本文简述了我国新形势下高性能纤维包括碳纤维 ( CF) 、芳酰胺纤维 ( AＲF) 、超高相对分子质量聚乙烯纤维 ( UHMWPEF) 、玄武岩纤维 ( BSF) 、聚酰亚胺纤维 ( PIMF) 、聚苯硫醚纤维 ( PPSF) 、及各种重要小品种 ( PBO、PODZ、LCP、PEEK) 、纳米纤维 ( NF) 、碳纳米管 ( CNT) 及其改性品种，以及其复材的发展动向和今后各品种的主攻方向; 介绍了国外上述纤维及复材的最新动向、技术进展、新品种及市场开拓情况。我国的主要高性能纤维正迈入规模化、高效化、节能化、稳定化和扩大应用的新时期，产业布局趋于合理。大批小品种高性能纤维正由小试或中试迈向批量生产的阶段，工程放大试验是主攻课题，应用研究、军工试用和市场开发是当务之急，也是未来生存与发展的需要。碳纳米管 ( CNT) 、CNT纤维、石墨烯纤维的制造技术和应用领域，不断取得新突破，特别是在复合材料、医学和可穿戴智能纺织品等领域，开始走向市场应用。
复合材料是高强高模纤维的主要下游市场， 近年来在高端和低成本的双向市场牵引下，正朝着成型工艺高效化、节能化、产品高精度和品质均一的方向不断取得新进展。可再生、可降解高 强高模纤维新品种和回收再生纤维，在环保法律法规的推动下发展较快，正开发高端加工品和普及性双向应用领域。在树脂基体方面，由于热塑性复合材料发展较快，无论廉价的PE、PP和PA，还是耐高温的PPS、PES、PEEK、PEI等，都不断开辟各自的复材新市场。在热固型树脂方面，低成本、高韧性环氧树脂和其他杂环类高性能树脂，在航空航天和国防军工用复材市场的推动下，用量不断攀升。与复材发展相辅的各种助剂、黏合剂和粉体，包括树脂、橡胶、陶瓷和其他无机粉体的研发和应用，都有新进展。在耐高温、耐强腐蚀性、抗燃纤维方面，主要应用领域仍是气、液体滤材，防护服，电绝缘材料，蜂窝结构材料和代石棉材料等。以下分别就新形势下我国主要高性能纤维及其复材的主攻方向和新进展，以及国外的最新发 展作概要论述，供参考。
近年来美国把中国作为战略对手，实施围堵中国的 “亚太战略”和外交与经济上的霸凌主义政策，使中美贸易摩擦不断升级，我国不得不采取相应的反制措施和战略调整。美国不惜动用国
家力量，针对中国重点高科技企业实施全方位打击，试图阻止中国快速发展和超越美国的发展势头。新一轮军备竞赛和反恐斗争形势严峻，加剧了全球和地区的不稳定性。我国实施的 “一带一路”和 “人类命运共同
体”倡议，越来越深得人心，通往欧洲和南亚的中巴铁路已开通，瓜达尔港已正式运营。“藏水入疆”工程和引俄罗斯贝加尔湖水入境工程已经启
动，势将改变大西北的生态环境和生存条件。在这种新形势下，我国需要调整产业布局，对重要产业的核心技术及其配套新材料，要求实现全产业链同步发展，以应对国外的封锁。这些都有利于推动军民两用高性能纤维及其复合材料的发展。2.1 高耗能的碳纤维产业首先向西部和东北地区发展西北地区的能源优势和低廉的电价、地价和劳动力，首先吸引碳纤维及其复材等高能耗企业向西部发展。表1示出我国PAN基和沥青基碳纤维向西部
和东北大发展的建设计划。2.2 其他主要CF厂家也朝规模化和配套下游产
业链的方向发展我国在廊坊 ( 3400 t /a) 及荣城的大型PAN-CF ( 6.6万t/a) 建设工程，曾经让国人抱有很大的希望，然而因故已全线停产8个多月，不久有望迎来新的投资方，但距全面复活仍需时日。上海石化于2012年开始兴建1500t/a小丝束
( RT) 原丝和500t/a PAN-CF生产线后，现正建设 2.4万t/a大丝束 ( LT) 原丝和1.2万t/a48K PAN-CF生产线，并增设1000t/a RT PAN-CF生产线和筹建碳纤维复合材料研究院，到2025年将投入25亿元。江苏恒神 ( 5500t/a) 自迎来四方投资者参股后，确保了可持续发展，更可喜的是某些产品通过了航空级的认证。目前已有光威复材和江苏中简两家PAN-CF企业上市，今后可望迎来新上市企业。在高端PAN-CF方面，中科院宁波材料技术与工程研究所通过研究高模量CF成形过程中石墨结构的演变，突破了相当于东丽M60J级碳纤维的
关键制造技术，为今后向M65J级碳纤维和 M70J级碳纤维迈进打下基础。3.1 对位芳酰胺纤维 ( p-ARF) 正朝系列化和
规模化全面筹划表2示出目前我国各p-ARF企业的产能和
未来发展计划。在纺丝工艺技术上，中纺特纤有限公司有所创新，缩聚和纺丝单套产能各达到3000t/a和1500 t/a。干喷-湿纺卷绕速度高达610m/min，
其热处理是在一组高温辊筒上连续进行，高模量纤
维的模量高达800cN/dtex，NMP回收率高达98%。然而与国外尚有差距，杜邦的缩聚和纺丝产
能各为5000～10000t/a和2500t/a，最高纺速为 800m/min，产品系列化程度高。在共聚纤维方面，我国四家芳纶Ⅲ的产能很小 ( 50t/a) ，品种较单一，与俄罗斯石头城化工
厂相比，在产品系列化和单线产能 ( 1000t/a)
等方面差距较大。目前各厂家均在拓展军民两用的应用领域，
中蓝晨光化工有限公司研制了含氯改性的芳纶Ⅲ，但与俄罗斯的Rusar相比差距甚大。该公司
的检测结果表明，苯环上引入氯取代基后，干纱
强度、结晶度、玻璃化转变温度、热分解温度都下降了，但浸胶丝强度和层间剪切强度得到明显
