1962年，中科院长春应化所李仍元先生和中科院金属所张名大先生开始研究碳纤维，我国碳纤维行业从那时起步，1975年“7511”会议之后，碳纤维正式列入国家计划。经过多年的发展，我国碳纤维产业相继突破了一批“卡脖子”技术，一批龙头企业相继崛起，市场应用逐渐放量。即便如此，我国碳纤维及其复合材料的技术水平和应用范围仍有差距。未来，碳纤维行业发展将面临哪些挑战？怎样实现从跟踪、并行到领跑的总目标？这些话题在6月26—28日召开的2019（第八届）国际碳纤维产业发展（盛泽）大会上受到热议。
产业集群逐渐成形
中国化工信息中心党委副书记李中在致辞中指出，经过十多年的引进消化与自主研发，我国碳纤维及其复合材料从无到有，初具规模。产业链配套不断加速、产学研体系初步构建、下游应用正在启动。行业已先后突破了T700、T800等高性能纤维的千吨级产业化，吉林化纤自主研发的48K大丝束碳纤维原丝顺利通过碳化并持续批量生产，且碳化效果远超预期，各项指标均超过了日本东丽T300级产品的水平，为国产碳纤维在汽车、轨道交通、风电叶片等领域的广泛应用提供了支撑。与此同时，我国也成长起了一批碳纤维龙头企业，产业规模集群逐步形成。但行业也应清醒地认识到，相对于日美等国，我国碳纤维及复合材料仍处于追赶阶段，关键技术、关键装备仍受制于人。上下游协同创新不足，下游复合材料企业不敢用、不会用的情况仍未得到明显改善。这些都严重制约了国内碳纤维行业的发展。
据中国科学院化学研究所研究员、深圳大学特聘教授徐坚介绍，我国碳纤维发展起步于1962年，经历了几代科学家的努力，逐步突破了一系列卡脖子技术。由于技术参数控制点3000~5000个，并且涉及高分子化学、高分子物理、物理化学、无机化学、材料科学等多个领域，PAN纤维高性能化举步维艰。随后，我国“十五”期间设立了863碳纤维专项，确定PAN原丝作为突破口，设立PAN碳纤维独立考评机机制，构筑共享公用的表征测试平台，坚持形成以企业工程化研发为核心的体系，建立了战略调研、专利和技术/信息共享机制。以此为基础，我国对超高性能PAN的研究，从不知其然，到知其然再到知其所以然，突破了一系列关键制备技术。
徐坚指出，目前我国24家具有工程产能以上产能的碳纤维企业理论产能总计超过23810吨，约为全球的18%。2017年国产碳纤维产量达7000余吨（2018年数据大致维持该值），同期总需求量达2.2万吨，大约2/3依赖进口。我国碳纤维生产厂家的分布初步形成了以江苏、山东和吉林为主的产业集群。
徐坚预计，到2020年，随着高性能纤维和基体材料制备、表征及复合技术的进步，关键技术将全面突破，我国高性能纤维及其复合材料与国际先进水平将达到基本同步，实现高性能化、高效化、高稳定化。到2035年，我国在高性能纤维及复合材料领域中，科学基础、技术水平等将领跑于全球，产业规模、产品应用、市场体量名列世界前茅，预计将率先成为GDP超过万亿元级的新材料之一。
投入与产出未达预期
徐坚指出，在航空航天领域，以山东光威、中简科技等为代表的主力企业完成了数百万吨国产碳纤维的销售（部分以织物和预浸料形式）；在民用市场，中复神鹰、江苏恒神、浙江精功等企业完成了约0.65万吨国产碳纤维的销售，并在逐步扩大市场份额。
然而，作为一种战略性新兴产业，碳纤维及复材行业目前仍处于投入期。中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运指出，近年来，我国面对民用航空、汽车等交通领域碳纤维和复合材料的大规模投资并未达到预期的产出和效益，企业陷入困境。先进复合材料在民用航空、高铁和汽车等交通运输领域规模化应用的产业成熟度很低，绝大部分产品尚处于实验室和工程化验证阶段，新市场尚未形成，产业成熟度处于萌芽期，尚需继续脚踏实地突破关键技术和各项成熟度。
因此，李宏运建议，企业要总结经验，看清前路，找准定位，潜心攻关，上下协同，共振产业；政府应继续加大对该产业的支持，创造更好的政策、市场环境和融资环境；投资人应选择真正推动产业发展的企业和研究机构进行投资，通过多轮投资迭代获得价值，避免贪多求大、跨越产业发展规律和阶段的盲目投资。
在嘉宾访谈环节，发言嘉宾与参会代表共同展开了头脑风暴，讨论了当前我国碳纤维行业发展的一些瓶颈问题以及未来发展的方向。会议嘉宾表示，当前，为快速提升产量，一些企业存在疲于应付生产，而忽视技术研发投入的问题。对此，李宏运认为，这一现象的根源在于成果转化机制与回报机制之间的不协调。与发达国家不同，我国目前仍处于“以生产换技术”的阶段，研发—批量生产—换取回报，这不是长远发展之计。希望未来碳纤维产业能够达到技术共享、资本共享、成果共享，这才能够保证技术顺利转化成回报。
