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我國高性能纖維及其復(fù)合材料發(fā)展戰(zhàn)略研究

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-01-05  瀏覽次數(shù):630
核心提示:摘要:作為我國關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的重要組成,高性能纖維及其復(fù)合材料是保障國家重大戰(zhàn)略實施和高端裝備發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),也是驅(qū)動新材
 摘要:作為我國關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的重要組成,高性能纖維及其復(fù)合材料是保障國家重大戰(zhàn)略實施和高端裝備發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),也是驅(qū)動新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要力量。本文系統(tǒng)分析了高性能纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)、我國發(fā)展存在的主要問題,提出了我國高性能纖維及其復(fù)合材料要堅持“產(chǎn)品自主、技術(shù)自主、體系自主”的發(fā)展思路,明確2025年和2035年發(fā)展目標以及重點發(fā)展任務(wù)。在此基礎(chǔ)上,從提升復(fù)合材料設(shè)計與應(yīng)用能力、解決產(chǎn)業(yè)化成套裝備問題、建設(shè)聯(lián)合創(chuàng)新平臺三個方面提出相關(guān)措施建議,以期為推動我國高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供參考。
 
 
關(guān)鍵詞:高性能纖維;復(fù)合材料;產(chǎn)業(yè)化裝備;聯(lián)合創(chuàng)新平臺;2035
 
一、前言
 
新材料產(chǎn)業(yè)是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成,對實現(xiàn)我國創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展具有重要的支撐作用。高性能纖維及其復(fù)合材料是引領(lǐng)新材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)變革的排頭兵,廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、艦船車輛、新能源、健康產(chǎn)業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等重要領(lǐng)域,集軍事價值與經(jīng)濟價值于一身,是各國軍事發(fā)展與經(jīng)濟競爭的焦點之一。
       
近年來,國家有關(guān)部門陸續(xù)出臺《中國制造2025》《關(guān)于加快新材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》等政策文件,強調(diào)了新材料產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略地位,也為高性能纖維及其復(fù)合材料提供了重要的發(fā)展機遇。2018年,中國工程院啟動了“新材料強國2035戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目,旨在貫徹落實“十九大”精神,推動戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展,為實現(xiàn)材料大國向材料強國的戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變,提供決策與咨詢建議。
       
本文作為重大咨詢項目子課題“關(guān)鍵戰(zhàn)略材料強國戰(zhàn)略研究”的系列成果,主要圍繞關(guān)鍵戰(zhàn)略材料的核心之一—高性能纖維及其復(fù)合材料進行研究,筆者系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,研判了未來發(fā)展趨勢和挑戰(zhàn),分析了當前我國存在的主要問題,研究確立了高性能纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展思路、原則和重點任務(wù),針對性提出了政策措施建議,以期為我國高性能纖維及其復(fù)合材料發(fā)展決策制定提供參考。
 
二、國外高性能纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀
 
高性能纖維及其復(fù)合材料主要包括碳纖維、有機纖維、陶瓷纖維及其復(fù)合材料,是結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料,也是極端服役環(huán)境不可替代的功能材料。在世界各國一系列重大科技工程和研究計劃的推動下,全球高性能纖維及其復(fù)合材料前沿技術(shù)不斷取得突破,產(chǎn)業(yè)化步伐也逐漸跨入成熟發(fā)展階段。
 
 
(一)高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)日漸成熟,發(fā)達國家逐漸形成先發(fā)優(yōu)勢
     
作為主要的技術(shù)發(fā)源地,并得益于強大的工業(yè)基礎(chǔ)和長期積累,美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)在高性能纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域已形成先發(fā)優(yōu)勢。美國的優(yōu)勢集中在黏膠基碳纖維、瀝青基碳纖維、氧化鋁纖維、芳綸纖維、樹脂基體和熱工裝備等方面,復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)也遙遙領(lǐng)先;日本在聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、陶瓷纖維及其復(fù)合材料、復(fù)合材料體育用品等方面具有明顯優(yōu)勢;歐洲在紡絲裝備和復(fù)合材料制造裝備方面基礎(chǔ)好、水平高,本土復(fù)合材料發(fā)展有一定規(guī)模的宇航工業(yè)牽引。美國、日本和歐洲在高性能纖維及其復(fù)合材料方面具有很高的相互依存度,技術(shù)與資本交叉融合,形成其產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈。俄羅斯等傳統(tǒng)東歐國家繼承了蘇聯(lián)自主發(fā)展的復(fù)合材料技術(shù),有機纖維、黏膠基碳纖維及復(fù)合材料的技術(shù)水平較高,各種熱加工設(shè)備實用可靠,可基本滿足其國防工業(yè)需求。
 