提高，分别达到5313MPa和59MPa，阻燃性也提高了。3.2 间位芳酰胺纤维 ( m-ARF) 相对增长缓慢我国有4家m-ARF生产厂家，龙头企业烟
台泰和新材料股份有限公司的产能为7800t/a，计划扩大至10000t/a，而江苏圣欧、浙江九龙和新会彩艳3家联合体的产 能各为6000t/a、1500t/a和1500t/a，全国合计产能还达不到杜邦一家，产量就更少了。其主要应用市场是高温粉尘滤袋、各种阻燃防护服、电绝缘纸和蜂窝结构材料等。与国内外各种耐高温纤维的竞争异常激烈，
这是造成其发展相对缓慢的主因之一。竞争对手
有PIMF、P84、PPSF、PODZF ( 聚二唑纤维)
和PTFEF。为此，今后提高生产效 率，降低成
本，扩大品种规格和拓展应用领域，是其主攻方向。4 超高相对分子质量聚乙烯纤维 (UHMNPEF)我国的UHMWPEF厂家呈现了百花齐放的局
面，目前产能最大的是江苏九久久科技有限公司
( 约4000t/a) ，计划3～5年内各扩大至14000～30000t/a。该公司还发明了高耐切割UHMWPEF，
是将软质耐磨短纤维分散液加入UHMWPE纺丝液中，短纤的含量为UHMWPE的20%～40% 。制得的长丝强度与模量高，残余油含量低，耐切割性能稳定，手感好。目前细规格产品出口需求量大，
产品的系列化与国外差距较大，包括医用单丝手术缝合线和风筝线，特别是超高强度纤维、超纯丝、超低蠕变纤维与高耐切割纤维等品种，是今后赶超的方向。北京服装学院最近研究熔纺改性的UHMWPE，用烃类改性剂PO1和抗氧剂1010进行改性，并研究其热降解流变行为。结果表明，在315～330℃下停留15min 以下时，热降解不明显，属假塑性熔体，体系黏度较高，黏流活化能较低，且随时间的增长而增加，最大值仅为20.16 kJ/moL。该结果对研发低成本的的熔纺UHMWPEF，有指导意义。该校还发明了UHMWPE有色丝，制法包括超声配制染液，在90～120℃将UHMWPEF进行染
色，水冼、干燥后进行拉伸而制得有色丝。宁波大学材料科学与化学工程系宁波特种聚
合物重点实验室研究了UHMWPE纤维/环氧树脂
复材中纤维表面处理对复材性能的影响。所用纤维拉伸强度为 ( 2. 62±0. 079) GPa、断裂伸长为
( 4. 59±1. 38) % 、断裂模量为 ( 59. 66±1. 790)GPa。环氧树脂 ( EP) 采用昆山南亚环氧树脂有限公司产品。结果显示，表面处理后提高了粗度、含氧基 ( 特别是OH基) 、结晶度和浸润性，其复材的冲击强度最高达到92. 6kJ/m2，高于纯环氧树脂及未处理纤维的复材 ( 表3) ，而拉伸强度的对比见表3、表4。表面处理纤维复材的弯曲强度和模量各比纯环氧树脂高26. 2%和26. 0% ，摩擦系数也提高
了。复材的动态力学分析 ( DMA) 显示，其Tg移向高温，而 tanδ峰值的下降显示处理后纤维树脂
基体的黏合好于原纤维，同时环氧中加入该纤维
后，抗分解稳定性提高了。5 玄武岩纤维 (BSF) 遍地开花，朝生产高效
化、节能化和低成本方向发展目前我国BSF企业正面临诞生一批、中止与停产一批的优胜劣汰过程。几家龙头企业如航天拓鑫玄武岩纤维实业有限公司、浙江金石玄武岩纤维有限公司、山东聚源玄武岩纤维有限公司和
山西晋投玄武岩纤维开发公司等，仍保持优势地位。后起之秀的四川帕沃可矿物纤维制品有限公司，据称已建成3万t/a全球首个BSF原料优化厂，首次将空气粉碎技术用于玄武岩粉碎，从源头就将不利铁化物排除在外。其池窑法生产BSF的产能为3500t/a，共采用10块2400孔漏板进行纺丝，纤维拉伸强度高达3200MPa，模量为98GPa，离散系数为4. 5% ，可谓相当先进。四川达州编制了《纤武岩纤维发展规划》，
计划大规模发展BSF及下游制品，而四川拜赛特
玄武岩纤维有限公司在岩棉基础上，开始兴建大型BSF生产厂，还有其他新上企业。提高生产效率、实现规模化、降低生产成本、提高性能、充分利用其特点开发新市场、并制定
适应不同矿组成和应用领域的BSF标准，是BSF今后的攻关方向。我国的PIMF现处于世界领先水平，无论是作为常规耐高温纤还是高强高模纤维，都领先于最
早研发的俄罗斯和后起的日本。江苏奥神新材料有限公司和长春高琦聚酰亚胺材料有限公司都计划由1000t/a的产能逐步扩大至更经济的规模。德州悦丰纺织科技有限公司将PIM短纤维通过养生处理、清花、梳棉、并条、粗纱和细纱工序、络筒等，而制得高支纱线，并申请专利。今后我国有望实现数千吨级乃至万吨级的总产能，关键是产品质量的稳定性和新市场开发，
有条件的企业可考虑研发酮酐类PIMF。我国虽早已有四川得阳科技股份有限公司 ( 刚
恢复生产) 、江苏瑞泰科技有限公司、海宁锦仕达
新材料有限公司等数千吨级PPSF 生产厂，但由于产品质量及稳定性不及进口产品，国内市场主要由日本3家公司占据。因此今后围绕争夺市场份额，
除提高生产效率、稳定质量和降低成本外，重要的一条是扩大系列产品和研发无氯和钠的PPS合成新
工艺，生产不腐蚀模具和纺丝组件的纤维级PPS。8 各种小品种高性能纤维正向批量、中试和产
业化方向过渡PBOF正迎来多家齐上阵，由高校和科研院所与企业协作，走向中试和批量生产阶段。四川新
晨率先将产能扩大至380t/a，并开始试生产; 中
蓝晨光化工研究院有限公司、盐城中汇特种材料有限公司、中科金绮新材料科技有限公司等，都建有50t/a的中试线。今后的重点攻关课题是突破规模化产业技术、降低成本和克服产品耐紫外光不足的缺点。我国目前只有江苏保德新材料有限公司拥有1000t/a的生产装置，由于原料价廉易得，是一
