“到2019年，全球復(fù)合材料的市場規(guī)模將達到30億美元，而每年都會有關(guān)于復(fù)合材料的新技術(shù)產(chǎn)生。”近日，國際先進材料與工藝技術(shù)學(xué)會（SAMPE）北美主席泰德·林奇對復(fù)合材料的未來市場做出樂觀的預(yù)期。
　　面對未來市場，業(yè)內(nèi)人士指出，不得不承認，相比歐美等發(fā)達國家，我國先進復(fù)合材料行業(yè)仍處在起步狀態(tài)。以飛機結(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？中國化工報記者就此進行了采訪。
 

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

應(yīng)用廣泛，各國爭相發(fā)展
　　當(dāng)前，業(yè)內(nèi)所說的復(fù)合材料主要指由較高強度和模量的碳纖維、芳綸纖維和硼纖維等構(gòu)成的增強材料。他們以輕質(zhì)、高強、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性、結(jié)構(gòu)功能一體化等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天、國防軍工、能源交通、資源環(huán)境等國民經(jīng)濟領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用和重視，是衡量國家綜合競爭能力的重要標(biāo)志，也是國家重點發(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、日本、歐洲、韓國、中國的碳纖維產(chǎn)量分別為35.1萬噸、27.2萬噸、27.5萬噸、8.2萬噸、14.7萬噸，而未來幾年年產(chǎn)量將進一步上升，預(yù)計2018年美國碳纖維產(chǎn)量將達到56萬噸左右，中國也將達到28.9萬噸。截至2014年底，我國已擁有碳纖維生產(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)計總產(chǎn)能達到1.96萬噸。
　　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)勢和耐疲勞特性，其在航空航天領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的認知和大量的應(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，復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用引起了國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。圖為中美復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展新動態(tài)論壇現(xiàn)場。

　　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增長的機會。中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司副總經(jīng)理李宏運表示，到2020年，歐洲轎車二氧化碳排放標(biāo)準將由現(xiàn)在的130g/km提高至95g/km，中國也將由155g/km的現(xiàn)行標(biāo)準改為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)準將進一步推動復(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)，固化工藝時間較長，很難滿足快速成型的要求，汽車要求的成型時間為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、教授賈振元表示，大飛機制造難度高、技術(shù)鏈長、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20年，國內(nèi)對于大飛機的需求和市場容量也很可觀。大飛機的制造正向兩個方向發(fā)展：安全、減重。碳纖維增強復(fù)合材料因其在強度、剛度、耐腐蝕性、抗疲勞性等方面的優(yōu)勢被許多先進飛機廠商看重，空中客車A350的碳纖維增強復(fù)合材料含量到達52%，而波音787達到50%。
 

圖為由碳纖維材料制成的無人機。

　　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)計的，根據(jù)需求不同進行不同的設(shè)計；二是材料生產(chǎn)和飛機制造可同步進行；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。以我國自主研制的商飛C919客機為例，如果使用復(fù)合材料，其連接口將由3萬個減少至1萬個，能夠減重15%。通過設(shè)計、塑形、固化、機械加工、裝配等步驟制成復(fù)合材料構(gòu)建后，還需要對其承載能力進行計算和評估，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。
　　中國商飛北研中心常務(wù)副主任李東升表示，民用飛機復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展勢必要滿足安全性、經(jīng)濟性、舒適性、環(huán)保性四個要求。在經(jīng)濟型方面，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，改進樹脂浸漬技術(shù)能更有效的降低成本。

對比先進，國內(nèi)差距在哪
　　不久前，在美國巴爾的摩舉辦的2015 SAMPE國際大學(xué)生超輕復(fù)合材料橋梁競賽中，來自中國成都航空職業(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)合材料制成的機械構(gòu)件引起參觀者的關(guān)注。

