高强高模聚乙烯纤维与在航空航天上的应用(final)

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1、高强高模聚乙烯纤维及其在航空航天领域的应用初探驻胶带股份军事代表室廖振魁张勃驻三七二厂军事代表室龙立军摘要：高强高模聚乙烯纤维是新兴的高分子纤维，与碳纤维、芳伦并列为三大高性能纤维，其性能优异，已在广泛应用于民用领域，而在军用特别是航空航天上应用较少。对此，本文该纤维进行介绍，并简要分析如何在航空航天领域应用。关键词：聚乙烯纤维航空航天应用初探高强高模聚乙烯纤维(也称为超高分子量聚乙烯纤维，英文UltraHighMolecularWeightPolyethyleneFiber，简称UHMWPE)，是上世纪80年代初研制成功的高性能有机

2、纤维，它是当今世界三大高科技纤维（碳纤维、芳伦、高强高模聚乙烯纤维）之一，是一种具有高度取向直链结构的纤维。UHMWPE纤维具有很高的轴向比拉伸强度和刚度，比强度在所有纤维材料中是最高的一种，比模量仅次于高模量碳纤维；能量吸收性能在所有纤维中是最高的，耐低温、耐紫外光性能极佳。优异的性能，使其被广泛应用于机械、运输、造船、农业、化工、建筑、矿业及体育运动器械等民用领域，相比之下我国在军事领域特别是航空、航天反而应用较少，这与UHMWPE纤维具备的性能不相称。具有高强、高模、质轻等优良的物理性能的UHMWPE纤维尤其适合在航空、航天等尖

3、端技术领域应用，可应用于运载火箭和导弹、各类航天器、空间站、人造卫星、宇航服、喷气客机、战斗机和直升机等航空航天领域，本文对UHMWPE纤维进行介绍，并简要分析如何在航空航天领域应用。一）高强高模聚乙烯纤维的发展史及前景1、高强高模聚乙烯纤维的发展史UHMWPE纤维的原材料是高分子量线性聚乙烯，制造高强高模聚乙烯纤维的基础研究始于上世纪70年代Leeds大学的Capaccio和Ward，他们研制了分子量为十万左右的聚乙烯。而后Pennings、Smith、Lemstra等相继研制凝胶纺丝——超倍热拉伸技术，荷兰DSM公司对此进行更深入

4、的研究，使用了几百万分子量的聚乙烯材料，纤维性能大大提高，1979年申请了专利，1984年DSM公司推出纤维商品名为DyneemaSK-60产品。美国的联合信号公司（AlliedSignal）在DSM公司技术的基础上改进，1988年形成了其公司的商业化产品（spectra900,spectra1000）。1982年日本的Mitsui公司，通过自身的研发，也于1984年通过欧洲专利评审，于1988年正式商业化生产。以上三家主要生产高强高模聚乙烯纤维的公司，2010年的总生产能力已超过1万吨/年。由于，UHMWPE纤维和碳纤维一样可用于国

5、防军事领域，西方发达国家对其技术严格保密，我国UHMWPE纤维的发展基本上是走自力更生的路，具有独立的技术自主知识产权。中国纺织科学院于上世纪80年代开展了该纤维生产工艺的研发工作，90年代东华大学也加入研发工作，并于1999年研发成功，2000年，进入商业化生产阶段。在国内相关科研单位及生产厂家的不断努力下，我国UHMWPE纤维的生产技术及产量都取得了相当的进步，现已部分用于国防领域，并出口国外。我国生产UHMWPE纤维的主要厂家有上海斯瑞、宁波大成、湖南中泰等，国内厂家纤维的生产能力也已接近1万吨/年。2、高强高模聚乙烯纤维的发展

6、前景当今世界上，荷兰、日本、美国及中国已经实现了该种纤维的工业化生产，英国、俄罗斯等国也正开展该纤维的研究工作。在我国的“十一五”规划中，将此纤维项目列为重点发展的高科技项目，并将该纤维作为国家鼓励发展的特种纤维之一。当今，作为商品的UHMWPE纤维的拉伸强度可达到3～4GPa,最先进的实验室级纤维的拉伸模量已超过180GPa,拉伸强度高达6～8GPa。今后高强高模聚乙烯纤维的研究方向一是通过纤维改性提高性能，如提高强度、模量，提升耐温度等级，并改善蠕变性能等；二是开展界面改性、合理结构与混杂形式的优化等研究，开发高性能复合材料，开拓

7、新的应用领域。一）高强高模聚乙烯纤维生产工艺和性能超高分子量聚乙烯突出的特性是与其极高的分子量分不开的，树脂分子量越高，纤维的性能越好。一般来说，只有平均分子量大于170万的超高分子量聚乙烯树脂，才具有常规分子聚乙烯所不具备的、其它工程塑料无法比拟的优良性能。因此，人们通常把平均分子量超过170万（1.7×106）的聚乙烯称之为超高分子量聚乙烯。国内外一般用于UHMWPE纤维生产的聚乙烯树脂相对分子量介于（3～6）×106，部分可达到9×106。目前还没有单纯的高分子材料具有如此多的优良性能。1、纤维的制作工艺国内生产该纤维的工艺方法

8、主要是凝胶纺丝－超倍热拉伸法，工艺方法是：用溶剂溶解聚乙烯树脂，制取超高分子量聚乙烯粘稠溶液——通过喷丝板将溶液挤出——挤出后的粘稠溶液骤冷形成凝胶原丝——再对凝胶原丝进行去溶剂化及干燥——再将其进行高倍热拉伸，从而制得