J 达 588 GPa；断裂伸长率较小，一般小于 2 %； 密度小、比强度高，碳纤维密度约 1.8 g/cm3 ，约是 钢的 1/4，比强度比钢大 16 倍；耐低温、耐高温性 能优异，在液氮温度下碳纤维仍很柔软，也不脆 化，在非氧化气氛条件下，碳纤维可在 2 000 ℃使 用；耐腐蚀，能耐硫酸、磷酸、浓盐酸、各种油剂 的侵蚀；热膨胀系数小，约等于零；导热系数高， 约为 10~140 W/（m·K）；导电性能优异，可作导电 材料使用；此外，碳纤维还具有摩擦因数小，防光 照、防辐射，吸收有毒气体等优异性能。日本东丽 和三菱化学、美国赫克塞尔公司的碳纤维力学性能 见表 3。 表 3 东丽、三菱化学、赫克塞尔公司碳纤维力学性能 [16-18] 3.3 制备方法 碳纤维生产过程分为三个阶段：第一个阶段 公司 牌号 密度/ （g·cm-3) 拉伸强度/ GPa 拉伸模量/ GPa 断裂伸长 率/% 日本东丽 （PAN 基） T300 1.76 3.53 230 1.5 T600S 1.79 4.14 230 1.8 T700S 1.80 4.90 230 2.1 T800H 1.81 5.49 294 1.9 T1000G 1.80 6.37 294 2.2 M30G 1.73 5.10 294 1.7 M40J 1.77 4.41 377 1.2 M50J 1.88 4.12 475 0.8 M60J 1.93 3.92 588 0.7 日本三菱 化学 （沥青基） K1352U 2.12 3.60 620 0.6 K1392U 2.15 3.70 760 0.5 K13A1L 2.15 3.70 790 0.5 K13B2U 2.16 3.80 830 0.5 K13C2U 2.20 3.80 900 0.4 K13D2U 2.21 3.70 935 0.4 美国赫克 塞 （PAN 基与沥青 基） AS4C 1.77 3.86 226 1.6 AS4 1.79 3.93 221 1.6 AS4D 1.78 4.20 241 1.7 IM4 1.73 4.14 276 1.5 IM6 1.76 5.24 276 1.7 IM7 1.77 5.38 276 1.8 IM8 1.80 5.45 303 1.7 IM9 1.79 6.34 290 2.0 UHM 1.87 3.45 441 0.8 刘克杰，朱华兰，彭涛，等. 无机特种纤维介绍（一） 35
合成纤维 Synthetic Fiber in China 2013年第42卷第5期 是聚合,将纯化后的物料进行反应,制备纺丝原 表5不同公司的不同纺丝方法 液,属于高分子科学:第二个阶段是纺丝,将聚合 纺丝方法 日本东丽 后的纺丝液纺成碳纤维原丝,属于纺织科学:第 个阶段是碳纤维制造,即将碳纤维原丝经过预氧 日本三菱人造丝 DMA DME 干湿纺 化、碳化、石墨化处理转变成碳纤维,属于碳素科 学。碳纤维的生产是一门多学科、多技术交叉的综纤维,使PAN分子结构大部分变成环状或梯形化 科学 合物:碳化工序,于氮气等惰性气氛下先在温度 PAN基、沥青基、黏胶基碳纤维的生产主要400800℃进行低温碳化,然后在100041600℃进 区别在于碳纤维原丝的制备,从原丝到碳纤维之间行高温碳化,使纤维形成稳定的梯形结构,碳化是 制备过程相似,一般都要经过预氧化、碳化、石墨纤维形成的主要阶段四:石墨化工序,为进一步 化工序,差别在于具体的工艺参数各有特色 得到高模量的碳纤维,可在氩气等惰性气氛下对碳 本文就市场占有率最大的PAN基碳纤维的生产 化后的纤维加热至2000~3000℃进行超高温处理, 程作简要介绍。 得到微晶化的碳纤维。 PAN的聚合方法一般采用溶液聚合,将丙烯 34主要应用 腈单体、第二单体或第三单体、引发剂加入溶剂中 随着科技发展,碳纤维的应用范围越来越广 溶解进行反应生成PAN溶液。均相溶液聚合可选泛:航空航天领域,碳纤维增强复合材料是发动机 用的溶剂有很多,常用的溶剂有 NaSCN溶液 壳体的结构材料:军事领域,碳纤维可用于制造飞 ZnCl2溶液、HNO3溶液、二甲基甲酰胺①ME 机、坦克、舰艇等武器装备:体育休闲领域,碳纤 二甲基乙酰胺①MA及二甲基亚砜①DMSO 维广泛用于制造高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓 不同溶剂的特性见表4。