jinnian金年会官方网站入口·全球11类高性能纤维材料发展趋势及我国纤维产业预判

　　高性能纤维是指对外界的物理和化学作用具有特殊耐受能力的一类特种纤维，是近年来化学纤维工业的主要发展方向之一，按照化学组成可分为有机高性能纤维和无机高性能纤维。高性能纤维不但是发展航空航天和国防工业迫切需要的重要战略物资，而且在推进各类战略性新兴产业和低碳经济、节能减排中起着不可替代的作用，是体现一个国家综合实力和技术创新的标志之一。日本、美国和欧洲发达国家高度重视并长期垄断着全球高性能纤维的研发、 生产和市场。2006年以来，在国家政策和财政的重点支持下，我国高性能纤维产业发展迅速， 建立了较为完整的国产高性能纤维制备技术研发、工程实践和产业体系，大幅缩短了与发达国家的差距，有效缓解了国民经济和国防建设对高性能纤维的迫切需求。以下对常见高性能纤维进行介绍。

　　碳纤维是一种含碳量在90%以上的纤维材料，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、模量高、密度低、无蠕变、导电导热性能良好、非氧化环境下耐超高温、抗疲劳性好等特性，是发展航空航天、新能源、高端装备制造等高科技产业的重要基础材料，是制造火箭、导弹、战斗机、海军舰艇及多种尖端军事武器的必备关键材料，在国防军工领域有着不可替代的战略地位。相关资料显示，目前碳纤维复合材料在军用飞机中的用量占比为30%～40%，大型客机用量占比为15%～50%。如美国F-22和F-35战斗机的碳纤维复合材料用量分别达到24%和36%，B-2隐身战略轰炸机的用量占比超过50%，美国“全球鹰”无人侦察机的用量达65%，“雷神”无人机用量甚至超过90%。同时在民用航空领域，B-787、A-380等大型客机的复合材料用量均已超过50%。我机、国产大飞机、卫星、航天飞船等也开始使用碳纤维复合材料，但应用比例和水平远低于国外，其中三代战斗机碳纤维和材料用量占比不足5%，四代战斗机用量虽有所增高，但仍未达到20%，国产大飞机的碳纤维复合材料用量不足15%，且均为进口。2020年全球碳纤维需求量为10.6kt，中国地区碳纤维正在运行的产能约为3.6kt，实际产量约为1.8kt，居世界第二位。

　　对位芳纶具有轻质、高强、高韧、耐高温、透波、抗冲击和耐磨等优异的性能，在光缆增强、防弹装甲、石棉替代、个体防护等领域有着广泛的应用。全球对位芳纶市场属于典型的寡头垄断局面，北美和欧洲属于成熟市场，中国是新兴市场，作为潜在的芳纶用量大国，近年来我国对位芳纶的市场需求量增长率保持10%左右，远超全球平均水平。随着电子通信、国防军工、轻量化材料、5G产业等对芳纶个性化需求的不断增多，带动了对位芳纶行业的高速发展，待开拓市场空间巨大。2020年全球对位芳纶产能为83.7kt，至2022年预计总产能94.6kt，主要集中在杜邦、帝人和可隆三家企业，占全球对位芳纶产能的90% 左右，而国产企业占比较低。

　　间位芳纶具有优异的耐热性（分解温度大于400℃，长期使用温度大于 200℃）、耐焰性（极限氧指数大于29%）、出色的耐高温酸碱性、电绝缘性和良好的加工性能，广泛应用于高温防护服、高温滤料、电器工业和复合材料领域。2017年间位芳纶全球用量35kt，2018年增至43.2kt，其中50%产自杜邦公司，预计2025年将达到66kt，主要用于绝缘纸和安全防护领域，对纤维性能要求高，技术门槛高。2020年，全球间位芳纶市场规模达到63亿元，预计2026年将达到103亿元，年复合增长率为7.3%。目前国内间位芳纶供应质量已接近国外产品，市场容量逐步递增，并且具有较强的价格优势，由此迫使美国杜邦和日本帝人已基本退出国内间位芳纶市场。但我国间位芳纶产品的60%以上用在相对低端的高温过滤材料领域，技术门槛相对较低，其次才是用于安全防护和绝缘纸领域。与国际市场相比，我国制造的间位芳纶特别是绝缘纸性能仍有很大的提升空间。

