我国高性能纤维及其复合材料发展现状

经过数十年发展，在国家有关部委的大力支持下，通过各类科技项目实施、专项能力建设和国家级创新研究机构设立等措施，我国高性能纤维及其复合材料技术与产业发展取得了一些可喜成绩。

（一）核心技术不断突破，产品性能逐步提高

国内已突破基本型（T级）碳纤维的研制、工程化及航空航天应用关键技术，实现重点型号的自主保障；突破了湿法高强型（TG级）碳纤维的研制和工程化关键技术，完成了部分装备的应用研究；开展了高强中模型（TH级）碳纤维的工程化及其应用关键技术攻关，已进入重点型号考核验证和试用阶段；开展了高强高模碳纤维研发，M40级碳纤维已应用于航天领域，M40J级碳纤维进入地面考核验证阶段，突破了十吨级M55J碳纤维关键技术；基本突破了系列民用干喷湿纺碳纤维产业化技术，正在进行高端碳纤维的攻关、应用研究和民用领域的应用推广。在沥青基碳纤维方面，突破了高纯可纺中间相沥青和连续高导热沥青基碳纤维（P级）制备关键技术。

在芳纶纤维方面，突破对位芳纶和杂环芳纶关键技术，建成多套工业化装置。基本型对位芳纶（Kevlar29级）实现稳定批量生产和供应，高强型对位芳纶（Kevlar级）实现国产化供应，在光缆、胶管、防弹等领域实现批量应用；杂环芳纶产品性能达到俄罗斯Armos同等水平，在固体火箭发动机、高端防弹等领域实现批量应用。UHMWPE纤维实现与国际优势企业比肩，不仅可以部分替代进口，而且具备一定出口创汇能力。PI纤维断裂强度达到3.5GPa，模量GPa，实现了耐高温型、高强高模型PI纤维的商品化。国内科研机构陆续突破连续碳化硅纤维及其复合材料的工程化制备技术，开展了工程应用验证，同时也初步建立了氧化铝纤维、氮化硅纤维、系列陶瓷前驱体等验证试验线。

（二）产业规模逐年扩大，积累了一定工业化经验

年，我国碳纤维的需求量约为3.8×t（见图1），但超三分之二用量为国外碳纤维；我国碳纤维运行产能约为2.6×t，实际销量约为1.2×t。国产小丝束碳纤维实现销售约0t，并在逐步扩大市场份额，其余为国产大丝束碳纤维。中国超高增长需求的主要驱动者是风电叶片市场，为国内碳纤维企业带来了难得的发展机遇。

在芳纶纤维方面，我国建成了多条千吨级对位芳纶生产线，年我国对位芳纶产量达到2t，年预计将达到t；间位芳纶产能超1t，产量达到t，我国成为间位芳纶的主要生产国之一。年我UHMWPE纤维产能约为30t，产量为20t，出口为t，产品具有一定的国际竞争力。

（三）高性能纤维及其复合材料的战略支撑作用日益凸显

我国高性能纤维复合材料应用技术日趋成熟，应用部位由次承力构件扩大到主承力构件，由单一功能材料向多功能、结构功能一体化转变，有效缓解了国家重大工程、国防重点装备的迫切需求。高性能纤维及其复合材料产业也由开拓推广期向快速扩张和稳定成长期迈进，复合材料应用领域由航空、航天、兵器等扩展到了风力发电、轨道交通、汽车等众多民用领域；产业规模不断扩大，如国内碳纤维销售额达30亿元规模，优势企业近年陆续在内蒙古、青海等中西部地区投资扩产工程，这将对中西部地区科技与经济发展起到积极的带动作用，支撑新兴产业的区域均衡发展。

我国高性能纤维及其复合材料的发展趋势与挑战

在大国竞争和新型冠状病毒肺炎疫情叠加影响下，国内外产业格局将加速重塑。我国高性能纤维及复合材料的自主保障能力需进一步提升，产业技术将面临持续低成本化以及大规模工业应用的需求。

（一）高性能纤维及其复合材料将持续国产化，以满足重大战略发展需求

高性能纤维及其复合材料是实现卫星平台、运载火箭、大飞机、兵器舰船等国家重大工程建设的物质基础，相关产品长期以来处于禁运或高价进口状态，在技术与经济上受西方国家遏制。随着大国竞争的持续演进，高性能纤维及其复合材料的原材料、装备、技术封锁将进一步加剧，高性能纤维及其复合材料的自主研制保障是突破“受制于人”问题的关键，也是实现“中国制造”发展计划的必由之路。

（二）高性能纤维及其复合材料将持续高性能化，其前沿技术仍是材料学科的研究热点之一

经过近30年的相对沉寂，依靠细旦化提高拉伸强度的技术路线出现转折。东丽株式会社和赫氏集团相继推出TG和IM10碳纤维，在纤维直径保持原序列牌号特征基础上，强度和模量同步显著提升。近期推出的M40X、HM50碳纤维体现了高强高模高延伸的综合性能。国内开发的中大直径T级碳纤维，实现复合材料压缩强度与拉伸强度的“压拉比”从0.52提升至0.67，复合材料压拉平衡性获得改善。新一代碳纤维及第三代先进复合材料技术的突破，是实现我国高性能纤维及其复合材料技术比肩国际前沿发展的重要契机。

