高性能纖維是指具有特殊理化結(jié)構(gòu)、性能及功能的化學(xué)纖維，通常具有極高的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量，同時(shí)兼具耐高溫、耐輻射、耐酸堿、抗燃等優(yōu)異性能，常見品種有碳纖維、芳綸纖維、超高分子量聚乙烯纖維、玄武巖纖維、聚苯硫醚纖維等。高性能纖維復(fù)合材料則是以高性能纖維作為增強(qiáng)材料，樹脂作為基體，加工而成的復(fù)合材料，具備質(zhì)輕、高強(qiáng)高模、抗疲勞、耐腐蝕、易加工成型等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍工、軌道交通、能源工業(yè)等領(lǐng)域，無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域都發(fā)揮了重大作用，深刻影響著國(guó)家安全、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、科技和人類的生活。因此，高性能纖維復(fù)合材料作為先進(jìn)纖維復(fù)合材料中極具代表性且應(yīng)用最為廣泛的分支，已成為世界各國(guó)發(fā)展高新技術(shù)、國(guó)防尖端武器裝備等戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)不可或缺的關(guān)鍵材料。
目前，全球高性能纖維及復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)企業(yè)主要集中在日本、美國(guó)和歐洲。日本擁有東麗、帝人以及三菱化學(xué)三大碳纖維及復(fù)合材料供應(yīng)商，不僅占據(jù)了全球碳纖維產(chǎn)能一半，還壟斷了高端領(lǐng)域用碳纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)；美國(guó)杜邦公司在芳綸市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位，無(wú)論是高端產(chǎn)品的技術(shù)水平還是低端產(chǎn)品的價(jià)格水平，相比其他企業(yè)都占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；歐洲在超高分子量聚乙烯纖維領(lǐng)域占有舉足輕重的地位，荷蘭帝斯曼公司是全球產(chǎn)量最高和質(zhì)量最佳的超高分子量聚乙烯纖維供應(yīng)商；中國(guó)已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了多種高性能纖維及復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，且具備了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但是在高強(qiáng)度、高模量及高端領(lǐng)域所用高性能纖維的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品穩(wěn)定性等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在較大差距。
高性能纖維是發(fā)展國(guó)防軍工、航空航天等高科技產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)材料。近年來(lái)，隨著高性能纖維價(jià)格的持續(xù)下降及國(guó)家節(jié)能、環(huán)保政策的推動(dòng)，高性能纖維在民用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍日益拓展，一些新興產(chǎn)業(yè)如風(fēng)力發(fā)電、汽車、高鐵等對(duì)高性能纖維的需求日益增長(zhǎng)，成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。如今，全球高性能纖維及復(fù)合材料正朝著制造技術(shù)先進(jìn)化、低成本化、材料高性能化、多功能化和應(yīng)用擴(kuò)大化的方向發(fā)展。2019年世界各國(guó)在高性能纖維及復(fù)合材料領(lǐng)域的前沿技術(shù)探索、應(yīng)用潛力開發(fā)等方面成果頗豐。
1、美國(guó)
美國(guó)是最先開展碳纖維及芳綸纖維研究的國(guó)家，擁有全球領(lǐng)先的高性能纖維、復(fù)合材料以及各領(lǐng)域復(fù)材制品產(chǎn)業(yè)鏈。目前，美國(guó)在航空航天和軍工領(lǐng)域高性能纖維的應(yīng)用具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，壓力容器、風(fēng)電和汽車等市場(chǎng)也在快速發(fā)展。碳纖維占據(jù)了美國(guó)最大的高性能纖維材料市場(chǎng)份額，主要應(yīng)用在國(guó)防安全領(lǐng)域。近年來(lái)，超高分子量聚乙烯纖維也開始成為美國(guó)國(guó)防研究部門的“新寵”。
