我國高性能纖維及其復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀

經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，在國家有關(guān)部委的大力支持下，通過各類科技項目實施、專項能力建設(shè)和國家級創(chuàng)新研究機構(gòu)設(shè)立等措施，我國高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展取得了一些可喜成績。

（一）核心技術(shù)不斷突破，產(chǎn)品性能逐步提高

國內(nèi)已突破基本型（T300級）碳纖維的研制、工程化及航空航天應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)重點型號的自主保障；突破了濕法高強型（T700G級）碳纖維的研制和工程化關(guān)鍵技術(shù)，完成了部分裝備的應(yīng)用研究；開展了高強中模型（T800H級）碳纖維的工程化及其應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，已進入重點型號考核驗證和試用階段；開展了高強高模碳纖維研發(fā)，M40級碳纖維已應(yīng)用于航天領(lǐng)域，M40J級碳纖維進入地面考核驗證階段，突破了十噸級M55J碳纖維關(guān)鍵技術(shù)；基本突破了系列民用干噴濕紡碳纖維產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，正在進行高端碳纖維的攻關(guān)、應(yīng)用研究和民用領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。在瀝青基碳纖維方面，突破了高純可紡中間相瀝青和連續(xù)高導(dǎo)熱瀝青基碳纖維（P120級）制備關(guān)鍵技術(shù)。

在芳綸纖維方面，突破對位芳綸和雜環(huán)芳綸關(guān)鍵技術(shù)，建成多套工業(yè)化裝置?；拘蛯ξ环季]（Kevlar29級）實現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)和供應(yīng)，高強型對位芳綸（Kevlar129級）實現(xiàn)國產(chǎn)化供應(yīng)，在光纜、膠管、防彈等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用；雜環(huán)芳綸產(chǎn)品性能達到俄羅斯Armos同等水平，在固體火箭發(fā)動機、高端防彈等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)批量應(yīng)用。UHMWPE纖維實現(xiàn)與國際優(yōu)勢企業(yè)比肩，不僅可以部分替代進口，而且具備一定出口創(chuàng)匯能力。PI纖維斷裂強度達到3.5GPa，模量140GPa，實現(xiàn)了耐高溫型、高強高模型PI纖維的商品化。國內(nèi)科研機構(gòu)陸續(xù)突破連續(xù)碳化硅纖維及其復(fù)合材料的工程化制備技術(shù)，開展了工程應(yīng)用驗證，同時也初步建立了氧化鋁纖維、氮化硅纖維、系列陶瓷前驅(qū)體等驗證試驗線。

（二）產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴大，積累了一定工業(yè)化經(jīng)驗

2019年，我國碳纖維的需求量約為3.8×104t（見圖1），但超三分之二用量為國外碳纖維；我國碳纖維運行產(chǎn)能約為2.6×104t，實際銷量約為1.2×104t。國產(chǎn)小絲束碳纖維實現(xiàn)銷售約7000t，并在逐步擴大市場份額，其余為國產(chǎn)大絲束碳纖維。中國超高增長需求的主要驅(qū)動者是風電葉片市場，為國內(nèi)碳纖維企業(yè)帶來了難得的發(fā)展機遇。

在芳綸纖維方面，我國建成了多條千噸級對位芳綸生產(chǎn)線，2019年我國對位芳綸產(chǎn)量達到2800t，2020年預(yù)計將達到5000t；間位芳綸產(chǎn)能超15000t，產(chǎn)量達到11000t，我國成為間位芳綸的主要生產(chǎn)國之一。2019年我UHMWPE纖維產(chǎn)能約為33000t，產(chǎn)量為23000t，出口為3355t，產(chǎn)品具有一定的國際競爭力。
（三）高性能纖維及其復(fù)合材料的戰(zhàn)略支撐作用日益凸顯