种相对廉价的耐热纤维，应该有发展前景。其生产工艺与白俄罗斯Svetlogorsk Khimvolokno 公司相仿，后者产能也是1000t/a，但在下游各种制品开发和拓展市场方面，远比我国更具有竞争力，
而且已大量向欧洲市场拓展。今后建议进一步加强应用研究，不断开拓新
市场，同时研发聚对亚苯基二唑纤维新品种，
发展高强高模系列产品。我国目前约有4家单位在研发，其中浙江千禧龙特种纤维有限公司早已建成100t/a的生产线，
但迄今未正常运行，中蓝晨光化工研究院有限公司和四川纺织研究院合作，也在推进其中试研究。该纤维因具有吸水性小、干湿态强度高、热
膨胀系数小、尺寸稳定性好、蠕变小、耐高低温、阻燃、耐酸，并具有振动阻尼效果，因此是特种纤维的基本品种，在航空航天等领域有重要需求，
也是与国外差距最大的品种之一。今后应优先解决高温热处理时间长、能耗大、成本高的瓶颈，在此基础上实现规模化和研发不
同纤维共聚组成的差别化系列产品，并扩大应用。该纤维早期由吉林大学首先研发成功，随后
辐射到全国而初步实现产业化。常州吉大特塑工
程研究有限公司是其附属企业，产能为100t/a。随后出现常州创赢新材科技有限公司、辽宁盘锦中润特塑有限公司和衢州腾弗隆精材料有限公司等，据称产能各为500t/a、1000t/a和500t/a，但尚未能稳定生产。今后有待进一步突破产业化技术，开展军民
两用多方市场，有条件的科研单位应开发PEEKF等系列纤维。中科院重庆绿色与智能技术研究所、北京中国
科学院大学及环保膜材料与设备技术重庆工业技术创新研究所，通过静电纺丝法制备高性能聚酰亚胺
纳米纤维膜 ( PIMNFM) 。图1示出所用PI的化学结构，纺丝液溶剂为N-甲基吡咯烷酮 ( NMP) ，
通过简单易得的技术 ( 图2) 就可生产表面光滑、疏水的NFM，单丝直径在140～400nm之间。该膜具有优良的热稳定性，其初始分解温度
( Td) 和 耐 热 温 度 ( Thri ) 各 达 到544. 4℃和198. 8℃，拉伸强度和杨氏模量各达到10. 5MPa和927. 6MPa。当作为过滤膜时，最佳过滤效率为90. 4% ，适用作高温粉尘的滤材。表5示出PINFM与几种聚合物纤维滤材的玻璃化温度
( Tg ) 、热分解温度 ( Td ) 及最高连续使用温度
( Tco ) 比较。9.1.2 PU/PVP /GO锂离子电池 ( LiB) 隔膜 湘潭大学的研究者为解决纯聚氨酯 ( PU) 电
池隔膜尺寸稳定性差、对液态电解质浸润性低而
限制在LiBs的应用问题，研发了静电纺丝PU/PVP( 聚乙烯吡咯烷酮)/GO( 氧化石墨烯) 电池隔膜。提高了热稳定性、力学性能及液态电解质的浸润性，其阳极稳定性高达5. 25V以上，可与高电压阴极材料相匹配。其电化学特性显示该
膜对先进LiBs是有前景的隔膜材料。图3示出PU、PU/PVP、PU/PVP/GO静电纺膜的扫描电镜
( SEM) 图。9.1.3 含 碳-纳米纤维内层的芯-鞘结构S@Co( OH)2厦门大学化学与化工学院、安徽师范大学化学与材料科学学院，为改进锂-硫电池 ( LSBs)
在实际应用中因存在低电菏传递、阻滞锂离子的扩散及多硫化锂的往复效应而限制其应用，研发出高性能负极材料。其中80% 质量分数的S亚微球被包覆在可渗透的Co( OH)2纳米壳中，起到阻
止硫和硫化物漏入电解质中的物理载体功能，并在充放电过程中起到多硫化锂催化分解作用。图4为具有芯-鞘构形的S@Co( OH)2复合材料及Co( OH)2用于LSBs中化学吸附及催化剂分解的作用示意图。当碳纳米纤维 ( CNF) 内层导入S@Co( OH)2阴极与电池隔膜之间，LSBs的性能就可明显提
升。S@Co( OH)2阴极便具有超过1000周期的良好循环稳定性，在2C下的初始放电能力为1100mAh/g，可逆电容为606mAh/g，从而可发
挥LSBs高能量密度优势。东华大学纺织学院研发一种超轻、超弹性、耐热耐火的陶瓷纳米纤维气凝胶。主要利用三维
网络重构方法，以静电纺柔性二氧化硅纳米纤维膜为结构组元，剪碎并在高速均质分散机中制成
聚丙烯酰胺水溶液的纳米纤维分散液，再制成杂化纳米纤维气凝胶，在900℃空气中煅烧而得，
如图5所示。今后有望应用于航空航天和国防军工等领域。北京纳米生色科技公司和广东欣丰科技有限公司，共同研发了织物纳米膜层结构生色技术，
可在不降低碳纤维织物任何性能的前提下着色，
如图6所示。生色膜材料采用稳定态金属和陶瓷，着色过程无污染，可从根本上解决传统染整业存在的高水耗、高能耗、高污染的难题。9.2 CNT纤维、CNT复材纤维、CNT改性纤维、CNT共混膜这方面近年来引世人瞩目的科技成就，就是中科院苏州纳米所的清华大学各研制成功拉伸强度高达100GPa和80GPa的CNT长丝，创造了该领域的世界之最，为之后人类实现 “宇宙梯”迈
出重要一步。9.2.2 CNT-碳纳米纤维 ( CNF) 分层混杂纤维 兰州大学物理科技学院、烟台大学光电信息科技大学和南京工业大学先进材料学院，共同通过 CNT-CNF 分层混杂纤维的KOH活化，改进了双层电容的特性。化学气相沈积 ( CVD) 法成长
的CNTs及相应的混杂纤维，常用于储能电极材料，但CNT尖端部往往被封闭而限制其管形结构在电荷储存过程的利用效率。研究者们设计了一
