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“21世紀超級纖維”技術壟斷，PBO在我國的發展旅程

文章來源：賢集網更新時間：2023-04-18 16:25:05

你了解過嗎？其實聚對苯撐苯并二噁唑（PBO）纖維是有機高性能纖維中力學性能和耐熱性最高的品種！科研人員以打破國外壟斷為動力，國內企業以量產關鍵材料為目標，經過多年努力，中國PBO纖維實現工業化批量生產。

PBO的工業化生產始于上世紀末的1998年，因其優異的性能一出現就引起極大關注，被稱為“21世紀超級纖維”。

PBO為什么能被稱為“21世紀超級纖維”？

PBO纖維是目前強度最高、綜合性能最好的高性能有機纖維，是繼芳綸纖維、碳纖維之后的新一代高性能纖維。其突出性能優勢主要表現在以下幾方面：

力學性能優異，PBO纖維強度達到5.8GPa（芳綸為2.9～3.4GPa），模量達到280GPa（芳綸為64～144GPa），為有機纖維中最高，同時也高于碳纖維等無機高性能纖維；

耐熱性能好，PBO纖維熱分解溫度達到650℃，同樣為有機纖維中最高，耐熱工作溫度比芳綸高100℃左右；

阻燃性能優異，PBO纖維極限氧指數達到68%（芳綸為29%），在有機纖維中僅次于聚四氟乙烯纖維；

化學穩定性極好，除溶解于100%的濃硫酸、甲基磺酸、多聚磷酸等強酸外 , 在其他所有的有機溶劑和堿中都是穩定的，強度幾乎不變。

因此，PBO纖維被認為是下一代裝甲防護用基礎材料及航天結構部件、航空結構/隱身領域的關鍵原材料，同時在光纜、車輛防護、人體防護、建筑增強和體育用品等民用領域也有著廣闊的應用前景，是一種軍民兩用的高端纖維材料，對支撐傳統復合材料產業實現性能跨越式提升、推動升級換代具有重要意義。

最新研發進展評述

PBO纖維是由美國發明的一種新型高性能纖維，日本東洋紡公司從美國購買了PBO纖維專利技術。隨后，東洋紡公司建成了PBO纖維生產線，成為世界上唯一一家可以工業化批量生產PBO纖維的公司，東洋紡公司的PBO纖維卻不對中國出售。

工業化批量生產PBO纖維是一道難題，但沒有難倒中國。中科金綺打破了國外封鎖，率先建成了國內首條PBO纖維工業化生產線，實現了PBO纖維的工業化批量生產。

中科金綺的民用PBO纖維已經實現批量化生產，可用于防護、消防、耐溫墊材、高溫濾材等。中科金綺用于火箭殼體的PBO纖維，經過測試，各主要性能指標均能夠滿足測試標準，個別數據超過國外同類產品。

中科金綺的PBO纖維還成功應用于國內飛機的黑匣子殼體，PBO纖維是制造飛機黑匣子的理想材料，其透波率高達98%以上，在海水里三個月也不會腐爛，在火焰中不燃燒、不收縮，并且具有耐沖擊性，對飛機黑匣子起到保護作用。

另外，新晨新材建成了年產380噸的PBO纖維生產線，中國已經有兩家企業可以PBO纖維工業化量產PBO纖維。

PBO纖維的工業化生產中的問題

進入21世紀的十多年來，PBO纖維的工業化生產在規模上穩定推進。

但仍會面對一些問題：一是PBO纖維生產過程控制難度高，表現在聚合階段因為HCl氣體脫除引發的聚合相對不穩；二是PBO纖維光穩定性和軸向壓縮性能有待提升；三是PBO纖維作為增強材料時與基體的界面粘結問題。

對此，近十幾年來的國內外積極開展了相關基礎研究。目前，國內在改善PBO纖維光穩定性、軸向壓縮性能、與樹脂界面結合力等方面的研究已居世界先進水平。

PBO纖維的切割技術突破

PBO這類纖維復合材料整體優良的特性，在帶來優良力學性能和廣闊應用場景的同時，對加工也提出了很多要求。據了解，PBO纖維的“斷離”方式主要以傳統機械加工為主，容易出現刀具磨損、纖維損傷、基體結構應力破壞以及加工柔性差等問題，難以滿足一些對高精度裝配所需的高品質切割要求。

激光加工有望克服以上難題，尤其是超短脈沖皮秒激光的冷加工，切割效果好，速度快，無機械應力也能保護材料本身，是可靠的加工利刃。

PBO性能概述

目前PBO主要有PBO-AS（初生纖維）和PBO-HM（高模量纖維）兩種規格，PBO-HM是通過對PBO-AS進行高溫熱處理后得到，在拉伸強度保持不變或略有下降的基礎上，模量由110GPa提高至200GPa。

PBO-HM對應更高結晶程度、更少結構缺陷，更能滿足航空航天承力部件等的要求。例如作為航天飛行器的機翼、固體火箭發動機機身、運動帆船的主纜、操縱桿等都需要PBO-HM作為原料；PBO-AS在消防服、壓力器具、纜繩、高溫過濾、鋁合金和玻璃工業耐高溫氈等方面有重要應用。

國內對高性能PBO纖維的研究前后已歷經20多年，關鍵基礎技術性問題已經得到解決。

掌握了PBO聚合的工藝控制技術和液晶干噴濕紡成型高性能PBO纖維的紡絲工藝和技術。發現了提高PBO纖維光穩定性、軸向壓縮性能以及其作為復合材料增強體時界面粘結性能的有效途徑。在PBO纖維應用方面也開展了樹脂浸膠工藝技術，壓力容器纏繞成型等的研究。

但工業化生產中的工程化技術包括設備和工藝控制仍需要在實踐中不斷優化。

PBO纖維應用前瞻

基于PBO纖維的高強高模耐高溫和阻燃特性，其應用前瞻包括如下：

1. 航空航天

PBO纖維以更高比強度、模量取代玻璃纖維甚至碳纖維作為復合材料增強體，在無人飛機機身、機翼制造，隱身飛機透波層材料等方面將體現優越性，實現更強更輕和在溫度極端變化環境下性能保持的要求。

2. 交通運輸

列車上的承力及非承力構件，例如車頭，車身，轉向盤，座椅等。以PBO纖維復合材料代替碳纖維復合材料能進一步減重，對于高速列車運行節省電力，提高載客能力具有重要意義。

3. 高溫生產

PBO纖維是鋁合金和玻璃加工業耐高溫墊氈的優良原料，比芳綸氈使用壽命長。

4. 新能源

燃料電池也是未來汽車能源的一種重要方向，其中氫氣的儲存需要壓力容器，PBO纖維纏繞成型可滿足要求。

文章來源：材料PLUS，前沿科技FrontierTec，科工世界，納飛小峰

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