超高分子量聚乙烯纖維在已開發(fā)的纖維中密度最低、強(qiáng)度最高，是目前防彈性能最好的纖維，在國(guó)防軍工領(lǐng)域有著不可替代的作用。2019年9月，美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室表示正在通過(guò)將超高分子量聚乙烯與氧化硅納米粒子結(jié)合的一種新技術(shù)制備用于防彈衣的新材料，這種新材料具有更高的強(qiáng)度，是吸收子彈和其它彈殼撞擊的理想材料。2019年11月，美國(guó)官員表示，目前美國(guó)特種部隊(duì)正在對(duì)一款輕型戰(zhàn)斗裝甲進(jìn)行測(cè)試，它是之前“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型行動(dòng)服（TALOS）”（圖1）的項(xiàng)目成果之一，這款輕型裝甲是一種“輕型聚乙烯肢體防護(hù)裝甲”既強(qiáng)固又輕巧，比現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)裝備輕了25%，這款新型的戰(zhàn)斗裝甲與現(xiàn)役的標(biāo)準(zhǔn)步兵防彈服（身體覆蓋率19%）相比，身體覆蓋率達(dá)到44%以上，能有效保護(hù)士兵的肩膀、體前側(cè)、前臂和跨部。
圖1 戰(zhàn)術(shù)突擊輕型行動(dòng)服
高性能纖維材料在美國(guó)航空航天領(lǐng)域經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入成熟應(yīng)用期。美國(guó)在該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)非常豐富，先后成功研制出了全碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料機(jī)身等各種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，波音747中碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量占比已高達(dá)50%。未來(lái)航空航天領(lǐng)域用高性能纖維及復(fù)合材料的主要發(fā)展方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)化、功能化材料研發(fā)以及低成本、一體化技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。2019年3月15日，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）與阿肯色大學(xué)、邁阿密大學(xué)合作開發(fā)出3D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，研制出一種定制化直接噴墨3D打印設(shè)備（圖2），可用于加工航空航天領(lǐng)域的短纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，這種材料的開發(fā)為下一代多功能無(wú)人飛行器結(jié)構(gòu)零件的制造提供了技術(shù)支持。除了對(duì)航空航天和軍工等重點(diǎn)領(lǐng)域的研究，美國(guó)也高度重視高性能纖維及復(fù)合材料在其他領(lǐng)域的應(yīng)用研究。
圖2 3D碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料
2019年10月29日，OceanGate公司宣布，計(jì)劃使用碳纖維和鈦設(shè)計(jì)建造2種新的潛水器，以滿足對(duì)深海載人潛水器日益增長(zhǎng)的遠(yuǎn)征、研究和商業(yè)需求。在汽車領(lǐng)域，美國(guó)通用汽車公司于2019年宣布開始在通用Sierra皮卡GMC Sierra Denali 1500”（圖3）和“GMC Sierra AT4 1500”中使用碳纖維車廂，該皮卡車廂（CarbonPro）由通用公司與帝人聯(lián)合開發(fā)，是世界上首次將碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料用于大批量生產(chǎn)的汽車結(jié)構(gòu)部件，這款“CarbonPro”與其他皮卡車廂相比，重量減少了約25%，且具有一流的抗凹痕、耐刮擦和耐腐蝕性。
圖3 GMC Sierra Denali 1500
在推進(jìn)高性能纖維及復(fù)合材料市場(chǎng)化應(yīng)用的同時(shí)，美國(guó)科研人員也一直致力于新結(jié)構(gòu)、新功能材料的研究。2019年6月，美國(guó)萊斯大學(xué)的Ajayan團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種高介電、高導(dǎo)熱以及耐高溫芳香聚酰胺纖維增強(qiáng)的層狀復(fù)合材料。該材料介電常數(shù)最高可達(dá)6.3，導(dǎo)熱系數(shù)最高可達(dá)2.4W·m-1·K-1 ，擊穿強(qiáng)度可高達(dá)292MV·m-，楊氏模量達(dá)到11GPa，有望應(yīng)用于高溫儲(chǔ)能器件中。
