高性能纤维及复合材料产业及技术发展若干问题

1、高性能纤维与复合材料产业与技术发展若干问题,余木火 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

2、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

3、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

4、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,纤维材料改性国家重点实验室 轻质结构复合材料上海市重点实验室 上海市复合材料高校工程中心 高性能纤维及其制品教育部重点实验室（B） 高性能纤维与复合材料上海市产学研中心 民用航空复合材料协同创新中心 上海市复合材料学会（理事长单位） 中国复合材料科技咨询工作委员会（主任单位） 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,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,民用航空复合材料结构设计技术团队 民用航空复合材料基础科学与关键技术团队 大型复合材料结构制造技术团队 复合材料结构连接装配技术团队 航空复合材料结构检测与验证技术团队 民用航空复合材料设计与评价技术团队 关键原材料国产化技术与工程集成团队 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

5、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,CONTENTS,4600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,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 率先实现粘胶基碳纤维国产，东华大学 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 率先实现2000吨芳纶1313产业化，东华大学 2000吨T

6、300碳纤维生产线，东华大学、神鹰 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 1000吨聚酰亚胺纤维生产线，东华大学，奥神集团 正在建设年产200吨聚芳酯纤维生产线，东华大学 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 粘胶基碳纤维：生产车间24小时运行，用于多种洲际导弹； 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； 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 聚酰亚胺纤维已经建立吨级中试线，用于空间抗辐射装备 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 碳纤维力学性能及其分散性系数表征方法 碳纤维表面化学结构表征方法 上浆剂含量表征方法 碳纤维浸润性表征方法（接触角） 碳纤维与标准树脂制备的复合材料

7、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 树脂流动曲线 树脂固化性能固化曲线 树脂力学性能 树脂耐候性能 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 热压罐法制备碳纤维复合材料标准样品 VARI法制备碳纤维复合材料标准样品 RTM法制备碳纤维复合材料标准样品 热压法制备碳纤维复合材料标准样品 碳纤维复合材料拉伸性能表征 碳纤维复合材料弯曲性能表征 碳纤维复合材料层间剪切强度表征 碳纤维复合材料冲击损伤容限表征 碳纤维复合材料耐湿热老化性能表征 碳纤维复合材料耐候性表征 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

8、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,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

9、升降舵液体成型技术,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 结构设计能力与委托的汽车企业联合 材料设计能力公共平台基本能力，聘请专业计算人员 模具设计与制造能力与模具公司签订快速响应合约 样件制造能力公共平台聘请专业熟练工程技术人员 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 装车试验委托企业 反馈与改进定型产品 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 速度达500-900米/分，现在PAN原丝最快250米/分 缺陷少，没有皮芯，原丝强度达0.71GPa，有望制备高性能碳纤维 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； 破坏分子链间相互作用，更容易拉伸，不需要高压蒸汽拉伸 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 PAN-木质素原丝碳纤维得率高 正在组织1000吨原丝生产线,东华大学碳纤维研究 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 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,碳纤维汽车轮毂量产技术 筹备成套生产线：3.2万件/年,建立国际领先的轮毂快速成型量产技术，需要投资1000-5000万美元，正在筹备建立年产3.2万件生产线； 宝马投资2.5亿欧元，建设年产2万件生产线，预计2016年投产。,碳纤维车身量产关键技术 前地板量产技术研究：目标-5万件/年,模压成型：增强勒、夹心蜂窝、SMC、热塑性注塑件、热塑性板材和金属预

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