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复合材料：军用到民用，现在到未来

发布时间：2017-06-03

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SAMPE中国2015年会暨第十届先进复合材料展览会国际先进材料与工艺技术学会（SAMPE）北美主席泰德·林奇对复合材料的未来市场做出乐观的预期：“到2019年，全球复合材料的市场规模将达到30亿美元，而每年都会有关于复合材料的新技术产生。”
　　
面对未来市场，业内人士指出，不得不承认，相比欧美等发达国家，我国先进复合材料行业仍处在起步状态。以飞机结构用复合材料技术而言，我们应用的规模与水平、设计的理念和方法、材料的基础和配套、制造的工艺和设备、创新的政策与引导均较为落后。那么我们应当如何赶上？复合材料正在哪些领域大展宏图呢？

应用广泛，各国争相发展
　　
当前，业内所说的复合材料主要指由较高强度和模量的碳纤维、芳纶纤维和硼纤维等构成的增强材料。他们以轻质、高强、结构可设计性、结构功能一体化等优异的综合性能，在航空航天、国防军工、能源交通、资源环境等国民经济领域得到广泛应用和重视，是衡量国家综合竞争能力的重要标志，也是国家重点发展的高技术新材料产业之一。
　　
中美复合材料行业发展新动态论坛数据显示，2014年美国、日本、欧洲、韩国、中国的碳纤维产量分别为35.1万吨、27.2万吨、27.5万吨、8.2万吨、14.7万吨，而未来几年年产量将进一步上升，预计2018年美国碳纤维产量将达到56万吨左右，中国也将达到28.9万吨。截至2014年底，我国已拥有碳纤维生产企业近40家，理论产能前三名分别是中复神鹰、江苏恒神、威海拓展，理论设计总产能达到1.96万吨。
　　
正如我们所熟知的波音787、空客A350以及中航工业的领航150，由于复合材料优异的力学性能，减重优势和耐疲劳特性，其在航空航天领域已经得到广泛的认知和大量的应用，除航空、航天领域外，复合材料正在与汽车、新能源等行业碰撞出新的火花。

随着宝马i3的上市，复合材料成为了汽车行业的热门话题，复合材料对汽车结构重量的减轻至关重要，也给新能源汽车带来增长的机会。中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运表示，到2020年，欧洲轿车二氧化碳排放标准将由现在的130g/km提高至95g/km，中国也将由155g/km的现行标准改为112g/km；车身重量每减少10%，可降低油耗6%~8%，燃油效率提高5.5%，排放降低5%~6%。这些标准将进一步推动复合材料的应用。
　　
据了解，目前，现有的材料体系主要为了满足于航空工业的小批量生产，固化工艺时间较长，很难满足快速成型的要求，汽车要求的成型时间为1~10分钟之内，而汽车上主要使用的大丝束碳纤维国内还没有形成规模生产。
　　
除了汽车行业，大连理工大学副校长、教授贾振元表示，大飞机制造难度高、技术链长、附加值高，已经成为航空制造业需要突破的关键技术之一，未来20年，国内对于大飞机的需求和市场容量也很可观。大飞机的制造正向两个方向发展：安全、减重。碳纤维增强复合材料因其在强度、刚度、耐腐蚀性、抗疲劳性等方面的优势被许多先进飞机厂商看重，空中客车A350的碳纤维增强复合材料含量到达52%，而波音787达到50%。

为什么要使用复合材料？贾振元指出，一是复材的性能是可以设计的，根据需求不同进行不同的设计；二是材料生产和飞机制造可同步进行；三是可以做复杂结构的材料，目的是减少连接，减轻结构重量。以我国自主研制的商飞C919客机为例，如果使用复合材料，其连接口将由3万个减少至1万个，能够减重15%。通过设计、塑形、固化、机械加工、装配等步骤制成复合材料构建后，还需要对其承载能力进行计算和评估，而保证制造过程的每一步不出现瑕疵是我们目前迫切需要解决的问题。
　　
中国商飞北研中心常务副主任李东升表示，民用飞机复合材料应用的发展势必要满足安全性、经济性、舒适性、环保性四个要求。在经济型方面，民航领域主要应用12k或24k的小丝束碳纤维，但其价格为大丝束碳纤维的5倍，因而，提高大丝束碳纤维性能，改进树脂浸渍技术能更有效的降低成本。

对比先进，国内差距在哪
　　
不久前，在美国巴尔的摩举办的2015 SAMPE国际大学生超轻复合材料桥梁竞赛中，来自中国成都航空职业技术学院的5位学生制作的工字梁以自重482克承重5.352吨，击败了东京大学、华盛顿大学等众多世界名校参赛者，勇夺得该项目冠军。这些工字梁正是由碳纤维组成。

