“到2019年，全球復(fù)合材料的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到30億美元，而每年都會(huì)有關(guān)于復(fù)合材料的新技術(shù)產(chǎn)生。”近日，國(guó)際先進(jìn)材料與工藝技術(shù)學(xué)會(huì)（SAMPE）北美主席泰德·林奇對(duì)復(fù)合材料的未來(lái)市場(chǎng)做出樂觀的預(yù)期。
　　面對(duì)未來(lái)市場(chǎng)，業(yè)內(nèi)人士指出，不得不承認(rèn)，相比歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料行業(yè)仍處在起步狀態(tài)。以飛機(jī)結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料技術(shù)而言，我們應(yīng)用的規(guī)模與水平、設(shè)計(jì)的理念和方法、材料的基礎(chǔ)和配套、制造的工藝和設(shè)備、創(chuàng)新的政策與引導(dǎo)均較為落后。那么我們應(yīng)當(dāng)如何趕上？復(fù)合材料正在哪些領(lǐng)域大展宏圖呢？中國(guó)化工報(bào)記者就此進(jìn)行了采訪。
 

復(fù)合材料為汽車輕量化提供了可能，在SAMPE中國(guó)2015年會(huì)暨第十屆先進(jìn)復(fù)合材料展覽會(huì)上，江蘇恒神股份有限公司的展臺(tái)前，由復(fù)合材料制成的汽車構(gòu)件備受關(guān)注。

應(yīng)用廣泛，各國(guó)爭(zhēng)相發(fā)展
　　當(dāng)前，業(yè)內(nèi)所說(shuō)的復(fù)合材料主要指由較高強(qiáng)度和模量的碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等構(gòu)成的增強(qiáng)材料。他們以輕質(zhì)、高強(qiáng)、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性、結(jié)構(gòu)功能一體化等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、國(guó)防軍工、能源交通、資源環(huán)境等國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和重視，是衡量國(guó)家綜合競(jìng)爭(zhēng)能力的重要標(biāo)志，也是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的高技術(shù)新材料產(chǎn)業(yè)之一。
　　數(shù)據(jù)顯示，2014年美國(guó)、日本、歐洲、韓國(guó)、中國(guó)的碳纖維產(chǎn)量分別為35.1萬(wàn)噸、27.2萬(wàn)噸、27.5萬(wàn)噸、8.2萬(wàn)噸、14.7萬(wàn)噸，而未來(lái)幾年年產(chǎn)量將進(jìn)一步上升，預(yù)計(jì)2018年美國(guó)碳纖維產(chǎn)量將達(dá)到56萬(wàn)噸左右，中國(guó)也將達(dá)到28.9萬(wàn)噸。截至2014年底，我國(guó)已擁有碳纖維生產(chǎn)企業(yè)近40家，理論產(chǎn)能前三名分別是中復(fù)神鷹、江蘇恒神、威海拓展，理論設(shè)計(jì)總產(chǎn)能達(dá)到1.96萬(wàn)噸。
　　正如我們所熟知的波音787、空客A350以及中航工業(yè)的領(lǐng)航150，由于復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)性能，減重優(yōu)勢(shì)和耐疲勞特性，其在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)知和大量的應(yīng)用，除航空、航天領(lǐng)域外，復(fù)合材料正在與汽車、新能源等行業(yè)碰撞出新的火花。
 

近年來(lái)，復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。圖為中美復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展新動(dòng)態(tài)論壇現(xiàn)場(chǎng)。

　　隨著寶馬i3的上市，復(fù)合材料成為了汽車行業(yè)的熱門話題，復(fù)合材料對(duì)汽車結(jié)構(gòu)重量的減輕至關(guān)重要，也給新能源汽車帶來(lái)增長(zhǎng)的機(jī)會(huì)。中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司副總經(jīng)理李宏運(yùn)表示，到2020年，歐洲轎車二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)將由現(xiàn)在的130g/km提高至95g/km，中國(guó)也將由155g/km的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)改為112g/km；車身重量每減少10%，可降低油耗6%~8%，燃油效率提高5.5%，排放降低5%~6%。這些標(biāo)準(zhǔn)將進(jìn)一步推動(dòng)復(fù)合材料的應(yīng)用。
　　據(jù)了解，目前，現(xiàn)有的材料體系主要為了滿足于航空工業(yè)的小批量生產(chǎn)，固化工藝時(shí)間較長(zhǎng)，很難滿足快速成型的要求，汽車要求的成型時(shí)間為1~10分鐘之內(nèi)，而汽車上主要使用的大絲束碳纖維國(guó)內(nèi)還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)。
　　除了汽車行業(yè)，大連理工大學(xué)副校長(zhǎng)、教授賈振元表示，大飛機(jī)制造難度高、技術(shù)鏈長(zhǎng)、附加值高，已經(jīng)成為航空制造業(yè)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一，未來(lái)20年，國(guó)內(nèi)對(duì)于大飛機(jī)的需求和市場(chǎng)容量也很可觀。大飛機(jī)的制造正向兩個(gè)方向發(fā)展：安全、減重。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因其在強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕性、抗疲勞性等方面的優(yōu)勢(shì)被許多先進(jìn)飛機(jī)廠商看重，空中客車A350的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料含量到達(dá)52%，而波音787達(dá)到50%。
 

