作者：李仲平，冯志海，徐樑华，吕春祥，李龙，朱世鹏
摘要：作为我国关键战略材料的重要组成，高性能纤维及其复合材料是保障国家重大战略实施和高端装备发展的物质基础，也是驱动新材料产业发展的主要力量。本文系统分析了高性能纤维及其复合材料领域的国内外发展现状、发展趋势与挑战、我国发展存在的主要问题，提出了我国高性能纤维及其复合材料要坚持“产品自主、技术自主、体系自主”的发展思路，明确2025年和2035年发展目标以及重点发展任务。在此基础上，从提升复合材料设计与应用能力、解决产业化成套装备问题、建设联合创新平台三个方面提出相关措施建议，以期为推动我国高性能纤维及其复合材料技术与产业高质量发展提供参考。
关键词：高性能纤维；复合材料；产业化装备；联合创新平台；2035
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五、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T800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）。在国家高度关注以及高科技领域投资冲动等多重因素刺激下，目前仍存在低水平重复、脱离产业实际的投资乱象，项目水平参差不齐，不仅造成大量国家和社会资源占用与浪费，也将严重不利于行业竞争力和可持续产业生态的形成。
六、我国高性能纤维及其复合材料的发展思路和目标
针对我国高性能纤维及其复合材料发展现状及主要问题，围绕2035年材料强国战略目标以及“十四五”发展规划，研究确立了解决高性能纤维及其复合材料自主保障、筑牢产业安全基础、构建完整产业链的发展思路和目标。
（一）指导思想与原则
为实现材料强国的战略目标，以《中国制造2025》《新材料产业发展指南》等为依据，以国防建设和国民经济重大需求为导向，以纤维研制生产和复合材料扩大应用为发展主线，实施高性能纤维及其复合材料“产品自主、技术自主、体系自主”的“三步走”发展战略，牢固树立科技安全、产业安全的发展理念。
一是坚持关键品种自主保障原则。大幅提升高性能纤维及其复合材料的自主保障能力，填补高端品种空白，保障关键产品安全，满足国家重大工程需求。
二是坚持产业链自主可控原则。着力解决基础原材料、关键装备、基础机电产品等产业链安全隐患和技术短板，实现产业基础再造。
三是坚持产业体系自主发展原则。构建完善的高性能纤维及其复合材料产业体系，着力培育国内战略性新兴产业市场，形成具有特色的产业优势和市场竞争力，建立上下游协同的创新研发体系，支撑高性能纤维及其复合材料技术向自主创新发展转变。
（二）发展目标
1.2025年目标
国家重大工程、重点国防装备、战略新兴产业重点领域高性能纤维及其复合材料“受制于人”问题基本解决，重要高性能纤维及其复合材料品种填补国内空白，关键装备实现自主可控，全面提升产业链安全。部分品种实现产业化及应用示范，初步建成完整的高性能纤维及其复合材料产业体系。
突破高端碳纤维品种工程化制备技术，实现国产碳纤维产量5×104t/a；建设万吨级总量的对位芳纶和杂环芳纶智能化生产能力，打造1~2个知名品牌；UHMWPE纤维国外市场占比达到40%以上，实现高强高模PI纤维千吨级产业化制备；突破高性能碳化硅、氧化铝等陶瓷纤维工程化制备及其复合材料应用技术，支撑两机专项、重型运载、大型客机等重大工程对高性能纤维复合材料的需求。
2.2035年目标
高性能纤维及其复合材料自主保障问题全面解决，形成高性能纤维及其复合材料自主发展体系。建立涵盖材料设计、研发、应用的上下游协同创新体系，实现高性能纤维及其复合材料技术多元化、品种系列化、产能规模化发展，绿色、可持续产业体系全面建成，产品进入国际高端应用供应链。
实现国产碳纤维产量达到1.5×105t/a，对位芳纶纤维国内自给率达到80%以上，芳纶、UHMWPE、PI等有机纤维创新型产品技术达到国际领先水平，构建陶瓷纤维及其复合材料产业链。高性能纤维及其复合材料的规模、质量、成本在国际市场具有一定优势和品牌影响力。
七、我国高性能纤维及其复合材料的重点发展任务
（一）碳纤维及其复合材料