由表4可见:与其他几种鱼竿、自行车架等体育用品:土木建筑领域,利用 溶剂相比,DMSO的腐蚀性相对较低,链转移常数 碳纤维复合材料棒材替代圆钢,利用碳纤维片材加 较小,且毒性小,成为目前业界公认的优选溶剂。 固或修复桥梁与建筑物,利用碳纤维增强混凝土 表4PAN聚合溶剂的特性 般工业领域,碳纤维在基础设施、油气开采、压 链转移 力容器、航海构件等方面的应用持续增长:交通运 溶剂液稳毒性性常数 使用厂家 输领域,碳纤维复合材料用作汽车材料具有广阔的 发展前景:能源领域,碳纤维在风力发电机叶片 NascN溶液好无蒸气污染强很小兰州化纤、上海石化 ZCl溶液差无蒸气污染强|600×0 飞轮、电池等方面应用不断扩大:电子领域,碳纤 HNO溶液/较叁/蒸气刺激皮 肤、黏膜/小日本旭化成、吉林 维由于具有导电性,其制作的电子屏蔽装置具有很 好的电磁波吸收能力,碳纤维复合材料用于制备电 DMF较好 般283×10/日本三菱人造丝 国台塑 磁屏蔽材料、防爆开关、仪表罩壳、精密电子仪器 DMAe较好较大一般49×107/本三菱人造丝、 部件、电缆管道等吗。 旧本东丽、山西煤4发展前景 DMSO好 小|小|795×10-所、北京化工大学 玻璃纤维经历了从含碱玻璃纤维、无碱玻璃 纺丝是聚合液相分离成纤的过程,在这个过纤维、特种玻璃纤维的发展,到目前工业化生产已 程中发生了聚合液细流与凝固液之间的传热、传相当成熟。超高强玻璃纤维、玻纤高分子复合纤 质。丝条从喷丝板喷出后要经过凝固浴、水洗、热维、玻纤产品应用和制品深加工将是未来的发展方 水拉伸、上油、蒸汽牵伸、热定形等步骤,最后成 向 为PAN原丝。纺丝成形方法可以采用干法、湿法 前,玄武岩纤维的生产技术及规模尚处于 和干湿法纺丝技术。日本东丽、东邦、三菱人造丝初级阶段,纤维产品尚未获得广泛应用。玄武岩纤 3个公司的纺丝方法见表5。 维价格介于S-玻璃纤维与E-玻璃纤维之间,但其 PAN原丝经过一系列的高温热处理得到碳纤性能类似S-玻璃纤维,性价比良好,因此有理由 维:预氧化工序,在温度200-300℃氧化气氛处理相信玄武岩纤维会有很大的市场发展空间。 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
合成纤维 S ynthetic Fibe r in China 2013 年第 42 卷第 5 期 是聚合，将纯化后的物料进行反应，制备纺丝原 液，属于高分子科学；第二个阶段是纺丝，将聚合 后的纺丝液纺成碳纤维原丝，属于纺织科学；第三 个阶段是碳纤维制造，即将碳纤维原丝经过预氧 化、碳化、石墨化处理转变成碳纤维，属于碳素科 学。碳纤维的生产是一门多学科、多技术交叉的综 合科学。 PAN 基、沥青基、黏胶基碳纤维的生产主要 区别在于碳纤维原丝的制备，从原丝到碳纤维之间 制备过程相似，一般都要经过预氧化、碳化、石墨 化工序 [19-20]，差别在于具体的工艺参数各有特色。 本文就市场占有率最大的 PAN 基碳纤维的生产过 程作简要介绍。 PAN 的聚合方法一般采用溶液聚合，将丙烯 腈单体、第二单体或第三单体、引发剂加入溶剂中 溶解进行反应生成 PAN 溶液。均相溶液聚合可选 用的溶剂有很多，常用的溶剂有 NaSCN 溶 液、 ZnCl2 溶液、HNO3 溶液、二甲基甲酰胺 （DMF）、 二甲基乙酰胺 （DMAc） 及二甲基亚砜 （DMSO）。 不同溶剂的特性见表 4。由表 4 可见：与其他几种 溶剂相比，DMSO 的腐蚀性相对较低，链转移常数 较小，且毒性小，成为目前业界公认的优选溶剂。 表 4 PAN 聚合溶剂的特性 [21] 纺丝是聚合液相分离成纤的过程，在这个过 程中发生了聚合液细流与凝固液之间的传热、传 质。丝条从喷丝板喷出后要经过凝固浴、水洗、热 水拉伸、上油、蒸汽牵伸、热定形等步骤，最后成 为 PAN 原丝。纺丝成形方法可以采用干法、湿法 和干湿法纺丝技术。日本东丽、东邦、三菱人造丝 3 个公司的纺丝方法见表 5。 PAN 原丝经过一系列的高温热处理得到碳纤 维：预氧化工序，在温度 200~300 ℃氧化气氛处理 纤维，使 PAN 分子结构大部分变成环状或梯形化 合物；碳化工序，于氮气等惰性气氛下先在温度 400~800 ℃进行低温碳化，然后在 1 000~1 600 ℃进 行高温碳化，使纤维形成稳定的梯形结构，碳化是 纤维形成的主要阶段 [22-23]；石墨化工序，为进一步 得到高模量的碳纤维，可在氩气等惰性气氛下对碳 化后的纤维加热至 2 000~3 000 ℃进行超高温处理， 得到微晶化的碳纤维。 