摘要
介绍了国内外芳香族聚酰胺纤维的历史发展,归纳了其优异的热力性能、稳定性和电绝缘性,分类概述了其在军民用领域的应用潜力,进而系统阐述了芳香族聚酰胺纤维及其复合材料在蜂窝材料、压力瓶、飞机轮胎、发动机等航空领域的应用,总结出我国在发展芳香族聚酰胺纤维方面面临高性能和高产能的需求。
芳香族聚酰胺纤维(Aromatic polyamide fibers,缩写AF)是一类新型的高性能纤维,又称芳纶纤维或芳纶,最初被美国杜邦公司所发明,拥有卓越的机械性能和优异的热稳定性,最初设想应用于宇航研究材料等领域,现已成为一类重大的军用战略物资而受到国际关注。减重对航空航天领域来说有着特别重大的意义,也是航空航天设计师除了安全性以外最为关注的性能指标。研究表明,飞机每减质量1 kg,可节约30 000美元,而使用先进的复合材料是达到减重目标的唯一途
芳香族聚酰胺纤维又称芳纶纤维,于1967年由美国杜邦公司率先完成了间位芳香族聚酰胺纤维的商品化生产,1972年对位芳香族聚酰胺纤维进入了工业化,1974年,美国商业总会命名为“Aramid fibers
自芳香族聚酰胺纤维首次出现以来,该特种高分子材料得到了飞速的发展,目前国外研究芳香族聚酰胺纤维集中在美国、日本和俄罗斯,主要生产公司有:美国尼莫尔·杜邦公司、日本帝人株式会社、俄罗斯特威尔化纤股份公司、俄罗斯卡明斯克化纤股份公司、韩国科隆工业公司、韩国晓星集

图1 国外芳香族聚酰胺纤维的发展史
Fig.1 The development history of aromatic polyamide fiber in abroad
我国芳香族聚酰胺纤维起步较晚,但发展速度较快。芳香族聚酰胺纤维作为高技术研究发展项目,被列入国家“863”计划,20世纪80年代,国内有多家公司进行了研究,如中蓝晨光化工研究院、北京橡胶工业研究设计院、西安交通大学
芳香族聚酰胺纤维根据元素类型可分成两大类:全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维。全芳香族聚酰胺纤维按照酰胺基团和苯环上的C原子的连接情况不同划分为对位芳香族聚酰胺纤维(酰胺基团连接在苯环的对位上)和间位芳香族聚酰胺纤维(酰胺基团连接在苯环的间位上)。杂环芳香族聚酰胺纤维(又成芳纶Ⅲ)是由含有其他元素如氮、硫、氧和杂原子之间的二胺和二酰氯缩聚而成的芳香族聚酰胺纤维。在航空复合材料领域中,目前对位芳香族聚酰胺纤维和间位芳香族聚酰胺纤维应用最为普
由于苯环和酰胺的平面共轭效应以及分子链之间的氢键作用,赋予了芳香族聚酰胺纤维强大的物理化学性

图2 芳香族聚酰胺纤维的主要性能指标
Fig.2 Main performance indexes of aramid fiber
(1)优异的机械特性。芳香族聚酰胺纤维具有很大的强度,为一般优良钢铁的5~6倍,模量则为普通钢铁及玻璃纤维复合材料的2~3倍,弹性则为普通钢铁的2倍,密度却仅为普通钢铁的1/5,其中对位芳香族聚酰胺纤维的强度为2.8~3.5 GPa,模量为72~175 GPa
(2)优良的阻燃、耐热等特性。间位芳香族聚酰胺纤维的极限氧指数(LOI)约等于28,属难燃纤维,不能在室内自燃,且不会助燃,具备高自熄性,拥有“防火纤维”之美
(3)杰出的化学结构稳定性。稳定的化学结构使芳香族聚酰胺纤维拥有良好的耐一般化学品的特性,耐一般无机酸及化工产物的腐蚀、抗蒸气腐蚀性强,比如Kevlar-49在90 ℃下的H2SO4和NaOH中各浸泡4 d,纤维的拉伸模量仍保持在初始模量的84%和73