我國高性能纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用部位由次承力構(gòu)件擴大到主承力構(gòu)件，由單一功能材料向多功能、結(jié)構(gòu)功能一體化轉(zhuǎn)變，有效緩解了國家重大工程、國防重點裝備的迫切需求。高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)也由開拓推廣期向快速擴張和穩(wěn)定成長期邁進，復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域由航空、航天、兵器等擴展到了風力發(fā)電、軌道交通、汽車等眾多民用領(lǐng)域；產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，如國內(nèi)碳纖維銷售額達30億元規(guī)模，優(yōu)勢企業(yè)近年陸續(xù)在內(nèi)蒙古、青海等中西部地區(qū)投資擴產(chǎn)工程，這將對中西部地區(qū)科技與經(jīng)濟發(fā)展起到積極的帶動作用，支撐新興產(chǎn)業(yè)的區(qū)域均衡發(fā)展。

我國高性能纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)
在大國競爭和新型冠狀病毒肺炎疫情疊加影響下，國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)格局將加速重塑。我國高性能纖維及復(fù)合材料的自主保障能力需進一步提升，產(chǎn)業(yè)技術(shù)將面臨持續(xù)低成本化以及大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的需求。
（一）高性能纖維及其復(fù)合材料將持續(xù)國產(chǎn)化，以滿足重大戰(zhàn)略發(fā)展需求

高性能纖維及其復(fù)合材料是實現(xiàn)衛(wèi)星平臺、運載火箭、大飛機、兵器艦船等國家重大工程建設(shè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，相關(guān)產(chǎn)品長期以來處于禁運或高價進口狀態(tài)，在技術(shù)與經(jīng)濟上受西方國家遏制。隨著大國競爭的持續(xù)演進，高性能纖維及其復(fù)合材料的原材料、裝備、技術(shù)封鎖將進一步加劇，高性能纖維及其復(fù)合材料的自主研制保障是突破“受制于人”問題的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)“中國制造2025”發(fā)展計劃的必由之路。

（二）高性能纖維及其復(fù)合材料將持續(xù)高性能化，其前沿技術(shù)仍是材料學科的研究熱點之一

經(jīng)過近30年的相對沉寂，依靠細旦化提高拉伸強度的技術(shù)路線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。東麗株式會社和赫氏集團相繼推出T1100G和IM10碳纖維，在纖維直徑保持原序列牌號特征基礎(chǔ)上，強度和模量同步顯著提升。近期推出的M40X、HM50碳纖維體現(xiàn)了高強高模高延伸的綜合性能。國內(nèi)開發(fā)的中大直徑T800級碳纖維，實現(xiàn)復(fù)合材料壓縮強度與拉伸強度的“壓拉比”從0.52提升至0.67，復(fù)合材料壓拉平衡性獲得改善。新一代碳纖維及第三代先進復(fù)合材料技術(shù)的突破，是實現(xiàn)我國高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)比肩國際前沿發(fā)展的重要契機。

