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发展高性能纤维及其复合材料的重要意义

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高性能纤维及其复合材料因强度高、比重小,是国家安全、航空航天与海洋开发等使用的物资,新一轮新型武器装备研发,对高性能纤维及其复合材料提出新的要求,高性能化与结构功能一体化是高性能纤维与复合材料的重要发展趋势。

随着中国的强大,新一轮武器装备竞赛序幕已经拉开,美国、中国、日本、欧洲、俄罗斯等均设立超高性能纤维,结构功能一体化纤维等专项,进行攻关,包括超高强度纤维、高模量纤维等,特别是纤维学科与纳米、化学、凝聚态物理、电磁波、仿生结构等多学科交叉的研发团队,有望为高性能纤维及其复合材料的制备带来全新的理论和技术突破。

碳纤维复合材料不再只是国防战略物资,轻量化碳纤维复合材料技术更是低碳经济和先进制造业的核心竞争力;轻量化技术可以提升交通运输工具能源利用率,减少排放,提高科技水平;可减少运动部件惯量,提高运动速度,提高精度,减少噪音,减少能耗,提高机械设备科技水平;高性能纤维及其复合材料具有良好抗腐蚀性,可以提高海洋、化工、石油、建筑等领域建筑与装备的抗腐蚀性,延长寿命,提高竞争力。

特别是碳纤维复合材料,经过50多年发展,技术不断进步,产业不断成熟,正在发展成为低碳经济和制造业轻量化核心技术,为此,近十年来,发达国家积极调整发展战略,把发展碳纤维复合材料作为制造业振兴、提升国家制造业核心竞争力的重要途径。

几十年来,日本、美国、欧洲等发达国家一直在引领全球航空航天等高端领域碳纤维复合材料制造与应用的发展。2014年德国宝马联合SGL、BASF等产业链企业攻克碳纤维在汽车应用技术,并建立完整供应链体系,率先实现碳纤维在量产车型应用,开启了碳纤维复合材料在制造业大规模应用的序幕。

美国、日本、法国、意大利、英国、中国、韩国等国家立即意识到一场制造业轻量化技术革命即将来临,纷纷把轻量化碳纤维复合材料在制造业中的大规模应用作为制造业振兴的核心竞争力,列入国家战略发展计划,迎来了工业用碳纤维的快速发展。

全球工业用碳纤维复合材料技术不断进步,产业发展迅猛;高性能纤维制造技术进步,规模扩大,成本降低;复合材料成型与装备技术不断进步,涌现一批快速成型新技术及其自动化量产装备,为高性能纤维及其复合材料在制造业大规模应用奠定基础。高性能纤维,特别是碳纤维、芳纶、高强聚乙烯纤维等,产业链技术不断进步,规模不断扩大,成本不断降低,为在制造业规模应用,奠定了经济可行性基础。

碳纤维复合材料成型技术不断进步,低成本化自动化量产技术与装备不断涌现,生产节拍可以高达1-3分钟/件,而且还有很大进步潜力,为制造业规模应用,奠定了技术可行性基础。2016年全球碳纤维复合材料产值200多亿美元,预计到2020年将达到357亿美元规模(预计2020年铝合金1260亿美元,涤纶364亿美元)。

高性能纤维及其复合材料的发展模式

1、高性能纤维产业与制造业融合

高性能纤维产业与制造业各行业紧密融合,研究应用技术体系,培育学科交叉人才,是制造业大规模应用的关键之一。因此应积极建立高性能纤维产业与飞机、汽车、高铁、轮船、机器人、家电、建筑、海洋、化工等领域的深度融合机制,培育一批学科交叉人才队伍。

2、建立高性能纤维复合材料应用标准结构设计与验证新技术及其应用标准是推动高性能纤维及其复合材料替代金属材料,大规模应用的关键之一。应花大力气建立复合材料数据库、设计与验证方法,及其在制造业各领域应用标准。

3、复合材料自动化量产新技术

复合材料自动化量产新技术与装备是制造业大规模应用的关键之一因此要研发快速成型技术及其自动化量产技术及其装备。

高性能纤维及其复合材料发展趋势

中国政府高度关注高性能纤维及其复合材料发展,中国具有巨大的市场空间,具备碳纤维复合材料后发优势,有望成为高性能纤维复合材料的大国和强国。

国家高度重视碳纤维复合材料产业。近两年,国家相关部委密集出台政策,大力支持碳纤维复合材料发展。《国家创新驱动发展战略纲要》、《“十三五”国家科技创新规划》等纷纷将发展碳纤维复合材料列为重点任务和重点支持领域。

轻量化碳纤维复合材料是中国制造2025的核心技术之一,10大重点发展领域,8大领域迫切需求轻量化碳纤维复合材料中国是制造业大国,高铁、汽车、造船等众多产业全球第一,具有巨大的碳纤维复合材料应用市场空间,有望引领碳纤维复合材料在制造业应用。

轻量化碳纤维应用

我国初步形成碳纤维复合材料产业,具备一定的基础。经过几十年几代人的努力,初步形成T300、T700级、T800及碳纤维的批量生产能力,但以军工应用的小丝束为主,迫切需要发展工业用低成本大丝束碳纤维。中国经过几十年武器装备的研发生产,已经具备较强的碳纤维复合材料应用能力但迫切需要建立与各大领域的应用技术体系和供应链体系。

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