高性能纤维与复合材料产业与技术发展若干问题

高性能纤维与复合材料产业与技术发展若干问题余木火[e-mail]东华大学研究院纤维材料改性国家重点实验室(东华大学)民用航空复合材料协同创新中心吉林省碳纤维复合材料联盟2015.1.23吉林过去20年重点是“有无”问题；未来重点是产业规模和产业链问题•没有规模不成为产业，更无法成为新材料产业的重要组成部分•规模太小无法竞争：碳纤维东丽6万吨；中国30多家企业，才能3万吨；但最大2千吨？芳纶：杜邦6万吨；中国最大1000吨？•应该发挥国家意志：建立2万吨碳纤维企业、2万吨芳纶企业，并与相关国家研究机构共同形成具有高水平的国家高性能纤维研发能力–企业家有信心—有规划、可行方案–国家有决心—政策、资金、研发等长期支持–大众热心—开发对社会、国家和人民有利的产品–建立国家研发能力，支撑产业的跨越式发展1、产业规模与国家研发能力•培养一批产业链企业，每个环节培育1-2家龙头企业，并与科研院所共同建立中国研发能力–复合材料制品（汽车、航空、航天、建筑、高铁、地铁、机器人、运动汽车等）–复合材料树脂–复合材料织物–复合材料预浸料–复合材料成型辅料（真空袋、脱模、导流、表面、耐候等）–复合材料自动化生产装备（模压、RTM、VARTM、铺放、拉挤、缠绕等）–纤维生产企业–化工原料生产企业–纤维生产装备企业2、产业链及其研发能力•面对国外的成熟市场，应该重点培育具有战略意义，具有中国特色的大市场–中国的汽车产业：10%电动车为250万，每辆用150公斤复合材料；37.5万吨复合材料，18万吨碳纤维–中国的大型飞机，A320、B737、C919、MC-21都在进行复合材料化，如果C919每年1000架,30吨,3万吨–中国高铁：–海洋与防腐蚀：每年中国损失6万亿–先进制造：惯性小精度高、电池寿命长3、培育具有中国特色的复合材料市场碳纤维在各领域的应用开始出现井喷现象，主要源于低成本化技术。整个产业链的技术进步，降低成本是中国这个产业成败的关键；•“贵族气质”的市场—中国现阶段难以竞争；汽车、高铁、抗腐蚀、先进制造等新兴市场的应用程度取决于成本；•碳纤维低成本化技术•高端航空复合材料低成本化：MC-21液体成型制造机翼，中俄双通道机翼机身用液体成型？•汽车复合材料零部件快速成型量产技术及其自动化生产线•预成型体、预浸料、泡沫、蜂窝高效制备技术与低成本化•无中间体复合材料成型技术及其自动化生产线4、全产业链低成本化技术研发碳纤维低成本化•国际发展趋势–PAN大丝束、干喷湿纺、熔体纺丝–PAN+木质素–沥青基碳纤维–快速氧化碳化–SGL：汽车专用碳纤维•东华大学：融纺PAN+木质素+沥青+快速氧化碳化•中国碳纤维发展之路：大规模专业化原丝？4-20万吨原丝–腈纶公用工程–高质量低成本原丝—30家企业自己放弃做原丝，宁愿从吉化购买–政府补贴，培育1-2家质量最好、有规模、有国际竞争力的企业–研发高效氧化碳化成套装备：电力成本低地区，海上电力？•宝马电动汽车碳纤维车身与底盘技术路线底盘与车身分别制造宝马i3的重量比世界上最畅销的电动汽车日产聆风还轻20%。这使得车辆的0-100公里/小时加速时间仅为7.2秒，比日产聆风快4秒。车身重量150公斤，由25个零部件胶结，其中胶15公斤模块化设计—碰撞时不会整个骨架破坏，而只需要更换碰撞模块，模块容易脱胶，现场胶结，成型宝马公司准备将碳纤维零部件推广到其他量产车型，如投资2.5亿欧元，建立年产2万件轮毂生产线，2016年投产宝马公司准备将碳纤维车身应用与3系列制造复古成型宝马公司准备将碳纤维车身应用与7系列减重460公斤碳纤维黑车身结构世界各汽车公司纷纷开发碳纤维黑车身结构碳纤维汽车零部件碳纤维汽车零部件碳纤维汽车零部件碳纤维汽车零部件碳纤维汽车零部件碳纤维汽车零部件东华大学高性能纤维与复合材料研究基地1.纤维材料改性国家重点实验室2.轻质结构复合材料上海市重点实验室3.上海市复合材料高校工程中心4.