 
(二)高性能纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域的新一輪技術(shù)突破正在加速推進
      
碳纖維微納缺陷控制技術(shù)的突破為其高性能化提供了有力支撐,并再次引發(fā)高端碳纖維產(chǎn)品的競爭熱潮。日本東麗株式會社和美國赫氏集團陸續(xù)推出7GPa級超高強度碳纖維T1100G和IM10,而后日本三菱集團與東邦化學(xué)株式會社也相繼推出對應(yīng)級別的碳纖維。2018年11月,東麗株式會社宣布通過納米尺度上微結(jié)構(gòu)及石墨取向調(diào)控,開發(fā)出了M40X碳纖維,在與M40J碳纖維模量相當?shù)那闆r下,實現(xiàn)拉伸強度和斷裂延伸率提升約30%;2019年3月,赫氏集團立即呼應(yīng)并推出HM50碳纖維。M40X和HM50碳纖維的特點是高強度、高模量、高斷裂延伸率,預(yù)示著碳纖維技術(shù)的競爭達到全新高度,并體現(xiàn)出下一代碳纖維的主要特征。
      
在芳綸纖維方面,美國杜邦公司和日本帝人株式會社形成規(guī)格完整的產(chǎn)品系列,近年發(fā)展定制化技術(shù),開發(fā)了橡膠增強用的Kevlar29AP、Twaron1015芳綸纖維,以滿足工業(yè)領(lǐng)域的放量應(yīng)用。俄羅斯的新一代雜環(huán)芳綸纖維Rusar的強度高達6.0GPa,相比于Armos纖維提高了20%以上。此外,超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維、聚酰亞胺(PI)纖維、聚對苯撐苯并雙噁唑(PBO)纖維等,均已形成一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模,在美國、日本的航天、交通、橋梁、防彈防燃服以及競技體育等特殊領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
      
日本企業(yè)覆蓋了三代碳化硅纖維產(chǎn)品,最高使用溫度從1300℃提升到1800℃以上,并且衍生出多功能化碳化硅纖維。美國明尼蘇達礦業(yè)及機器制造公司(3M公司)發(fā)明Nextel312氧化鋁纖維之后,陸續(xù)開發(fā)了Nextel550、Nextel720等更高性能的纖維;此外,以美國、日本、法國、俄羅斯為代表的國家已實現(xiàn)氮化硼、氮化硅、硅硼氮等新型陶瓷纖維的批量研制與應(yīng)用,陶瓷基復(fù)合材料基體也由單一基體發(fā)展到復(fù)合基體、超高溫基體,在航空發(fā)動機、航天飛行器、空間相機及核能等領(lǐng)域的應(yīng)用逐步深入。
 
 
(三)全球行業(yè)壟斷格局不斷加劇,優(yōu)勢企業(yè)主導(dǎo)地位難以撼動
      
全球聚丙烯腈基碳纖維主要產(chǎn)能來源于日本東麗株式會社(含卓爾泰克公司)、東邦化學(xué)株式會社、三菱集團,美國赫氏集團、氰特公司,德國西格里集團,中國臺塑集團,行業(yè)集中度極高,主要技術(shù)被日本和美國控制,市場被日本、美國、歐洲聯(lián)盟壟斷(約達80%)。新興國家(中國、俄羅斯、土耳其、韓國、印度)的碳纖維企業(yè)運營十余年,對碳纖維傳統(tǒng)巨頭沒有形成沖擊和威脅。2015年東麗株式會社收購卓爾泰克公司,其產(chǎn)能和市場占比均超過全球的三分之一,形成一家獨大的壟斷局面。在瀝青基碳纖維方面,美國氰特公司(收購BPAmoco)、日本三菱集團和石墨纖維公司的瀝青基碳纖維技術(shù)遙遙領(lǐng)先,形成系列化產(chǎn)品,并占據(jù)全球市場主導(dǎo)地位。
 
在芳綸纖維方面,美國杜邦公司的對位芳綸(Kevlar)、間位芳綸(Nomex)以及日本帝人株式會社的產(chǎn)品占據(jù)全球主要市場。在高性能UHMWPE纖維方面,荷蘭皇家帝斯曼集團、美國霍尼韋爾國際公司以及日本的東洋紡績株式會社、三井化學(xué)公司等傳統(tǒng)優(yōu)勢企業(yè),共同處于市場壟斷地位。在陶瓷纖維方面,日本Carbon、Ube、Suitomo以及美國3M、DowCorning等公司不僅掌握了氧化鋁、碳化硅、氮化硼等纖維及前驅(qū)體方面的關(guān)鍵技術(shù),而且形成了多品種、系列化的產(chǎn)品,占據(jù)了全球80%以上的市場份額,并控制產(chǎn)品銷售區(qū)域,對我國實施嚴格的禁運。
 