3.4 主要应用 随着科技发展，碳纤维的应用范围越来越广 泛：航空航天领域，碳纤维增强复合材料是发动机 壳体的结构材料；军事领域，碳纤维可用于制造飞 机、坦克、舰艇等武器装备；体育休闲领域，碳纤 维广泛用于制造高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、钓 鱼竿、自行车架等体育用品；土木建筑领域，利用 碳纤维复合材料棒材替代圆钢，利用碳纤维片材加 固或修复桥梁与建筑物，利用碳纤维增强混凝土； 一般工业领域，碳纤维在基础设施、油气开采、压 力容器、航海构件等方面的应用持续增长；交通运 输领域，碳纤维复合材料用作汽车材料具有广阔的 发展前景；能源领域，碳纤维在风力发电机叶片、 飞轮、电池等方面应用不断扩大；电子领域，碳纤 维由于具有导电性，其制作的电子屏蔽装置具有很 好的电磁波吸收能力，碳纤维复合材料用于制备电 磁屏蔽材料、防爆开关、仪表罩壳、精密电子仪器 部件、电缆管道等 [15]。 4 发展前景 玻璃纤维经历了从含碱玻璃纤维、无碱玻璃 纤维、特种玻璃纤维的发展，到目前工业化生产已 相当成熟。超高强玻璃纤维、玻纤高分子复合纤 维、玻纤产品应用和制品深加工将是未来的发展方 向。 目前，玄武岩纤维的生产技术及规模尚处于 初级阶段，纤维产品尚未获得广泛应用。玄武岩纤 维价格介于 S-玻璃纤维与 E-玻璃纤维之间，但其 性能类似 S-玻璃纤维，性价比良好，因此有理由 相信玄武岩纤维会有很大的市场发展空间。 溶剂 聚合 液稳 定性 毒性 腐蚀 性 链转移 常数 （50 ℃） 使用厂家 NaSCN 溶液 好 无蒸气污染 强 很小 兰州化纤、上海石化 ZnCl2溶液 差 无蒸气污染 强 6.00×10-7 日本东邦 HNO3溶液 较差 蒸气刺激皮 肤、黏膜 强 很小 日本旭化成、吉林石 化 DMF 较好 大 一般 2.83×10-4 日本三菱人造丝、中 国台塑 DMAc 较好 较大 一般 4.95×10-4 日本三菱人造丝、吉 林碳谷 DMSO 好 小 小 7.95×10-5 日本东丽、山西煤化 所、北京化工大学、 山东大学 公司 溶剂 纺丝方法 日本东丽 DMSO 干湿纺 日本东邦 ZnCl2 湿纺 日本三菱人造丝 DMAc DMF 湿纺 干湿纺 表 5 不同公司的不同纺丝方法 36
2013,42 刘克杰,朱华兰,彭涛,等.无机特种纤维介绍 碳纤维经历了半个世纪左右的发展,目前已 2009(5:7-10. 发展成强度、模量均为特种纤维材料中最高的纤维 [10J F N Rabinovich. V N Zueva. L V Makeeva. Stability of basalt fibers 品种。近年来,国外对碳纤维技术的开发研究集中 in a medium of hydrating cement [JL Glass and Ceramics, 2001, 58(11 在提高性能、降低成本方面。据称碳纤维理论强度 12)-431-434 「赵明良,唐佃花.玄武岩连续纤维的性能及其应用p棉纺织技 为180GPa,目前拉伸强度最高的T1000仅为理论 术,2008.36(11)62-64 值的39%,因此各大碳纤维公司仍在不断开发新12王晓舜玄武岩纤维性能与用途探讨队纺织科技进展,2010 工艺、新技术提高碳纤维的力学性能。另外,碳纤 维龙头企业日本东丽公司在提高纤维性能的同时,3 ]Rabinovich FN, Cueva VN. Makeeva L.\- Stability of basalt fibres 注重降低生产成本,不断发展质优价廉的产品以满 in a medium of hydrating cement []. Glass and Ceramics, 2001,58(11 足复合材料市场发展的需求。目前,东丽公司已基 本淘汰T300类碳纤维,重点发展拉伸强度为4 4钱鑫,皇静,张永刚.国外PAN基碳纤维的研究现状及发展趋势 高科技纤维与应用,2011,36(334-38 5GPa、价格与T300基本相当的碳纤维品种。同时 51张新元,何碧霞,李建利.