种端部开孔的CNT-CNF分层混杂纤维 ( 图 7) ，
是通过在Al/Fe催化剂上CVD成长的CNT-CNF原丝进行KOH活化而制得。试验结果显示，经于700～750℃活化90min后，CNT端部全部开孔，从而提高了比容量，且比早期制品提高3. 3倍。扫描分析显示，扩散型电容提高3. 7倍，而Helmiholtz型电容仅提高 1. 5倍，
即端部开口CNTs对双层电容的提高贡献约30%。CNT纤维虽然有巨大的发展潜力，但在强酸、超声和高温氧化等极端条件下，由于丝束间的管间偶联少，结构和力学性能稳定性低，从而限制了在极端环境下CNT纤维的实际应用。为此，北京航空航天大学材料科学与工程学院航空先进材料和性能( 教育部) 重点实验室、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所及中科院南昌苏州纳米所，共同研制防质子、氧化和超声的CNT复合材料纤维。这种CNT/C复材纤维是用浮动催化剂的CVD，通过用PAN溶液浸润、随后在Ar气中有计划的张力热处理10s而制得，其中CNT通过热解碳而粘接在一起 ( 图8) 。正是由于这种粘接碳结构，使该复材纤维在各种严酷条件下，改进了抗结构损伤性，与原CNT纤维相比，该复材纤维在断裂负荷下改进了320% ，强度提高354% ( 2.3GPa) ，模量提高667% ，密度为1. 48g/cm3，柔性和韧性更优。兰州理工学院为改进聚偏氟乙烯 ( PVDF) 分离膜的总体性能，采用质量比3:1的浓硫酸和浓硝酸改性、超声混融和化学热法配置负载四氧化三铁的MWCNT，再与PVDF、乙二醇、DMAc共混制膜而得MWCNTs/Fe2O3/PVDF共混膜。经测定其接
触角为56. 65°，纯水通量152.866L·m2/h，对腐殖酸、海藻酸钠、双酚A、牛血清蛋白的截留率各为59. 71% 、71. 16% 、59. 10% 、76. 00% ，皆比纯 PVDF膜提高了。1 碳纤维(CF) 及碳纤维复合材料 (CFＲP)美国是碳纤维最大消费国，而今只有Hexcel和4M是本国企业，其余两家都被日本、比利时厂家所兼并。CF生产过程是高能耗产业，由于美国电价便宜，吸引了三大日本CF厂家都在美国建厂。帝人
在南卡州正建设的2800t/a CF厂，预计2020年建成，经客户认定后将于2025年正式投产; 目前考虑在东南亚选址建设CF预浸料厂，以满足该地区CFＲP网球拍和钓鱼杆不断增长的需求。( 1) 大纤度PAN-CF。三菱化学开发了单丝直径最大的PAN-CF ( 34～550μm) ，一般的单丝细度为5～7μm，而它为10μm。纤维的断面形状呈腰子形［图9 (a)］，而现有的大丝束PAN-CF “TＲW40 50L”截面为近椭圆形［图9 (b)］，
这是由于大纤度PAN原丝在碳化和石墨化时，热量易渗透到纤维内部而呈扁平状。其刚性比圆截面PAN-CF高。该CF的拉伸强度和模量各为240GPa和4.2GPa，当进行ＲTM成型时，既使黏度高的树脂也易完全浸透到纤维的间隙，使压缩强度提高，
适用于风电叶片和汽车部件。( 2) 具有均匀微孔结构的CF。美国弗吉尼亚科技学院研发的用于飞机和汽车储能的多微孔CF，如图10所示 ( PAN-b-PMMA) ，并与PAN和PAN+PMMA碳纤维作对比。所用原料为PAN与PMMA相嵌共聚物，通过静电纺丝法成纤，其中PMMA起到占位作用，随后在800℃氮中热解除去之，形成具有相互连通
的中引和微孔CF( 图11) ，这些孔可储存电源中的离子。用普通法 (A、B) 和新法 (C) 由各种聚合物前驱体通过静电纺制成CF。( 3) 5G通信用电磁波屏蔽的镀镍CF。早在20年前市场上就有类似的商品出售，迄今已用于数码相机的壳体及其内部计算机控制部件，用于防护电磁波。而今帝人推出的镀镍CF“TENAX
MC”( 图12) ，则是面向我国的笫5代通信(5G)市场而开拓的。5G通信可使人们进行高速大容量的数据相互传送，一方面要求电波容易通过，另一方面要防
止电波遗漏。为此5G智能手机和基站的通信设备，就有对电磁液全屏蔽的部分和不全屏蔽的部分，因此对该产品的需求可望扩大。我国预期2020年后将5G逐步普及，包括5G手机和基站建设，因此可缓解2018年CFRP在电子和电机方面市场低迷和需求减速的问题，而将呈现V字形的向上发展势头。( 4) 包覆陶瓷的再生CF。根据欧盟2035年的循环经济政策，一般废弃物的再生率要求达到65%，填埋率下降至10%以下。世界各国也在制定相应的政策。日本产业技术综合研究所开发了利用再生CF生产 “高性能陶瓷包覆CF”( 图13) 的技术，是将长200μm再生CF与SiC树脂混合进行真空烧成，制成SiC包覆CF，再于氮气中烧成而制得氮
化硅包覆CF。通常的CF分解温度约为500℃，而SiC包覆CF为600℃，氮化硅包覆CF为650～700℃，因
此可用于航空航天等严酷的应用领域。图13( b) 对比CF与碳化硅包覆CF、氮化硅包覆CF在空气中的加热曲线和分解温度。可见包覆陶瓷的产品耐热性高和绝缘性好。以往通过气相沉积法制得的高性能陶瓷包覆CF，因包覆膜厚，容易破碎，新法包覆的附着性好，可改进上述不足。(5) 黑洞摄影用高模量、低热膨胀沥青基碳纤维。2019年4月全球首次成功实现 “黑洞”摄影，这应归功于在智利北部高原的巨大多台天体望远镜之一的“アルマ”( 阿鲁玛) ，即所谓的黑洞望远镜，是由夏威夷、智利和南极等8座电波