高性能纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，其自身的力學(xué)性能在很大程度上影響著纖維復(fù)合材料的性能，為此，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院針對(duì)高性能碳纖維的制備進(jìn)行了深入研究，其研究小組已經(jīng)開發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)，可以提高碳纖維的強(qiáng)度和模量。2019年1月，佐治亞理工學(xué)院的Kumar團(tuán)隊(duì)采用聚丙烯腈（PAN）纖維為原料，成功制備了質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)40%的納米微晶纖維素（CNC）碳纖維。PAN/CNC基碳纖維的拉伸強(qiáng)度在1.8~2.3GPa范圍內(nèi)，拉伸模量在220~265GPa范圍內(nèi)。
2、日本
日本在高性能纖維及復(fù)合材料行業(yè)的產(chǎn)品種類、生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量和系列化開發(fā)等方面均具有很強(qiáng)的全球競(jìng)爭(zhēng)力，是高性能纖維產(chǎn)品種類最全的國(guó)家。尤其是在碳纖維領(lǐng)域，日本擁有全球最多的技術(shù)專利，覆蓋產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，并且占據(jù)全球PAN基碳纖維70%以上的市場(chǎng)份額，在國(guó)際市場(chǎng)上穩(wěn)居霸主地位。為保持其在高性能纖維及復(fù)合材料行業(yè)的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，日本針對(duì)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的關(guān)鍵材料均有研究布局。
日本企業(yè)非常重視高性能纖維及復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，從生產(chǎn)工藝到復(fù)合材料的應(yīng)用方面均擁有大量的研發(fā)人員。2019年11月18日，東麗公司通過(guò)自身的聚合物技術(shù)和纖維技術(shù)，研制出世界上第一種具有納米級(jí)連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的多孔碳纖維（圖4），并且可以利用自身的技術(shù)確?？紫兜木鶆蚍植家约岸ㄖ贫嗫捉Y(jié)構(gòu)的固定尺寸，這種纖維材料結(jié)構(gòu)緊密且質(zhì)輕，具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和透氣性，可以用來(lái)制作先進(jìn)膜材料的支撐層，實(shí)現(xiàn)更具有環(huán)境友好性的天然氣和沼氣凈化、溫室氣體分離以及安全制氫。
圖4 納米級(jí)連續(xù)孔結(jié)構(gòu)的多孔碳纖維結(jié)構(gòu)圖
2019年日本領(lǐng)先碳纖維供應(yīng)商在新型纖維預(yù)浸料的開發(fā)上取得了先進(jìn)的研究成果。2019年3月4日，帝人公司宣布研發(fā)出了一種新型碳纖維增強(qiáng)雙馬來(lái)酰亞胺樹脂（BMI）預(yù)浸料，這種預(yù)浸料具有高達(dá)280℃的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，以及較高的沖擊后抗壓強(qiáng)度和較小的線性熱膨脹系數(shù)，是日本首個(gè)兼具高耐熱性和高耐沖擊性的BMI預(yù)浸料，為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的生產(chǎn)提供了新的思路。
東麗公司成功研發(fā)出新型航空用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）預(yù)浸料和高端汽車和賽車用新型預(yù)浸樹脂系統(tǒng)“東麗TC346”。其中，新型CFRP預(yù)浸料適用于真空成型技術(shù)，與傳統(tǒng)預(yù)浸料使用熱壓罐成型技術(shù)相比，能夠顯著降低制造成本。“東麗TC346”具有優(yōu)異的機(jī)械性能和表面光澤度，是目前性能最高的產(chǎn)品，可以制成各種重量和纖維的單向膠帶或織物，廣泛應(yīng)用于賽車變速箱、懸架、機(jī)翼和防撞結(jié)構(gòu)。
日本帝人公司是全球第一家量產(chǎn)汽車用碳纖維的企業(yè)，多年來(lái)也一直在加快該領(lǐng)域的研究。2019年3月6日，帝人汽車復(fù)合材料專業(yè)集團(tuán)開發(fā)出了一種多材料復(fù)合材料汽車門概念，這款多材料側(cè)門模塊（圖5）由碳纖片狀模塑料（SMC）、玻璃纖維SMC和單向玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）制成，具有高強(qiáng)度、低重量、優(yōu)異的耐熱性和減震性、卓越的設(shè)計(jì)自由度以及能夠?qū)崿F(xiàn)深拉伸等優(yōu)點(diǎn)。帝人計(jì)劃于2025年推出商用門模塊，爭(zhēng)取成為多材料汽車零部件的全球供應(yīng)商。
圖5 多材料復(fù)合汽車側(cè)門模塊原型
日本對(duì)現(xiàn)有建筑物的大規(guī)模翻新和屋頂?shù)臄U(kuò)建/翻新用材料也進(jìn)行了深入研究。2019年10月9日，日本大成建設(shè)（Taisei）開發(fā)了一種超輕型碳纖維復(fù)合材料（CFRP）結(jié)構(gòu)部件—T-CFRP梁（圖6）。該T-CFRP梁重量?jī)H為鋼架的1/5，并且可以根據(jù)建筑物的應(yīng)用自由設(shè)計(jì)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度和形狀。這項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)將應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的建筑用輕量化構(gòu)件的需求。
