5 化纖繩纜的未來展望

纖維繩纜的未來發展主要取決于制繩纖維材料的發展。

5.1 現有高性能纖維的改進

高性能化纖繩纜開發使用30多年了，并沒有大規模的取代鋼絲繩。目前全球繩纜市場90%仍然是由各類鋼絲繩占據。纖維繩的市場占有率不到10%。以超高相對分子質量聚乙烯纖維為例，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 超高相對分子質量聚乙烯纖維的耐熱性能低，在高溫環境中的使用有限制。當然，具體某一超高相對分子質量聚乙烯纖維繩纜的蠕變特性與其原材料、結構設計、使用狀況等多方面因素有關。

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量聚乙烯纖維材料做實質性的改進和提高得到解決。

為了克服超高相對分子質量聚乙烯纖維的上述缺點，國內外化纖科技人員作了很多研究。我們認為超高相對分子質量聚乙烯/碳納米管（UHMWPE/CNT）復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

針對現有超高相對分子質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。比如高強高模的均聚芳綸（Kevlar）和共聚雜環芳綸（芳綸Ⅲ）的研究，盡管芳綸具有優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量聚乙烯纖維差。為了改善芳綸的耐紫外性能，近年來發展起來了高強高模聚酰亞胺纖維，其具有優異的耐紫外性能、化學性能和高低溫性能。但對于繩纜用的纖維而言，其斷裂強度是其最核心的技術指標，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年代被發現后，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130 GPa，僅從表面數字看比現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，這些性能指標經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”的碳納米管編結成“繩”的報道。

在過去幾年中， 劍橋大學等研究機構努力從碳納米管制造“ 新” 碳纖維即碳納米纖維（carbon nanofiber CNF）。據“Cambridge Material Eye” （2011） 的報告，劍橋材料系的實驗室在一天內生產了約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應用中的巨大商機促成了每年千噸計的產能 （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指標還比不上現有高性能纖維，而不是價格。由此可見繩纜行業可以使用工業化的碳納米纖維“前途是光明的，道路是漫長的”。

6 結論

⑴ 根據繩纜材料及其強度，可將繩纜的發展歷史分為4 個產品代：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構中就會產生缺陷和薄弱環節。

⑶ 繩纜材料的發展將是改進現有材料和開發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帶來突破性進展，如強度比現有高性能纖維提高一個數量級以上。

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