望远镜相连而形成的相当于地球直径的约 1万km假想望远镜，由直径7～12m的66基高感度抛物面天线组成 (图14) 。其中16基是相对小的望远镜，由PAN基CFRP和数字修正技术组合而成，而50基12m直径的反射器材料需由三菱化学的高刚性、低热膨胀系数沥青基CF(P-CF)组成。向日本八千代工业公司在已有的树脂注射成型、模具和涂装技术基础上，独自设计制造并开始量产CFRP汽车车顶部件 (图15) 和燃料罐，到2030年将形成其核心产业。帝人复合材料创新中心早在2008年就开发了复合材料产品的前沿技术，2011年便开发了全球首个碳纤维增强热塑性树脂 ( CFRTP) 量产技术，
并实现1min的生产周期。随后在美国建立了技术设施，在日本兴建中试厂。2012年与日本国内外合作伙伴包括美国通用汽车(GM)，合作开发了大规模生产方法，2017年在全球汽车轻量复材技术领域处于领先水平。最近其Sereebo CFRTP被美国GE选用于轻型卡车框，应用于GMC Sierra Denali 1500 (图16)
和GMC Sierra AT4 1500。轻型卡车框的内推出板、边板和底板都将使用Sereebo，并于2019年6月初生产。用于 SereeboPro板材的Sereebo，是在PA树脂基体中含有无规取向和各向同性CF，与钢材相比轻40% ，抗冲击强度高10倍，更耐腐蚀，易再生。帝人还新开发了Tenax Net Shape Preform (网状预成型体) ，可将单向纤维铺放和类无向性纤维喷涂结合起来，形成可用于结构件和可视CFRP部件的预成型体生产的新工艺。东丽则开发了飞机用真空模压预浸料制CFRP部件的技术，所用的新型预浸料及新树脂基体，
可使其力学性能包括拉伸强度和冲击后的压缩强度，与以往采用现有预浸料和热压罐成型制得的飞机一次结构部件相同。东丽通过该新横塑工艺
制取2m的飞机尾翼模拟部件 (图17) ，结果显示采用新预浸料者微孔含量少，符合飞机CFRP部件的严格质量控制标准要求。ADEKA和帝人集团的GH CRAFT公司，采用“纤维至复材(FtoC) ”成型法，确立了CFRP直接在金属板上成型的技术。树脂基体选用红外固
化型环氧树脂，CF丝束在张力下浸渍该树脂后快速固化而制得预浸料，接着在热压罐中成型并在压力下与金属黏合，制得不会剥离的复材-金属部件(图18)。该材料无需黏合剂，当弯曲或CF断裂时也不会发生剥离，通过这种金属部件的部分补强，可
使结构体变薄和轻量化，可望用于汽车部件和老朽土木建筑补强等。全球AＲF包括间位芳酰胺纤维 (m-ARF)
和对位芳酰胺纤维 (p-ARF) 的市场需求，自2019～2025年将以6. 6%的年增长率发展，到2025年将达到45亿美元; 其中p-ARF增长最快，2018年约占64% 。据德国市场研究公司的统计，2018年全球ARF的产量近1万t，其中最大用途为安全与防护
制品，占30. 7% ，约为2. 97万t。在2019～2025年间将以7%的年消费量增长，到2025年将达到4. 76万t。其次是光缆补强，自2019～2025年将以8. 3%的年增长率发展。帝人在荷兰的Twaron生产，由帝人芳酰胺公司承担，拥有原料、缩聚至干喷-湿纺的全套生产线。自2018年开始的5年间，将通过消瓶颈的手段，将产能提高25%，其次自2020年起，开始启动3年中期经营计划，将进一步大规模投资扩产。市场的动力是轮胎帘子线和光缆补强的需求好转。前者主要是欧洲强化了汽车的燃油费法规，使面向高速公路行驶的 “超高性能轮胎”的需求大增。光缆补强方面，随着5G的商用化、海底光缆的铺设和新兴国家对光缆需求的扩大，使p-ARF的总需求增长较快。此外，汽车刹车盘等摩擦材料的用途坚挺，自动变速器用的离合器板的需求也在增长。最近帝人新开发防弹直升飞机坐椅用的新产品，材料选用该公司生产的Twaron/Tenax ( CF)
混杂复合材料。帝人Frontier公司在日本松山生产
的Technora三元共聚纤维，现已完成约 10%的扩产。目前帝人的两种p-ARF合计已占世界市场的50%以上，预期数年后其与竞争对手杜邦的差距将进一步拉大。印度技术学院纺织技术系研制防护用p-ARF基软质和硬质复材板，纤维选用杜邦的Kevlar 129织物，基体各采用天然胶乳(NＲ) 和环氧树脂。织物选用Kevlar 129的Kevlar 363织物，面密度200g/m2±8g/m2，单丝纤度为840旦(756dtex) ，EPI×PPI为28×28，无表面处理剂。对软质复材增强纤维与基体的比率为90：10，而对硬质复材
两者比率为40：60，两者均采用2层Kevlar布，并与2层Kevlar制的缝编织物板作对比。结果显示，
与缝编板相比，软质复材的耐穿刺力高2. 8倍，比
硬质板高6. 6倍; 而冲击能吸收率，软质和硬质复材各提高73%和86%。上述各种试验复材的标准偏差值、标准误差和信任极限见表6。泰国Chulalongkorn大学工程学院化学工程系和美国Oklahoma州立大学，共同研究在弹道冲击下芳酰胺纤维增强聚 (苯并恶嗪-共尿烷)(聚BA-a-co-PU) 复合材料的能量吸收增长。研
究了不同质量浓度(0、10wt% 、20wt% 、30wt% 、40wt%) 尿烷的ARF增强聚(BA-a-co-PU) ，在弹道冲击下的能量吸收变化。结果显示，含20wt%尿烷的PU复材具有最大的拉伸