高性能碳纤维的性能及其应用棉纺 由于大丝束碳纤维性价比较高,东丽公司也开始侧织技术,2011394165-68 重发展工业级大丝束碳纤维 6赵稼祥.东丽公司碳纤维及其复合材料的进展高科技纤维与 参考文献 [7赵稼祥.日本三菱化学公司沥青基碳纤维的进展[高科技纤维 李东风王浩静,王心葵.高性能无机连续纤维合成纤维工业,与应用,20.26310-14 2005,28(2:40-43 8赵稼祥.美国 HEXEL公司的碳纤维及其复合材料[高科技纤 2韩利雄,赵世斌高强度高模量玻璃纤维开发状况门玻璃纤维 维与应用,2000.25(6)23-29 201103)34-38. [19M SA Rahaman, A F Ismall A Mustafa. A review of heat treatment 3]凌根华,李雯.浅谈高强玻璃纤维的发展和应用[玻璃纤维 on polyacrylonitrile fiber [] Polymer degradation and stability, 2007, 92 2008(5:7-10. (8:142l-1432. 鬥祖群,陈士洁,孔令珂.高强度玻璃纤维研究与应用U航空制造 [20]G S Bhat. F L Cook, A S Ahhiraman. New aspects in the 技术,2009(15):92-95 stabilization of acrylic fiber for carbon fiber [I Carbon, 1990. 28(2-3): 阿S]刘劲松.坩埚法玻璃纤维生产技术现状与发展玻璃纤维,2005 377-385. 2宋会青,刘化虎,吴伟碳纤维用聚丙烯腈聚合的研究进展!合 阿6危良才.我国玻璃纤维工业生产技术发展趋势玻璃纤维,2000 成纤维,2011,40414-19 21=26 [22] A Deurbergue, A Oberlin. Stabilization and carbonization of pan 7]袁佑新,程增艳,卢立殊,等基于池窑的玻璃纤维成型技术与控 based carbon fibers as related to mechanical properties [l Carbon 制方法[武汉理工大学学报,200123(930-32 图8]郭欢,麻岩,陈姝娜.连续玄武岩纤维的发展及应用前景中国 [23] Ko Tse-Hao, Day Tzy-Chin, Perng Jeng-An. The characterization of 纤检,20105:76-79 pan-based carbon fibers developed by two-stage continuous carbonization p9] A Bartl. D Pico.创新型高性能纤维-玄武岩纤维国际纺织导报 [J]. Carbon,1993.31(5:765-771 Introduction of the Inorganic Special Fiber(l LIU Ke-jie, ZHU Hua-lan, PENG Tao, WANG Feng-de ll. China Bluestar Chengrand Chemical industry Institute, Chengdu 610041, Sicuan, China 2. Bluestar( Cheng Du) New Material Limited Company, Chengdu 610041, Sicuan, China Abstract: Inorganic special fibers have excellent mechanical properties and thermal properties of high temperature-resistance and anti-oxidation and are more widely used in the high-tech field. In this article glass fiber, basalt fiber, carbon fiber of the inorganic special fiber are introduced briefly, including their structure and