 
(四)產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐年擴大,國外廠商積極重組聯(lián)合,提前布局大工業(yè)應(yīng)用
 
航空航天、體育休閑等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)對碳纖維復(fù)合材料的需求保持穩(wěn)定增長,以輸電與風電為主的能源領(lǐng)域、以汽車與軌道運輸為主的交通領(lǐng)域為碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的活力,低碳、綠色經(jīng)濟對碳纖維應(yīng)用的拉動效益顯著,推動產(chǎn)業(yè)跨入到以工業(yè)應(yīng)用為主的新階段。近年來,拉擠板成功應(yīng)用于葉片組合梁,實現(xiàn)風電領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求的迅猛增長;寶馬公司與西格里集團合資在美國建設(shè)總產(chǎn)能為9000t/a的碳纖維工廠,試圖將電動汽車徹底輕量化并控制材料源頭;東麗株式會社收購了卓爾泰克公司,并推出Z600碳纖維,實現(xiàn)大絲束與小絲束多元化發(fā)展,預(yù)備應(yīng)對未來風力發(fā)電、汽車、壓力容器領(lǐng)域?qū)I(yè)級低成本碳纖維的井噴式需求。
 
三、我國高性能纖維及其復(fù)合材料的發(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。基本型對位芳綸(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。
 
四、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(xué)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。
 
五、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)。現(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)模“應(yīng)用出口”不暢。
 
 
(四)基礎(chǔ)研究投入不足,部分關(guān)鍵科學(xué)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(xué)機理尚未揭示清楚。材料研制與應(yīng)用超前于相關(guān)學(xué)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。

六、我國高性能纖維及其復(fù)合材料的發(fā)展思路和目標
 
針對我國高性能纖維及其復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及主要問題,圍繞2035年材料強國戰(zhàn)略目標以及“十四五”發(fā)展規(guī)劃,研究確立了解決高性能纖維及其復(fù)合材料自主保障、筑牢產(chǎn)業(yè)安全基礎(chǔ)、構(gòu)建完整產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展思路和目標。
 
 
(一)指導(dǎo)思想與原則
     
為實現(xiàn)材料強國的戰(zhàn)略目標,以《中國制造2025》《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》等為依據(jù),以國防建設(shè)和國民經(jīng)濟重大需求為導(dǎo)向,以纖維研制生產(chǎn)和復(fù)合材料擴大應(yīng)用為發(fā)展主線,實施高性能纖維及其復(fù)合材料“產(chǎn)品自主、技術(shù)自主、體系自主”的“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略,牢固樹立科技安全、產(chǎn)業(yè)安全的發(fā)展理念。
       
一是堅持關(guān)鍵品種自主保障原則。大幅提升高性能纖維及其復(fù)合材料的自主保障能力,填補高端品種空白,保障關(guān)鍵產(chǎn)品安全,滿足國家重大工程需求。
      
二是堅持產(chǎn)業(yè)鏈自主可控原則。著力解決基礎(chǔ)原材料、關(guān)鍵裝備、基礎(chǔ)機電產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)鏈安全隱患和技術(shù)短板,實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)再造。
      
三是堅持產(chǎn)業(yè)體系自主發(fā)展原則。構(gòu)建完善的高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)體系,著力培育國內(nèi)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)市場,形成具有特色的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢和市場競爭力,建立上下游協(xié)同的創(chuàng)新研發(fā)體系,支撐高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)向自主創(chuàng)新發(fā)展轉(zhuǎn)變。
 
 
(二)發(fā)展目標
 
 
1.2025年目標
       
國家重大工程、重點國防裝備、戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)重點領(lǐng)域高性能纖維及其復(fù)合材料“受制于人”問題基本解決,重要高性能纖維及其復(fù)合材料品種填補國內(nèi)空白,關(guān)鍵裝備實現(xiàn)自主可控,全面提升產(chǎn)業(yè)鏈安全。部分品種實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用示范,初步建成完整的高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)體系。
       
突破高端碳纖維品種工程化制備技術(shù),實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)量5×104t/a;建設(shè)萬噸級總量的對位芳綸和雜環(huán)芳綸智能化生產(chǎn)能力,打造1~2個知名品牌;UHMWPE纖維國外市場占比達到40%以上,實現(xiàn)高強高模PI纖維千噸級產(chǎn)業(yè)化制備;突破高性能碳化硅、氧化鋁等陶瓷纖維工程化制備及其復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù),支撐兩機專項、重型運載、大型客機等重大工程對高性能纖維復(fù)合材料的需求。
 
