超高分子量聚乙烯纤维:千钧一发不是梦 刀枪不入已成真

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作者:xingi

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空手接白刃-神奇手套割而不破

在前段时间《加油向未来》节目中里,主持人现场演示了“割而不破”的防切割手套,令观众们惊叹不已。

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节目中展示的防切割手套是由超高分子量聚乙烯纤维制成的,超高分子量聚乙烯纤维的耐磨耐弯曲性能、张力疲劳性能是现有高性能纤维中最强的,具有突出的抗冲击和抗切割韧性。

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一根只有头发四分之一粗的超高分子量聚乙烯纤维,用剪刀都难以剪断。加工完成的纺织物必须用特殊机器才能切割。

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而“头发丝般”纤细的超高分子量聚乙烯纤维其实不是一根单丝,而是由更多更为细小的纤维组成的一束复丝。港珠澳大桥所用的吊带,一条就是由十几万根这样的丝线组成的。

14万根高强度纤维丝制成“吊带”

2017年5月2日,港珠澳大桥岛隧工程海底隧道的最终接头——重约6000吨的钢结构混凝土预制件在伶仃洋主航道吊装下沉对接完成,意味着港珠澳大桥主体工程全线贯通。

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然而很多人并不知道,在海上吊装6000吨的“大家伙”,还有一个至关重要的部件,就是由14万根高强度纤维丝组成的吊带,它不仅要承受得住相当于22架空客A380重量的沉管隧道,还要在整个吊装过程中确保绝对的平衡。

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吊起港珠澳大桥预制件的这些丝线的材料是超高分子量聚乙烯纤维,直径只有0.5毫米,相当于头发丝般细小,但强度是普通尼龙绳的20倍。别小看这样一根细丝线,它的承重力能达到35公斤,相当于可以吊起一个小孩的重量。

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超高分子量聚乙烯(简称:UHMWPE)纤维,与碳纤维、芳纶并称为三大高性能纤维,是目前已工业化纤维材料中比强度和防弹性能最高的纤维,其比强度相当于优质钢丝的15倍、碳纤维的1.8倍、芳纶的1.6倍,是目前制造防弹衣、防弹头盔和防护装甲的首选材料。UHMWPE纤维拥有诸如高强高模、耐冲击性、耐磨性、耐化学腐蚀、电绝缘和耐光性等优异的性能,拥有超低的断裂伸长率,能量吸收率高,柔软易弯曲,且密度比水小,在国防军工和民用工业上都有广泛的应用,是强国强军的战略物资。由于其质轻可以浮水面上,UHMWPE纤维做成的缆绳相比钢缆自重大大减轻,这也使大桥的顺利吊装成为可能。

性能优异的国防及军警防护材料

UHMWPE纤维“轻薄如纸、坚硬如钢”,用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防爆头盔已成为钢盔和芳纶增强的复合材料头盔的替代品。

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UHMWPE纤维为软质材料,防弹机理主要是射击弹对纤维进行拉伸和剪切,同时,纤维将冲击能向冲击点以外的区域进行传播,能量被吸收掉而将破片或弹头裹在防弹层里,从而吸收射击弹大量的冲击能,起到防弹防护作用。

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在航天工程中,由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好,因此可适用于各种飞机的翼尖结构、飞船结构和浮标飞机等。该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索,取代了传统的钢缆绳和合成纤维绳索,其发展速度异常迅速。

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在工业应用中,该纤维及其复合材料可用作耐压容器、传送带、过滤材料、汽车缓冲板等;建筑方面可以用作墙体、隔板结构等,用它作增强水泥复合材料可以改善水泥的韧度,提高其抗冲击性能。

在体育用品上,已经制成安全帽、滑雪板、帆轮板、钓竿、球拍及自行车、滑翔板、超轻量飞机零部件等,其性能优于传统材料。

在临床医学方面,该纤维增强复合材料用于牙托材料、医用移植物和整形缝合等领域,它的生物相容性和耐久性都较好,并具有较高的稳定性,且不会引起过敏,已作临床应用,同时该纤维还用于医用手套和其他医疗措施等方面。

高性能纤维发展形势

高性能UHMWPE纤维的生产技术过去一直被西方国家封锁,对别国实行禁运。随着我国国防军工和国民经济的发展,对高性能纤维的需求量愈来愈大,国际价格却不断上涨,国内高性能纤维在国防和特殊领域上的应用还受制于国外供应。因此,大力发展高性能纤维产业,打破国外封锁与垄断,进一步提升我国的军事装备实力和国民经济的产业升级,成为我国化纤工业推进自主创新、转型升级的一个主攻方向。我国于上世纪八十年代开始对UHMWPE纤维进行研究开发,目前已成为UHMWPE纤维生产量第三大国。

国家发改委:增强制造业核心竞争力三年行动计划

“十三五”末,将在轨道交通装备、高端船舶和海洋工程装备、智能机器人、智能汽车、现代农业机械、高端医疗器械和药品、新材料、制造业智能化、重大技术装备等重点领域,组织实施关键技术产业化专项。

新材料产业是国民经济发展的重要基础。加快培育和发展新材料产业,对于促进产业转型升级,保障重大工程实施,提升制造业核心竞争力具有重要战略意义。

● 加快先进金属及非金属关键材料产业化

● 加快先进有机材料关键技术产业化

● 提升先进复合材料生产及应用水平

针对提升先进复合材料生产及应用水平也专门提出,重点发展高性能碳纤维、对位芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、碳化硅纤维等高性能纤维及其应用,新型溶剂法纤维素纤维、聚乳酸纤维、聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维、生物基聚酰胺纤维等生物基化学纤维及其应用等。