5 化纖繩纜的未來展望

纖維繩纜的未來發(fā)展主要取決于制繩纖維材料的發(fā)展。

5.1 現(xiàn)有高性能纖維的改進(jìn)

高性能化纖繩纜開發(fā)使用30多年了，并沒有大規(guī)模的取代鋼絲繩。目前全球繩纜市場90%仍然是由各類鋼絲繩占據(jù)。纖維繩的市場占有率不到10%。以超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維為例，高性能化纖繩纜與鋼絲繩相比有其下列最主要的缺點(diǎn)和局限性：

⑴“性價(jià)比”較低，相同強(qiáng)度的超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維繩纜售價(jià)一般是鋼絲繩的2～3倍或甚至更貴；

⑵ 超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維的耐熱性能低，在高溫環(huán)境中的使用有限制。當(dāng)然，具體某一超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維繩纜的蠕變特性與其原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用狀況等多方面因素有關(guān)。

其它不足之處包括抗機(jī)械損傷（如尖銳表面的刮傷和磨損）可以采用外加保護(hù)套等辦法減輕和克服，但上述兩個(gè)主要缺點(diǎn)只有通過對超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維材料做實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)和提高得到解決。

為了克服超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維的上述缺點(diǎn)，國內(nèi)外化纖科技人員作了很多研究。我們認(rèn)為超高相對分子質(zhì)量聚乙烯/碳納米管（UHMWPE/CNT）復(fù)合材料纖維仍然有很大的強(qiáng)度提升空間。

5.2 碳納米管和碳納米纖維

針對現(xiàn)有超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維存在耐蠕變性能不佳以及斷裂強(qiáng)度需要進(jìn)一步提高的問題，人們一直沒有停止對新的纖維的研發(fā)。比如高強(qiáng)高模的均聚芳綸（Kevlar）和共聚雜環(huán)芳綸（芳綸Ⅲ）的研究，盡管芳綸具有優(yōu)異的耐熱和耐蠕變性能，但其耐紫外和耐磨性能較超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維差。為了改善芳綸的耐紫外性能，近年來發(fā)展起來了高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維，其具有優(yōu)異的耐紫外性能、化學(xué)性能和高低溫性能。但對于繩纜用的纖維而言，其斷裂強(qiáng)度是其最核心的技術(shù)指標(biāo)，高強(qiáng)高模的芳綸和聚酰亞胺纖維的斷裂強(qiáng)度與超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維仍處于同一水平。因此，開展碳納米管和碳納米纖維及其復(fù)合纖維就成為未來研究的重點(diǎn)之一。

自從碳納米管在1990年代被發(fā)現(xiàn)后，許多論文報(bào)道了其卓越的性能，包括超高的拉伸模量和拉伸強(qiáng)度，比如強(qiáng)度高達(dá)130 GPa，僅從表面數(shù)字看比現(xiàn)有高性能纖維能高幾十倍，為更高強(qiáng)度繩纜的研究提供了想象空間。然而，這些性能指標(biāo)經(jīng)常是使用微米尺寸的小樣品測量的。試樣尺寸增大，強(qiáng)度立即下降，當(dāng)樣品尺寸超過2 mm時(shí)，碳納米管的強(qiáng)度和鋼接近。最長的碳納米管有半米長，在2013年7月由清華大學(xué)魏飛教授的課題組制備成功，但沒有看到把多根這些“超長”的碳納米管編結(jié)成“繩”的報(bào)道。

在過去幾年中， 劍橋大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)努力從碳納米管制造“ 新” 碳纖維即碳納米纖維（carbon nanofiber CNF）。據(jù)“Cambridge Material Eye” （2011） 的報(bào)告，劍橋材料系的實(shí)驗(yàn)室在一天內(nèi)生產(chǎn)了約30 km長的纖維，重約1 g，所得到的纖維由“超長”納米管（每個(gè)管長約1 mm，直徑10 nm）組成，并且具有與常規(guī)碳纖維相似的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)韌性很好。很明顯，在用這些纖維制成繩纜之前還有很長的路要走。然而碳的自然資源無比豐富，只要工藝成本下降碳納米材料的價(jià)格就會下降。碳納米管在電子工業(yè)應(yīng)用中的巨大商機(jī)促成了每年千噸計(jì)的產(chǎn)能 （Shaffer，2011）。碳納米管售價(jià)（100 美元/kg）已比PBO纖維的125 美元/kg低不少。所以目前碳納米纖維用于繩纜的瓶頸是其技術(shù)指標(biāo)還比不上現(xiàn)有高性能纖維，而不是價(jià)格。由此可見繩纜行業(yè)可以使用工業(yè)化的碳納米纖維“前途是光明的，道路是漫長的”。

6 結(jié)論

⑴ 根據(jù)繩纜材料及其強(qiáng)度，可將繩纜的發(fā)展歷史分為4 個(gè)產(chǎn)品代：第1代天然纖維繩、第2代鋼絲繩、第3代普通性能纖維繩和第4代高性能纖維繩。

⑵ 繩纜材料的實(shí)際強(qiáng)度只有理論極限強(qiáng)度的約10%；其原因是材料尺寸增大時(shí)微觀結(jié)構(gòu)中就會產(chǎn)生缺陷和薄弱環(huán)節(jié)。

⑶ 繩纜材料的發(fā)展將是改進(jìn)現(xiàn)有材料和開發(fā)新材料兩頭并進(jìn)的局面。

⑷ 碳納米纖維材料有可能為制繩行業(yè)帶來突破性進(jìn)展，如強(qiáng)度比現(xiàn)有高性能纖維提高一個(gè)數(shù)量級以上。

江蘇優(yōu)培德復(fù)合材料有限公司致力于碳纖維等復(fù)合材料汽車及工業(yè)領(lǐng)域的高性能零件開發(fā)、試制、及生產(chǎn)，配備有復(fù)合材料不同生產(chǎn)工藝如模壓、RTM、真空導(dǎo)入、纏繞等，根據(jù)不同的產(chǎn)品需求及量綱要求提供整體解決方案。

公司團(tuán)隊(duì)在不同專業(yè)領(lǐng)域如公司管理、市場營銷、項(xiàng)目管理、產(chǎn)品及工藝設(shè)計(jì)開發(fā)、質(zhì)量管理等均擁有15年以上的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，并且具備從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、模擬分析、模具設(shè)計(jì)、樣品制造、試驗(yàn)驗(yàn)證、一直到批量生產(chǎn)的能力，使得公司有能力專業(yè)從事碳纖維應(yīng)用，及性能要求更高的工業(yè)設(shè)備碳纖維應(yīng)用。

公司與所從事的專業(yè)領(lǐng)域在國內(nèi)外的模具及原材料供應(yīng)商建立緊密合作關(guān)系，使我們的產(chǎn)品在選材、品質(zhì)、工藝及成本上均能提供客戶更優(yōu)的方案。通過公司的專業(yè)管理機(jī)理念成為客戶在中國及全球工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域輕量化零部件開發(fā)及生產(chǎn)的伙伴。