此外，日本在推進(jìn)高性能纖維及復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)、追求產(chǎn)品市場(chǎng)效益的同時(shí)，為了節(jié)省能源，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)，也越來(lái)越重視纖維材料的回收再利用研究。日本汽車制造商協(xié)會(huì)于2019年下半年開始有關(guān)如何回收燃料電池汽車中使用的碳纖維增強(qiáng)塑料的基礎(chǔ)研究這項(xiàng)研究旨在通過(guò)探索阻燃碳纖維的燃燒機(jī)理，為將來(lái)報(bào)廢汽車做準(zhǔn)備。
2019年9月24日，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與法國(guó)政府、歐洲空客發(fā)布了關(guān)于飛機(jī)碳纖維再利用等環(huán)保領(lǐng)域的合作戰(zhàn)略。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省將在碳纖維企業(yè)及相關(guān)學(xué)校的協(xié)助下，共同構(gòu)建碳纖維回收并以低成本再利用的生產(chǎn)機(jī)制。
3、歐洲
歐洲匯聚了德國(guó)西格里集團(tuán)（SGL）、比利時(shí)索爾維集團(tuán)（Solvay）、荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)（DSM）等多家高性能纖維及復(fù)合材料領(lǐng)域的突出企業(yè)以及英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心（NCC）、德國(guó)航空航天研究試驗(yàn)院（DLR）等科研院所。近年來(lái)，輕量化趨勢(shì)大力推動(dòng)了高性能纖維復(fù)合材料在汽車工程、航空航天、建筑等行業(yè)的發(fā)展。2019年，歐洲在高性能纖維及復(fù)合材料的車用、船用等多領(lǐng)域應(yīng)用進(jìn)行了深入研究。
2019年4月7日，英國(guó)利物浦公司（BriggsAu?tomotiveCompany，BAC）正式推出“MonoR”跑車（圖7）。是世界上第一款在每個(gè)車身面板“MonoR”中都完全采用石墨烯增強(qiáng)碳纖維的量產(chǎn)車，石墨烯增強(qiáng)了纖維的結(jié)構(gòu)特性，使面板更堅(jiān)固、更輕，具有更好的機(jī)械和熱性能，也使得“MonoR”具有更高性能。
2019年11月，法國(guó)科紡勒集團(tuán)（Chomarat）為瑞典古斯塔夫斯堡（ArconaYachts）的巡洋艦435型號(hào)和465型號(hào)開發(fā)了碳纖維增強(qiáng)材料。Cho-marat為了在澆灌過(guò)程中獲得更好的滲透性，深入研究了高性能C-PLYTM的最佳結(jié)構(gòu)，開發(fā)出的高性能C-PLYTM碳纖維非卷曲織物（NCF），使其具有更高的機(jī)械性能和與多種樹脂的相容性，而且可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的成本效益。Chomarat用于巡洋艦的船體和甲板的灌注技術(shù)將高達(dá)70%的碳纖維摻入層壓板中，可帶來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)、優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量及整體零件成本的縮減。
德國(guó)西格里（SGL）集團(tuán)作為全球領(lǐng)先的碳素石墨材料及相關(guān)制品的制造商，是歐洲唯一一個(gè)在世界碳纖維市場(chǎng)占據(jù)主要份額的企業(yè)。2019年，SGL為尋求更多的業(yè)務(wù)發(fā)展方式，擴(kuò)大碳纖維復(fù)合材料在更多領(lǐng)域中的作用。2019年4月30日，SGL與上海蔚來(lái)汽車有限公司（NIO）合作，共同研制電動(dòng)汽車碳纖維增強(qiáng)型塑料電池外殼原型，該電池外殼比傳統(tǒng)鋁或鋼制電池外殼輕40%，具有高剛性且比鋁的熱導(dǎo)率低200倍，能夠更好地保護(hù)電池本體不受外界冷熱的影響。除此以外，復(fù)合材料還賦予電池外殼優(yōu)異的氣密性、防水性和耐腐蝕性。
慕尼黑工業(yè)大學(xué)（TUM）團(tuán)隊(duì)與SGL的專家合作開發(fā)了一種超回路列車（Hyperloop）膠囊艙的優(yōu)化模型（圖8），該模型使用了SGL的預(yù)浸碳纖維編織材料，通過(guò)設(shè)計(jì)和材料優(yōu)化，膠囊艙結(jié)構(gòu)重約5.6 kg，與6.1kg的前一型號(hào)相比輕了約10%。此外，不同于以前的塑料解決方案，此次運(yùn)輸艙的外殼襯板也完全由碳纖維材料制成，將其重量從1.5kg減少到僅0.7kg。該模型在2019年7月21日舉辦的第四屆超回路列車（Hyperloop）競(jìng)賽中，以463km/h的速度為其研發(fā)團(tuán)隊(duì)獲得冠軍。
