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和局限性：

⑴“性價比”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、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，但上述兩個主要缺點只有通過對超高相對分子質(zhì)量聚乙烯纖維材料做實質(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，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之一。

自從碳納米管在1990年代被發(fā)現(xiàn)后，許多論文報道了其卓越的性能，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，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） 的報告，劍橋材料系的實驗室在一天內(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)促成了每年千噸計的產(chǎn)能 （Shaffer，2011）。碳納米管售價（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數(shù)量級以上。

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