(4)优异的耐辐射性能。芳香族聚酰胺纤维耐α、β、χ辐射和紫外光线辐照的特性都非常突出,如Kevlar-29在强紫外辐照168 h后,其拉伸强度和断裂伸长率保持在初始拉伸强度和断裂伸长率的52.10%和55.53
(5)良好的材料耐久性能。芳香族聚酰胺纤维具有优异的抗摩擦与耐刺伤性等特性,例如Kevlar具有优异的抗刀割和抗尖刺测试性能,可应用于个人防护材料以及防弹衣的设
(6)极佳的电绝缘能力。芳香族聚酰胺纤维介电常数特别低,为世界公认的优秀绝缘材料,例如间位芳香族聚酰胺纸具有优异的电气性能,其介电常数为1.5~2.5,是一种优异的绝缘材料,此外芳香族聚酰胺纤维在高热、低温、高湿等条件,都可维持极佳的电绝缘能
芳香族聚酰胺纤维拥有轻质、高强度、耐磨性好等优异特点,在宇航、军用、建筑、交通运输、电子电气、体育及运动器械制造等诸多领域中均有广泛应用,如

图3 芳香族聚酰胺纤维的主要应用领域
Fig.3 Main application areas of aramid fibers
(1)航空航天领域:芳香族聚酰胺纤维密度低、硬度高、耐腐性好,能够作为运载火箭发动机壳体或者航空器的机翼前缘、尾翼前缘、鼻锥等部位作为承载冲击能量的结构部
(2)军用领域:由于化学、核和新型军事兵器的迅速发展,人们对于军事防护服的特性也有着越来越多新的需求:坚固耐用、轻巧、防弹、阻燃,以及优异的环境适应性与伪装性能等。在防弹背心与钢盔材料中加入适量芳香族聚酰胺纤维,会使成品体量小、质量轻。此外,芳香族聚酰胺织物还可以粘附于结构物的内壁,达到高效吸附爆轰波,从而避免弹片对人体的危
(3)建筑工程领域:芳香族聚酰胺纤维的延伸性好、密度小、加工自由灵活多样,是一种理想的建筑工程增强材质。用芳香族聚酰胺纤维编织成钢筋状,可用作大规模建筑工程的混凝土增强骨架材质,具备结构高强、质轻,还能耐腐蚀,并同时发挥了良好的抗剪功
(4)交通运输领域:芳香族聚酰胺纤维具有密度低、耐高低温,以及能与橡胶形成良好的界面结合等特性,可用作车辆及航空器上的轮胎帘子线。采用芳香族聚酰胺纤维制造的车轮质量轻、车轮薄、滑动阻低、强度高、耐磨性好、抗切割性能和抗穿刺特性能均十分优
(5)电子电气领域:芳香族聚酰胺纤维具有较低的介电系数(与空气的介电常数接近)、优异的透波性能和力学性能、良好的化学稳定性,因此芳香族聚酰胺纤维在变压器的芯线、电路板基材、雷达天线等电气绝缘以及电子领域中有广泛应用。此外,芳香族聚酰胺纤维优异的力学性能保障了细小且软弱的光缆在拉伸时不会伸长变形可用于制造成光缆中的“张力构件
(6)其他领域:由于芳香族聚酰胺纤维的物理化学性能和稳定性较好,而且耐酸碱腐蚀,既轻质又坚固,因此可用作油田深井的缆绳。芳香族聚酰胺纤维耐热、抗疲劳性很好,可以制成质量较高的手球棍、钓鱼竿、冰橇、单板滑雪、熘达杆、弓箭、赛艇、高尔夫球运动竿等,还可以来制成对户外运动要求较严酷的高山鞋靴、拳击手套、赛艇头盔、赛艇车身之类。芳香族聚酰胺纤维代替石棉生产的强化橡胶保护板和密闭件,可用作车辆空气制动的衬垫与衬
减轻质量对飞机和航天来说都有着特殊重要性,航天器每减重1 kg,可节约近30 000美元经费,因此选择先进的纤维复合材料是达到减重目标的唯一途
芳香族聚酰胺纤维蜂窝是指一类仿照大自然中蜜蜂蜂巢构造、由树脂材料浸渍的芳香族聚酰胺纤维纤维纸构成的非金属复合材料。芳香族聚酰胺纤维蜂窝复合材料,具有低密度、高强度、高抗冲击力,此外还具有减振、透波、可设计性强等优点。在航空应用领域,芳香族聚酰胺纤维蜂窝是最重要的非金属建筑材料,堪称“瘦身专家