歐盟早在2000年制定的里斯本戰(zhàn)略中就把可持續(xù)發(fā)展作為重要政策來(lái)實(shí)施。如今，在歐洲，可持續(xù)發(fā)展的概念早已深入人心。 2019年，歐洲企業(yè)在纖維復(fù)合材料的回收再利用方面也有新的成果面世。英國(guó)ELGCarbonFibre公司是實(shí)現(xiàn)再生碳纖維商業(yè)化運(yùn)作的公司，擁有世界上第一個(gè)也是世界上最大的碳纖維回收廠。2019年12月4日，ELG為助力英力士隊(duì)參戰(zhàn)美洲杯帆船賽，利用制造比賽船只時(shí)產(chǎn)生的廢料，將其再加工成非織造碳纖維氈，進(jìn)一步用來(lái)制成了兩個(gè)固定船身的運(yùn)輸托架，這種回收材料性能良好，可直接用于現(xiàn)有工藝，充分表明碳纖維復(fù)合材料可以進(jìn)行回收再利用，減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)。2019年12月10日，ELG和英國(guó)哈德斯菲爾德大學(xué)鐵路研究所UniversityofHud?dlersfield’sInstituteforRailwayResearch）聯(lián)合研究并發(fā)布了世界首個(gè)碳纖維復(fù)合軌道轉(zhuǎn)向架，稱為“CAFIBO”（圖9）。該新型轉(zhuǎn)向架完全由剩余和回收的碳纖維材料制成，比常規(guī)轉(zhuǎn)向架輕，并具有更優(yōu)異的垂直和橫向剛度。在鐵路車輛中使用這種新型轉(zhuǎn)向架可以減少軌道磨損、降低基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)成本、提高可靠性和運(yùn)營(yíng)可用性以及節(jié)約能源，減緩全球變暖。
在高性能纖維材料的“新藍(lán)海”——玄武巖纖維方面，歐洲企業(yè)已經(jīng)在技術(shù)和產(chǎn)能上開始了相關(guān)布局。俄羅斯的Anisoprint公司于2019年6月推出了一種用于連續(xù)纖維3D打印技術(shù)的新型玄武巖纖維復(fù)合材料（CBF）用這種材料打印的零件，強(qiáng)度是塑料的30倍、鋁的2倍，比重也更輕。德國(guó)LipexEngineeringGmbH公司在俄羅斯投資5000萬(wàn)歐元，開始建立玄武巖纖維生產(chǎn)線，以滿足玄武巖纖維快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。
除了在車用、船用領(lǐng)域取得的研究進(jìn)展以外，歐洲也在重點(diǎn)關(guān)注航空航天等領(lǐng)域。2019年5月2日，德國(guó)西格里公司（SGL）與英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心（NationalCompositeCenter,NCC）達(dá)成合作協(xié)議，雙方將針對(duì)航空、交通運(yùn)輸和油氣等領(lǐng)域的市場(chǎng)需求，共同開發(fā)下一代復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)，提升一級(jí)和二級(jí)結(jié)構(gòu)件中復(fù)合材料的使用率。目前，雙方已經(jīng)利用NCC位于英國(guó)布里斯托的實(shí)驗(yàn)設(shè)備開展碳纖維織物（包括無(wú)卷曲布等）先進(jìn)加工工藝的項(xiàng)目研發(fā)，下一步將利用SGL集團(tuán)所提供的碳纖維無(wú)卷曲布生產(chǎn)出復(fù)合材料機(jī)翼樣件。2019年12月3日，SGL與Solvay達(dá)成一項(xiàng)聯(lián)合開發(fā)協(xié)議。該協(xié)議計(jì)劃將基于大絲束中模量（IM）碳纖維的首個(gè)用于商業(yè)航空的復(fù)合材料推向市場(chǎng)，這些材料將基于SGL的IM碳纖維和Solvay的主結(jié)構(gòu)件樹脂系統(tǒng)，幫助滿足降低成本和二氧化碳排放量的需求，并改善下一代商用飛機(jī)的生產(chǎn)工藝和燃油效率。
在過(guò)去的幾十年，為開發(fā)并制造出能夠用于航天器中關(guān)鍵尺寸器件的尺寸超穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的材料，研究人員進(jìn)行大量的研究，并發(fā)展出了碳纖維增強(qiáng)聚合物材料。但由于水分的侵入和釋放而導(dǎo)致的尺寸不穩(wěn)定仍然是基質(zhì)的基本弱點(diǎn)，這限制了復(fù)合材料的許多應(yīng)用。英國(guó)薩里大學(xué)Silva等通過(guò)開發(fā)一種空間可限定的物理表面勢(shì)壘來(lái)應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，這種勢(shì)壘與復(fù)合材料的力學(xué)性能相融合，從而成為復(fù)合材料本身的一部分。所得到的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有機(jī)械完整性和優(yōu)于底層復(fù)合材料的強(qiáng)度，同時(shí)保持不透水和排氣。此外，歐洲科研人員在高性能纖維基礎(chǔ)研究方面也取得了成果。2019年12月13日，德國(guó)拜羅伊特大學(xué)高分子化學(xué)和聚合物研究所Greiner團(tuán)隊(duì)在《Science》發(fā)表了《Highstrengthincombinationwithhightoughnessinrobustandsustainablepoly-mericmaterials》的研究文章，通過(guò)改進(jìn)分子交聯(lián)，克服了人造纖維材料強(qiáng)度和韌性的沖突，制造出多纖維PAN紗線，韌性高達(dá)（137±21）J/g、拉伸強(qiáng)度為（1236±40）MPa。
