高性能纤维及其复合材料发展战略研究

2021-04-04刘海馨

信息记录材料 2021年5期

刘海馨

（辽宁省国家新型原材料基地建设工程中心辽宁沈阳 110000）

1 引言

高端纤维和复合材料之间有不同程度的代差，其自主能力需要不断被强化，当前国外一些航空领域通常都是选择用T800级碳纤维作为增强体的第二代复合材料，但是我们国家和国外相比仍然处于传统的发展阶段，在技术上缺乏创新，因此和国外相比无论是生产技术亦或是生产质量都较为薄弱[1]。

2 我国高性能纤维及其复合材料发展存在的问题

生产技术相对欠缺，因此无法和国外一样实现大规模的生产与使用，纤维产品质量不能够满足使用要求，而购买的成本相对较高，使用效果不理想。通过对我国碳纤维生产进行分析可以看出当前碳纤维进行生产所选择的主要是12K或者不足12K的一种小丝束的生产模式，我国当前并没有进行大丝束生产的技术，即便能够进行大丝束的生产其所需要付出的成本也无法完成批量生产，而且当前有很多国外企业已经开始进行大丝束的生产并且其在生产成本上相对低廉。除此之外，国外研究的重点已经转移到了提升质量和降低施工成本上。由此可以看出我们国家在这方面不管是产品生产质量还是在生产效率，亦或是在生产成本上都无法和国外媲美，在投资所需要的成本和能耗较高时，规模化和效果都普遍不高，因此批量生产仍然无法达成[2]。

2.1 大多数行业复合材料的技术能力相对较低

当前，我们国家仅在航空航天领域具备一个相对完善的复合材料技术能力，基础设施在建设过程中滞后情况较为严重，其经常习惯跟踪国外的应用技术以及应用领域，这样的情况使得国产纤维与复合材料无法满足大规模出口的要求。近年来已有文献报道了一种使用部分溶解的方法制备全纤维素复合材料的有关研究，这样一种复合材料其母体属于溶解之后析出的一种纤维素，强化纤维属于部分溶解以及非溶解的一种纤维素。因为母体以及填料全部都是通过纤维素构成，因此这一复合材料本身具有非常好的界面相容性，同时还具备非常高的力学性能以及生物降解性。

2.2 基础投入较为欠缺

当前有一些核心科学问题并没有得到有效的确认，我国在产品进行生产和创新上存在一定的滞后性，在发展中主要是依赖于国外企业对我国企业提供的技术引导，也就是说我国在进行高性能纤维以及复合材料生产的过程中主要是通过对国外技术的模仿进行二次创新的，并且将产品研制作为核心，致力于解决当前需求。高校以及相关的科研机构在对纤维进行研究生产的时候，主要是把型号产品当成是当前研究的依托，其并未注重深层次上具备的内涵，这样的情况下，就需要有更加深化的科学机理对其发展作为辅助并且对其给予适当的揭示。材料研制上需要具有超前的发展意识，只有这样才有可能在进行技术生产发展上掌握更新的科技，才能够使我国的科技生产领先于国外企业[3]。

3 我国高性能纤维及其复合材料的发展思路

（1）需要保障核心品种。需要对纤维材料的保障能力给予适当的提升，只有这样才能够填补高端品种在产生过程中存在的空缺，使我国纤维材料在核心产品上保持技术的安全。

（2）在产业生产上需要注重自主控制。对于基础原材料以及所使用到的装备和机电产品等必备的产业链潜存的隐患与技术上存在的短板进行排查，保障产业基础发展和再造。

（3）需要注重体系自主发展的一个基础原则。需要建立一个符合企业和项目建设要求的发展体系，除此之外还需要注重国内战略性的产业市场发展，使其能够成为一个具有发展特点和产业发展优势的竞争市场，建立协同发展的研究体系，只有这样才能够使高性能纤维与其复合材料技术之间能够实现本土的创新发展并对其给予适当的支撑。

4 我国高性能纤维及其复合材料的重点发展任务

4.1 碳纤维及其复合材料

改变进行工业级碳纤维成套生产的工艺装备和产业化制备的有关技术，对于国产大丝束碳纤维以往使用的基础进行适当的创新；除此之外还需要对纺丝以及预氧化碳化等制备技术进行创新，只有这样才能够使我们国家生产的碳纤维无论是在生产成本上还是生产的稳定性上都能够得到保障，使我国国产碳纤维生产朝着大规模的方向演变。

4.2 有机纤维及其复合材料

突破芳纶、PI、UHMWPE、PBO等性能较高的有机纤维在产业化制备和复合材料生产上的所使用的技术局限，使其可以在我国的一些重大装备上进行通用。开发系列化以及功能化的对位芳纶，只有基于差异化的发展角度去完成材料生产，才能够使间位芳纶的生产效率/生产新工艺以及生产技术得到有效的创新。尽可量的开发出具有耐温以及抗蠕变的UHMWPE纤维，能够完成对中高强度UHMWPE工程化制备技术上的完善，并且对生产过程中出现的能耗大以及成本高等问题给予合理的处置。只有这样才能够使PBO纤维聚合纺丝在工艺上得到适当的优化，通过采取这样的一种方式实现对高品质产品的有效的供应。尽可能地开发出成本较低、性能较高的PI纤维技术，针对PI纤维当前出现的环化以及牵伸一体化等主要工艺和集成的相关设备技术，持续进行PI纤维以及复合材料在多个领域的合理应用。

4.3 陶瓷纤维及其复合材料

不断提升传统技术，改变以往工程尺寸复合材料制备存在的工艺和装备等出现的问题，积极进行陶瓷基复合材料的开发。在制造技术上需要有效控制成本，使其能够形成陶瓷纤维和其复合材料产品的型谱，最终使用在大型设备上。

5 措施和相关建议

全面提高复合材料在设计和应用上的能力，尽可能多地使用高质量和高性能纤维复合材料，使得国产高性能纤维在使用上存在的阻碍得到良好的解决，最终将其使用到多个不同的生产和建设领域中，依照当前行业在发展过程中具备的优势，对于复合材料在设计以及制造等多个方面技术水平给予提升，适当地提升工业领域复合材料在设计以及应用上的能力；并且健全复合材料专业在设计人才上的有效培养，侧重复合材料所使用的设计软件能够趋于国产化，尽可能多地使用质量较高的高性能纤维复合材料，使我国生产的高性能纤维能够远销海内外，并且使其应用的通道能够保持顺畅，最后推进国产高性能纤维与其复合材料能够朝着规模化的方向发展[4]。