　　對于這種復(fù)合材料，江蘇恒神股份有限公司研究員沈真認為，隨著整體化設(shè)計、低成本非熱壓罐工藝及自動化、數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，碳纖維的需求量仍有增長空間。但由于設(shè)計制造技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用上的差距，減重效果、成本與國外有較大差距，這也成為碳纖維復(fù)合材料在軍用航空航天結(jié)構(gòu)中擴大應(yīng)用的瓶頸。而其原材料在國外嚴格控制出口，屬于禁運物資，因而必須實現(xiàn)國產(chǎn)化批量生產(chǎn)。
　　赫氏公司中國分部技術(shù)總監(jiān)吳一波也坦言，中國的先進復(fù)材發(fā)展水平與國際仍有較大差距，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，如果相互聯(lián)合、互通有無，將更容易實現(xiàn)技術(shù)上的突破。
　　李東升則建議，國內(nèi)自動化制造程度不高，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，需要加強設(shè)計制造一體化的理念，材料供應(yīng)商與使用者一起研發(fā)，根據(jù)具體需求進行調(diào)整。
　　李宏運介紹，我國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需求，成本居高不下。一方面，汽車廠商已經(jīng)意識到先進復(fù)材在汽車減重方面的作用，但如何通過復(fù)材的應(yīng)用給客戶帶來價值，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，難以大批量生產(chǎn)。
　　約翰·奧康納告訴記者，國際上的先進技術(shù)往往是通過一代人甚至幾代人的努力才獲得成功，對于中國來說，要達到世界領(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，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。
　　對于復(fù)合材料的發(fā)展趨勢，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，但未來20年，仍存在材料發(fā)展、社會因素、材料應(yīng)用等方面帶來的不確定性。而高分子聚合物復(fù)材、輕量化結(jié)構(gòu)材料將成為未來4年發(fā)展較快的材料。中國的復(fù)材行業(yè)增長很快，相信會有很多資金流入這個領(lǐng)域。”
　　“智能化意味著低成本、高質(zhì)量、高效率的生產(chǎn)流程，未來對于復(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)品與航空市場戰(zhàn)略總監(jiān)約翰·奧康納告訴中國化工報記者，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、鋪層設(shè)計、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)勢的就是Fibersim軟件對復(fù)材的模擬仿真，以數(shù)十年的數(shù)據(jù)作為支撐，因而可對制造階段的數(shù)據(jù)進行有效的預(yù)測、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，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。
　　韓國先進科技研究院教授洪順邢預(yù)計：“世界先進復(fù)合材料將會成為未來經(jīng)濟增長的核心引擎之一。到2020年，預(yù)計碳納米復(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)鍵性材料的國際市場規(guī)模將超過10億美元，市場占有率將達到30%。”
　　據(jù)洪順邢介紹，韓國正在大力發(fā)展碳谷項目，包括研究低成本碳纖維的工藝改進，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項重點研發(fā)項目。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；評估經(jīng)濟和技術(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，美國已經(jīng)開展了材料基因組計劃，從原子層面看材料，統(tǒng)籌不同領(lǐng)域的應(yīng)用。主要有兩個目的， 其一是縮短新材料的開發(fā)周期，將復(fù)材由實驗室到產(chǎn)業(yè)化的時間減少至10年；其二是降低制造成本至原來的一半。
　　泰德·林奇介紹，材料基因組計劃的內(nèi)容包括四個方面，第一，改變發(fā)展模式，鼓勵促進研發(fā)的整合，加強國際合作；第二，整合實驗、計算、理論，建立基因組資源網(wǎng)絡(luò)，便于創(chuàng)建準確、可靠的模擬數(shù)據(jù)，完善實驗工具；第三，建立開放數(shù)據(jù)庫，便于研究開發(fā)人員獲取數(shù)據(jù)；第四，加強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會。
　　在被問及中國將如何開展類似材料基因組等基礎(chǔ)研究時，李宏運表示，對于非商業(yè)利益的基礎(chǔ)科研項目需要政府有關(guān)部門的大力支持，從國家層面進行頂層設(shè)計，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)立專門的項目管理機構(gòu)，對參與的高校、研究機構(gòu)、監(jiān)管部門等統(tǒng)籌管理。