圖為由碳纖維材料制成的無(wú)人機(jī)。

　　為什么要使用復(fù)合材料？賈振元指出，一是復(fù)材的性能是可以設(shè)計(jì)的，根據(jù)需求不同進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)；二是材料生產(chǎn)和飛機(jī)制造可同步進(jìn)行；三是可以做復(fù)雜結(jié)構(gòu)的材料，目的是減少連接，減輕結(jié)構(gòu)重量。以我國(guó)自主研制的商飛C919客機(jī)為例，如果使用復(fù)合材料，其連接口將由3萬(wàn)個(gè)減少至1萬(wàn)個(gè)，能夠減重15%。通過設(shè)計(jì)、塑形、固化、機(jī)械加工、裝配等步驟制成復(fù)合材料構(gòu)建后，還需要對(duì)其承載能力進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估，而保證制造過程的每一步不出現(xiàn)瑕疵是我們目前迫切需要解決的問題。
　　中國(guó)商飛北研中心常務(wù)副主任李東升表示，民用飛機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展勢(shì)必要滿足安全性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性、環(huán)保性四個(gè)要求。在經(jīng)濟(jì)型方面，民航領(lǐng)域主要應(yīng)用12k或24k的小絲束碳纖維，但其價(jià)格為大絲束碳纖維的5倍，因而，提高大絲束碳纖維性能，改進(jìn)樹脂浸漬技術(shù)能更有效的降低成本。

對(duì)比先進(jìn)，國(guó)內(nèi)差距在哪
　　不久前，在美國(guó)巴爾的摩舉辦的2015 SAMPE國(guó)際大學(xué)生超輕復(fù)合材料橋梁競(jìng)賽中，來(lái)自中國(guó)成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院的5位學(xué)生制作的工字梁以自重482克承重5.352噸，擊敗了東京大學(xué)、華盛頓大學(xué)等眾多世界名校參賽者，勇奪得該項(xiàng)目冠軍。這些工字梁正是由碳纖維組成。
 

圖為由復(fù)合材料制成的機(jī)械構(gòu)件引起參觀者的關(guān)注。

　　對(duì)于這種復(fù)合材料，江蘇恒神股份有限公司研究員沈真認(rèn)為，隨著整體化設(shè)計(jì)、低成本非熱壓罐工藝及自動(dòng)化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，碳纖維的需求量仍有增長(zhǎng)空間。但由于設(shè)計(jì)制造技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用上的差距，減重效果、成本與國(guó)外有較大差距，這也成為碳纖維復(fù)合材料在軍用航空航天結(jié)構(gòu)中擴(kuò)大應(yīng)用的瓶頸。而其原材料在國(guó)外嚴(yán)格控制出口，屬于禁運(yùn)物資，因而必須實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化批量生產(chǎn)。
　　赫氏公司中國(guó)分部技術(shù)總監(jiān)吳一波也坦言，中國(guó)的先進(jìn)復(fù)材發(fā)展水平與國(guó)際仍有較大差距，當(dāng)前最缺乏的是創(chuàng)新。每家企業(yè)都具有自己的研發(fā)體系，這些研發(fā)體系可能在不同的方面分別呈現(xiàn)出各自的優(yōu)勢(shì)，如果相互聯(lián)合、互通有無(wú)，將更容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破。
　　李東升則建議，國(guó)內(nèi)自動(dòng)化制造程度不高，新材料新工藝有限，許多材料使用傳統(tǒng)的預(yù)浸料方式制造，工藝控制水平有待提高，同時(shí)，需要加強(qiáng)設(shè)計(jì)制造一體化的理念，材料供應(yīng)商與使用者一起研發(fā)，根據(jù)具體需求進(jìn)行調(diào)整。
　　李宏運(yùn)介紹，我國(guó)目前在汽車與材料之間還沒有形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)量、生產(chǎn)效率還不能滿足市場(chǎng)需求，成本居高不下。一方面，汽車廠商已經(jīng)意識(shí)到先進(jìn)復(fù)材在汽車減重方面的作用，但如何通過復(fù)材的應(yīng)用給客戶帶來(lái)價(jià)值，還沒有形成完整的路徑；另一方面，在創(chuàng)新方面還缺乏相關(guān)的數(shù)據(jù)，相關(guān)的人才不足，復(fù)合材料制造商也缺乏汽車領(lǐng)域應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，難以大批量生產(chǎn)。
　　約翰·奧康納告訴記者，國(guó)際上的先進(jìn)技術(shù)往往是通過一代人甚至幾代人的努力才獲得成功，對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，要達(dá)到世界領(lǐng)先水平，必須注重基礎(chǔ)性研究和數(shù)據(jù)的累積。

