行业观点 | 中国纺织科技发展报告（2021年 ）技术篇 | （一）高性能纤维材料研究进展

高性能纤维是新材料产业的重要组成部分，是我国化纤行业重点发展的关键材料，其发展水平关系到国民经济发展和国家战略安全，对航空航天、国防军工、风力发电、土木建筑、汽车轻量化、海洋工程等领域的高质量发展发挥着重要作用。
  “十三五”期间，我国高性能纤维行业狠抓关键技术攻关，着力拓展下游应用，在产业规模、技术进步、体系建设等方面取得了明显成就，为我国制造业核心竞争力提升注入了新动力。
 
1. 产业整体规模稳步扩大
2019年我国高性能纤维总产能约15.4万吨，碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维和连续玄武岩纤维等产品产量已突破万吨，主要高性能纤维产能情况见表1。
 

表1  2019年我国主要高性能纤维产能产能情况汇总表
纤维	产能/吨	产量/吨
碳纤维	26500	12000
芳纶	19600	13800
超高分子量聚乙烯纤维	33000	23000
聚苯硫醚纤维	28000	5500
聚酰亚胺纤维	3300	700
聚四氟乙烯纤维	6000	2800
连续玄武岩纤维	35000	25000

资料来源：中国化学纤维工业协会
 
聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维等产品稳步发展，年产量均突破5000吨。聚醚醚酮纤维、碳化硅纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维、液晶聚芳酯纤维等制备关键技术取得新进展，可小批量供应市场。目前，我国已成为全球品种覆盖面最广的高性能纤维生产国，高性能纤维产能产量均已居世界前列。
 
2. 技术装备水平显著提高
近年来，高性能纤维产业技术不断提升，纤维质量以及系列化、差别化水平有了显著提高（见表2）。
 

表2 “十三五”期间高性能纤维项目获得“纺织之光”科技进步一等奖情况
年份	项目名称
2016年	千吨级干喷湿纺高性能碳纤维产业化关键技术及自主装备
2018年	静电喷射沉积碳纳米管增强碳纤维及其复合材料关键制备技术与应用
2019年	基于湿法纺丝工艺的高强PAN基碳纤维产业化制备技术
2019年	对位芳香族聚酰胺纤维关键技术开发及规模化生产
2019年	多轴向经编技术装备及复合材料制备关键技术及产业化
2020年	百吨级超高强度碳纤维工程化关键技术

资料来源：中国化学纤维工业协会
 
（1）高性能碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维原丝生产工艺体系更加多元化，干喷湿纺和湿法纺丝工艺技术逐渐完善，纺丝速度大幅提高；24K以上工业用大丝束碳纤维关键技术实现突破，自主创新开发的基于湿法工艺T700级碳纤维产品已应用于航空领域，T800级、T1000级碳纤维可小批量供应市场。
 
（2）有机高性能纤维
对位芳纶突破了千吨级产业化关键技术，高强型、高模型对位芳纶产品实现国产化，高强型对位芳纶在个体防护装备上完成应用验证。
超高分子量聚乙烯纤维差别化技术进一步提升，超高强、高模、细旦、耐热、抗蠕变等新产品制备技术实现突破。
聚酰亚胺纤维突破了聚合物合成、纤维成形、后处理、生产装备等一系列关键技术，形成了高耐热型、耐热易着色型、高强高模型三大系列。
聚苯硫醚纤维开发了细旦化产品（1.1D），可进一步提高过滤材料的过滤精度。
聚四氟乙烯纤维通过形态结构控制，创新纤维制造技术和成套生产设备，提高了聚四氟乙烯纤维滤料的过滤精度和强度。
 
（3）无机高性能纤维
连续玄武岩纤维规模化池窑、一带多漏板技术取得新进展，漏板技术实现较大提升，寿命提高，生产成本消耗不断下降；同时，计算机模拟技术开始初步应用，实现对窑炉内温度、电流，气体及熔体流速等参数判别，提升窑炉熔制技术水平。
连续碳化硅突破第二代产业化技术，产品已在航空发动机、核电ATF事故容错材料组件等领域开展复合材料试验。
 
3. 产品应用能力不断提升
随着国内对高性能纤维认识理解不断深入，国产高性能纤维质量不断提高，应用水平也持续提升。
一是产品应用领域逐步拓展。目前高性能纤维已应用于航空航天、国防军工、风力发电、土木建筑、汽车工业、轨道交通、海洋工程、光缆通信、安全防护、环境保护、体育休闲等领域，并已形成特定领域的稳定应用。
二是产品应用规模逐步扩大。2019年我国高性能纤维总消费量约12.8万吨，其中碳纤维用量3.7万吨，芳纶用量超过2万吨，超高分子量聚乙烯纤维用量约2.3万吨。
 