强度和模量，其复材防弹板的射击极限高达690m/s，适合制软质防弹板。表7为ARF增强聚 (80BA-a-co-PU) 复材的性能，表8是本研究和一些文献报道的射击极限值对比，可见其试验值最高。该纤维主要应用于三大应用领域，即消防服等各种防护衣料(图19) 、耐热滤材和产业质材如汽车涡轮充电器的夹层补强材料等。其中耐热滤材以中国环保法规的强化为契机，以高温粉尘滤袋为主，需求不断增长，但由于竞争激烈，供需趋于平衡，价格波动大。在防护服领域，在日本国内帝人占的市场份额大，而从全球看所占份额小。其竞争对手产品除各种有机耐高温纤维外，还有难燃维纶和难燃加工棉等。目前帝人向海外的扩售政策，首先与美国织物厂家Westex Hi Miliken公司签约，共同开发兼有舒适和抗燃高功能织物，与以往的m-ARF织物相比具有优良的柔性和6倍的吸湿率，LOI值高达40%，可作为防护服扩大应用于亚太地区的石油和瓦斯等产业。2015年在泰国开始量产的Teijin Conex Neo，因可后染客户评价高，正面向防护衣扩展。今后有望用于有锂离子电池、有芳酰胺涂层的电池隔膜和正极用黏合剂，比以往采用聚偏氟乙烯涂层耐热性更好，使用量可大幅减少，有利于轻量化和降低成本。也可试用于新一代通信的5G设备材
料，其复合材料除轻量外，还可满足适合高频带通信的低介电特性和绝缘要求。目前国外已有5家公司生产UHMWPEF，除荷兰DSM(Dyneema) 、美国Honeywell (Spectra)、日本Dyneema (Dyneema) 、俄罗斯(Lola)外，新介入的公司有帝人 (Endumax) 和东洋纺(两大系列) 。荷兰DSM根据防护领域需求的增长，于2018年在荷兰Heerlen和美国北卡罗来纳州Greenvil的UHMWPEF和Dyneema UD的产能各提高20%以
上，于2019年下半年正式投产。现产品有纤维、带材和UD布等，应用于医疗缝合线、渔业和水产养殖网、缆绳、吊索、耐切割手套和衣料、高功能材料、车辆和人体防冲击材料等。东洋纺独自开发的高强力聚乙烯纤维(HTPEF)
，正迎来大发展期，其中钓鱼用的 “依兹
纳”，已在敦贺事业所设置专用生产线，有2种不同纤度丝已投产，还有3种纤维正在开发中，到2020年4月将在美国上市。另一种面向耐切割手套的品种 “刺优加”(图20) 的第三系列生产装置，将于2019年11月投产，使总产能达到1500t/a，到2020年计划上第四系列生产线，使得产能达2000t/a。依兹纳按用途划分有两大系列，SK系列主要用于大型船舶的系留绳和棒球场等的防护网，新
的用途是钓鱼丝。东洋纺的普通PE钓鱼丝，每年占世界市场的数百吨规模。原来SK系列生产设备，
适于生产单丝纤度1旦(0.9dtex) ，后来市场需要高强、耐磨和大纤度的钓鱼丝，因此于2017年上了专用生产线。最近创立了SF系列，先后开发了单丝纤度7旦( 0.63dtex) 、强度25cN/dtex的SF600，及3.5旦(3.15dtex) 、强度35cN/dtex的SF700，还有单丝纤度 1～2旦 ( 0. 9～1. 8dtex) 、强度45cN/dtex的世界最高水平SF800。计划于2020年将 SF800在日本国内、SF600、SF700和SF800钓鱼丝在其最大市场美国齐上市。现依兹纳的总产能为1000t/a，通过SF系列的扩售希望早些满负荷生产。另一品种刺优加已成为全公司的重点，被采用于接触冷感的床上用品，而约90%用于汽车和食品制造现场的耐切割手套。近来我国廉价的高强PE纤维总产能高达1. 5万～2万t/a，这方面的市场份额逐步被我国所占据。ツヌーガ与イザナス相比，强度低，但耐切
割方面毫不逊色，价位方面可与中国产品相抗衡，
而且单丝纤度为1旦，而中国产品为2～5旦(1. 8～4. 5dtex)，主要产品是440dtex纱线织的手套，柔软而易操作。东洋纺现致力于开发汽车制造加工工序除毛边用的更薄手套，需求量大，
即开发220dtex和110dtex的纱线。ツヌーガ的产能为1000t/a，到2019年11月第3系列正式投产，将形成1500t/a的产能。根据进一步需求，将于2020年设置第四系列生产线，使总产能达2000t/a。帝人也投产新的UHMWPEF “Endumax”，如图21所示。俄罗斯Tver国立大学研究的以凡士林油为溶剂的UHMWPE凝胶纺丝工艺，是直接应用模型试验的数据创出高强UHMWPEF的工业化生产方法，
开展了凝胶纺丝过程溶剂的热氧化破坏的研究。同时研究了不同被氧化度凡士林油样品，在UHMWPE在溶解阶段和拉伸取向阶段的变化，并与模型试验结果相比较。试验是通过紫外(UV)和红外(IR) 光谱，检测和研究凡士林油受热氧化
破坏后化学组成的变化。试验表明，当树脂在180℃溶解时，但凡士林油就会遭热氧化破坏，
而且之后初生丝于70℃和110℃进行初始拉伸时，该油在反复使用后还会进一步遭破坏，使颜色变深而丧失其性能特性。被氧化的凡士林油会降低UHMWPE的溶解能力，并影响纤维的成形性，为此测定该油的氧化极限对实现产业化至关重要。最终确认使用标准的GOST 3164-78凡士林油，其组成为C10-C15液体石蜡烃和环烷烃。BSF的线密度在20～4800tex，可加工成非织造布、机织物、经编针织物和多轴向纺织品等，
