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

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械損傷（如尖銳表面的刮傷和磨損）可以采用外加保護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度需要進一步提高的問題，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，其斷裂強度是其最核心的技術(shù)指標(biāo)，高強高模的芳綸和聚酰亞胺纖維的斷裂強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度，比如強度高達(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，強度立即下降，當(dāng)樣品尺寸超過2 mm時，碳納米管的強度和鋼接近。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 繩纜材料的實際強度只有理論極限強度的約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)展將是改進現(xiàn)有材料和開發(fā)新材料兩頭并進的局面。

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

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