日新月異，新技術(shù)一日千里
　　隨著科技的進(jìn)步以及民用需求的不斷拓展，復(fù)合材料正在向智能化、高效化的制造流程和低成本發(fā)展，而對(duì)高性能復(fù)合材料的需求，尤其是高端以及大規(guī)模的民用需求在持續(xù)增長(zhǎng)，也催生著復(fù)材制造業(yè)的迅猛發(fā)展以及新材料的大量應(yīng)用。
　　對(duì)于復(fù)合材料的發(fā)展趨勢(shì)，泰德·林奇指出：“軟件仿真模擬、低成本工藝技術(shù)將成為復(fù)合材料的兩大趨勢(shì)，但未來(lái)20年，仍存在材料發(fā)展、社會(huì)因素、材料應(yīng)用等方面帶來(lái)的不確定性。而高分子聚合物復(fù)材、輕量化結(jié)構(gòu)材料將成為未來(lái)4年發(fā)展較快的材料。中國(guó)的復(fù)材行業(yè)增長(zhǎng)很快，相信會(huì)有很多資金流入這個(gè)領(lǐng)域。”
　　“智能化意味著低成本、高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)流程，未來(lái)對(duì)于復(fù)合材料的需求將持續(xù)增加，而智能化也將成為復(fù)合材料制造的主要方向。”西門子PLM Software 的Fibersim產(chǎn)品與航空市場(chǎng)戰(zhàn)略總監(jiān)約翰·奧康納告訴中國(guó)化工報(bào)記者，西門子致力于為復(fù)合材料廠商提供包含了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鋪層設(shè)計(jì)、有限元分析、工藝及制造、車間執(zhí)行系統(tǒng)在內(nèi)的完整解決方案，最具優(yōu)勢(shì)的就是Fibersim軟件對(duì)復(fù)材的模擬仿真，以數(shù)十年的數(shù)據(jù)作為支撐，因而可對(duì)制造階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)、分析，提前發(fā)現(xiàn)并解決復(fù)合材料在制造過程中潛在的制造問題，同時(shí)，西門子也提供后續(xù)的客戶服務(wù)，幫助研發(fā)人員創(chuàng)新復(fù)合材料。
　　韓國(guó)先進(jìn)科技研究院教授洪順邢預(yù)計(jì)：“世界先進(jìn)復(fù)合材料將會(huì)成為未來(lái)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的核心引擎之一。到2020年，預(yù)計(jì)碳納米復(fù)合材料、車用智能涂層鋼板、超高純碳化硅材料等10種關(guān)鍵性材料的國(guó)際市場(chǎng)規(guī)模將超過10億美元，市場(chǎng)占有率將達(dá)到30%。”
　　據(jù)洪順邢介紹，韓國(guó)正在大力發(fā)展碳谷項(xiàng)目，包括研究低成本碳纖維的工藝改進(jìn)，大絲束碳纖維的制造工藝和中間產(chǎn)品，高性能中間產(chǎn)品和車用復(fù)材以及利用石油附加產(chǎn)片生產(chǎn)碳纖維和汽車構(gòu)件的技術(shù)等31項(xiàng)重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。其路徑是在調(diào)查科研成果產(chǎn)業(yè)化程度的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有的技術(shù)水平；評(píng)估經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的匹配度，分析這些技術(shù)被商業(yè)化的可能性及技術(shù)發(fā)展階段，預(yù)判市場(chǎng)容量，選取其中重合率高的技術(shù)作為主要發(fā)展方向。
　　“在2013~2018年，韓國(guó)將大力發(fā)展觸控面板、高阻隔復(fù)合薄膜、OLED面板、電磁屏蔽、防蝕層5方面的石墨烯應(yīng)用。”洪順邢透露。
　　據(jù)記者了解，美國(guó)已經(jīng)開展了材料基因組計(jì)劃，從原子層面看材料，統(tǒng)籌不同領(lǐng)域的應(yīng)用。主要有兩個(gè)目的， 其一是縮短新材料的開發(fā)周期，將復(fù)材由實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的時(shí)間減少至10年；其二是降低制造成本至原來(lái)的一半。
　　泰德·林奇介紹，材料基因組計(jì)劃的內(nèi)容包括四個(gè)方面，第一，改變發(fā)展模式，鼓勵(lì)促進(jìn)研發(fā)的整合，加強(qiáng)國(guó)際合作；第二，整合實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、理論，建立基因組資源網(wǎng)絡(luò)，便于創(chuàng)建準(zhǔn)確、可靠的模擬數(shù)據(jù)，完善實(shí)驗(yàn)工具；第三，建立開放數(shù)據(jù)庫(kù)，便于研究開發(fā)人員獲取數(shù)據(jù)；第四，加強(qiáng)下一代科研人員培養(yǎng)，編寫全新教育課程，提供更多參與研究的機(jī)會(huì)。
　　在被問及中國(guó)將如何開展類似材料基因組等基礎(chǔ)研究時(shí)，李宏運(yùn)表示，對(duì)于非商業(yè)利益的基礎(chǔ)科研項(xiàng)目需要政府有關(guān)部門的大力支持，從國(guó)家層面進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，更重要的是要開展全球性的合作，以及不同領(lǐng)域的信息共享，設(shè)立專門的項(xiàng)目管理機(jī)構(gòu)，對(duì)參與的高校、研究機(jī)構(gòu)、監(jiān)管部門等統(tǒng)籌管理。