復(fù)合材料：未來世界的骨骼

牛方 謝琳

今年是新中國成立70周年，七十年科技進(jìn)步日新月異，創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)成效突出。從“科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力”到“創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力”，從實(shí)施科教興國、人才強(qiáng)國戰(zhàn)略到深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，我國科技已然步入快速發(fā)展軌道。

作為化纖大國，中國化纖工業(yè)正在新時(shí)代下向化纖強(qiáng)國不斷邁進(jìn)。2018年，我國化纖產(chǎn)量達(dá)5000萬噸，占世界化纖總量的70%以上，化纖工業(yè)的強(qiáng)國地位初步顯現(xiàn)。其中纖維新材料，特別是高新技術(shù)纖維的研究技術(shù)水平取得了很大進(jìn)展，與發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平的差距大幅縮小。而要邁入化纖強(qiáng)國，不僅纖維材料實(shí)力要強(qiáng)，應(yīng)用水平同樣不能低。產(chǎn)品與應(yīng)用，從來無法脫離其中一方而獨(dú)立發(fā)展。

近日，由中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)、中國工程院環(huán)境與輕紡工程學(xué)部、中國紡織工程學(xué)會(huì)、東華大學(xué)主辦，中國紡織工程學(xué)會(huì)化纖專業(yè)委員會(huì)、中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)相關(guān)專業(yè)委員會(huì)及分會(huì)承辦，泉州市人民政府支持的“先進(jìn)復(fù)合材料及輕量化材料應(yīng)用高層論壇”在泉州拉開帷幕。中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)副會(huì)長、中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長端小平，中國工程院院士蔣士成、俞建勇，中國工程院環(huán)境與輕紡工程學(xué)部孫嘯濤，工業(yè)和信息化部原材料司羅其明副處長、消費(fèi)品司縱瑞龍副處長，中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長賀燕麗、趙向東，泉州市人民政府副市長呂剛，天津工業(yè)大學(xué)教授肖長發(fā)，東華大學(xué)研究院副院長王華平等領(lǐng)導(dǎo)專家，以及來自紡織化纖領(lǐng)域的專家、學(xué)者、科研骨干、企業(yè)代表以及相關(guān)領(lǐng)域的業(yè)界同仁共500人參加會(huì)議。大會(huì)全面探討了復(fù)合材料、輕量化材料的發(fā)展以及在飛機(jī)、高鐵以及其他新興領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。

抓重點(diǎn) 聚資源 大發(fā)展

中國工程院院士蔣士成在大會(huì)表示：當(dāng)前，我國高新技術(shù)纖維品種逐步拓展，主要產(chǎn)品品種已基本覆蓋，且產(chǎn)量逐步提高，部分產(chǎn)品也已達(dá)國際先進(jìn)水平。生物基化學(xué)纖維快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，產(chǎn)品種類增速，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性增強(qiáng)，顯示出強(qiáng)有力的發(fā)展勢頭；通用纖維的高性能化、功能化和產(chǎn)業(yè)化達(dá)到國際領(lǐng)先水平。纖維材料已成為全球發(fā)展最快和最活躍的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域之一，先進(jìn)纖維材料領(lǐng)域的科技革新正推動(dòng)纖維產(chǎn)業(yè)的顛覆性發(fā)展，催生新一代纖維產(chǎn)業(yè)體系的建立，高性能、多功能、智能化、綠色纖維已超越傳統(tǒng)纖維產(chǎn)業(yè)，成為航天軍工、先進(jìn)制造業(yè)、智能與功能、醫(yī)療健康、安全與防護(hù)、新能源等領(lǐng)域的關(guān)鍵戰(zhàn)略材料。

