深度解读：我国高性能高分子复合材料发展现状与展望

本文来源 | 新材料研习社

导读：本文在梳理我国高性能高分子复合材料中各种纤维增强体和树脂基体的产业发展现状与态势特点的基础上，研判我国复合材料的制造及应用水平，分析现阶段存在的问题以及与国际先进水平形成差距的原因，最后，提出我国高性能高分子复合材料的未来发展方向与对策建议。

一、前言

近年来，国家有关部门陆续出台《中国制造2025》《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》《新材料产业发展指南》等政策文件，强调了新材料产业的战略地位，也为高性能纤维及其复合材料提供了重要的发展机遇。

高性能高分子复合材料指采用碳纤维、芳纶、玻璃纤维等纤维增强环氧树脂、双马来酰亚胺树脂等高性能树脂为代表的一类材料，综合性能优异，是国防与国民经济建设不可或缺的战略性关键材料。高性能高分子复合材料作为高端装备的主要物质基础，在航天、航空等武器装备的轻质结构、烧蚀防热部件上发挥着不可替代的作用，如应用于高超声速飞行器、临近空间飞行器以及深空探测飞行器等新一代武器装备和重大科技工程中。同时，高性能高分子复合材料在以高端工业制造、轨道交通、清洁能源等为代表的国民经济各重大领域也有着广泛应用。

目前，国际上在高性能高分子复合材料领域已经形成了相对较为成熟的产业并持续稳定发展。在增强体材料方面，碳纤维作为先进复合材料最重要的增强体，面向应用需求的特种化或高性能化技术以及大规模工业级低成本技术已成为研究热点。在对位芳纶方面，产业链建设越来越受到重视，技术一体化趋势愈发明显，新兴应用领域不断涌现。玻璃纤维产业已形成从纤维、制品到复合材料的完整产业链。树脂基体的发展已进入有序稳定期。在复合材料制造技术上，自动化制造技术日趋普遍，航空和航天复合材料技术进入成熟期，风力发电和汽车领域的应用为碳纤维复合材料产业注入新的活力，热塑性复合材料在轨道交通和汽车产业中的应用前景广阔。

近年来，随着航空、航天、风力发电、轨道交通、汽车、高压容器等产业对高性能高分子复合材料需求的进一步增长，我国高性能高分子复合材料产业已初具规模，应用领域和产能持续扩大，逐渐向低成本、高性能方向发展。与国外先进水平相比，我国高性能高分子复合材料产业发展仍存在不小的差距。

二、我国高性能高分子复合材料宏观需求分析

高性能高分子复合材料是国防与国民经济建设不可或缺的战略性关键基础材料，也是《中国制造2025》中诸多重点领域发展的材料基础。随着我国国家战略的转型和国民经济发展新思路的提出，对高性能高分子复合材料的发展与应用提出了迫切需求。

1.高性能高分子复合材料是实现国家安全领域支撑保障需求的关键基础材料

随着我国国家创新驱动发展战略的实施，以航天强国、航空强国、海洋强国为主要途径的强国策略成为国之根本。战略导弹、新型装甲及船舶、大型飞机、新一代战机以及卫星的研发对高性能、多功能、结构功能一体化的高性能先进复合材料的需求旺盛，关键复合材料和结构制件成为制约国家重大安全工程任务完成的瓶颈。例如，战略战术导弹、航空发动机热端部件、高超声速飞行器等对T800以上级碳纤维复合材料的需求迫切；国产大型飞机、先进卫星和探月工程项目的实施需要高强中模、超高强高模碳纤维及其复合材料进行保障。

2.高性能高分子复合材料是引领技术升级的关键材料

在航空和航天装备、海洋工程装备及高技术船舶、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、新材料产业、电力装备、新一代信息技术产业、高档数控机床和机器人以及高性能医疗器械等多个重点领域中，高性能高分子复合材料是关键基础材料或是引领技术革命的升级换代材料。如在长度40m以上的风电叶片的梁帽、主梁上使用碳纤维复合材料，一方面可以使叶片自重减少38%，成本降低14%；另一方面提高叶片抗疲劳性能，提高输出功率，以碳纤维为材质可更容易生产出大直径和自适应的风电叶片。

3.高性能高分子复合材料是实现我国经济绿色发展的迫切需求

在能源革新有限的情况下，节能减排是汽车产业的重要研究课题，轻量化是解决问题的关键之一。先进高分子复合材料具有比模量和比强度高、减重潜力大、安全性好等突出优点，是汽车轻量化的最佳选择。随着复合材料技术的不断进步，碳纤维复合材料现已应用于汽车车身、尾翼、底盘、发动机罩、内饰等。未来汽车产业领域碳纤维需求量的增长速度将在一定时期内保持在7%左右。

