探秘飞机轮胎的 “神秘元素”： 芳纶纤维及其复合材料的卓越力量

在“链接世界 共创未来”为主题的第二届中国国际供应链促进博览会上，中国中化集团展出了一系列创新技术驱动的民用航空材料，其中包括多款民用航空轮胎，成为展会的一大亮点。尤其引人注目的是，中国中化集团首次为空中客车A320飞机装配的国产子午线轮胎，该轮胎已于去年11月底前成功完成试飞。

 

标题图：高性能芳纶纤维©互联网

据工作人员介绍，民用航空轮胎是民用航空产业链上的关键配套部件，关乎飞机起降安全。中国中化基于热力耦合构型优化、关键橡胶材料模量匹配优化等创新技术研发的高性能民航子午线轮胎，为民用航空产业链提供了坚实保障。目前，中国中化已具备为中国商飞、空客、波音多种机型提供轮胎的能力，研制的产品实现中国商飞、空客、波音三大主机厂主力机型全覆盖。

航空轮胎的轮胎骨架材料芳纶帘子线是由对位芳纶纤维加工而成，较尼龙帘子线强度增加3倍，熔点提高2倍，模量提升10倍；具有耐摩察、耐腐蚀、阻燃等优异性能，能够大提高安全性，保持轮胎尺寸稳定性并延长使用寿命，满足极环境下的需求；广泛应用于航空、高性能汽车、赛车轮胎等产品的补强。

那么，除了应用于航空轮胎，高性能的芳纶纤维及其复合材料还能应用于哪些领域？目前市场情况如何？未来的发展趋势又将怎样？本文一探究竟。

 

芳纶纤维的概念与特性

芳纶纤维是由芳香族化合物为原料经缩聚纺丝制得的合成纤维，主要分为聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（对位芳纶）和聚间苯二甲酰间苯二胺纤维（间位芳纶）两种类型。

芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温、耐化学腐蚀、阻燃、绝缘等优异特性。其强度是钢丝的5-6倍，模量为钢丝或玻璃纤维的2-3倍，韧性是钢丝的2倍，而重量仅为钢丝的五分之一左右。在高温环境下，芳纶纤维能保持良好的性能，长期使用温度可达200℃以上，短期使用温度可达500℃。此外，芳纶纤维还具有良好的耐化学腐蚀性，能抵抗大多数酸、碱、有机溶剂的侵蚀。

芳纶纤维并不会直接作为最终产品，要做成织物或相应的复合材料才能使用。由芳纶纤维还可以制备成芳纶纸再与树脂等材料复合，制备芳纶纸蜂窝等结构材料。

 

图1：第二届中国国际供应链促进博览会中化集团展台©中化集团

近年来，芳纶纤维在橡胶增强领域展现出了巨大的应用潜力。芳纶纤维的独特性能主要源于其分子链中的芳香环结构，这种结构赋予了纤维出色的力学性能和化学稳定性。将芳纶纤维与橡胶基质相结合，不仅可以显著提高橡胶制品的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性，还能有效改善其耐热性和耐老化性能，从而延长制品的使用寿命。有报道称，我国的对位芳纶纤维方面有20%用于汽车橡胶工业（图1）。

 

芳纶纤维的多元市场应用

目前，由于芳纶纤维的优异性能使其在众多领域得到广泛应用，主要包括以下几个方面：

◆ 航空航天领域
芳纶纤维制成的芳纶蜂窝具有轻质、高强、隔音、隔热、阻燃等优异性能，芳纶蜂窝作为芯材与面板结合制成夹层结构后，在航空领域得到广泛的应用，能够减轻飞行器的重量，提高燃油效率，增强结构可靠性。例如，在波音787和空客A350等新型客机上，大量采用了芳纶蜂窝复合材料，使飞机的性能得到了显著提升。而我国的C919、歼20等也开始采用国产芳纶蜂窝复合材料减重。

 

图2：芳纶在轮胎中的应用©中化集团

此外，由芳纶制成的帘子布、线绳、纱线、帆布、整体带芯、直经直纬织物等可用作轮胎、动力传动胶带、物料输送胶带、胶管的骨架材料。芳纶与橡胶复合主要通过混炼、成型、硫化等工艺，让芳纶纤维均匀地分散在橡胶基质中，形成具有优异性能的复合材料（图2）。制成的复合材料能使轮胎降低层薄，减轻重量，容易散热，减小形变，减轻滚动阻力，提升高速运转性能，使轮胎的使用寿命相应延长，而且耐刺扎性能大大提高。尤其是飞机在起降过程中，轮胎会承受巨大的摩擦力和热量，芳纶纤维的耐热性能能够确保轮胎在高温环境下保持结构稳定和性能可靠，防止轮胎因过热而出现变形、老化等问题，从而保障飞行安全。因此是制作飞机轮胎的优选材料。