碳纤维复材应用如何打开新局面？
总体而言，虽然国内碳纤维复合材料目前已具备了一定的产业规模，但是下游不敢用、不会用的问题依然是行业前进路上最大的“绊脚石”，也是造成国产材料应用推广难以打开新局面的关键所在。
1.飞机需要怎样的碳纤维复材？
据哈尔滨飞机工业集团飞机设计研究所副总设计师宫少波介绍，复合材料具有低重量、高强度、高刚度、可设计性、腐蚀不敏感、耐疲劳性能优异、适于整体成型等优点，在飞机上已有广泛应用。早在上世纪40年代至50年代，玻璃纤维/环氧复合材料就开始应用于飞机结构的雷达罩、副油箱、地板、舱门和整流罩等结构上；硼和石墨（碳）纤维复合材料则于60年代中期开始应用于飞机结构。玻璃纤维复合材料减重效果不明显，硼纤维复合材料价格昂贵、工艺性差，而性能优异的碳纤维复合材料则得到了迅猛发展和广泛应用。碳纤维复合材料早期的应用是从战斗机和直升机开始，随着技术逐步走向成熟，复合材料应用扩展到大型军用飞机和商业飞机。
宫少波指出，直升机复合材料技术有以下发展趋势：
一是高性能化和低成本化。
企业在开发高强高模碳纤维、高韧性基体树脂和增强界面性能的同时，亟需降低材料成本，扩大应用。模量＞700Gpa、强度＞5500MPa的碳纤维，冲击后压缩强度（CAI）＞300MPa的高韧性树脂，以及大丝束碳纤维（材料成本降低50%以上）成为未来的需求方向。
二是纤维增强热塑性复合材料应用越来越广泛。
热塑性复合材料以其高损伤容限、成型周期低、可循环再利用等优点，正被日益广泛地应用于直升机。
三是复合材料设计验证技术体系趋于规范。
例如，共用数据库，实现行业统一数据源；建立复合材料结构设计技术体系，行业统一设计标准规范；复合材料结构验证技术体系，由试验验证为主向以分析为主转变；利用高效设计手段，如通用软件集成与仿真；设计-制造一体化，实现面向制造的设计。
四是低成本设计及制造技术。
包括整体化设计与制造及DFM技术，自动化、智能化制造技术，以及罐外成型技术等。
此外，技术趋势还包括结构功能一体化技术、复合材料智能结构、全复合材料直升机。宫少波表示，典型的第四代直升机复合材料用量已经超过50%。进一步扩大复合材料用量，甚至全复合材料将成为直升机发展的一个新趋势。
2.风电新形势下，机会在哪儿？
2017年，全国风电新增装机容量19.5 GW(较上年增加量下降3.5 GW），累计装机容量达到1.88亿千瓦。2018年新增装机21GW，总装机容量209GW。预计随着“十三五”的结束，风电装机会迎来一个新高峰。
据江苏澳盛复合材料科技有限公司技术总监严兵介绍，国外专家认为，由于现有材料不能很好满足大功率风力发电装置的需求，玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限。因此，在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时，叶片制造时采用碳纤维已成为必要的选择。事实上，当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻璃纤维叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都有所下降。
严兵认为，在风电领域，碳纤维的优势在于：碳纤维复合材料的高强度和高刚度，可以使叶片做的更长，发电功率更大；电机重量相应减轻，辅助设施也可以相应瘦身；运输、安装等难度降低，费用减少；功率增加，损耗减小，发电量增加；维护成本降低。
但是目前碳纤维用于风电领域时，仍存在以下问题：一是碳纤维相较玻璃纤维材料成本高（玻璃纤维5元/kg Vs 碳纤维100元/kg ）；二是碳纤维相较玻璃纤维材料韧性差（断裂延伸率：玻璃纤维3% Vs碳纤维1.5 %）；三是碳纤维较难浸润；四是透明性差，缺陷更难检查。
因此，严兵建议，未来应将研究重点放在大丝束碳纤维、工艺创新、热塑性碳纤维复合材料叶片，以及碳纤维复合材料的回收等方面。
3.如何设计最适合汽车的碳纤维零部件？
苏州华特时代碳纤维有限公司总经理熊飞指出，碳纤维复合材料在汽车零部件上获得了越来越多的应用。碳纤维产品在汽车上的应用可实现结构增强、设计造型的自由度和漂亮的外观，以及满足某些特殊功能或集成功能。与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料在耐腐蚀性等方面优势明显，但在耐冲击性能和耐紫外线性等方面有所欠缺。产品设计决定了产品质量和开发周期。碳纤维复合材料用于汽车零部件时，要注重通过面向制造的设计（DFM）和面向成本优化的设计（DFC）打造核心竞争力。