（三）高性能纖維及其復(fù)合材料將持續(xù)低成本化，并決定其在風力發(fā)電、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、體育休閑等相對成熟領(lǐng)域的市場份額
? ? ?發(fā)達國家已實現(xiàn)高性能纖維標準化、系列化，未來重要發(fā)展趨勢是低成本化。低成本纖維制備技術(shù)不僅要降低生產(chǎn)要素成本，也要突破高性能纖維顛覆性制備技術(shù)，建立低成本化的生產(chǎn)工藝。在碳纖維領(lǐng)域，一是對現(xiàn)有制備技術(shù)進行改進，如通過“擴容提速”實現(xiàn)紡絲速度大幅提升，擴大單線產(chǎn)能；二是開發(fā)新型紡絲、碳化技術(shù)等，大幅降低能耗。另一方面是利用腈綸工業(yè)基礎(chǔ)，開展碳纖維大絲束化制備技術(shù)研究，發(fā)展48K以上低成本紡織級原絲及工業(yè)級碳纖維制備技術(shù)。當碳纖維價格達到10USD/kg，在風力發(fā)電、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和體育休閑等領(lǐng)域的應(yīng)用將進一步擴大，將全面筑牢碳纖維工業(yè)應(yīng)用的壓艙石。
（四）軌道交通、新能源汽車、工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施等新興產(chǎn)業(yè)以及新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有望成為高性能纖維擴大應(yīng)用的重要機遇和突破口
? ? ??經(jīng)歷60年發(fā)展，全球碳纖維需求在2019年首次超過1×105t。隨著應(yīng)用技術(shù)的成熟和碳纖維成本的不斷下降，下一個1×105t的增長，預(yù)計周期會明顯縮短。近年來，國內(nèi)不斷加大高速列車等軌道交通、新能源汽車及充電樁、特高壓輸電線路等新興產(chǎn)業(yè)以及新型基礎(chǔ)設(shè)施投資，同時隨著碳纖維在車體車架、高壓氣瓶、機器人臂、電纜電芯等部件上應(yīng)用技術(shù)的不斷突破，國內(nèi)碳纖維市場有望迎來擴大應(yīng)用、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要機遇。
（五）國外壟斷型企業(yè)加速兼并重組，新型冠狀病毒肺炎疫情對全球經(jīng)濟沖擊顯著，多種因素疊加將加速國內(nèi)產(chǎn)業(yè)格局重塑

國外高性能纖維巨頭通過并購，不斷加強系列品種的國際壟斷地位；上游原材料企業(yè)與下游應(yīng)用單位聯(lián)合重組，形成全產(chǎn)業(yè)鏈的控制能力。國內(nèi)高性能纖維行業(yè)經(jīng)過十余年“大干快上”的發(fā)展歷程后，逐漸回歸理性投資。隨著新冠疫情的沖擊，全球市場短期受困，內(nèi)外因素疊加，必將加速完成優(yōu)勝劣汰的行業(yè)洗牌。中國得益于更早控制住疫情，已實現(xiàn)全面復(fù)工復(fù)產(chǎn)，有望迎來一段特殊發(fā)展空間；國內(nèi)企業(yè)突圍破局，應(yīng)把握好軌道交通、大型橋梁、島礁建設(shè)、大直徑風電葉片、油田開采設(shè)備等國內(nèi)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的蓬勃需求。

我國高性能纖維及其復(fù)合材料發(fā)展存在的問題

我國高性能纖維及其復(fù)合材料研制起步并不晚，但是由于復(fù)雜的原因進展一直較緩慢，近十年來雖取得了很大的進步，但產(chǎn)品在性能穩(wěn)定性、成本、規(guī)模及應(yīng)用水平方面與日本、美國等發(fā)達國家差距明顯。

（一）高端纖維及其復(fù)合材料仍存在代差，自主保障能力亟待加強

國外航空航天領(lǐng)域已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用以T800級碳纖維為主要增強體的第二代先進復(fù)合材料，而我國總體上仍處在第一代先進復(fù)合材料擴大應(yīng)用、第二代先進復(fù)合材料考核驗證階段，落后一代以上，而且高強高模、超高模量碳纖維尚未建立有效的自主保障能力。在高性能有機纖維、陶瓷纖維等領(lǐng)域，同樣存在高端產(chǎn)品缺乏、質(zhì)量一致性差等問題。

（二）產(chǎn)業(yè)技術(shù)成熟度不夠，大規(guī)模高效低成本的成套工藝與裝備技術(shù)仍未完全突破，纖維產(chǎn)品“質(zhì)次價高、不好用”