近幾年，我國進(jìn)一步明確了關(guān)鍵基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的目標(biāo)和任務(wù)，為持續(xù)推動(dòng)化纖行業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)升級(jí)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、技術(shù)結(jié)構(gòu)升級(jí)，以實(shí)現(xiàn)化纖行業(yè)科學(xué)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展提供方向。在高性能纖維材料方面，重點(diǎn)發(fā)展高性能碳纖維，對(duì)位芳綸，超高分子量聚乙烯纖維，聚酰亞胺纖維，碳化硅纖維等產(chǎn)品；在生物基化學(xué)纖維材料方面，重點(diǎn)發(fā)展新型溶劑法纖維素纖維，聚乳酸纖維，聚對(duì)苯二甲酸丙二醇酯纖維，生物基聚酰胺纖維等產(chǎn)品；在紙基新材料方面，重點(diǎn)發(fā)展航天航空、軌道交通、無人機(jī)制造等領(lǐng)域用紙基新材料；在高端產(chǎn)業(yè)用紡織材料方面，重點(diǎn)發(fā)展土工建筑紡織材料，高端醫(yī)衛(wèi)非織造材料及制品，高性能安全防護(hù)紡織材料，高溫過濾紡織材料等產(chǎn)品。我們要整合新材料產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢資源，鼓勵(lì)上下游企業(yè)和產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，集中力量重點(diǎn)突破核心技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

論應(yīng)用 話前景 有可為

復(fù)合材料是以碳纖維為代表的高性能纖維在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的主要方式。當(dāng)前，先進(jìn)復(fù)合材料被越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)、高鐵等交通工具當(dāng)中。中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心副總設(shè)計(jì)師徐吉峰介紹：復(fù)合材料比強(qiáng)度、比剛度高，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)燃油效率提高20%；抗疲勞、耐腐蝕，可以增進(jìn)結(jié)構(gòu)效率，在民用飛機(jī)上已有大量應(yīng)用，其在民用飛機(jī)主結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用需求引領(lǐng)了航空復(fù)合材料研究和發(fā)展的趨勢，可提高飛機(jī)的安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性和環(huán)保性，故復(fù)合材料和其他新材料的研究也越來越重要。

但是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的各向異性和脆性特性使得其在受載變形、損傷機(jī)理和破壞形式等方面與常規(guī)的金屬材料都有顯著差異。徐吉峰表示，復(fù)材本身具有的有各向異性力學(xué)性能，給設(shè)計(jì)分析工作帶來困難。相比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用提出了新的技術(shù)挑戰(zhàn)，帶來了一系列待突破的關(guān)鍵技術(shù)，如連接分析、穩(wěn)定性、損傷容限、適墜性、大開口、閃電防護(hù)、防火耐燃、防除冰、層間分析等。因此，他認(rèn)為，未來飛機(jī)設(shè)計(jì)將采用突破性的機(jī)身和推進(jìn)技術(shù)，減少氣動(dòng)阻力，節(jié)約燃料； 注重提高安靜環(huán)保性、舒適性；以超音速、超高音速飛行，結(jié)構(gòu)高溫效應(yīng)明顯。這就需基于先進(jìn)材料的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如功能復(fù)合材料要求更輕、更耐損、更耐高溫；隨著計(jì)算機(jī)性能提高，將實(shí)現(xiàn)總體、氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、材料在同一框架下綜合優(yōu)化等。

而在軌道交通方面呢？中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司副總工程師丁叁叁介紹：當(dāng)前，高鐵面臨兩個(gè)最大的困境，一是保證安全。這就要解決沖擊，提高耐疲勞、耐腐蝕。二是提高效率，同樣的車?yán)嗟某丝?，讓車更輕一點(diǎn)，這就需要做輕量化的解決方案。

丁叁叁指出，軌道車輛未來的發(fā)展是要追求高速、高效、綠色、智能，研制時(shí)速600公里高速磁浮、時(shí)速400公里以及上動(dòng)車組、雙層動(dòng)車組，這些都需要更輕更強(qiáng)的材料。以輕量化為核心的綜合解決方案，是未來技術(shù)的基礎(chǔ)，應(yīng)重點(diǎn)解決與強(qiáng)度、剛度、疲勞、腐蝕、噪聲及防火等各性能矛盾，尋找平衡—結(jié)構(gòu)優(yōu)化，材料優(yōu)化，一體化優(yōu)化；同時(shí)要提效能，以應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與材料日益突顯的瓶頸，材料需輕量化、減沖擊、提載重、高耐候、高可靠、高可用、高壽命、少維護(hù)?；诖?，他建議行業(yè)主管部門加強(qiáng)CFRP復(fù)材產(chǎn)業(yè)推進(jìn)及協(xié)調(diào)力度，相關(guān)企業(yè)與機(jī)構(gòu)有序推進(jìn)，提高生存及發(fā)展能力；積極爭取高鐵CFRP應(yīng)用技術(shù)的國家項(xiàng)目，爭取相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究、整車研制及示范工程項(xiàng)目盡早立項(xiàng)。他認(rèn)為，CFRP復(fù)材以其輕量化、高強(qiáng)度、抗腐蝕、耐高溫等性能優(yōu)勢，可解決高速列車面臨的諸多技術(shù)問題，經(jīng)長期科學(xué)探索，必將克服各種技術(shù)經(jīng)濟(jì)困難，得到廣泛應(yīng)用。

