“到2019年，全球復合材料的市場規模將達到30億美元，而每年都會有關于復合材料的新技術產生。”近日，國際先進材料與工藝技術學會（SAMPE）北美主席泰德·林奇對復合材料的未來市場做出樂觀的預期。
　　面對未來市場，業內人士指出，不得不承認，相比歐美等發達國家，我國先進復合材料行業仍處在起步狀態。以飛機結構用復合材料技術而言，我們應用的規模與水平、設計的理念和方法、材料的基礎和配套、制造的工藝和設備、創新的政策與引導均較為落后。那么我們應當如何趕上？復合材料正在哪些領域大展宏圖呢？中國化工報記者就此進行了采訪。
 

復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合材料展覽會上，江蘇恒神股份有限公司的展臺前，由復合材料制成的汽車構件備受關注。

應用廣泛，各國爭相發展
　　當前，業內所說的復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成的增強材料。他們以輕質、高強、結構可設計性、結構功能一體化等優異的綜合性能，在航空航天、國防軍工、能源交通、資源環境等國民經濟領域得到廣泛應用和重視，是衡量國家綜合競爭能力的重要標志，也是國家重點發展的高技術新材料產業之一。
　　數據顯示，2014年美國、日本、歐洲、韓國、中國的碳纖維產量分別為35.1萬噸、27.2萬噸、27.5萬噸、8.2萬噸、14.7萬噸，而未來幾年年產量將進一步上升，預計2018年美國碳纖維產量將達到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企業近40家，理論產能前三名分別是中復神鷹、江蘇恒神、威海拓展，理論設計總產能達到1.96萬噸。
　　正如我們所熟知的波音787、空客A350以及中航工業的領航150，由于復合材料優異的力學性能，減重優勢和耐疲勞特性，其在航空航天領域已經得到廣泛的認知和大量的應用，除航空、航天領域外，復合材料正在與汽車、新能源等行業碰撞出新的火花。
 

近年來，復合材料的廣泛應用引起了國內外研究人員的關注。圖為中美復合材料行業發展新動態論壇現場。

　　隨著寶馬i3的上市，復合材料成為了汽車行業的熱門話題，復合材料對汽車結構重量的減輕至關重要，也給新能源汽車帶來增長的機會。中航復合材料有限責任公司副總經理李宏運表示，到2020年，歐洲轎車二氧化碳排放標準將由現在的130g/km提高至95g/km，中國也將由155g/km的現行標準改為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%。這些標準將進一步推動復合材料的應用。
　　據了解，目前，現有的材料體系主要為了滿足于航空工業的小批量生產，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，而汽車上主要使用的大絲束碳纖維國內還沒有形成規模生產。
　　除了汽車行業，大連理工大學副校長、教授賈振元表示，大飛機制造難度高、技術鏈長、附加值高，已經成為航空制造業需要突破的關鍵技術之一，未來20年，國內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展：安全、減重。碳纖維增強復合材料因其在強度、剛度、耐腐蝕性、抗疲勞性等方面的優勢被許多先進飛機廠商看重，空中客車A350的碳纖維增強復合材料含量到達52%，而波音787達到50%。
 

圖為由碳纖維材料制成的無人機。

　　為什么要使用復合材料？賈振元指出，一是復材的性能是可以設計的，根據需求不同進行不同的設計；二是材料生產和飛機制造可同步進行；三是可以做復雜結構的材料，目的是減少連接，減輕結構重量。以我國自主研制的商飛C919客機為例，如果使用復合材料，其連接口將由3萬個減少至1萬個，能夠減重15%。通過設計、塑形、固化、機械加工、裝配等步驟制成復合材料構建后，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副主任李東升表示，民用飛機復合材料應用的發展勢必要滿足安全性、經濟性、舒適性、環保性四個要求。在經濟型方面，民航領域主要應用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，改進樹脂浸漬技術能更有效的降低成本。

對比先進，國內差距在哪
　　不久前，在美國巴爾的摩舉辦的2015 SAMPE國際大學生超輕復合材料橋梁競賽中，來自中國成都航空職業技術學院的5位學生制作的工字梁以自重482克承重5.352噸，擊敗了東京大學、華盛頓大學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。
 