在航天器制造领域，芳纶复合材料同样具有不可替代的地位。例如，在航天器的热防护系统中，芳纶复合材料可用于制造隔热材料，有效保护航天器内部设备免受高温的影响。在航天飞机的表面隔热瓦中，就采用了芳纶纤维增强的陶瓷复合材料，能够承受再入大气层时的高温，保障航天飞机的安全返回。

常作为芳纶复合材料的基体，如环氧树脂、酚醛树脂等。树脂能够将芳纶纤维或芳纶纸等增强材料黏结在一起，使复合材料具有良好的整体性和成型性。同时，树脂还能赋予复合材料一定的耐腐蚀性、绝缘性和抗老化性能。例如，环氧树脂具有较高的强度、良好的黏结性能和耐化学腐蚀性，与芳纶纤维复合后可用于制造航天器的各种结构部件。如卫星的框架、太阳能电池板的支撑结构等。这些部件需要具备高强度、低密度的特点，以满足航天器在发射和运行过程中的要求。

此外，金属基材可以提供良好的导电性、导热性和抗辐射性能，与芳纶纤维或芳纶纸结合后，能够综合两者的优点。例如，将芳纶与薄铝板交叠热压后形成的超混复合层板，具有极高的比模量和比强度，抗疲劳寿命长，可用于航天器的一些关键结构部位。

◆ 军事国防领域
芳纶纤维及复合材料是制造防弹装备、防刺服、防爆服、军事通讯设备等军事装备的重要材料，能够为士兵提供有效的防护，提高军队的战斗力。据相关资料统计，一场战争中，士兵的伤亡率约 75% 是由炮弹、手榴弹、地雷和炸弹的碎片导致的，而芳纶防弹装备的使用能有效减少此类伤害。

 

图3：防弹头盔©互联网

一般来说，防弹头盔用芳纶纤维主要编织成平纹织物（图3）。制备时，通常将芳纶无纬布层与树脂层交替叠放，然后经模压制成。其中，复合材料中芳纶无纬层的重量百分含量一般为70%-90％，树脂层的重量百分含量为10%-30％。在防弹头盔方面，我国自主研制的QGF02型芳纶头盔，在54式手枪51式标准弹、5米射距、420-450米/秒弹速垂直入射条件下，抗弹率可达100%，V50值为630米/秒。一顶QGF02型芳纶头盔总重量在1.45千克以下，相比美国同类型的 “凯芙拉（由杜邦公司出品的对位芳纶纤维）”头盔更轻。

在军事领域，芳纶复合材料还可用于制造导弹的固体火箭发动机壳、压力容器、驾驶舱、潜艇、防弹装甲车、防弹运钞车等。例如，瑞典的AT-4单兵火箭发射筒，由芳纶增强环氧树脂复合材料制造。

 

图4：芳纶复合材料在汽车内饰件上的应用©互联网

◆ 汽车工业及交通领域
芳纶复合材料可用于制造汽车或列车的车身、底盘、发动机零部件、制动系统等，有助于减轻汽车重量，提高燃油经济性和安全性。还可用于汽车或列车的座椅、仪表盘、门板等内饰件的制造（图4）。芳纶蜂窝材料可以提供良好的支撑和缓冲性能，提高座椅的舒适性；同时，其隔音、隔热性能有助于改善车内的乘坐环境。

正如前文提到的，芳纶纤维也应用于高端汽车轮胎。例如，目前米其林、固特异、倍耐力等公司都已采用芳纶1414作为轮胎帘子线。米其林公司开发的采用芳纶纤维增强的轮胎，具有更好的耐磨性和抗穿刺性能。

随着新能源汽车的兴起，芳纶蜂窝材料可用于新能源汽车电池包的外壳或内部支撑结构。它能起到隔热、防火的作用，提高电池包的安全性，防止电池在发生碰撞或过热时出现起火、爆炸等危险情况。
 
芳纶纤维的主要生产力量

芳纶行业具有投资门槛高、技术难度大、生产设备要求高的特点，整个行业的供给高度集中。全球芳纶纤维的主要生产企业包括美国杜邦公司、日本帝人公司、韩国科隆公司、中国的泰和新材、中化高性能纤维材料有限公司等。这些企业在芳纶纤维的研发、生产和应用方面具有较强的实力和丰富的经验。杜邦产能最大，帝人和泰和新材排名第二和第三，位于全球第一梯队。