　　芳纶Ⅲ具有比对位芳纶更高的强度、模量，更好的抗冲击性、阻燃性和抗热氧老化性，同时具有更低的介电常数、介电损耗和更好的复合性能等，在缠绕、抗冲击和结构透波复合材料方面及光纤/缆增强方面具有重要的高端应用，已批量用于洲际导弹发动机壳体、直升机蒙皮、单兵头盔、军警防弹衣等领域。目前俄罗斯的芳纶Ⅲ仍处于世界领先水平，是唯一可批量生产芳纶Ⅲ的国家。与国外相比，我国芳纶Ⅲ系列产品种类较为单一，主要为高强型和高模型，缺少根据不同用途适当调整性能的差别化品种。

　　UHMWPE纤维具有优异的力学性能、耐化学腐蚀性、耐候性、高能量吸收性、低导电性及防水性等特性，是密度最低的高性能纤维，广泛应用于军事防弹、航空航天、海洋工程、安全防护、交通运输、体育器材、生物医疗和家纺用品等领域。迄今40多年的发展过程中，UHMWPE纤维的生产技术不断改进，纤维性能、产量均有长足进步，带动了从UHMWPE原料到纤维制品的全产业链的全面高速发展。特别是在防弹制品领域，鉴于UHMWPE纤维的密度仅为对位芳纶的2/3，在轻质防弹制品方面表现出明显优势，且其防弹效果优于芳纶，现已成为美国防弹市场的主要纤维。目前UHMWPE纤维总量的45%用于生产防弹制品，世界范围内不断发生局部战争以及恐怖事件，对UHMWPE纤维的需求将进一步扩大。随着在工业及民用领域应用的进一步拓展，国内外各公司不断开发UHMWPE纤维新品牌，纤维产能也逐步增大。2011年全球UHMWPE纤维的总产能约30kt，2019年纤维产能达到64.6kt， 而需求量则达86kt，2020年纤维产能突增到80kt 左右，其中国内UHMWPE纤维企业的快速发展对全球产能的突增做出了较大贡献。

　　聚酰亚胺纤维不仅具有较高的强度和模量，而且耐化学腐蚀性、热氧化稳定性和耐辐照性能十分优越，在航空航天、国防建设、新型建筑、高速交通工具、海洋开发、体育器械、新能源、环境产业及防护用具等领域得到广泛应用，此外还可以作为性能更加优越的防弹服织物、高比强度系列绳索、宇航服、高温防护服等。目前，我国冶金行业每年需隔热、透气、柔软的阻燃工作服约10万套，水电、核工业、地矿、石化、油田等领域每年需30万套防护用服，需耐高温阻燃特种防护服用聚酰亚胺纤维500t左右，而消防救援防护服在20万套/年以上，这为聚酰亚胺纤维在高温特种防护领域的应用提供了广阔空间。聚酰亚胺是一大类材料的总称，化学结构非常丰富，对应于性能和功能不同的纤维品种，具有更大的应用范围。这些品种在聚合物制备、纤维成型等方面有很多共性问题，有利于实现多品种的开发，从而可满足空天极端环境对高性能纤维的需求，将在我国空天探测活动中发挥重要作用。

　　PPS是一种分子主链由苯环与硫原子对位相互交替排列、结构规整性好的高分子材料。具有良好的力学强度、耐热性和耐化学腐蚀性等综合性能。PPS纤维是目前少数可熔纺加工的商品化高性能纤维，是火力发电厂、垃圾焚烧厂等高温、腐蚀尾气袋式除尘核心部件的基础材料，具有过滤精度高（PM10.0、PM2.5）、服役时间长（4 年）的特点。日本东丽、日本东洋纺等深入研究并掌握了高品质PPS短纤维生产技术，垄断了PPS短纤维的全球市场，产量占全球80%以上。近年来，我国采用纳米复合改性技术，进一步提高了PPS纤维的综合性能，打破国外对高品质PPS纤维的垄断，为我国高温过滤产业提供性价比最具优势的PPS系列产品，为该产业提升市场竞争力、保持国内领先、开拓国际市场提供了重要保障。PPS纳米复合纤维作为热防护装备的新型基础材料，其发展可打破国外材料对特种防护装备的垄断，并降低高端防护装备成本，提高热防护装备在我国石油化工、金属冶炼、应急救援等苛刻环境下的普及性，市场需求显著，对推动我国个体防护装备研发和提高应急救援水平具有重要意义。