4. 创新平台作用持续发挥
目前全行业已初步形成涵盖基础研究、关键技术研发和应用示范的科技创新平台体系。现有国家碳纤维工程技术研究中心、碳纤维制备及工程化国家工程实验室、国家芳纶工程技术研究中心等平台，以及北京化工大学、中科院山西煤化所、中科院宁波材料所、山东大学、东华大学等高校和科研院所，进一步深化产学研合作，积极开展“卡脖子”核心技术攻关，增加技术创新有效供给，在高性能纤维的基础理论研究、关键技术研发和应用示范推广取得显著成果，对高性能纤维质量提升、高端产品研发、技术升级发挥了重要作用。
 
5. 产业政策环境日益完善
为加快突破高性能纤维行业技术瓶颈、缓解国外进口依赖、促进产业高质量发展，国家出台了一系列支持产业发展的政策，为高性能纤维行业发展营造了良好环境。
《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《新材料产业发展指南》、《工业强基工程实施指南（2016-2020年）》、《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等产业政策，进一步明确了关键新材料产业发展的目标和任务，并细化到具体材料、产品、技术指标等，为高性能纤维材料持续发展奠定了基础。高性能纤维的科技攻关、产业化及重点领域应用示范也被列入增强制造业核心竞争力、技术改造、工业强基等专项，为高性能纤维行业提高产业化发展水平，推动高性能纤维应用示范发挥了重要作用。
  我国高性能纤维产业虽然取得明显进步，但与国外发达国家相比，在质量一致性和稳定性、标准检测、应用设计与拓展、产业规模效益等方面还存在差距，究其原因主要是基础理论研究、技术人才队伍、产业配套能力等方面仍有不足。
 
1. 基础理论研究仍有待提高
目前我国几乎所有高性能纤维均实现了国产化与产业布局，但支撑纤维性能向更高发展的一系列基础理论研究，包括聚合物分子量及其分布有效控制、液晶行为与纺丝工艺的关联性、高速纺丝动力学以及热处理过程中结构演变规律等仍需深入和系统性研究，以进一步提高纤维均匀性与质量稳定性，满足下游使用要求。
 
2. 产业规模层次仍有待优化
个别高性能纤维品种仍出现低水平产能一哄而上局面，且水平参差不齐，导致同质化竞争严重，不利于我国高性能纤维行业产业体系良性发展，影响行业整体水平提升。
此外，国内企业对品牌培育认知不足、推广手段匮乏，特别是对下游用户服务能力较弱，参与国际标准化程度不高，同类产品国内外价格差未能有效改善，制约产品档次和附加值提升。
 
3. 技术人才结构仍有待完善
近年来，我国高性能纤维及其复合材料领域相关企业、高校、科研院所培训了一批优秀专业人才，但行业人才队伍规模有限，且掌握关键技术的人才依然严重匮乏。
同时人才分布不均，特别是大量复合材料设计和工艺技术人才主要集中在国防军工领域，工业应用领域的设计和工艺技术人员缺乏，直接影响了高性能纤维复合材料在工业领域的推广应用，难以支撑我国高性能纤维及其复合材料行业的整体发展。
 
4. 产业配套能力亟待加强
一是支撑高性能纤维开发的高品质关键原辅材料依赖进口，包括超高分子量聚乙烯纤维、聚苯硫醚纤维用高品质树脂，碳纤维用油剂、上浆剂、树脂等。
二是关键装备尚不能满足使用需求，碳纤维用高低温碳化炉、收丝机等，对位芳纶用双螺杆挤压机、高精度计量泵等，国内虽有企业生产，但设备运行稳定性、精确性和生产效率仍有不足。
三是在标准化、检测评价方面缺少技术支撑和专业化管理机构，下游使用规范、法规认证、数据库与标准等也未建立，制造与应用技术衔接不紧密，市场应用拓展困难。
  在新一轮科技革命和产业变革进入深度拓展期的背景下，高性能纤维行业要进一步提高关键核心技术创新能力，加强产业链协同发展，增强国际市场竞争力，为纺织强国、制造强国发展提供有力支撑。
 
1.发挥科研院所作用，夯实理论基础
（1）加强基础理论研究
进一步支持国内科研院所、高校加强对高性能纤维基础研究，为提高产品稳定性，提升产品性能提供理论支撑；引导行业内生产和应用企业结合实践开展理论研究，深化对高性能纤维构效认知，进一步优化生产、拓展应用。加快发展高性能纤维及其复合材料前沿技术，加强先进技术布局。
 