美国杜邦公司是世界上最大的芳纶纤维生产企业，其产品种类齐全，质量优良，其芳纶产品包括 Nomex（间位芳纶）和Kevlar（对位芳纶），在世界芳纶领域占据着重要地位。日本帝人公司也是芳纶纤维领域的重要企业，形成规格完整的产品系列，其生产的对位芳纶纤维在全球市场上具有较高的知名度和竞争力。此外，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维、聚酰亚胺（PI）纤维、聚对苯撑苯并双噁唑（PBO）纤维等，均已形成一定产业规模，在美国、日本的航天、交通、桥梁、防弹防燃服以及竞技体育等特殊领域获得应用。

中国芳纶纤维行业起步较晚，由于技术上的封锁，我国有很长一段时间依赖高价进口。随着科技的进步和产业的发展，我国逐渐开始自主研发和生产芳纶纤维材料。2011年，我国烟台泰和新材研发的间位芳纶、对位芳纶成功推向市场，至此我国正式实现了芳纶的工业化生产。近年来，我国的芳纶产业逐渐崛起中国已是世界上能够自主生产芳纶的国家之一，拥有自主研发的芳纶产业基地，逐步接近国际水平。

据报道，2024年9月，中芳维科华（山东）新材料有限公司的对位芳纶采用自主研发的工艺流程，打破了美国杜邦在对位芳纶生产工艺技术方面的垄断，入选国家“十四五”产业规划。当前我国已实现投产企业数量较少，主要由泰和新材和中化国际等大型企业主导，行业市场集中度也处于较高水平。从中国芳纶纤维企业竞争梯队看，泰和新材位列第一梯队；中化国际、中芳特纤、超美斯新材等位列第二梯队。此外，还有神马股份、蓝星中国晨光、中芳维科华等生产企业。

中国的泰和新材是国内最早从事芳纶纤维研发和生产的企业之一，经过多年的发展，已成为国内芳纶纤维行业的龙头企业。其产品线覆盖芳纶纤维等多种高性能材料，服务于防弹材料、航空航天、汽车制造、电子电器和个人防护装备等多个高端领域。泰和新材以其产品的高强度、高模量、耐高温和耐化学腐蚀等卓越性能，赢得了市场的广泛认可。

目前，泰和新材的氨纶产能居全球第5位，是国内最大的对位芳纶（芳纶1414）生产商，拥有较大的产能规模，对位芳纶产能居全球第 3 位；间位芳纶（芳纶1313）产能规模在国内也处于领先地位，间位芳纶、芳纶纸产能居全球第2位。同时，泰和新材积极拓展国际市场，其产品已经出口到多个国家和地区，产能规模和产品质量得到了国际客户的认可。

2024年，泰和新材计划对位芳纶产能达到2万吨/年；其总裁迟海平之前在接受采访时表示力争2030年芳纶产能跃居全球第一，氨纶产能跻身全球前三，使公司成为全球芳纶行业领导者、国际高性能纤维产业龙头企业。

中化高性能纤维材料有限公司成立于2019年，是中国中化旗下企业。它是国有控股的小微企业，也是高新技术企业和专精特新 “小巨人” 企业，拥有省级企业技术中心。公司专注于高性能纤维新材料生产，是国内规模较大的对位芳纶制造商，目前已建成年产5000吨的对位芳纶项目，二期年产 2500 吨的对位芳纶扩建项目正在建设中。

据中国化信统计，预计到2025年，全球间位芳纶总产能将达到约6.9万吨/年，其中中国3.8万吨/年，产能占比将达到55%。全球对位芳纶总产能将达到12.5万吨/年，其中中国3.6万吨/年，产能占比将达到29%。

 

芳纶复材的未来发展：技术创新与应用拓展

未来，通过优化分子结构设计、改进纺丝工艺等手段，不断提高芳纶纤维本身的强度、模量和耐热性；同时在复合材料制备技术上寻求突破，探索更先进的复合工艺，让芳纶纤维与各类基体材料实现更均匀的分散和更紧密的结合，挖掘复合材料在不同工况下的性能极限，满足更多高端领域的严苛要求。

芳纶复合材料的应用领域将不断拓展，除了传统的航空航天、军事国防、汽车工业等领域外，还将在新能源、5G 通信、人工智能、物联网等新兴领域得到更广泛的应用。例如，在新能源汽车电池隔膜、电机绝缘材料、5G 通信基站天线等方面，芳纶复合材料都具有很大的应用潜力。

中国作为全球芳纶生产的重要力量，拥有泰和新材、中化高性能纤维材料有限公司等行业龙头企业。这些企业在技术创新和产能扩张上双轮驱动，不仅推动了国内芳纶复合材料行业的蓬勃发展，还在全球供应链中发挥着越来越重要的作用。它们积极参与国际竞争与合作，不断提升中国芳纶复材在全球市场的影响力，引领行业朝着更高水平、更广阔的方向迈进。

 

来源：荣格-《国际塑料商情》

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