杜邦公司的Kevlar和Nomex制成的蜂窝结构材料在国际通用,使用芳香族聚酰胺纤维蜂窝材料所制成的飞机舱地板、行李舱和隔墙板能够协助飞机制造商降低总载
缠绕压力瓶主要使用在呼吸机(如消防吸氧控制系统、登山、老年及疾病吸氧、飞行及飞行控制系统等)和车用压缩天然气燃油气瓶两大应用领域。纤维缠绕压力瓶首先在20世纪50年代用于军事和飞机,压力瓶主要作为军用飞机的喷射控制系统,紧急激励控制系统和发动机重启应用控制系统等,又或者被用作飞行实验室的氧气瓶以及导弹系统的气压源。每一架飞机都用了相当数量的复合气瓶,用作飞机舱内压缩空气和推进器以及控制系统的动力。
20世纪70年代,美国联邦交通部允许使用玻璃纤维和芳香族聚酰胺纤维制造的环绕气瓶,航空器上带有高压氢气(或其他气体)的瓶子采用了Kevlar纤维细丝制成的外壳,有助于降低航空器的总质量。一般的金属合金气瓶很可能引起爆裂,或喷射出高速的金属碎屑对航空器产生破坏。而使用Kevlar纤维细丝制成的气瓶则只会引起韧性损伤,而不至于破碎为许多碎屑,这就极大地减少了对航空器的损伤危险性。ZHELEZINA
飞机轮胎作为飞机的主要安全性部件,用于保证飞机的平安起落。由于高性能车轮需要同时具有安全可靠、舒适性、质量较小、易于收回和节油等综合性能,因此对于飞机轮胎,安全性与减量然尤为质要,这也就对飞机轮胎上提供支撑强度的帘子线提出了更高的性能要求。通过高性能帘子线,能给车轮提供更高的拉伸强度和更强的承载能力,在满足航空器同等载重能力的同时降低了飞机轮胎的质量,从而为增加军事航空载弹载油的体积、民用飞机运载量,给航空器及其他配件创造了更大的设计要求空间。
目前,用于飞机轮胎的尼龙帘子线由于硬度低,耐负荷小、容易变型等缺陷,现在广泛使用对位芳香族聚酰胺纤维制备飞机轮胎的帘子线。芳香族聚酰胺纤维具有优异的耐高温、低密度等特性,能够降低飞机轮胎载重的同时降低了车轮的滑动阻力,有助于提高轮胎韧性和热稳定
随着科技水平的不断提高,对航空发动机的减重也迫在眉睫,航空发动机减重是在保证结构强度、安全性的前提下,尽可能降低其总质量。芳香族聚酰胺纤维及其复合材料具有高比强度、比模量、抗疲劳、吸波、减震等一系列优点,已经在航空发动机风扇机匣等部件上得到广泛应
风扇机匣是航空发动机最大的静止部件,采用对位芳香族聚酰胺纤维复合材料包覆的风扇机匣,又称为风扇包容环,其结构是在铝制机匣上缠绕多层Kevlar编织物,最外层用树脂对其进行固化,发动机的质量比之前减轻50
如上所述,芳香族聚酰胺纤维以密度低、比强度和比模量高、耐磨蚀、耐冲击、低阻燃性等优势,广泛应用于航天航空、建筑材料、交通、电子电气和运动器械等领域。在飞机中广泛应用于二次结构件、飞机轮胎、压力瓶以及发动机等方面。但芳香族聚酰胺纤维的发展仍然存在以下问题。
(1)国外芳香族聚酰胺纤维研究技术水平与生产工艺条件日益完善,国内芳香族聚酰胺纤维加工和生产能力上,和国外水平仍然存在着很大的差距。
(2)国内生产的芳香族聚酰胺纤维仅作为国内市场的军用战略商品和民用重点物资,在国外市场上亟待投资与开发。
(3)芳香族聚酰胺纤维在航空中虽然有了很大的用途,但为了进一步实现航空减重目标,需进一步开发具有更高性能的芳香族聚酰胺纤维。
(4)芳香族聚酰胺纤维的来源仍然是石油基,对于绿色来源的芳香族聚酰胺纤维的开发也应该得到重视。
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