（2）完善行业创新体系
进一步发挥各类高性能纤维重点实验室、工程（技术）研究中心、检验检测中心等专业机构作用，持续提供技术支撑和培育高质量技术人才。
推动建设国家级碳纤维创新中心，打造碳纤维行业多层次、网络化制造业创新体系。
推动企业与高等院校、科研机构等合作，共建各类研究开发机构和联合实验室，加强企业实验室与高校、科研院所实验室紧密衔接和实质性合作，促进基础研究、应用基础研究与产业化对接融通，提高企业研发能力。
 
2.突破核心技术装备，支撑行业发展
（1）高性能碳纤维及应用
研发48K以上大丝束碳纤维制备技术，实现大丝束碳纤维规模化高效低成本化生产；
 提高已实现工程化、产业化的高强、高强中模、高模、高模高强型碳纤维技术成熟度，特别是提高产品质量稳定性和应用适用性，满足下游应用需求；
开发相匹配的纺丝油剂、碳纤维上浆剂和纤维评价表征技术，提升产品适用性，扩大产品在国防、风电、轨道交通、土木工程等领域的规模化应用。
 
（2）有机高性能纤维及应用
重点攻克芳纶聚合物分子量有效控制、原液高效脱泡、高速稳定纺丝、高效溶剂回收等技术，提升纤维性能，实现产品系列化；
研发耐热抗蠕变、超高强度和模量及高耐切割性能的超高分子量聚乙烯纤维的关键制备技术和专用设备，加强细旦、高耐磨、抑菌防臭等差别化产品研发力度；
提升聚苯硫醚纤维连续化高效生产技术，研发细旦、异形截面、高卷曲等差异化纤维，提高聚苯硫醚改性技术水平，优化复合纺丝技术；
优化聚酰亚胺纤维高效生产技术，提高生产效率，降低生产成本；
加强聚四氟乙烯纤维高强耐用混纺混织滤料、表层过滤除尘滤料、高效吸附滤料和高效脱除滤料的研制与应用。

（3）无机高性能纤维及应用
进一步加强连续玄武岩纤维原料多元均配、多孔拉丝漏板、规模化池窑、工艺自动化控制、新型浸润剂、纤维表面改性等技术研发，降低生产成本，研发耐高温、耐碱及高强高模等差别化玄武岩纤维，加强下游制品研发和产业化生产。
突破第二代连续碳化硅纤维生产工艺，提高纤维的耐高温、抗氧化、耐腐蚀、防老化和力学性能，扩大在宇航、导弹、兵器等高技术领域应用，研发第三代连续碳化硅纤维制备技术。
 
3.开展技术成熟度评价，提高创新能力
（1）明确高性能纤维行业技术发展路线
以碳纤维行业为切入点，针对重点产品对重点企业开展技术成熟度评价，梳理关键技术，明确技术成熟度等级，形成评价实施指南，结合国内外碳纤维行业发展实际情况，找准技术差距，明确重点研究方向，理清技术发展思路，确定优先技术需求和技术发展路线，支撑我国碳纤维行业科技发展。

（2）推进高性能纤维行业关键技术攻关
基于技术成熟度评价结果，开展关键技术梳理及难度评估，形成行业技术攻关计划，并推动行业技术攻关计划列入有关部委重点研发计划，化纤行业发展规划、指南等，实现对关键技术的有效监控和有序推进。
以碳纤维行业为例，联合航天航空、汽车工业、土木建筑、风电叶片等碳纤维重点应用领域相关企业及机构，结合团体标准相关内容和评价工作实践，制定该领域用符合国产碳纤维特性的相关标准，共同推动国产碳纤维规模化应用。
 
4.创新产业合作模式，增强配套能力
（1）进一步提高产业集中度
一是支持鼓励具有较强创新实力、规模优势的骨干企业加快发展，通过开展兼并重组，培育产业集聚区，优化资源配置，明显提高产业集中度，推动行业向更高阶段迈进。
二是继续发挥高性能纤维行业龙头企业带动效应，拓展自身产业链，吸引更多相关企业集聚，构建从原材料、高性能纤维、中间体材料至复合材料的全产业链，打造高性能纤维产业链竞争优势。

（2）推动产业链协同发展
一是推动高性能纤维行业上下游企业间的加强合作，积极拓宽高性能纤维在风力发电、新能源汽车、建筑补强、输电电缆、防护等领域的应用，推进高性能纤维研发制备与应用需求相结合，建立若干高性能纤维应用示范工程，搭建高性能纤维与下游应用领域的设计制造技术体系和产业链体系，形成从纤维及其复合材料到零部件再到最终产品的标准及检测体系。
二是加大单体、油剂、上浆剂、树脂、浸润剂、模具等研发力度，保障自主供给，防范供应链风险，同时全面提高高性能纤维及复合材料制造水平。