4、中國(guó)
近年來(lái)，中國(guó)在高性能纖維及復(fù)合材料行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化、設(shè)備與市場(chǎng)應(yīng)用等方面取得了突破性發(fā)展，正逐步發(fā)展成為高性能纖維及復(fù)合材料的生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)。目前，中國(guó)高性能纖維及復(fù)合材料領(lǐng)域品種較全，少數(shù)品種如超高分子量聚乙烯、間位芳綸、玄武巖和聚酰亞胺纖維的生產(chǎn)規(guī)模已達(dá)到國(guó)際水平。
國(guó)內(nèi)碳纖維的研究主要集中于T系列，即高強(qiáng)型碳纖維，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的T300級(jí)碳纖維性能已與國(guó)際水平同步，T700級(jí)碳纖維已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)和高性能結(jié)構(gòu)材料的規(guī)模應(yīng)用，T800級(jí)碳纖維2016年才剛剛投產(chǎn)，而日本早在1986年就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了T1000級(jí)碳纖維的生產(chǎn)。以中復(fù)神鷹碳纖維有限責(zé)任公司為首的國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)一直在努力提升國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)。2019年10月29日，由中復(fù)神鷹牽頭，東華大學(xué)和江蘇新鷹游機(jī)械有限公司共同承擔(dān)的“QZ6026（T1000級(jí)）超高強(qiáng)度碳纖維百噸級(jí)工程化關(guān)鍵技術(shù)”順利通過(guò)了技術(shù)鑒定，率先在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡T1000級(jí)超高強(qiáng)度碳纖維工程化，將來(lái)可以為更多的國(guó)產(chǎn)先進(jìn)武器和設(shè)備提供高性能纖維材料。
目前，中國(guó)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用市場(chǎng)多集中在體育休閑為主的中低端領(lǐng)域，隨著國(guó)內(nèi)碳纖維及復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷突破，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。
2019年12月13日，世界上首條全線路采用碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的特高壓工程在內(nèi)蒙古正式并網(wǎng)投運(yùn)，該工程線路全長(zhǎng)14.6km，全部采用中國(guó)自主研制的碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線，與傳統(tǒng)的鋼芯導(dǎo)線相比，碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線具有重量輕、強(qiáng)度高、安全性好、導(dǎo)體導(dǎo)電率高、傳輸損失小等優(yōu)點(diǎn)。該線路的投運(yùn)不僅可以節(jié)約能源，降低運(yùn)行成本還可以每年增加132萬(wàn)kW/h的輸送電量，以緩解用電緊張問(wèn)題。
在汽車領(lǐng)域，2019年3月20日，中國(guó)首輛采用氫能碳纖維車身的乘用車在“中國(guó)光谷”研制成功（圖10）該車搭載全球領(lǐng)先技術(shù)的氫燃料電堆，續(xù)航里程可達(dá)1000km以上，全身采用碳纖維材料，使車身結(jié)構(gòu)更輕更強(qiáng)韌、汽車更加輕量化。該車預(yù)計(jì)于2020年在中國(guó)一線城市推廣。
近年來(lái)，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)使用越來(lái)越廣泛，已發(fā)展成為航空工業(yè)最具活力的發(fā)展領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用也成為了高性能纖維復(fù)合材料發(fā)展的新亮點(diǎn)。2019年12月6日，威海光威復(fù)合材料股份有限公司向航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所交付了首架AV500B/C無(wú)人機(jī)（圖11），該無(wú)人機(jī)的蒙皮（蜂窩和泡沫夾層結(jié)構(gòu)件）、整體油箱承力結(jié)構(gòu)、尾梁整體結(jié)構(gòu)和層壓件、封閉腔型結(jié)構(gòu)件等零件，采用了大量由光威復(fù)材自主研制的碳纖維復(fù)合材料，極大地提高了無(wú)人機(jī)巡航能力和機(jī)動(dòng)靈活性。該系列無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于軍用市場(chǎng)，也可通過(guò)改裝用于其他民用領(lǐng)域，具有巨大的市場(chǎng)潛力。