国外由东欧、中亚、北美的20家企业生产，全球总产能约3. 5万t/a。其使用温度-260℃～800℃，长度膨胀系数低，抗加捻和弯曲性高，意味着当加工成3D和半
加工制品并用于复合材料时，比CF可少发生断裂，
即被加工组件的强度可高200%。它具有生态优势，
可100%再生，而且生产1t BSF所产生的CO2量，
比1t玻璃纤维 ( GF) 少1t，比 1tCF少20t。其应用领域包括垃圾焚烧厂和混凝土厂的高
温粉尘滤袋、路边和车道边及滑雪救援道斜坡的
稳定性、防火和噪声防护材料、土地复原、绝缘
网片、排水材料和农用材料等。在增强混凝土和增强塑料 ( BFRP) 中，多轴向纺织品取代钢筋后，可达到同样强度，其复材
更薄、更轻。图22～图25为德国纺织与加工机械公司Cetex研究所用于复材的玄武岩短纤维、双轴向织物、含纬线经编针织格栅、粗经编间隔织物照片。该所的设备能以40m/min的生产速度，制成宽度长达800mm的4008/m2单层UD织物。有一种Cut＆Lay多轴经编机，可用于生产具有不同铺放角度(0°，90°，±45°，±30°，±60°)和质量的纺织品。此外，还可用不同支数的纱线，在针刺连接点上以经平或编链针刺搭接方式进行粘接，最大
工作宽度为254cm，生产速度为4m/min。如果干UD纺织品的两面在针刺前覆盖PP薄膜用于进一步加工成型，就可用注射模塑法生产复材部件。由于不同玄武岩的化学组成不同，纤维的质量也各异，因此纤维的规格必须适应最终需求，并统一到可采用的标准上。此外必须进一步开发沿整个附加值链的可再现技术，以提高人们对该纤维的认知度和信赖水平。伊朗Sistan and Baluchestan大学化学系和材料工程系研究了氧化石墨烯(GO)纳米微粒的硅烷功能化，及加入BSF/环氧复合材料后的力学性能变化GO(图26)事先通过N-(3-甲氧基甲硅烷基丙基) 乙二胺(图27)进行表面接枝改性(SGO) ，添加量0～0. 5%。试验结果表明，添加0. 4%SGO时，复材的拉伸强度、弯曲强度和压缩强度最大提高各18% 、59%和61%; 而 添加0. 5%SGO时，最大拉伸模量、弯曲横量和压缩
模量各为46% 、54%和66%。若采用0. 4%GO来改性复材，上述三种拉伸强度各提高24%、26%和25%，而上述三个拉伸模量各提高11%、39%和31%，可见用甲硅烷基功能化改性后，对复材力学性能的提高比GO更有效。东洋纺的超高性能纤维Zylon产能一直保持300t/a，除应用于铝材挤出工序的传送带外，也找到了新用途。特别是赛道用汽车无内胎轮胎(安装于轮圈的车轮圈缘部分)，需求量增加，已
在意大利Wittria为首的几个厂家使用，销售额已占10%，今年计划提高至20%。此外，美国Spinage公司的相关产品已应用于
赛车车轮的轮辐，预期需求有望增长。目前国外只有东丽和俄罗斯生产醚类PIMF，可耐260℃高温，主要用于防火服、消防服、烧
煤火力发电厂或水泥厂高温粉尘滤袋等。德国汉堡的Bieglo公司是专批发PI粉体、薄
片、纤维、半加工和加工部件等PI系列产品的企业。奥地利Evonic Fibers公司则生产酮酐类PIF，
迄今已有35年的历史。其最近开发了新一代的产品，在长期使用温度下改进了力学稳定性，物理化学性能也极好。其生产地点在兰精公司，而进一步加工和商品化则在Attersee的相邻Schoerfling厂，主要用途有高温滤材、防护服、飞机密封材
料、隔热绝缘板等。最近国外NF用作检测用传感器、功能服装、生理学和医疗方面等用途所发表的论文较多，如美国Wichita国立大学机械工程系和生物医学工程系，
共同研制作为一种检测环氧酶-2(COX-2) 的生物传感器基的高灵敏和可信赖的静电纺聚苯胺纳米纤维。COX-2作为一种重要的酶用于疼痛生物标志物、炎症、癌细胞增殖的检测传感器是很重要的。研究者们由磷酸盐缓冲盐( PBS) 和人类血清
研发出纳米生物传感器，将静电纺制得的多孔聚苯胺纳米纤维作为主要传感器，组合入叉指式的黄金微电极，用于开发无标记的高性能电化学纳米生物传感器。这种NF基生物传感器可检测在PBS和人
类血清样品中浓度低至0. 01pg/mL的靶抗原。瑞士联邦材料科技实验室、瑞士力学系统研究院、德国Erlangen-Nurnberg大学、瑞士苏黎士应用科学ZHAW大学，研究可伸展性血供的表面集成NF网络的体外内皮化。其混合纤维膜采用弹性PU和低血栓形成的聚(偏氟乙烯-co-六氟丙烯)分嵌入硅膜的表面而制得，它可抗内部结构可塑形变并稳固地附着于表面上，并提高了抗血栓性能。该复合材料在脉动流生物反应器内支撑稳定的单层内皮细胞的形成，因此通过NF表面改性为未来设计先进的弹性复材并应用于血液相关的领域打下了基础。美国马里兰大学材料科学与工程系和东北林业大学，共同研制嵌入纳米纤维素的全NF高性能超级电容器，是一种具有可反复使用、轻量、柔软、高性能和满意安全性的先进电化学储能系统。阳极采用森林基纳米纤维素分层多孔碳(HPC) ，电池隔膜为中孔纳米纤维素膜，阴极是一种含纳米纤维素碳为支撑基体的NiCo2O4正极，如图28所示。 HPC有三维多孔结构和相互内连的NF，其超高表面积为2046m2/g，当与中孔特点的纳米纤