除了飛機(jī)、高鐵等公共交通，在新能源汽車領(lǐng)域復(fù)合材料也有其用武之地。國際汽車輕量化綠色科技聯(lián)盟執(zhí)行會(huì)長、中德輕量化復(fù)合材料與新能源汽車聯(lián)盟副主席陳平生介紹了新能源汽車輕量化及先進(jìn)復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)用。陳平生指出：在全球汽車工業(yè)能耗新法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)茍的高壓催化下，加速新能源汽車生態(tài)發(fā)展，智能化、新能源化、網(wǎng)聯(lián)化、輕量化是未來汽車技術(shù)發(fā)展途徑，新能源汽車生態(tài)變革必將顛覆輕量化價(jià)值鏈格局。他介紹，CFRP比模量高、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、穩(wěn)定性、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、輕質(zhì)量易于成型，可有效提升新能源汽車?yán)m(xù)航里程、減震和降噪等優(yōu)勢，成為未來新能源汽車輕量化應(yīng)用的重要材料。

除了交通工具，碳纖維復(fù)合材料還有其他的應(yīng)用。比如風(fēng)電領(lǐng)域。江蘇澳盛復(fù)合材料有限公司技術(shù)總監(jiān)嚴(yán)兵介紹：葉片是風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部件，涉及結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)、工藝等領(lǐng)域。葉片的長度和風(fēng)機(jī)的功率成正比，功率越大，葉片越長。由于現(xiàn)有材料不能很好滿足大功率風(fēng)力發(fā)電裝置的需求，玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，因此，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢在必行。傳統(tǒng)的預(yù)浸料、真空灌注工藝成本高、效率低，限制了碳纖維在風(fēng)電上的應(yīng)用。而隨著碳纖維復(fù)合材料擠拉工藝在風(fēng)電大梁上的創(chuàng)新應(yīng)用，使風(fēng)電領(lǐng)域成為碳纖維應(yīng)用最多的領(lǐng)域。他認(rèn)為，綜合考慮風(fēng)電機(jī)組的全生命周期，碳纖維的應(yīng)用前景將更加廣泛。

無論是風(fēng)電領(lǐng)域還是交通領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用其實(shí)都已經(jīng)算是傳統(tǒng)領(lǐng)域，沈陽斯林達(dá)高壓容器有限公司總經(jīng)理姜將在大會(huì)介紹了碳纖維的另一種應(yīng)用——碳纖維纏繞氣瓶。姜將介紹：碳纖維纏繞氣瓶的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：航空航天用高壓氣瓶、呼吸器用氣瓶、車用氣瓶、運(yùn)輸用氣瓶等，并已經(jīng)有了商業(yè)化應(yīng)用，如2008年奧運(yùn)會(huì)車用儲(chǔ)氫氣瓶、2010年上海世博會(huì)車用儲(chǔ)氫氣瓶以及2016年上汽榮威950 70MPa國內(nèi)唯一乘用車應(yīng)用等。