突破高强中模、高强高模、高强高模高延伸碳纤维及其复合材料工程化制备关键技术，实现高强中模碳纤维拉伸强度≥7GPa；高强高模碳纤维拉伸模量≥650GPa；高强高模高延伸碳纤维拉伸强度≥5.7GPa，拉伸模量≥370GPa，断裂延伸率≥1.5%，满足高端装备用碳纤维及其复合材料全面自主保障需求。
突破千吨级湿法、干湿法和大丝束（48K及以上）工业级碳纤维成套工艺装备与产业化制备技术，突破国产大丝束碳纤维用纺丝油剂和上浆剂等配套材料、国产碳纤维中间体制备等关键技术；突破新型纺丝、预氧化碳化等颠覆性制备技术，实现国产碳纤维稳定化与低成本化，支撑国产碳纤维的规模应用。
攻克复合材料设计–制造–评价–考核验证等应用共性关键技术，突破复合材料回收再利用技术，持续推进国产碳纤维及其复合材料在航空航天、兵器、交通、能源、建筑等国防和国民经济领域的工程应用，构建完整的碳纤维及其复合材料产业链。以国产T300、T700级碳纤维为增强体的第一代先进复合材料在民用领域应用取得显著突破，以国产T800级碳纤维为增强体的第二代先进复合材料实现规模化应用，高强高模高韧第三代先进复合材料实现自主发展。
（二）有机纤维及其复合材料
突破芳纶、PI、UHMWPE、PBO等高性能有机纤维产业化制备及其复合材料工程应用关键技术，实现在国家重大装备上的稳定应用。开发系列化、功能性对位芳纶，满足差异化应用领域需求；发展新一代高强高模、高复合性、低成本杂环芳纶；突破提升间位芳纶生产效率的新工艺、新技术。开发耐温、抗蠕变UHMWPE纤维，完善中高强度UHMWPE工程化制备技术，解决生产过程能耗大、成本高问题。优化PBO纤维聚合纺丝工艺，实现稳定高品质产品供应。开发低成本、高性能PI纤维技术，突破PI纤维的环化–牵伸一体化等关键工艺与集成设备技术，拓展PI纤维及其复合材料的应用领域。
（三）陶瓷纤维及其复合材料
发展以超高温低成本碳化物纤维为代表的高性能陶瓷纤维及其复合材料技术，突破碳化硅、氧化铝、氮化硅、氮化硼、硅硼氮等纤维及其前驱体的工程化稳定制备技术；解决工程尺寸的复合材料制备工艺与装备瓶颈，开发陶瓷基复合材料快速低成本制造技术；形成系列陶瓷纤维及其复合材料产品型谱，实现陶瓷基复合材料在燃气发动机等重大装备上的工程应用。
八、措施与建议
（一）全面提升复合材料设计与应用能力，“多用、用好”高性能纤维复合材料，打通国产高性能纤维“应用出口”瓶颈
在航空航天领域之外，尤其是轨道交通、车辆船舶、压力容器、健康产业等颇具潜力的领域，应结合行业特点，加快提升复合材料设计–制造–评价–应用全链条技术水平，重点补齐工业领域复合材料设计与应用能力；加强复合材料专业的设计人才培养，注重复合材料设计软件的国产化，“多用、用好”高性能纤维复合材料，彻底打通国产高性能纤维“应用出口”瓶颈，畅通应用通道，推动国产高性能纤维及其复合材料规模应用。
（二）解决关键装备国产化问题，突破高性能纤维及其复合材料生产制造的成套装备技术，提升产业硬实力
建立集机械、热工、化工、自动化等多学科交叉的优势技术力量，下决心真正解决大规模工业化的高性能纤维及其复合材料制造装备问题，重点突破高性能纤维大规模工业化生产成套装备技术、工业级复合材料应用成套装备技术、配套工业基础软件技术等，构建“技术–装备–应用”三位一体驱动模式。
以碳纤维为例，国内碳纤维产业发展至今的有效经验之一是坚持关键装备国产化，只有装备国产化才能实现碳纤维产业真正落地生根。而且进口设备的采购、运输、维护等环节受国际环境变动的影响越发严重，关键装备国产化成为实现我国高性能纤维及其复合材料产业链自主可控的核心所在，因此，应始终坚持关键装备国产化，扶持国产装备上线验证，在用中改进。
（三）创建由科研院所、生产企业和重点用户共同组成的国家级联合创新平台，探索创新平台运行新机制，构建上下游协同、可持续的创新研发体系
整合国内优势资源，建立高性能纤维及其复合材料领域的国家级联合创新平台，营造人才汇聚、联动协同的创新环境。依托创新平台，融通基础研究、材料研发、中试生产、应用示范链条；加强共性和基础技术研发，重点解决“卡脖子”的科技安全和产业安全问题；融合知识、技术、资金、人才等创新要素于一体，促进高性能纤维由“小团队”研发模式向“集智攻关、体系化、可持续”研发模式转变，注重专业人才培养和储备，满足学科长远发展和自主原始创新需求。
参考文献（略）
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