维素隔膜相组合，这些性能就能助长离子和电子在厚膜(数百微米)和高负荷(5. 8mg/cm2)中的传递。这种ASC显示高电化学性能，在0. 25A/g和32. 78F/g下为10. 84F/cc，或在4A/g下为5. 48/g。其中纳米纤维素组分可提供可再生、低成本和生物可降解性，因此其应用方向是高功率、环境友好和可反复使用的储能装置。印度DKTE公司纺织与工程研究所、捷克Liberec工业大学纺织工程系和机械工程系，聚焦于研发静电纺NF并应用于服装纺织品，作为热-生理功能服装。基材选用棉、Kevlar和Nomex织
物，静电纺PA6 NF直接喷至所选服装织物上，其
热舒适性主要受所组成的织物的孔隙度和厚度的影响，而透气性和水分的传递主要由NF沉积物
决定。图29为NF膜及纤维直径的测定， (a) 平均直径119. 6nm，标准偏差31. 35nm，( b) 平均直径115. 04nm，标准偏差27nm， (c) 平均直径124. 82nm，标准偏差27. 2nm。加拿大蒙特利尔大学纳米科学系、德国Max
Planck医学研究所、德国海得堡大学生物物理系和中国大连工业大学物理与光电子工程系，共同研究纳米纤维表面黑共聚物(BCP)刷涂黄金纳米微粒，用于表面增强拉曼散射光生理学用途，
即细胞仿生学用的分子纳米传感器。名古屋大学、爱知工业大学和京都大学的科研集团最近厘清了单层碳纳米管(SWCNT)拉伸强度最大化的结构。CNT的碳原子蜂窝结构的排列角度越接近30°，拉伸强度越高，直径越小，强度也越高。正是由于CNT有多种结构，其才有各种不同特性。单纯的SWCNT的拉伸强度迄今尚无法直接测定，只能测CNT束的强度。该研究集团对16根不同结构的SWCNT，利用弹簧常数测其拉伸强度。结果发现，排列角最大的30°摇椅型CNT的拉伸强度，比排列角0°的Z字型CNT高。他们采用直径为1. 70nm的细CNT，排列角为28. 7°的最大垃伸强度为66GPa，而CNT的理论强度为100GPa以上。CNT在制备过程中可合成出金属型和半导体型两种产品，后者作为新一代电子材料而引人注
目，但需用较贵的试剂进行两相分离而得。名古屋大学着眼于具有葡聚糖结构的α-1，6-萄糖甙作为试剂，即采用水溶性食物纤维异麦芽糖糊精，就可在短时间内萃取出纯度高达98%以上的产品，而且容易大规模制造，有望加速其产业化应用。图30为半导体型CNT由上层乙二醇相萃取而得的示意图，下层为留在异麦芽糖糊精相中的金属型CNT。大阳日酸公司开发了独特的“基板法”制备长尺寸CNT，是将形成晶种催化剂的硅基板投入700℃炉中，吹入原料气而成长成晶体，与以往的“气相流动法”相比成本较贵，但可控制结晶性而制得较长CNT，而且可解开棉状络合的CNT ( 图31) 。CNT平均直径5～20nm，层数4～12，长度最长为600μm。它在溶液中难分散，但可通过防凝聚的界面活性剂等加以混匀。现已开发出混入少量CNT的PTFE(聚四氟乙烯)导电树脂，并与大金工业公司的集团公司东邦化成共同开发聚三氟氯乙烯(PC7FE)导电氟树脂。利用长尺寸CNT纺织丝的导电性和伸缩特性，可用于工业机器人部件、耐强放射线的航空航天部件、真空宇宙空间所用机算机等执行组件和传感器等的散热部件。还可制备高容量、安全性高的全固态电或空气2次电池、新一代锂离子电池的电极材料。日本斯贝斯玲公司采用CNT等碳材料活性物质，开始量产试制“绿色电容器”，今后将与蓄电设备厂家共同研发并于2021年投产。韩国材料科学研究所、中科院纳米技术与纳米仿生学研究所和美国Delaware大学机械工程系，共同研究MWCNT含量对热塑性聚氨酯(PU)力学和应变敏感性的影响。这种可高度拉伸的MWCNT热塑性PU纤维(图32)是通过湿法纺丝法制得的。该复材纤维的最高导电率为6.755cm-1，拉伸强度为28MPa，最大断裂伸长率为565%。对成直线的MWCNT/TPU纤维的最高计量因子(GF)为5200。通过控制TPU基体中MWCNT的浓度，可实现具有不同GFs的可穿戴的形变传感器，用于各种人类运动检测时可得到实时的力学反馈，因此适用于开发复材形变传感器。英国伦敦皇家学院化学系、韩国檀国大学、英国伦敦大学学院、西班牙马德里科技大学、IMDEA研究所、NCD-SWEET beumline、英国Bath大学和伦敦帝国学院，共同研制两界面间单壁CNT (SWCNT)/PVOH(聚乙烯醇)复材纤维。众所周知，增强材料与基体的表面相互作用是影响纳米复材的关键因素。它们制备不同分子量的PVOH并接枝至SWCNT上，以改进与PVOH均聚物的表面相互作用(图33)。SWCNTs丝束(Ⅰ)在液相中PVOH接枝到SWCNT表面上(Ⅱ)，高浓度分散原液放至疏溶剂凝固液中 (Ⅲ)，形成SWCNT-PVOH复材纤维，复材纤维中的氢键将在SWCNTs间形成(Ⅳ)。纳米复材纤维中的SWCNT承载份额，是通过控制纺丝原液组分在凝固液纺丝过程达到的。接枝PVOH分子量(10kDs)中间体可使接枝比率和最终复材的力学性能最大化。其正面作用取决于SMCNTs在原液中的分散度提高和有利表面。其中PVOH接枝提高了SWCNT承载份额(高达45wt%)的稳定性，并提高强度(高达1100MPa)和硬度(高达35.5GPa)，保持高的断裂形变(高达23. 3%)和高韧性(高过125J/g) 。综上所述，我国高性能纤维及其复合材料“十三五”期间将基本实现全基本品种的产业化，
有些大品种将逐步在与国外产品的竞争中取得更大的市场份额，少数品种继续保持世界领先，而一批小品种处于初级产业化水平。
预期到 “十四五”末期的2025年，我国将形成全球特种纤维品种最全、多数品种迈入国际先进水平的高性能纤维及其复合材料强国。