树脂基体研发新方向在哪里？
树脂基复合材料具有重量轻、强度高、加工成形方便等特点，已在国民生产、生活的多个领域得到广泛应用，成为我国重点发展的化工新材料之一。李中指出，作为材料体系的重要组成部分，复合材料专用树脂的技术水平决定了复合材料产业的发展水平。随着下游应用领域的拓展，新型复合材料不断涌现，对树脂的差异化、系列化提出了更高要求。当前，我国热塑性和热固性树脂的发展已具备一定水平，但中低端产品过剩、高端产品不足、产品牌号单一的现象普遍存在，实现高质量发展迫在眉睫。与此同时，正确匹配树脂和增强相也至关重要，这需要上下游的协同创新。本次大会设立了复合材料专用树脂专场，来自国内树脂界的专家介绍了复合材料专用树脂的最新研究进展。
中国石油化工股份有限公司北京化工研究院副总工程师张师军指出，目前连续纤维增强材料量产存在五大挑战：一是原料成本高；二是循环周期长，制造成本高；三是设计开发难度大，缺少成熟数据库；四是材料回收难；五是设计开发难度大，缺少成熟数据库。自上世纪90年代起，中国石化北京化工研究院就开展了关于碳纤维增强热塑性材料的相关研究，取得了诸多成果。
中国科学院化学研究所研究员李昊介绍了耐烧蚀、耐高温树脂基体的制备与性能研究。李昊表示，防热关系航天器成败，烧蚀材料是航天材料体系的核心构成。科研工作者正致力研究多种技术途径来提高材料的烧蚀性能。例如，通过液体成型工艺、RTM工艺等工艺改进，提高防热材料烧蚀性能；提高残炭率，关注成炭结构等。酚醛树脂是烧蚀材料中应用最成熟、最广泛的一种材料，其具有碳化层致密、烧蚀成炭率高等优点。
济南圣泉集团股份有限公司国家级技术中心副主任李枝芳指出，酚醛树脂一种非常好的粘结剂，用途非常广泛，用量仅次于环氧。虽是一种古老的树脂，但是其应用在不断创新。以酚醛树脂为粘合剂，玻璃纤维、碳纤维等作为增强材料制作而成的复合材料，因强度高，可以和钢铁相比，又称为酚醛玻璃钢。其具有优异的阻燃、耐酸性，在军工及铁路、轮船等领域应用越来越广泛。
高性能树脂基复合材料虽然在军民航空装备中得到广泛应用，但其高昂的制造成本成为其进一步推广应用的主要障碍，尤其是将阻碍在无人机、通用航空、交通运输等成本敏感领域的应用。中航复合材料有限责任公司高级工程师张连旺表示，以树脂传递模塑（RTM）技术及真空辅助树脂浸渗（VARI）技术等为代表的液态成型制造技术，以及采用预浸料在罐外成型的真空袋压工艺技术（VBO）成为继传统的预浸料热压罐成型工艺之后，航空复合材料高性能、低成本制造技术发展的主流技术。未来，提高复合材料冲击后压缩强度与纵向压缩强度是复合材料技术发展的主要方向。
随后，张连旺详细介绍了液态成型工艺材料的相关技术与应用。由于液态成型工艺需要满足树脂低粘度的工艺要求，因此仅仅依靠树脂基体提高复合材料增韧幅度有限，将热塑性增韧剂引入增强材料中是一种不错的选择。使用热塑性增韧剂增韧液态成型树脂基复合材料有两种形式，一种是将热塑性增韧剂以纤维束形式与结构纤维混编，如Cytec公司的PRIFORMTM Technology；另一种是将热塑性增韧剂制备成短切纤维毡、无纺布、网格布、有孔薄膜等，然后置于增强织物表面或其层间，在液态成型工艺过程中不会阻碍树脂流动。基于自动化工艺的高韧性液态成型复合材料能够更好地满足航空市场应用需求，为液体成型工艺的推广和应用奠定了基础。
航天材料及工艺研究所结构复合材料中心主任蒋文革表示，当前国外已经成功研制出了液氧相容性树脂和复合材料，完成了液氧相容性等各项性能系统评价，并研制出复合材料液氧贮箱样件，开展了模拟实际使用工况的测试。国外完成了液氧相容性复合材料气瓶的考核试验，已经应用于Space X公司的猎鹰9火箭中，进行了多次的正式飞行。而国内仅初步开展了液氧相容性的树脂体系和复合材料的基础研究工作，初步获得了具有较好液氧相容性的材料体系，但是复合材料液氧相容性的关键影响因素和深层机理及其工程化应用研究等正在成为热点。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员马松琪介绍了易回收热固性树脂设计合成及在碳纤维复合材料中的应用。他指出，香草醛适合制备高性能、易回收的热固性树脂；热固性树脂可用于制备碳纤维复合材料，其性能与双酚A环氧碳纤维复合材料相当，同时可以实现碳纤维的无损回收；杂环双缩醛结构可以构筑高性能、易回收热固性树脂；香草醛基席夫碱热固性树脂和席夫碱-环氧热固性树脂，都可以方便地制备，同时易于降解和重塑回收，但只有席夫碱热固性树脂可以回收起始单体；通过双苯环共轭后，席夫碱的稳定性可大幅提升。