 
2.2035年目標
       
高性能纖維及其復(fù)合材料自主保障問題全面解決,形成高性能纖維及其復(fù)合材料自主發(fā)展體系。建立涵蓋材料設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用的上下游協(xié)同創(chuàng)新體系,實現(xiàn)高性能纖維及其復(fù)合材料技術(shù)多元化、品種系列化、產(chǎn)能規(guī)?;l(fā)展,綠色、可持續(xù)產(chǎn)業(yè)體系全面建成,產(chǎn)品進入國際高端應(yīng)用供應(yīng)鏈。
      
實現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)量達到1.5×105t/a,對位芳綸纖維國內(nèi)自給率達到80%以上,芳綸、UHMWPE、PI等有機纖維創(chuàng)新型產(chǎn)品技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平,構(gòu)建陶瓷纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈。高性能纖維及其復(fù)合材料的規(guī)模、質(zhì)量、成本在國際市場具有一定優(yōu)勢和品牌影響力。
 
七、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。
 
八、措施與建議
 
(一)全面提升復(fù)合材料設(shè)計與應(yīng)用能力,“多用、用好”高性能纖維復(fù)合材料,打通國產(chǎn)高性能纖維“應(yīng)用出口”瓶頸
       
在航空航天領(lǐng)域之外,尤其是軌道交通、車輛船舶、壓力容器、健康產(chǎn)業(yè)等頗具潛力的領(lǐng)域,應(yīng)結(jié)合行業(yè)特點,加快提升復(fù)合材料設(shè)計–制造–評價–應(yīng)用全鏈條技術(shù)水平,重點補齊工業(yè)領(lǐng)域復(fù)合材料設(shè)計與應(yīng)用能力;加強復(fù)合材料專業(yè)的設(shè)計人才培養(yǎng),注重復(fù)合材料設(shè)計軟件的國產(chǎn)化,“多用、用好”高性能纖維復(fù)合材料,徹底打通國產(chǎn)高性能纖維“應(yīng)用出口”瓶頸,暢通應(yīng)用通道,推動國產(chǎn)高性能纖維及其復(fù)合材料規(guī)模應(yīng)用。
 
 
(二)解決關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化問題,突破高性能纖維及其復(fù)合材料生產(chǎn)制造的成套裝備技術(shù),提升產(chǎn)業(yè)硬實力
       
建立集機械、熱工、化工、自動化等多學(xué)科交叉的優(yōu)勢技術(shù)力量,下決心真正解決大規(guī)模工業(yè)化的高性能纖維及其復(fù)合材料制造裝備問題,重點突破高性能纖維大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成套裝備技術(shù)、工業(yè)級復(fù)合材料應(yīng)用成套裝備技術(shù)、配套工業(yè)基礎(chǔ)軟件技術(shù)等,構(gòu)建“技術(shù)–裝備–應(yīng)用”三位一體驅(qū)動模式。
      
以碳纖維為例,國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今的有效經(jīng)驗之一是堅持關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化,只有裝備國產(chǎn)化才能實現(xiàn)碳纖維產(chǎn)業(yè)真正落地生根。而且進口設(shè)備的采購、運輸、維護等環(huán)節(jié)受國際環(huán)境變動的影響越發(fā)嚴重,關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化成為實現(xiàn)我國高性能纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈自主可控的核心所在,因此,應(yīng)始終堅持關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化,扶持國產(chǎn)裝備上線驗證,在用中改進。
 
 
(三)創(chuàng)建由科研院所、生產(chǎn)企業(yè)和重點用戶共同組成的國家級聯(lián)合創(chuàng)新平臺,探索創(chuàng)新平臺運行新機制,構(gòu)建上下游協(xié)同、可持續(xù)的創(chuàng)新研發(fā)體系
      
整合國內(nèi)優(yōu)勢資源,建立高性能纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域的國家級聯(lián)合創(chuàng)新平臺,營造人才匯聚、聯(lián)動協(xié)同的創(chuàng)新環(huán)境。依托創(chuàng)新平臺,融通基礎(chǔ)研究、材料研發(fā)、中試生產(chǎn)、應(yīng)用示范鏈條;加強共性和基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā),重點解決“卡脖子”的科技安全和產(chǎn)業(yè)安全問題;融合知識、技術(shù)、資金、人才等創(chuàng)新要素于一體,促進高性能纖維由“小團隊”研發(fā)模式向“集智攻關(guān)、體系化、可持續(xù)”研發(fā)模式轉(zhuǎn)變,注重專業(yè)人才培養(yǎng)和儲備,滿足學(xué)科長遠發(fā)展和自主原始創(chuàng)新需求。
來源:中國工程科學(xué),2020年 第22卷 第5期
作者:李仲平,馮志海,徐樑華,呂春祥,李龍,朱世鵬
 
 
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