為進(jìn)一步拓展國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料在更多高端、關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用，提升高品質(zhì)碳纖維產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化能力至關(guān)重要，尤其是目前應(yīng)用范圍最廣的PAN基碳纖維，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)還存在諸多問(wèn)題，碳纖維品質(zhì)提升仍需要進(jìn)行工藝流程細(xì)化和優(yōu)化。中國(guó)科研人員針對(duì)這些問(wèn)題做了深入的研究和分析。在聚合方面，應(yīng)該推動(dòng)連續(xù)聚合工藝的應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)PAN碳纖維生產(chǎn)廠家多采用間歇或半連續(xù)的聚合工藝為主。事實(shí)上，對(duì)于任何工藝過(guò)程而言，連續(xù)過(guò)程無(wú)疑是更加穩(wěn)定并且易于控制的，有利于提高PAN基碳纖維原絲紡絲溶液的穩(wěn)定性，最終提高PAN基碳纖維的品質(zhì)，降低其各種性能指標(biāo)的離散系數(shù)（CV值）；在PAN基碳纖維原絲制備過(guò)程中，合理的凝固條件可以調(diào)控PAN紡絲溶液的相分離過(guò)程，進(jìn)而控制原絲中微缺的形成，有利于提高碳纖維的品質(zhì)。PAN原絲制備過(guò)程中，干燥致密化過(guò)程是另一個(gè)可以調(diào)控原絲中微缺陷結(jié)構(gòu)的重要步驟。合理的張力、溫濕度可以有效使PAN分子鏈塑化，促進(jìn)PAN基碳纖維原絲在相分離過(guò)程中所形成的微孔結(jié)構(gòu)融合，降低PAN原絲中的微缺陷，提高原絲性能，并最終提高PAN基碳纖維的品質(zhì)。
在PAN基碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)性研究方面科研人員發(fā)現(xiàn)對(duì)于模量大于350GPa的PAN基碳纖維，石墨化程度的提高對(duì)模量的提高關(guān)系不大，而主要來(lái)源于碳纖維中石墨晶體中的石墨片層的規(guī)則排列和石墨晶體的尺寸增長(zhǎng)以及石墨晶體取向度的增大；對(duì)于PAN基碳纖維的強(qiáng)度而言，石墨晶體之間相互糾纏和石墨片層之間的缺點(diǎn)則可以有效使碳纖維在牽伸過(guò)程中應(yīng)力的分散，從而提高碳纖維的強(qiáng)度。此外，碳纖維中的任何缺陷結(jié)構(gòu)，包括微孔、皮芯結(jié)構(gòu)等均導(dǎo)致碳纖維性能降低，理想的PAN基碳纖維結(jié)構(gòu)應(yīng)均勻，盡量減少皮芯結(jié)構(gòu)等缺陷。
除了在碳纖維領(lǐng)域取得了重要研究進(jìn)展外，國(guó)內(nèi)在其他高性能纖維及復(fù)合材料方面的研究也取得了很多關(guān)鍵技術(shù)的突破。2019年3月29日，四川省玻纖集團(tuán)有限公司聯(lián)合四川大學(xué)、西南科技大學(xué)共同研發(fā)出了連續(xù)玄武巖纖維單元池窯生產(chǎn)技術(shù)，投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)了中國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第一條年產(chǎn)8000t連續(xù)玄武巖纖維池窯拉絲中試生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線已經(jīng)成功生產(chǎn)出9～17μm多個(gè)規(guī)格的連續(xù)玄武巖纖維，相比傳統(tǒng)坩堝法工藝降低了20%以上的生產(chǎn)成本，為國(guó)內(nèi)連續(xù)玄武巖纖維的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。2019年11月23日，由內(nèi)蒙古石墨烯材料研究院與清華大學(xué)共同研發(fā)的國(guó)產(chǎn)化對(duì)位芳綸，經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的調(diào)試運(yùn)行，順利建成了年產(chǎn)100t的對(duì)位芳綸生產(chǎn)線，成功打破了國(guó)外對(duì)芳綸技術(shù)壟斷，加速推進(jìn)了國(guó)內(nèi)對(duì)位芳綸的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