三、我国高性能高分子复合材料的发展现状

目前，我国高性能高分子复合材料的发展虽已取得实质性进展，但高性能纤维增强体、树脂基体以及复合材料制备的产业化进程相对缓慢，部分领域与世界材料强国相比尚有一定差距。我国高性能高分子复合材料的发展情况具体如下。

（一）高性能纤维发展各具特点

1.碳纤维领域初步形成研发与生产平台，朝高性能和低成本方向快速发展

碳纤维是一类碳元素含量在90%以上的无机纤维状材料，其中以聚丙烯腈（PAN）纤维为前驱体制备得到的聚丙烯腈基碳纤维最为重要，其制备工艺主要包括丙烯腈（AN）聚合物溶液制备、PAN原丝制备、PAN纤维预氧化、PAN预氧纤维碳化以及为与树脂复合所进行的表面处理，若制备高模量碳纤维还需经过高温石墨化工艺。PAN基碳纤维的生产制备流程，如图1所示。

 图1 PAN基碳纤维生产制备流程

在国家科技和产业化示范计划的支持下，经过10余年的协同攻关，我国高性能碳纤维制备与应用技术取得了重大突破。

（1）初步建立高性能碳纤维技术与产品体系，技术水平不断提升

目前，我国国产碳纤维已初步实现T300级和T700级碳纤维的产业化规模生产。具体来看，T300级碳纤维性能基本达到国际水平，在国防领域应用渐趋成熟，在民用领域的应用仍有待开拓；T700级、T800级高性能碳纤维突破了干喷湿纺工艺，实现了产业化生产；创新性开发了湿法纺丝T700级碳纤维制备工艺，相关产品已应用于航空领域；在实验室条件下，T1100级高性能碳纤维已经突破关键制备技术。在高模量及高强高模碳纤维领域，M40级高模量碳纤维实现了小批量生产，产能约为300kg/a，并在多个卫星型号上应用；M40J级高强高模碳纤维已完成工程化研制，正在进行应用考核；M55J级高强高模碳纤维尚处于工程化研制阶段，更高性能的碳纤维品种仍处在关键技术研发阶段。

（2）已建立一批碳纤维生产企业和研发平台，国产碳纤维产业格局基本形成

在碳纤维生产企业方面，我国现有20多家碳纤维企业，主要分布在山东、江苏、河北和吉林，国产碳纤维的产业格局基本形成。以威海拓展纤维有限公司、江苏恒神股份有限公司、中复神鹰碳纤维有限责任公司、中安信科技有限公司、吉林精功碳纤维有限公司、中国石化上海石油化工股份有限公司为代表的6家企业建设起10条以上的单线产能达千吨级的生产线，另有18家企业建设了几十吨至几百吨产能的生产线；同时，腈纶工业基础的高强型大丝束碳纤维原丝技术取得突破，吉林碳谷碳纤维有限公司建成产能为1.5×104t/a的原丝生产线。2019年国内碳纤维理论产能达到2.6×104t/a，有效产能约为1.5×104t/a，生产的T300/T700级碳纤维基本满足国防领域的应用需求。碳纤维产业的产能虽不断增长，但存在产能大、产量小、开工率不足等问题。

在平台建设方面，我国已建设诸多碳纤维科学技术研究单位以支撑碳纤维产业的国产化发展，即1个国家碳纤维工程技术研究中心、2个碳纤维制备技术国家工程实验室、2个碳纤维复合材料国家工程实验室、多个国家重点实验室。

2.对位芳纶产业化成功，与国际先进水平相比尚有差距

对位芳纶是对位芳香族聚酰胺纤维家族的重要成员，由对苯二甲酰氯与对苯二胺缩聚后制得聚合物对苯二甲酰对苯二胺，再经溶液纺丝制得的芳纶产品。国际上对位芳纶总产能约为7.6×104t/a，开工率约为70%~80%。我国目前已有8家企业建设了对位芳纶纤维的生产装置，产能已超过7×103t/a，具体产能分布情况，如图2所示。但全国实际年产量约为1.8×103t，行业开工率不足30%。总体来说，我国对位芳纶产业化水平与国外先进水平的差距较大，尚未在产业规模、产品质量及应用等方面形成强有力的竞争格局。

图2 2017年国内对位芳纶纤维主要企业产能情况

在平台建设方面，我国建立了多个芳纶纤维国家及地方研发与技术平台。例如，东华大学是纤维材料改性国家重点实验室依托单位，华南理工大学是制浆造纸工程国家重点实验室依托单位，烟台泰和新材料股份有限公司是国家芳纶工程中心依托单位，中蓝晨光化工研究院有限公司是纤维等高分子材料多品种、小批量军工材料研发的依托单位。

3.玻璃纤维产能居世界首位，保持低速扩张