談原料 議趨勢 再努力

應(yīng)該說，復(fù)合材料在未來人類社會(huì)的發(fā)展中占據(jù)著重要地位，在各種高性能復(fù)合材料的應(yīng)用中，碳纖維占比最大。東華大學(xué)纖維材料改性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、上海市輕質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任余木火介紹，碳纖維復(fù)合材料是“材料之王”，是武器裝備、航空航天、國家安全重要的戰(zhàn)略物資。碳纖維在制造業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，對(duì)交通運(yùn)輸工具輕量化可降低油耗、減少排放、提高續(xù)航里程；對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件可減少慣量、提高運(yùn)動(dòng)精度、提高運(yùn)動(dòng)速度、減少能耗、減少噪音；對(duì)裝備和建筑可抗腐蝕，提高壽命。我國是制造業(yè)大國，碳纖維在制造業(yè)各行業(yè)推廣應(yīng)用，有望引領(lǐng)碳纖維技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)提高我國制造業(yè)競爭力具有重要意義。

蘇州華特碳纖維有限公司總經(jīng)理熊飛認(rèn)為，碳纖維產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用有六大優(yōu)點(diǎn)：一是車身輕量化，碳纖維密度低，比低碳鋼減重50 %，比鎂/鋁合金結(jié)構(gòu)減重達(dá)30%；二是集成度高，造型自由，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)流線型，曲面成本低，可減少零部件種類和工裝投入；三是顛覆生產(chǎn)流程，模壓和粘接工藝代替沖壓和焊接，節(jié)約生產(chǎn)線及模、夾具的投入；四是汽車可靠性好，碳纖維高的疲勞強(qiáng)度（可達(dá)設(shè)計(jì)載荷的70%～80%），使車身可靠性有較大提升；五是汽車舒適度好，更高的振動(dòng)阻尼，對(duì)汽車整體降噪效果提升顯著，舒適性更佳；六是汽車安全性高，汽車減重以后重心下降，提升操作穩(wěn)定性，碰撞吸能能力為鋼的6～7倍，鋁的3～4倍。

吉林化纖集團(tuán)董事長宋德武介紹，當(dāng)前，全球及中國碳纖維需求和產(chǎn)能均處于增長階段，碳纖維是一門復(fù)雜科學(xué)，企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈上的分工要更加細(xì)致。對(duì)于碳纖維未來的發(fā)展趨勢，他認(rèn)為，企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈上分工會(huì)更加細(xì)致，大絲束會(huì)越來越凸顯，細(xì)旦化、差別化是方向，原絲生產(chǎn)越來越受到重視。基于此，他對(duì)碳纖維未來的發(fā)展提出以下幾點(diǎn)建議：一是支持連續(xù)生產(chǎn)、具有規(guī)模的碳纖維制造者，只有產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；拍艽龠M(jìn)質(zhì)量進(jìn)步、成本降低；二是市場化同時(shí)差別化，突出各自特性需要差別化，實(shí)現(xiàn)高效應(yīng)用、降低成本；三是完善生產(chǎn)、應(yīng)用、檢測等標(biāo)準(zhǔn)；四是工藝技術(shù)消化與加工裝備能力提升，加快裝備國產(chǎn)化速度；五是碳纖維及復(fù)材是一門復(fù)雜科學(xué)，要依靠靠產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)以及市場開發(fā)，找對(duì)人、做對(duì)事；六是碳纖維產(chǎn)業(yè)運(yùn)行需要關(guān)注安全與環(huán)保。

復(fù)合材料在制造業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是低成本化，而對(duì)于輕量化復(fù)合材料在制造業(yè)應(yīng)用及其關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方面，余木火認(rèn)為主要有以下幾個(gè)趨勢：一是全球碳纖維、芳綸不斷擴(kuò)產(chǎn)能，成本不斷下降；二是碳纖維、芳綸制造技術(shù)不斷進(jìn)步，成本不斷降低；三是碳纖維、芳綸性能不斷提高；四是復(fù)合材料自動(dòng)化量產(chǎn)技術(shù)發(fā)展迅猛；五是各行業(yè)開始嘗試使用復(fù)合材料，在中國，風(fēng)電、大型客機(jī)、高鐵汽車（氫氣瓶、電池盒、傳動(dòng)軸、輪轂、板簧）、建筑、海洋、化工等行業(yè)已走在應(yīng)用前列；六是針對(duì)目標(biāo)零部件，研發(fā)全產(chǎn)業(yè)鏈低成本化技術(shù)體系，將給予細(xì)分市場龍頭企業(yè)很大機(jī)遇。