高性能纖維產(chǎn)業(yè)是一個工藝與裝備高度耦合的超長流程精細產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)尚未全面了解和掌握大規(guī)模成套生產(chǎn)工藝技術(shù)?，F(xiàn)階段國產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)仍以12K及以下小絲束產(chǎn)品為主，大絲束、低成本碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)尚未全面突破，而國外已開始將大絲束低成本與小絲束高質(zhì)量的生產(chǎn)技術(shù)融合，持續(xù)提升產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本。我國芳綸纖維在產(chǎn)品性能、生產(chǎn)效率、產(chǎn)業(yè)規(guī)模、應(yīng)用支持等方面還存在差距，價格也不具備本土優(yōu)勢，導(dǎo)致國產(chǎn)芳綸纖維的使用積極性不高，企業(yè)成長艱難。UHMWPE纖維單線產(chǎn)能低，投資成本高、生產(chǎn)效率低、能耗高，規(guī)?；统杀旧a(chǎn)還難以實現(xiàn)。此外，纖維的產(chǎn)業(yè)化成套裝備設(shè)計與制造能力不過關(guān)。優(yōu)秀的設(shè)計/仿真模擬人員缺乏，設(shè)計/模擬軟件依賴進口，基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)（如機械加工）、裝備原材料質(zhì)量（如石墨發(fā)熱體材料）與國外差距明顯，導(dǎo)致國內(nèi)自主裝備在精度和產(chǎn)能上不足，設(shè)備運行穩(wěn)定性差、故障率高，制約纖維產(chǎn)品的性能與成本控制。

（三）大多數(shù)應(yīng)用行業(yè)缺乏復(fù)合材料設(shè)計–評價–驗證能力，“不會用、用不好”問題突出

與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料的最大優(yōu)勢是可設(shè)計性，可根據(jù)服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點進行優(yōu)化設(shè)計。當前，我國僅航空航天領(lǐng)域具有較為完整的復(fù)合材料設(shè)計–評價–驗證能力，兵器、艦船、汽車、風電、軌道交通、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等行業(yè)則嚴重滯后，更多習慣于跟蹤國外的應(yīng)用技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域，以“成型加工”方式開展高性能纖維復(fù)合材料的制備，普遍存在“不會用、用不好”的問題，導(dǎo)致國產(chǎn)纖維及其復(fù)合材料大規(guī)?！皯?yīng)用出口”不暢。

（四）基礎(chǔ)研究投入不足，部分關(guān)鍵科學問題尚未探明，在前沿產(chǎn)品創(chuàng)新開發(fā)上缺乏后勁
在國家重大任務(wù)的牽引下，我國高性能纖維及其復(fù)合材料以參照仿制的國產(chǎn)化思路開展，以產(chǎn)品研制為主，著重解決應(yīng)用急需。高校與研究機構(gòu)的研發(fā)，往往以型號產(chǎn)品為依托，高性能纖維材料成分–結(jié)構(gòu)–工藝–性能之間的深層次關(guān)聯(lián)關(guān)系尚未全面掌握，必要的科學機理尚未揭示清楚。材料研制與應(yīng)用超前于相關(guān)學科的基礎(chǔ)研究，導(dǎo)致在面臨新的應(yīng)用需求時缺乏理論支撐，自主創(chuàng)新發(fā)展后勁不足，難以適應(yīng)未來技術(shù)比肩和引領(lǐng)發(fā)展需求。
（五）健全的產(chǎn)業(yè)體系和健康的產(chǎn)業(yè)生態(tài)尚未形成，部分領(lǐng)域低水平重復(fù)、無序競爭現(xiàn)象仍存在

目前我國高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)體系不完整，關(guān)鍵裝備、重要原材料和配套材料以及檢測評價環(huán)節(jié)薄弱。在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的總體規(guī)模仍然比較小，難以驅(qū)動全產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與完善，在以汽車、壓力容器、軌道交通等為代表的工業(yè)領(lǐng)域仍未實現(xiàn)放量（見圖2）。在國家高度關(guān)注以及高科技領(lǐng)域投資沖動等多重因素刺激下，目前仍存在低水平重復(fù)、脫離產(chǎn)業(yè)實際的投資亂象，項目水平參差不齊，不僅造成大量國家和社會資源占用與浪費，也將嚴重不利于行業(yè)競爭力和可持續(xù)產(chǎn)業(yè)生態(tài)的形成。