圖為由復合材料制成的機械構件引起參觀者的關注。

　　對于這種復合材料，江蘇恒神股份有限公司研究員沈真認為，隨著整體化設計、低成本非熱壓罐工藝及自動化、數字化技術的發展，碳纖維的需求量仍有增長空間。但由于設計制造技術在工業應用上的差距，減重效果、成本與國外有較大差距，這也成為碳纖維復合材料在軍用航空航天結構中擴大應用的瓶頸。而其原材料在國外嚴格控制出口，屬于禁運物資，因而必須實現國產化批量生產。
　　赫氏公司中國分部技術總監吳一波也坦言，中國的先進復材發展水平與國際仍有較大差距，當前最缺乏的是創新。每家企業都具有自己的研發體系，這些研發體系可能在不同的方面分別呈現出各自的優勢，如果相互聯合、互通有無，將更容易實現技術上的突破。
　　李東升則建議，國內自動化制造程度不高，新材料新工藝有限，許多材料使用傳統的預浸料方式制造，工藝控制水平有待提高，同時，需要加強設計制造一體化的理念，材料供應商與使用者一起研發，根據具體需求進行調整。
　　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業鏈，產量、生產效率還不能滿足市場需求，成本居高不下。一方面，汽車廠商已經意識到先進復材在汽車減重方面的作用，但如何通過復材的應用給客戶帶來價值，還沒有形成完整的路徑；另一方面，在創新方面還缺乏相關的數據，相關的人才不足，復合材料制造商也缺乏汽車領域應用的經驗，難以大批量生產。
　　約翰·奧康納告訴記者，國際上的先進技術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，要達到世界領先水平，必須注重基礎性研究和數據的累積。

日新月異，新技術一日千里
　　隨著科技的進步以及民用需求的不斷拓展，復合材料正在向智能化、高效化的制造流程和低成本發展，而對高性能復合材料的需求，尤其是高端以及大規模的民用需求在持續增長，也催生著復材制造業的迅猛發展以及新材料的大量應用。
　　對于復合材料的發展趨勢，泰德·林奇指出：“軟件仿真模擬、低成本工藝技術將成為復合材料的兩大趨勢，但未來20年，仍存在材料發展、社會因素、材料應用等方面帶來的不確定性。而高分子聚合物復材、輕量化結構材料將成為未來4年發展較快的材料。中國的復材行業增長很快，相信會有很多資金流入這個領域。”
　　“智能化意味著低成本、高質量、高效率的生產流程，未來對于復合材料的需求將持續增加，而智能化也將成為復合材料制造的主要方向。”西門子PLM Software 的Fibersim產品與航空市場戰略總監約翰·奧康納告訴中國化工報記者，西門子致力于為復合材料廠商提供包含了結構設計、鋪層設計、有限元分析、工藝及制造、車間執行系統在內的完整解決方案，最具優勢的就是Fibersim軟件對復材的模擬仿真，以數十年的數據作為支撐，因而可對制造階段的數據進行有效的預測、分析，提前發現并解決復合材料在制造過程中潛在的制造問題，同時，西門子也提供后續的客戶服務，幫助研發人員創新復合材料。
　　韓國先進科技研究院教授洪順邢預計：“世界先進復合材料將會成為未來經濟增長的核心引擎之一。到2020年，預計碳納米復合材料、車用智能涂層鋼板、超高純碳化硅材料等10種關鍵性材料的國際市場規模將超過10億美元，市場占有率將達到30%。”
　　據洪順邢介紹，韓國正在大力發展碳谷項目，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品，高性能中間產品和車用復材以及利用石油附加產片生產碳纖維和汽車構件的技術等31項重點研發項目。其路徑是在調查科研成果產業化程度的基礎上，分析現有的技術水平；評估經濟和技術的匹配度，分析這些技術被商業化的可能性及技術發展階段，預判市場容量，選取其中重合率高的技術作為主要發展方向。
　　“在2013~2018年，韓國將大力發展觸控面板、高阻隔復合薄膜、OLED面板、電磁屏蔽、防蝕層5方面的石墨烯應用。”洪順邢透露。
　　據記者了解，美國已經開展了材料基因組計劃，從原子層面看材料，統籌不同領域的應用。主要有兩個目的， 其一是縮短新材料的開發周期，將復材由實驗室到產業化的時間減少至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容包括四個方面，第一，改變發展模式，鼓勵促進研發的整合，加強國際合作；第二，整合實驗、計算、理論，建立基因組資源網絡，便于創建準確、可靠的模擬數據，完善實驗工具；第三，建立開放數據庫，便于研究開發人員獲取數據；第四，加強下一代科研人員培養，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研究時，李宏運表示，對于非商業利益的基礎科研項目需要政府有關部門的大力支持，從國家層面進行頂層設計，更重要的是要開展全球性的合作，以及不同領域的信息共享，設立專門的項目管理機構，對參與的高校、研究機構、監管部門等統籌管理。