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“21世纪超级纤维”技术垄断，PBO在我国的发展旅程

文章来源：贤集网更新时间：2023-04-18 16:25:05

你了解过吗？其实聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）纤维是有机高性能纤维中力学性能和耐热性最高的品种！科研人员以打破国外垄断为动力，国内企业以量产关键材料为目标，经过多年努力，中国PBO纤维实现工业化批量生产。

PBO的工业化生产始于上世纪末的1998年，因其优异的性能一出现就引起极大关注，被称为“21世纪超级纤维”。

PBO为什么能被称为“21世纪超级纤维”？

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、人体防护、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。

最新研发进展评述

PBO纤维是由美国发明的一种新型高性能纤维，日本东洋纺公司从美国购买了PBO纤维专利技术。随后，东洋纺公司建成了PBO纤维生产线，成为世界上唯一一家可以工业化批量生产PBO纤维的公司，东洋纺公司的PBO纤维却不对中国出售。

工业化批量生产PBO纤维是一道难题，但没有难倒中国。中科金绮打破了国外封锁，率先建成了国内首条PBO纤维工业化生产线，实现了PBO纤维的工业化批量生产。

中科金绮的民用PBO纤维已经实现批量化生产，可用于防护、消防、耐温垫材、高温滤材等。中科金绮用于火箭壳体的PBO纤维，经过测试，各主要性能指标均能够满足测试标准，个别数据超过国外同类产品。

中科金绮的PBO纤维还成功应用于国内飞机的黑匣子壳体，PBO纤维是制造飞机黑匣子的理想材料，其透波率高达98%以上，在海水里三个月也不会腐烂，在火焰中不燃烧、不收缩，并且具有耐冲击性，对飞机黑匣子起到保护作用。

另外，新晨新材建成了年产380吨的PBO纤维生产线，中国已经有两家企业可以PBO纤维工业化量产PBO纤维。

PBO纤维的工业化生产中的问题

进入21世纪的十多年来，PBO纤维的工业化生产在规模上稳定推进。

但仍会面对一些问题：一是PBO纤维生产过程控制难度高，表现在聚合阶段因为HCl气体脱除引发的聚合相对不稳；二是PBO纤维光稳定性和轴向压缩性能有待提升；三是PBO纤维作为增强材料时与基体的界面粘结问题。

对此，近十几年来的国内外积极开展了相关基础研究。目前，国内在改善PBO纤维光稳定性、轴向压缩性能、与树脂界面结合力等方面的研究已居世界先进水平。

PBO纤维的切割技术突破

PBO这类纤维复合材料整体优良的特性，在带来优良力学性能和广阔应用场景的同时，对加工也提出了很多要求。据了解，PBO纤维的“断离”方式主要以传统机械加工为主，容易出现刀具磨损、纤维损伤、基体结构应力破坏以及加工柔性差等问题，难以满足一些对高精度装配所需的高品质切割要求。

激光加工有望克服以上难题，尤其是超短脉冲皮秒激光的冷加工，切割效果好，速度快，无机械应力也能保护材料本身，是可靠的加工利刃。

PBO性能概述

目前PBO主要有PBO-AS（初生纤维）和PBO-HM（高模量纤维）两种规格，PBO-HM是通过对PBO-AS进行高温热处理后得到，在拉伸强度保持不变或略有下降的基础上，模量由110GPa提高至200GPa。

PBO-HM对应更高结晶程度、更少结构缺陷，更能满足航空航天承力部件等的要求。例如作为航天飞行器的机翼、固体火箭发动机机身、运动帆船的主缆、操纵杆等都需要PBO-HM作为原料；PBO-AS在消防服、压力器具、缆绳、高温过滤、铝合金和玻璃工业耐高温毡等方面有重要应用。

国内对高性能PBO纤维的研究前后已历经20多年，关键基础技术性问题已经得到解决。

掌握了PBO聚合的工艺控制技术和液晶干喷湿纺成型高性能PBO纤维的纺丝工艺和技术。发现了提高PBO纤维光稳定性、轴向压缩性能以及其作为复合材料增强体时界面粘结性能的有效途径。在PBO纤维应用方面也开展了树脂浸胶工艺技术，压力容器缠绕成型等的研究。

但工业化生产中的工程化技术包括设备和工艺控制仍需要在实践中不断优化。

PBO纤维应用前瞻

基于PBO纤维的高强高模耐高温和阻燃特性，其应用前瞻包括如下：

1. 航空航天

PBO纤维以更高比强度、模量取代玻璃纤维甚至碳纤维作为复合材料增强体，在无人飞机机身、机翼制造，隐身飞机透波层材料等方面将体现优越性，实现更强更轻和在温度极端变化环境下性能保持的要求。

2. 交通运输

列车上的承力及非承力构件，例如车头，车身，转向盘，座椅等。以PBO纤维复合材料代替碳纤维复合材料能进一步减重，对于高速列车运行节省电力，提高载客能力具有重要意义。

3. 高温生产

PBO纤维是铝合金和玻璃加工业耐高温垫毡的优良原料，比芳纶毡使用寿命长。

4. 新能源

燃料电池也是未来汽车能源的一种重要方向，其中氢气的储存需要压力容器，PBO纤维缠绕成型可满足要求。

文章来源：材料PLUS，前沿科技FrontierTec，科工世界，纳飞小峰

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