我國高性能纖維及其復(fù)合材料的重點發(fā)展任務(wù)
（一）碳纖維及其復(fù)合材料

突破高強中模、高強高模、高強高模高延伸碳纖維及其復(fù)合材料工程化制備關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)高強中模碳纖維拉伸強度≥7GPa；高強高模碳纖維拉伸模量≥650GPa；高強高模高延伸碳纖維拉伸強度≥5.7GPa，拉伸模量≥370GPa，斷裂延伸率≥1.5%，滿足高端裝備用碳纖維及其復(fù)合材料全面自主保障需求。

突破千噸級濕法、干濕法和大絲束（48K及以上）工業(yè)級碳纖維成套工藝裝備與產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，突破國產(chǎn)大絲束碳纖維用紡絲油劑和上漿劑等配套材料、國產(chǎn)碳纖維中間體制備等關(guān)鍵技術(shù)；突破新型紡絲、預(yù)氧化碳化等顛覆性制備技術(shù)，實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維穩(wěn)定化與低成本化，支撐國產(chǎn)碳纖維的規(guī)模應(yīng)用。

攻克復(fù)合材料設(shè)計–制造–評價–考核驗證等應(yīng)用共性關(guān)鍵技術(shù)，突破復(fù)合材料回收再利用技術(shù)，持續(xù)推進國產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料在航空航天、兵器、交通、能源、建筑等國防和國民經(jīng)濟領(lǐng)域的工程應(yīng)用，構(gòu)建完整的碳纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈。以國產(chǎn)T300、T700級碳纖維為增強體的第一代先進復(fù)合材料在民用領(lǐng)域應(yīng)用取得顯著突破，以國產(chǎn)T800級碳纖維為增強體的第二代先進復(fù)合材料實現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，高強高模高韌第三代先進復(fù)合材料實現(xiàn)自主發(fā)展。

（二）有機纖維及其復(fù)合材料
突破芳綸、PI、UHMWPE、PBO等高性能有機纖維產(chǎn)業(yè)化制備及其復(fù)合材料工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)在國家重大裝備上的穩(wěn)定應(yīng)用。開發(fā)系列化、功能性對位芳綸，滿足差異化應(yīng)用領(lǐng)域需求；發(fā)展新一代高強高模、高復(fù)合性、低成本雜環(huán)芳綸；突破提升間位芳綸生產(chǎn)效率的新工藝、新技術(shù)。開發(fā)耐溫、抗蠕變UHMWPE纖維，完善中高強度UHMWPE工程化制備技術(shù)，解決生產(chǎn)過程能耗大、成本高問題。優(yōu)化PBO纖維聚合紡絲工藝，實現(xiàn)穩(wěn)定高品質(zhì)產(chǎn)品供應(yīng)。開發(fā)低成本、高性能PI纖維技術(shù)，突破PI纖維的環(huán)化–牽伸一體化等關(guān)鍵工藝與集成設(shè)備技術(shù)，拓展PI纖維及其復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。
（三）陶瓷纖維及其復(fù)合材料

發(fā)展以超高溫低成本碳化物纖維為代表的高性能陶瓷纖維及其復(fù)合材料技術(shù)，突破碳化硅、氧化鋁、氮化硅、氮化硼、硅硼氮等纖維及其前驅(qū)體的工程化穩(wěn)定制備技術(shù)；解決工程尺寸的復(fù)合材料制備工藝與裝備瓶頸，開發(fā)陶瓷基復(fù)合材料快速低成本制造技術(shù)；形成系列陶瓷纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)品型譜，實現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料在燃氣發(fā)動機等重大裝備上的工程應(yīng)用。摘自：中國工程科學??2020年 第22卷 第5期

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