高性能纤维及其制品教育部重点实验室（B）5.高性能纤维与复合材料上海市产学研中心6.民用航空复合材料协同创新中心7.上海市复合材料学会（理事长单位）8.中国复合材料科技咨询工作委员会（主任单位）9.中国复合材料学会增强体专业委员会（理事长单位）四、协同创新中心保障与支持情况协调委员会主任翁铁慧上海市政府副市长成员袁雯上海市教育委员会副主任徐明稚东华大学校长贺东风中国商用飞机有限责任公司总经理陈杰上海市科学与技术委员会副主任周亚上海市发展和改革委员会副主任马静上海市经济和信息化委员会副主任田春华上海市财政局副局长4个部委发文支持上海市高度重视，大力支持协同创新中心建设民用航空复合材料协同创新中心1.民用航空复合材料结构设计技术团队2.民用航空复合材料基础科学与关键技术团队3.大型复合材料结构制造技术团队4.复合材料结构连接装配技术团队5.航空复合材料结构检测与验证技术团队6.民用航空复合材料设计与评价技术团队7.关键原材料国产化技术与工程集成团队8.预成型体设计与制造技术团队结构设计平台中国商飞、上海交大结构制造与装配技术平台中国商飞、东华大学结构检测与验证平台上海交大、中国商飞基础科学与关键技术平台东华大学、中国商飞C919复合材料攻关体系盒段、增强筋壁板、夹芯壁板、复杂立体结构等典型结构设计成型技术、制造连接装配等面向未来先进技术体系下一代机型预研、国际同步先进技术研发、关键基础科学问题研究复合材料产业链基础性体系一体化研发能力、关键原材料国产化、高端装备与模具、数据中心、人才培养与学科建设三大体系四大平台三大任务八个团队面对中国民航复合材料跨越式发展的共性关键科学技术问题研究民航复合材料关键原材料国产化及适航应用评价研究C919飞机大型复合材料结构研发与应用关键技术民用航空复合材料协同创新中心CONTENTS4600平方米复合材料工程实验楼民用航空复合材料协同创新中心CCAC-高性能纤维产业化基地1.率先实现超高分子量聚乙烯纤维产业化，全球30%、东华大学技术2.率先实现粘胶基碳纤维国产，东华大学3.率先实现1000吨高模量芳纶1414纤维产业化，硅谷、东华大学，正在储备建设5000吨生产企业4.率先实现2000吨芳纶1313产业化，东华大学5.2000吨T300碳纤维生产线，东华大学、神鹰6.1000吨干喷湿纺T700碳纤维生产线，东华大学、山东大学、河北硅谷新材料有限公司，尽快实现产业化7.1000吨聚酰亚胺纤维生产线，东华大学，奥神集团8.正在建设年产200吨聚芳酯纤维生产线，东华大学9.正在建设年产100吨低成本碳纤维原丝工程实验室线，筹备5000吨生产线•特种高性能纤维，量小，但战略武器研发不可或缺；武器的发展需求不断改进，不断提高，适合把基地建设在高校；•希望建设成为国家特种高性能材料研发生产一体化基地1.粘胶基碳纤维：生产车间24小时运行，用于多种洲际导弹；2.高温陶瓷纤维：建立研发生产基地，用于近空间高超音速飞行器、巡航弹、精确制导、高超拦截系统；3.芳纶高性能化：用于固体火箭发动机；新处理方法，同时提高强度、模量和界面粘合强度4.聚酰亚胺纤维—已经建立吨级中试线，用于空间抗辐射装备5.高模量碳纤维---正在筹备激射2吨生产线，用于上海八院CCAC-高性能纤维科研生产一体化基地A、碳纤维评价体系1.碳纤维力学性能及其分散性系数表征方法2.碳纤维表面化学结构表征方法3.上浆剂含量表征方法4.碳纤维浸润性表征方法（接触角）5.碳纤维与标准树脂制备的复合材料样品：拉伸、弯曲、层间剪切强度、冲击损伤容限值、湿热老化性能测试B、树脂和预浸料评价体系1.树脂流动曲线2.树脂固化性能—固化曲线3.树脂力学性能4.树脂耐候性能5.用树脂与标准碳纤维纤维（T300或T800）或预浸料制备的复合材料表征样品：拉伸、弯曲、层间剪切、耐老化、冲击损伤荣限值C、复合材料评价体系1.热压罐法制备碳纤维复合材料标准样品2.VARI法制备碳纤维复合材料标准样品3.RTM法制备碳纤维复合材料标准样品4.