performance, the development, preparation method and main application field. Finally, author briefly summarizes the development process of the three fibers and forcasts their future development prospects and the direction of development Key words: inorganic fiber, special fiber, glass fiber, basalt fiber, carbon fiber 91994-2013ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2013, 42(5) 碳纤维经历了半个世纪左右的发展，目前已 发展成强度、模量均为特种纤维材料中最高的纤维 品种。近年来，国外对碳纤维技术的开发研究集中 在提高性能、降低成本方面。据称碳纤维理论强度 为 180 GPa，目前拉伸强度最高的 T1000 仅为理论 值的 3.9 %，因此各大碳纤维公司仍在不断开发新 工艺、新技术提高碳纤维的力学性能。另外，碳纤 维龙头企业日本东丽公司在提高纤维性能的同时， 注重降低生产成本，不断发展质优价廉的产品以满 足复合材料市场发展的需求。目前，东丽公司已基 本淘汰 T300 类碳纤维，重点发展拉伸强度为 4～ 5 GPa、价格与 T300 基本相当的碳纤维品种。同时 由于大丝束碳纤维性价比较高，东丽公司也开始侧 重发展工业级大丝束碳纤维。 参考文献 [1] 李东风, 王浩静, 王心葵. 高性能无机连续纤维 [J]. 合成纤维工业, 2005, 28(2):40-43. [2] 韩利雄, 赵世斌. 高强度高模量玻璃纤维开发状况 [J]. 玻璃纤维, 2011,(3):34-38. [3] 凌根华, 李雯. 浅谈高强玻璃纤维的发展和应用 [J]. 玻璃纤维, 2008(5):7-10. [4] 祖群, 陈士洁, 孔令珂. 高强度玻璃纤维研究与应用 [J]. 航空制造 技术, 2009(15):92-95. [5] 刘劲松. 坩埚法玻璃纤维生产技术现状与发展[J]. 玻璃纤维, 2005 (4):5-8. [6] 危良才. 我国玻璃纤维工业生产技术发展趋势[J]. 玻璃纤维, 2000 (3):21-26. [7] 袁佑新, 程增艳, 卢立殊, 等. 基于池窑的玻璃纤维成型技术与控 制方法[J]. 武汉理工大学学报, 2001,23(9):30-32. [8] 郭欢, 麻岩, 陈姝娜. 连续玄武岩纤维的发展及应用前景 [J]. 中国 纤检, 2010(5):76-79. [9] A Bartl, D Pico. 创新型高性能纤维-玄武岩纤维[J]. 国际纺织导报, 2009(5):7-10. [10] F N Rabinovich, V N Zueva, L V Makeeva. Stability of basalt fibers in a medium of hydrating cement [J]. Glass and Ceramics, 2001, 58 (11- 12):431-434. [11] 赵明良, 唐佃花. 玄武岩连续纤维的性能及其应用 [J]. 棉纺织技 术, 2008, 36(11):62-64. [12] 王峣舜. 玄武岩纤维性能与用途探讨 [J]. 纺织科技进展, 2010(1): 40-42. [13] Rabinovich F N, Zueva V N, Makeeva L.V.. Stability of basalt fibres in a medium of hydrating cement [J]. Glass and Ceramics, 2001,58 (11- 12):431-434. [14] 钱鑫, 皇静, 张永刚. 国外 PAN 基碳纤维的研究现状及发展趋势 [J]. 高科技纤维与应用, 2011, 36(3):34-38. [15] 张新元, 何碧霞, 李建利. 高性能碳纤维的性能及其应用[J]. 棉纺 织技术, 2011, 39(4):65-68. [16] 赵稼祥. 