芳綸納米纖維（aramidnanofibers，ANFs）作為近年來(lái)開發(fā)的一種新型納米高分子材料，兼具對(duì)位芳綸纖維（PPTA）和高分子納米纖維的雙重優(yōu)勢(shì)，可解決芳綸纖維存在的表面光滑惰性強(qiáng)、復(fù)合界面強(qiáng)度弱等問(wèn)題。但是傳統(tǒng)ANFs的制備方法存在周期長(zhǎng)（7d）、反應(yīng)濃度低（0.2%）、反應(yīng)效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重困擾著ANFs規(guī)?；瘧?yīng)用與發(fā)展。陜西科技大學(xué)張美云團(tuán)隊(duì)為解決這一問(wèn)題，利用原纖化/超聲/質(zhì)子供體耦合去質(zhì)子化法制備ANFs，使得ANFs制備周期從傳統(tǒng)的7d縮短至4h，制備的ANFs具有小的直徑及尺度分布（10.7±1.0）nm，同時(shí)也探究了高濃度ANFs的制備，在12h內(nèi)即可制得4.0%的高濃度ANFs，成膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能與熱穩(wěn)定性,本研究提出的ANFs高效制備方法工藝簡(jiǎn)單、性能優(yōu)異，有望進(jìn)一步推動(dòng)其規(guī)模化生產(chǎn)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
中國(guó)高性能纖維及復(fù)合材料的研究起步較晚，且產(chǎn)、學(xué)、研、用脫節(jié)，在高端領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力與發(fā)達(dá)國(guó)家相比存在明顯差距。但隨著在政策支持與科技創(chuàng)新方面的持續(xù)投入，中國(guó)高性能纖維及復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)的自主研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化將實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)突破，有望逐步打破國(guó)外技術(shù)壟斷，實(shí)現(xiàn)高端領(lǐng)域先進(jìn)纖維材料的國(guó)產(chǎn)化。
高性能纖維復(fù)合材料在航空航天、軌道交通、汽車、建筑、風(fēng)能、船舶等領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。2019年世界各國(guó)在高性能纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的研究方面成果頗豐。美國(guó)重點(diǎn)研發(fā)出了軍工以及航空航天領(lǐng)域用功能性先進(jìn)纖維新材料；日本三大碳纖維供應(yīng)商在纖維原材料、纖維預(yù)浸料到復(fù)合材料制品整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈都取得了突破性的研究進(jìn)展；歐洲主要在車用和船用高性能纖維材料領(lǐng)域進(jìn)行了深入研究；中國(guó)主要集中于高性能纖維復(fù)合材料的關(guān)鍵技術(shù)突破與市場(chǎng)化應(yīng)用。同時(shí)，在全球能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)峻的情況下，各國(guó)紛紛開展了對(duì)廢棄纖維復(fù)合材料回收再利用的研究，并取得了一定的成果。
隨著高性能纖維復(fù)合材料研究的不斷深入與應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，其市場(chǎng)需求將呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。世界各國(guó)都將抓住這一市場(chǎng)機(jī)遇，以創(chuàng)新推動(dòng)高性能纖維復(fù)合材料的可持續(xù)發(fā)展。未來(lái)高性能纖維及復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向主要包括：圍繞汽車、高鐵等應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)研發(fā)結(jié)構(gòu)功能一體化產(chǎn)品；發(fā)展低成本技術(shù)、一體化成型技術(shù)以及智能化加工體系；綠色化推動(dòng)高性能纖維產(chǎn)品的生產(chǎn)、開發(fā)、應(yīng)用以及循環(huán)回收等。
目前，中國(guó)高性能纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)正處于發(fā)展的關(guān)鍵階段，為了滿足高性能纖維復(fù)合材料國(guó)內(nèi)戰(zhàn)略安全以及日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，國(guó)家重點(diǎn)支持國(guó)防軍工等高端領(lǐng)域用先進(jìn)纖維復(fù)合材料的技術(shù)研究，加強(qiáng)行業(yè)宏觀引導(dǎo)、推動(dòng)纖維行業(yè)綠色協(xié)調(diào)發(fā)展，中國(guó)有望到2025年成為高性能纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國(guó)。
魯ICP備2021047099號(hào)