热压法制备碳纤维复合材料标准样品5.碳纤维复合材料拉伸性能表征6.碳纤维复合材料弯曲性能表征7.碳纤维复合材料层间剪切强度表征8.碳纤维复合材料冲击损伤容限表征9.碳纤维复合材料耐湿热老化性能表征10.碳纤维复合材料耐候性表征11.探索用中空纤维制备碳纤维复合材料孔隙率表征标准样品CCAC-航空材料评价技术体系CCAC-裁床、冰库、切割CCAC-热压罐成型技术与设备CCAC-VARTM液体成型技术与设备CCAC-预成型体+RTM液体成型技术CCAC-大型结构模压成型技术与设备CF-PES热塑性增强肋，防鸟撞前缘CF-PP汽车覆盖件CCAC-热塑性预浸料带及其铺放技术CCAC-缠绕成型技术与设备•汽车传动轴•纺织印染辊•轮船传动轴•汽车座椅管件CCAC-高性能纤维表面连续处理•热塑性型碳纤维上浆剂•液体成型用碳纤维上浆剂•橡胶型芳纶上浆剂•光纤型芳纶上浆剂•环氧型芳纶上浆剂•碳纤维表面纳米结构域浸润性•碳纤维镀铜及其高铁滑触导线•导电芳纶纤维CCAC-复合材料结构连接技术•增强肋与汽车底板连接CCAC-无损检测与健康检测技术•中空纤维作为缺陷标块•A扫描•C扫描•中空纤维标块•多通道光栅健康监测技术•真空管健康监测技术CCAC-陶瓷复合材料模压烧结成型•SIBNC航空发动机燃烧室隔热板飞机窗框液体成型技术窗框样件照片窗框模具照片RTM树脂及工艺性能研究；预制体编织缝合技术研究；RTM工艺树脂流动和孔隙形成数字仿真及研究；RTM成型工艺参数研究；窗框强度测试与分析。纺织预成型体及其液体成型法制造机门技术探索•碳纤维筋框架承力结构•碳纤维复合材料蒙皮•预埋铝合金交联结构41主起后接头-结构主起后主接头：主起后接头用于连接主起后交点，前端直接与机翼翼盒后梁连接，外端和辅助梁连接，下端和加强板连接。承受来自主起后交点的载荷，并把载荷传递到后梁。辅助梁主起后接头斜加强件支撑件3号隔板4号隔板2号隔板1号隔板尺寸：1138*472*467重量：96.512kg纺织预成型体及其液体成型法制造起落架接头探索1、“C”型梁2、翼根肋3、中间肋4、前梁C919升降舵液体成型技术铰链接头升降舵VARI成型关键技术•碳纤维含量与厚度控制；•VARI法制备蜂窝夹芯结构技术；•降低孔隙率新方法研究。VARI成型升降舵样件制备升降舵上壁板升降舵加强肋升降舵下壁板C919升降舵液体成型技术C919和双通道飞机机身模块液体成型技术东华大学民用航空复合材料协同创新中心碳纤维汽车零部件小批量样件制造快速响应公共平台•按照汽车企业要求或金属样件，争取6个月提供小批量样件1.结构设计能力—与委托的汽车企业联合2.材料设计能力—公共平台基本能力，聘请专业计算人员3.模具设计与制造能力—与模具公司签订快速响应合约4.样件制造能力—公共平台聘请专业熟练工程技术人员5.性能检测能力—公共平台，建立复合材料汽车零部件台架测试方法6.装车试验—委托企业7.反馈与改进—定型产品8.量产生产线设计—委托企业与公共平台•只收成本费，参与量产技术及其生产线开发，如–碳纤维传动轴、轮毂、6个门、座椅：可作为客户选配产品–底板、车身等主要优点1.速度达500-900米/分，现在PAN原丝最快250米/分2.缺陷少，没有皮芯，原丝强度达0.71GPa，有望制备高性能碳纤维3.熔体原位化学改性，使环化过程放热分散，以提高氧化碳化生产线的速度2-3倍；4.破坏分子链间相互作用，更容易拉伸，不需要高压蒸汽拉伸5.熔体纺丝设备投入少，效率高，有望建立大规模原丝生产基地6.PAN-木质素原丝碳纤维得率高7.正在组织1000吨原丝生产线东华大学碳纤维研究1.建立碳纤维低成本制备新方法：PAN熔体纺丝，PAN-木质素；PAN-沥青；高效氧化碳化，预计碳纤维成本80元/公斤2.干喷湿纺：河北硅谷1000吨生产线，T700，正在攻克T800碳纤维汽车传动轴量产技术成套生产线：12万件/年•钢传动轴9.6㎏，碳纤维传动轴3.57㎏（其中金属万向节2.07公斤），减重6㎏碳纤维