　　聚芳酯是一种通过酯键连接芳环而成、一般具有热致液晶特性的特种高分子。在聚芳酯熔融纺丝过程中，其高分子链高度取向，从而赋予聚芳酯纤维高耐热、高强度、高模量、低吸水、抗蠕变、介电常数低等优异特性，广泛应用于航空航天、产业资材等领域，具有重大的军事和工业价值。1977年聚芳酯纤维被美国国家宇航局（NASA）选用作“火星探险者” 号登陆车的安全气袋，实施软着陆；2004年，又一次用在“勇气”号和“机遇”号火星探测车上；2003年起日本平流层飞艇也开始使用该纤维。平流层飞艇是工作在临近空间的新型平台，具有驻空时间长、成本低和分辨率高等优点，有广阔的商业应用前景和重要的国防价值，被美国、日本、英国等发达国家列为重要发展技术。平流层飞艇囊体蒙皮材料的制备技术是飞艇发展的关键，主要使用聚芳酯纤维作为高比强度织物，结合高阻隔性材料、黏合剂复合构建增强复合材料。目前，全球仅日本可乐丽有年产2000t的纤维产品VECTRAN，美国塞拉尼斯、日本住友都准备开发该纤维。由于聚芳酯纤维的综合性能优异，该纤维对我国实行限购，且价格极高，严重制约了我国在上述领域的发展。东华大学聚芳酯纤维的研究课题已于2019年5月18日通过中国纺织工业联合会组织的鉴定，该技术的工业化生产和实施将有力地打破国外对我国的封锁和垄断，满足我国在上述重要领域的迫切需求，解决“卡脖子”的关键纤维及其复合材料问题。

　　PBO纤维是目前强度最高、综合性能最好的高性能有机纤维，是继芳纶纤维、碳纤维之后的新一代高性能纤维。其突出性能优势主要表现在以下几方面：

　　力学性能优异，PBO纤维强度达到5.8GPa（芳纶为2.9～3.4GPa），模量达到280GPa（芳纶为64～144GPa），为有机纤维中最高，同时也高于碳纤维等无机高性能纤维；

　　耐热性能好，PBO纤维热分解温度达到650℃，同样为有机纤维中最高，耐热工作温度比芳纶高100℃左右；

　　阻燃性能优异，PBO纤维极限氧指数达到68%（芳纶为29%），在有机纤维中仅次于聚四氟乙烯纤维；

　　化学稳定性极好，除溶解于100%的浓硫酸、甲基磺酸、多聚磷酸等强酸外 , 在其他所有的有机溶剂和碱中都是稳定的，强度几乎不变。

　　因此，PBO纤维被认为是下一代装甲防护用基础材料及航天结构部件、航空结构/隐身领域的关键原材料，同时在光缆、车辆防护、防护、建筑增强和体育用品等民用领域也有着广阔的应用前景，是一种军民两用的高端纤维材料，对支撑传统复合材料产业实现性能跨越式提升、推动升级换代具有重要意义。

　　SiC纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、抗蠕变、耐腐蚀、与陶瓷基体相容性好等一系列优异性能，是一种非常理想的增强纤维，在航空、航天、兵器、船舶和核工业等一些高技术领域具有广泛的应用前景，是发展高技术武器装备以及航空航天事业的战略原材料。由连续SiC纤维增强的SiC陶瓷基复合材料（SiCf/SiC）强度高、密度低、使用温度高，在高推重比发动机上的应用具有显著的减重效果，是替代现有超高温耐热合金的最佳选择。SiCf/SiC复合材料在航空航天发动机的耐热部件、高超音速运输推进系统、原子核反应堆材料等领域具有广阔的应用前景。日本、美国等发达国家针对高性能连续SiC纤维开展了大量的基础和应用研究，并已实现了连续SiC纤维的工业化生产。由于连续SiC纤维在军事领域的重要应用前景及其在航空、航天等高技术领域的战略地位，长期以来，西方发达国家对该产品实行垄断政策，并对我国进行严密的产品和技术封锁。

　　玄武岩纤维是以基性火山岩为主要原料，经高温熔融后拉丝制备的连续无机非晶态纤维。由于火山岩具有较高的二氧化硅、三氧化二铝和铁氧化物等组分，因此赋予玄武岩纤维较高强度、高模量、低导热、耐磨、耐低温高温和良好化学稳定性等特性，目前被广泛应用于混凝土、高温过滤、建筑保温、车辆工程、风电、石油化工和体育休闲等行业。玄武岩材料作为宇宙天然产物，不仅在地球上广泛分布，在月球、火星以及浩瀚的宇宙中都广泛存在，开发深化玄武岩纤维的制备技术，对人类未来利用太空原位资源具有深远的意义。此外，还有部分高性能纤维如氧化铝连续纤维、氮化硼纤维、硅硼氮纤维。