三大高性能纤维在民用领域的前沿应用

目前三大高性能纤维分别为碳纤维、芳纶纤维、以及超高分子量聚乙烯纤维。三种纤维及其复材凭借各自优异的性能，目前在国防军工领域的应用深度、广度不断提升。而除了这三种纤维外，包括石英纤维、陶瓷纤维相关的复合材料也有相应的军工应用场景。

从三大高性能纤维的地位来看，碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维的问世，一定程度压缩了芳纶纤维的应用，但由于纤维性质的差异，三者也均在不同的应用场景有着无可替代的位置，有时甚至还会一起使用。

碳纤维是 eVTOL 主要机身结构材料，满足轻量化和高强度要求。当前主流eVTOL设计方案均采用碳纤维作为主要机身结构材料，其复合材料使用量上超过90%的复合材料为碳纤维。从复材应用场景来看，约有75-80%用于结构部件和推进系统，其次为横梁、座椅结构等内部应用占12-14%，电池系统、航空电子设备和其他小型应用占8-12％。国内当前头部 eVTOL 制造商亿航智能、小鹏汇天、峰飞航空等公司公布的设计方案来看，机身结构均采用碳纤维复材，小鹏汇天旅航者X2的旋翼桨叶和起落架也采用碳纤维复材。根据测算，单台eVTOL对碳纤维需求在100-400kg之间，根据Cirium睿思誉数据，截止23年5月全球eVTOL订单约为6300架，假设在2030年前全部释放，有望拉动千吨级需求。

碳纤维在体育休闲市场中，主要使用于高尔夫球杆、曲棍球棍、网球拍、钓鱼竿、自行车架、滑雪板、赛艇等高端体育休闲市场。该块应用主要基于碳纤维的轻质、高强度、高模量、耐腐蚀等特点。例如碳纤维复合材料制作的高尔夫球杆比金属杆减重近50%，碳纤维自 行车较铝材减重40%且实现更高的车架精度。钓鱼竿、球拍、滑雪板、高尔夫球杆等体育用品的碳纤维多使用大丝束碳纤维（≥24K）。在亚洲，用于制造运动休闲产品的碳纤维比世界上任何其他地区都多。在亚洲，特别是在中国，碳纤维越来越多地用于制造管状复合材料物体，如高尔夫俱乐部和网球拍，其他体育用品包括钓鱼杆、箭头、滑雪装备、赛车、自行车架、球拍、棒球棒和运动墙。

传统木质小提琴一般都需要在恒温恒湿的条件下保存，并且温度和湿度不能太高，即使是这样木质小提琴在空气中受水分及微生物等的作用会发生破裂及腐蚀，其声学品质随时间延长下降严重。而碳纤维小提琴就可以避免木质小提琴的这些缺点，主要是由于碳纤维复合材料具有耐高温、耐腐蚀、防潮、尺寸稳定及抗微生物等特点，假如用碳纤维制作，小提琴音色在较长时间内仍能保持很好的原始特点。共鸣音板是钢琴的重要部件，起到对琴弦振动声音的共振、美化与辐射作用传统的钢琴实木音板主要有实木音板及三层实木复合音板，前者选材极其苛刻，如对木材所含的天然缺陷数目、木材间的纹理色差、木材的生长轮宽度与变异系数等有极高的要求，且稳定性差；后者降低了选材的要求，尺寸稳定性有所提高，但仍存在出材率低，整块音板振动均匀性差等缺点。目前，采用碳纤维复合材料的音板具有很好的振动传导性及力学性能，尺寸稳定性以发音效果稳定，音板各个方向的振动传播均匀，成本有所降低。

个人防护、高温滤材、蜂窝绝缘需求向好，间位芳纶需求持续拉动。随着《防护服装阻燃服》和《个体防护装备配备规范》等强制性国家标准的发布和实施，产业工装对间位芳纶的需求将大幅增加。据中国产业用纺织品协会会长李陵申介绍，目前国内个人防护领域除消防服与国际接轨、采用芳纶面料外，其它行业的安全防护服装基本上还是采用棉布或涤纶布阻燃处理面料为主，普遍存在洗涤后阻燃性能快速下降、使用寿命短、耐温低、舒适性差等缺陷。

芳纶用于锂电涂覆提升锂电池关键性能，间位芳纶需求空间打开。锂电池涂覆为在锂电池电芯隔膜或极片进行涂覆的工艺方式，可以提高锂电池电芯隔膜的耐热性和抗刺穿能力，并降低涂覆隔膜的含水率，有助于改善锂电池的倍率性能和循环性能，提升电芯的良品率，并提高锂电池的安全性能。在涂覆领域，氧化铝(陶瓷/勃姆石) 涂覆、PVDF涂覆、氧化铝与PVDF混合涂覆等技术已经广泛应用。为了进一步提升隔膜性能，近来，LG等率先使用芳纶替代勃姆石进行锂电池涂覆，预计国内企业也将陆续对该新技术进行布局。

轻质、强韧、耐用且可回收的超高分子量聚乙烯(UHMWPE)织物使得 Arc’teryx 和 Durston 运动品牌的装备性能更高。这种材料已在恶劣的海洋条件下进行了实地测试，也已用于风筝冲浪和其他风力运动，如飞翼冲浪。特别是Aluula Composites的 Graflyte材料，不需要缝合。它也可以热合到自身，这可以用于用单片织物创建3D结构。此外，该材料能够被回收，并且理论上可用于背包悬挂系统或其他行业的应用。

由于每种纤维都有其固有的特性，依赖单一类型的纤维很难满足摩擦复合材料增强组分的全部要求。因此，结合多种纤维材料以提升复合材料的性能被证明是一种有效的策略。这种方法通过结合两种或多种纤维的优点，开发出了双组分或多组分纤维增强的复合材料。特别是，碳纤维和芳纶作为摩擦材料中常用的增强纤维，它们不仅共享优异的力学性能，还各自拥有独特的属性。例如，碳纤维以其高导热性和耐腐蚀性著称，而芳纶则以其比碳纤维更加坚韧且不易碎的特性突出。将这两种纤维结合应用于树脂基摩擦材料中，可以充分利用这两种材料的优势。