对于这种复合材料，江苏恒神股份有限公司研究员沈真认为，随着整体化设计、低成本非热压罐工艺及自动化、数字化技术的发展，碳纤维的需求量仍有增长空间。但由于设计制造技术在工业应用上的差距，减重效果、成本与国外有较大差距，这也成为碳纤维复合材料在军用航空航天结构中扩大应用的瓶颈。而其原材料在国外严格控制出口，属于禁运物资，因而必须实现国产化批量生产。
　　
由碳纤维材料制成的无人机赫氏公司中国分部技术总监吴一波也坦言，中国的先进复材发展水平与国际仍有较大差距，当前最缺乏的是创新。每家企业都具有自己的研发体系，这些研发体系可能在不同的方面分别呈现出各自的优势，如果相互联合、互通有无，将更容易实现技术上的突破。
　　
李东升则建议，国内自动化制造程度不高，新材料新工艺有限，许多材料使用传统的预浸料方式制造，工艺控制水平有待提高，同时，需要加强设计制造一体化的理念，材料供应商与使用者一起研发，根据具体需求进行调整。
　　
李宏运介绍，我国目前在汽车与材料之间还没有形成完善的产业链，产量、生产效率还不能满足市场需求，成本居高不下。一方面，汽车厂商已经意识到先进复材在汽车减重方面的作用，但如何通过复材的应用给客户带来价值，还没有形成完整的路径；另一方面，在创新方面还缺乏相关的数据，相关的人才不足，复合材料制造商也缺乏汽车领域应用的经验，难以大批量生产。
　　
约翰·奥康纳告诉记者，国际上的先进技术往往是通过一代人甚至几代人的努力才获得成功，对于中国来说，要达到世界领先水平，必须注重基础性研究和数据的累积。
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日新月异，新技术一日千里
　　
随着科技的进步以及民用需求的不断拓展，复合材料正在向智能化、高效化的制造流程和低成本发展，而对高性能复合材料的需求，尤其是高端以及大规模的民用需求在持续增长，也催生着复材制造业的迅猛发展以及新材料的大量应用。
　　
对于复合材料的发展趋势，泰德·林奇指出：“软件仿真模拟、低成本工艺技术将成为复合材料的两大趋势，但未来20年，仍存在材料发展、社会因素、材料应用等方面带来的不确定性。而高分子聚合物复材、轻量化结构材料将成为未来4年发展较快的材料。中国的复材行业增长很快，相信会有很多资金流入这个领域。”
　　
由复合材料制成的机械构件引起参观者的关注 “智能化意味着低成本、高质量、高效率的生产流程，未来对于复合材料的需求将持续增加，而智能化也将成为复合材料制造的主要方向。”西门子PLM Software 的Fibersim产品与航空市场战略总监约翰·奥康纳告诉中国化工报记者，西门子致力于为复合材料厂商提供包含了结构设计、铺层设计、有限元分析、工艺及制造、车间执行系统在内的完整解决方案，最具优势的就是Fibersim软件对复材的模拟仿真，以数十年的数据作为支撑，因而可对制造阶段的数据进行有效的预测、分析，提前发现并解决复合材料在制造过程中潜在的制造问题，同时，西门子也提供后续的客户服务，帮助研发人员创新复合材料。
　　
韩国先进科技研究院教授洪顺邢预计：“世界先进复合材料将会成为未来经济增长的核心引擎之一。到2020年，预计碳纳米复合材料、车用智能涂层钢板、超高纯碳化硅材料等10种关键性材料的国际市场规模将超过10亿美元，市场占有率将达到30%。”
　　
据洪顺邢介绍，韩国正在大力发展碳谷项目，包括研究低成本碳纤维的工艺改进，大丝束碳纤维的制造工艺和中间产品，高性能中间产品和车用复材以及利用石油附加产片生产碳纤维和汽车构件的技术等31项重点研发项目。其路径是在调查科研成果产业化程度的基础上，分析现有的技术水平；评估经济和技术的匹配度，分析这些技术被商业化的可能性及技术发展阶段，预判市场容量，选取其中重合率高的技术作为主要发展方向。
　　
“在2013~2018年，韩国将大力发展触控面板、高阻隔复合薄膜、OLED面板、电磁屏蔽、防蚀层5方面的石墨烯应用。”洪顺邢透露。
　　
据记者了解，美国已经开展了材料基因组计划，从原子层面看材料，统筹不同领域的应用。主要有两个目的，其一是缩短新材料的开发周期，将复合材料由实验室到产业化的时间减少至10年；其二是降低制造成本至原来的一半。
　　
泰德·林奇介绍，材料基因组计划的内容包括四个方面，第一，改变发展模式，鼓励促进研发的整合，加强国际合作；第二，整合实验、计算、理论，建立基因组资源网络，便于创建准确、可靠的模拟数据，完善实验工具；第三，建立开放数据库，便于研究开发人员获取数据；第四，加强下一代科研人员培养，编写全新教育课程，提供更多参与研究的机会。
　　
在被问及中国将如何开展类似材料基因组等基础研究时，李宏运表示，对于非商业利益的基础科研项目需要政府有关部门的大力支持，从国家层面进行顶层设计，更重要的是要开展全球性的合作，以及不同领域的信息共享，设立专门的项目管理机构，对参与的高校、研究机构、监管部门等统筹管理。（摘自中国化工制造网）

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