东丽公司碳纤维及其复合材料的进展[J].高科技纤维与 应用, 2000, 25(4):19-23. [17] 赵稼祥. 日本三菱化学公司沥青基碳纤维的进展 [J]. 高科技纤维 与应用, 2001, 26(3):10-14. [18] 赵稼祥. 美国 HEXEL 公司的碳纤维及其复合材料 [J]. 高科技纤 维与应用, 2000, 25(6):23-29. [19] M S A Rahaman, A F Ismall,A Mustafa. A review of heat treatment on polyacrylonitrile fiber [J]. Polymer degradation and stability, 2007, 92 (8):1 421-1 432. [20] G S Bhat, F L Cook, A S Abhiraman. New aspects in the stabilization of acrylic fiber for carbon fiber [J]. Carbon, 1990, 28 (2-3): 377-385. [21] 宋会青, 刘化虎, 吴伟. 碳纤维用聚丙烯腈聚合的研究进展[J]. 合 成纤维, 2011,40(4):14-19. [22] A Deurbergue, A Oberlin. Stabilization and carbonization of pan - based carbon fibers as related to mechanical properties [J]. Carbon, 1991,29(4-5):621-628. [23] Ko Tse-Hao, Day Tzy-Chin, Perng Jeng-An. The characterization of pan-based carbon fibers developed by two-stage continuous carbonization [J]. Carbon, 1993, 31(5):765-771. Introduction of the Inorganic Special Fiber(I) LIU Ke-jie1 , ZHU Hua-lan2 , PENG Tao2 , WANG Feng-de1 [1. China Bluestar Chengrand Chemical industry Institute, Chengdu 610041, Sicuan, China; 2. Bluestar(Cheng Du) New Material Limited Company, Chengdu 610041, Sicuan, China] Abstract: Inorganic special fibers have excellent mechanical properties and thermal properties of high temperature-resistance and anti-oxidation and are more widely used in the high-tech field. In this article, glass fiber, basalt fiber, carbon fiber of the inorganic special fiber are introduced briefly, including their structure and performance, the development, preparation method and main application field. Finally, author briefly summarizes the development process of the three fibers and forcasts their future development prospects and the direction of development. Key words: inorganic fiber, special fiber, glass fiber, basalt fiber, carbon fiber 刘克杰，朱华兰，彭涛，等. 无机特种纤维介绍（一） 37