（三）高性能纤维及其复合材料将持续低成本化，并决定其在风力发电、基础设施建设、体育休闲等相对成熟领域的市场份额

发达国家已实现高性能纤维标准化、系列化，未来重要发展趋势是低成本化。低成本纤维制备技术不仅要降低生产要素成本，也要突破高性能纤维颠覆性制备技术，建立低成本化的生产工艺。在碳纤维领域，一是对现有制备技术进行改进，如通过“扩容提速”实现纺丝速度大幅提升，扩大单线产能；二是开发新型纺丝、碳化技术等，大幅降低能耗。另一方面是利用腈纶工业基础，开展碳纤维大丝束化制备技术研究，发展48K以上低成本纺织级原丝及工业级碳纤维制备技术。当碳纤维价格达到10USD/kg，在风力发电、基础设施建设和体育休闲等领域的应用将进一步扩大，将全面筑牢碳纤维工业应用的压舱石。

（四）轨道交通、新能源汽车、工业基础设施等新兴产业以及新型基础设施建设有望成为高性能纤维扩大应用的重要机遇和突破口

经历60年发展，全球碳纤维需求在年首次超过1×t。随着应用技术的成熟和碳纤维成本的不断下降，下一个1×t的增长，预计周期会明显缩短。近年来，国内不断加大高速列车等轨道交通、新能源汽车及充电桩、特高压输电线路等新兴产业以及新型基础设施投资，同时随着碳纤维在车体车架、高压气瓶、机器人臂、电缆电芯等部件上应用技术的不断突破，国内碳纤维市场有望迎来扩大应用、实现产业可持续发展的重要机遇。

（五）国外垄断型企业加速兼并重组，新型冠状病毒肺炎疫情对全球经济冲击显著，多种因素叠加将加速国内产业格局重塑

国外高性能纤维巨头通过并购，不断加强系列品种的国际垄断地位；上游原材料企业与下游应用单位联合重组，形成全产业链的控制能力。国内高性能纤维行业经过十余年“大干快上”的发展历程后，逐渐回归理性投资。随着新冠疫情的冲击，全球市场短期受困，内外因素叠加，必将加速完成优胜劣汰的行业洗牌。中国得益于更早控制住疫情，已实现全面复工复产，有望迎来一段特殊发展空间；国内企业突围破局，应把握好轨道交通、大型桥梁、岛礁建设、大直径风电叶片、油田开采设备等国内优势产业的蓬勃需求。

我国高性能纤维及其复合材料发展存在的问题

我国高性能纤维及其复合材料研制起步并不晚，但是由于复杂的原因进展一直较缓慢，近十年来虽取得了很大的进步，但产品在性能稳定性、成本、规模及应用水平方面与日本、美国等发达国家差距明显。

（一）高端纤维及其复合材料仍存在代差，自主保障能力亟待加强

国外航空航天领域已经大规模应用以T级碳纤维为主要增强体的第二代先进复合材料，而我国总体上仍处在第一代先进复合材料扩大应用、第二代先进复合材料考核验证阶段，落后一代以上，而且高强高模、超高模量碳纤维尚未建立有效的自主保障能力。在高性能有机纤维、陶瓷纤维等领域，同样存在高端产品缺乏、质量一致性差等问题。

（二）产业技术成熟度不够，大规模高效低成本的成套工艺与装备技术仍未完全突破，纤维产品“质次价高、不好用”

高性能纤维产业是一个工艺与装备高度耦合的超长流程精细产业，国内尚未全面了解和掌握大规模成套生产工艺技术。现阶段国产碳纤维生产仍以12K及以下小丝束产品为主，大丝束、低成本碳纤维工业化生产技术尚未全面突破，而国外已开始将大丝束低成本与小丝束高质量的生产技术融合，持续提升产品质量和降低成本。我国芳纶纤维在产品性能、生产效率、产业规模、应用支持等方面还存在差距，价格也不具备本土优势，导致国产芳纶纤维的使用积极性不高，企业成长艰难。UHMWPE纤维单线产能低，投资成本高、生产效率低、能耗高，规模化低成本生产还难以实现。此外，纤维的产业化成套装备设计与制造能力不过关。优秀的设计/仿真模拟人员缺乏，设计/模拟软件依赖进口，基础工业技术（如机械加工）、装备原材料质量（如石墨发热体材料）与国外差距明显，导致国内自主装备在精度和产能上不足，设备运行稳定性差、故障率高，制约纤维产品的性能与成本控制。

（三）大多数应用行业缺乏复合材料设计–评价–验证能力，“不会用、用不好”问题突出

与传统金属材料相比，复合材料的最大优势是可设计性，可根据服役环境和结构特点进行优化设计。当前，我国仅航空航天领域具有较为完整的复合材料设计–评价–验证能力，兵器、舰船、汽车、风电、轨道交通、基础设施建设等行业则严重滞后，更多习惯于跟踪国外的应用技术与应用领域，以“成型加工”方式开展高性能纤维复合材料的制备，普遍存在“不会用、用不好”的问题，导致国产纤维及其复合材料大规模“应用出口”不畅。

（四）基础研究投入不足，部分关键科学问题尚未探明，在前沿产品创新开发上缺乏后劲

在国家重大任务的牵引下，我国高性能纤维及其复合材料以参照仿制的国产化思路开展，以产品研制为主，着重解决应用急需。高校与研究机构的研发，往往以型号产品为依托，高性能纤维材料成分–结构–工艺–性能之间的深层次关联关系尚未全面掌握，必要的科学机理尚未揭示清楚。材料研制与应用超前于相关学科的基础研究，导致在面临新的应用需求时缺乏理论支撑，自主创新发展后劲不足，难以适应未来技术比肩和引领发展需求。

（五）健全的产业体系和健康的产业生态尚未形成，部分领域低水平重复、无序竞争现象仍存在

目前我国高性能纤维及其复合材料产业体系不完整，关键装备、重要原材料和配套材料以及检测评价环节薄弱。在航空航天领域应用的总体规模仍然比较小，难以驱动全产业链的发展与完善，在以汽车、压力容器、轨道交通等为代表的工业领域仍未实现放量（见图2）。在国家高度

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