第一节 高性能纤维的定义、分类及基本特性
一、高性能纤维的定义
高性能纤维，顾名思义在于“高性能”，是指具有特殊的结构、性能和用途，或具有某些特殊功能的化学纤维。高性能纤维早期定义的依据是力学性能，往往指断裂强度超过15cN/dtex的纤维，比如碳纤维、对位芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等，但该定义在实际生产和应用中有一定的局限性；广义上，具有耐高温、耐辐照、耐腐蚀等特性的纤维，也称为高性能纤维，比如间位芳纶、聚四氟乙烯纤维、聚苯硫醚纤维等，这些产品主要特点在于耐热性和阻燃性等方面。
二、高性能纤维的分类
高性能纤维可根据材料的属性进行分类，包括金属纤维、无机纤维和有机纤维。金属纤维因其密度高、比强度低等特点，在高性能纤维家族中的规模相对较小。无机纤维的主要特点是耐高温、耐腐蚀、优良的力学性能，在航空航天、武器装备等领域应用广泛，包括碳纤维、碳化硅纤维、氮化硼纤维、硅硼氮纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维等。
有机高性能纤维品种较多，根据大分子链的特性可分为柔性链纤维和刚性链纤维。柔性链有机纤维的典型代表是超高分子量聚乙烯纤维、高强聚乙烯醇纤维等，其大分子主链由—CH2—组成，因分子链的高度取向使纤维的力学性能得到明显提升。刚性链纤维包括芳香族聚酰胺纤维（即芳纶）、聚芳酯纤维、聚酰亚胺纤维、聚对亚苯基苯并噁唑纤维（PBO）、聚苯并咪唑纤维等，其中后三种纤维又称为芳杂环类纤维。另外，也可依据纤维的典型特性对有机高性能纤维进行分类，如高强高模纤维（如对位芳纶、高强聚酰亚胺纤维、PBO纤维、超高分子量聚乙烯纤维等）、耐高温纤维（间位芳纶、聚苯并咪唑纤维、聚醚酰亚胺纤维等）等。
三、高性能纤维的物理机械性能
无机纤维除了具有优良的力学性能外，耐热性好是其明显的优势，无机纤维还具有韧性低、密度高、制备相对复杂等特点，几种典型的无机纤维的性能见表1-1。
表1-1 部分无机纤维和金属纤维的力学性能
与无机纤维相比，有机高性能纤维不仅具有优良的力学性能，而且其低密度、高韧性的特点，使其在轻质复合材料领域得到广泛应用，部分有机高性能纤维的特性见表1-2。
表1-2 部分有机高性能纤维的特性
高性能纤维的品种较多，各自表现为不同的应力—应变行为，图1-1给出了几种典型的纤维应力—应变曲线。可见，高强高模纤维的断裂延伸率普遍小于4%，其应力—应变曲线呈现线性行为，初始模量较高。耐热型纤维则不强调其力学性能，其应力—应变曲线与普通纤维比较近似。
与传统的金属和无机陶瓷材料相比，由有机高性能纤维增强的聚合物基复合材料具有高比强度、高比模量、可设计性强等优点，已在国防军事、航空航天、风力发电、建筑补强、环境保护、汽车行业等诸多领域得到广泛应用。作为轻质复合材料的重要组成部分，增强纤维的比强度和比模量指标在某些领域（如航空航天等）显得尤为重要。图1-2给出了几种典型高性能纤维的比强度和比模量对比图，可见有机纤维以其低密度体现出明显的优势。
图1-1 几种纤维典型的应力—应变曲线
图1-2 几种典型高性能纤维的性能对比