湖南省高性能纤维及复合材料产业创新发展现状与展望

　　文/周海球 文晓芬 姚婷(湖南省科学技术信息研究所)

　　材料的复合化是材料发展的必然趋势之一，高性能纤维及复合材料因其优异的综合性能，已在航空、航天、风力发电、轨道交通、汽车等领域进行应用，逐渐成为国防与国民经济建设不可或缺的战略性关键材料，发展前景广阔。湖南省是我国高性能纤维及复合材料产业发展的重要基地，近年来发展态势良好，产业规模不断壮大，并涌现了一批掌握核心技术的行业隐形冠军企业。本文综述了湖南省高性能纤维及复合材料产业发展现状，研判了湖南省产业发展存在的问题以及优劣势，提出了促进湖南省高性能纤维及复合材料产业“做尖”“做大”“做特”的发展建议，以期为湖南高性能纤维及复合材料产业创新发展提供参考借鉴。

　　一、湖南省高性能纤维及复合材料产业创新发展基础

　　(一)产业初具规模，形成了具有国内领先水平的“3﹢4”特色优势技术产品

　　近年来，湖南省高性能纤维及复合材料产业从无到有，从基础研究到应用研究，再到产业化，发展迅速。截至2019年末，湖南省高性能纤维及复合材料领域拥有高新技术企业32家，实现主营业收入155亿元，占全部新材料领域高企主营业收入的4.3%，产业初具规模。“3”大高性能纤维独具特色，处于国际先进水平。中间相沥青基碳纤维：东映碳材成功实现了高导热中间相沥青基碳纤维量产，产品处于国际领先水平，打破了日美技术封锁，目前已小批量供货军方使用。碳化硅纤维：国防科技大学成功研发了国内第一代、第二代碳化硅纤维制备技术，并通过成果转移转化实现了产业化。中南大学研发了我国首创的掺杂(含铍)碳化硅纤维制备技术,并获得了目前国内最高的使用温度(空气气氛下耐1250℃)，可满足我国航空发动机部件制造对碳化硅纤维大于1200℃的要求。泽睿新材通过中南大学的科技成果转化已实现具有自主知识产权的年产10吨级产能的碳化硅纤维生产线。高强高模聚乙烯纤维：湖南中泰特种装备有限责任公司生产的高强高模聚乙烯(HSHM-PE)纤维、防弹衣、防弹防刺服、防弹板、防弹头盔等系列产品，并完全具有自主知识产权，获国家科技进步二等奖。“4”大复合材料处于国内领跑水平。碳纤维复合材料：博云新材开发的C/C复合材料航空刹车副，填补了国内技术空白;时代新材碳纤维树脂基复合材料风电叶片在国内市场处于领先地位。芳纶纤维复合材料：时代新材掌握了从芳纶纸到蜂窝夹层复合材料制备及应用的自主核心技术，并实现了产业化，彻底打破国外原材料垄断和产品技术封锁。碳陶复合材料：世鑫新材通过自主研发，成功研发碳陶复合材料制动盘关键技术，产品性能远超德国、日本产品，打破了德、日等对时速400公里高速列车制动盘的垄断。铝基复合材料：文昌科技攻克了碳化硅颗粒增强铝基复合材料大型构件制备成型中的重大关键技术难题，开发了地铁制动系统用铝基复合材料制动盘，填补了国产轨道交通轻量化关键部件制造领域空白。目前，湖南省已基本形成了具有国内领先水平的3大纤维和4大复材的“3﹢4”特色优势技术产品。

　　(二)龙头企业不断集聚，形成了“一心多点”产业区域发展格局

　　目前，湖南省高性能纤维及复合材料领域拥有百亿企业1家(时代新材)，上市企业3家(博云新材、时代新材、金博碳素)，“专精特新”小巨人企业16家。从区域来看，基本形成了以长株潭为中心，常德、娄底、益阳、湘西等地多点分布的产业区域发展格局。“一中心”：长株潭。长沙主要集聚了一批以碳基复合材料为主的企业，如博云新材、东映碳材、泽睿新材、长沙众兴新材、长沙诚智新材等。株洲主要集聚了一批面向轨道交通的高性能纤维及复合材料企业，如时代新材、世鑫新材、时代电气绝缘、时代橡塑、时代华先、时代工程塑料等。湘潭主要是热场用C/C复合材料，如湘潭九华碳素、韶山良泉科博等。“多点”：常德、娄底、益阳、湘西等。娄底主要是以文昌科技为龙头的铝基复合材料，常德主要是以中泰特种装备为龙头的高强高模聚乙烯纤维及其复合材料，益阳主要是以金博碳素为龙头的碳基复合材料，湘西主要是以恒裕新材为龙头的碳化硅铝基复合材料。

　　(三)创新资源丰富，三所“双一流”高校在高性能纤维及复合材料领域均具有较强的技术研发实力

　　目前，湖南省在高性能纤维及复合材料领域拥有省级以上创新平台12个，其中国家级4个，省级8个。湖南省三所“双一流”高校在复合材料领域的创新能力也处于国内领先水平。

　　中南大学在C/C复合材料、碳陶复合材料、碳化硅纤维等方面均有较强技术研发实力。在C/C复合材料方面，高性能炭/炭航空制动材料的制备技术获得了国家科技进步一等奖;在碳化硅纤维方面，突破了磁性吸波碳化硅纤维制备技术，成功实现了产业化，利用该纤维制备的结构吸波复合材料已批量应用于多个国防重点型号产品;在碳陶复合材料方面，该校粉末冶金研究院科研团队研发的应用于高速列车制动盘的碳陶复合材料已成功实现产业化。

　　湖南大学在沥青基碳纤维以及铝基复合材料方面有较强的研发实力。在沥青基碳纤维方面，实现了高性能沥青基碳纤维的自主化生产，具备从技术工艺到装备设计的全部知识产权，打破了美日两国对我国的技术封锁。在铝基复合材料方面，通过产学研合作攻克了碳化硅颗粒增强铝基复合材料大型构件制备技术。

　　国防科技大学在碳化硅纤维和复合材料制造方面科研技术水平国内领先。在碳化硅纤维方面，国防科技大学是我国首个开展碳化硅纤维研究的科研机构，也是国内碳化硅纤维工程化技术实力最强的科研机构，国内第一代、第二代碳化硅纤维的产业化技术全部来自于国防科技大学科技成果转移转化，第三代碳化硅纤维已开始小批量制备。在复合材料方面，该校的大尺寸复杂形状复合材料部件低成本制备技术成功在复合材料风电叶片制造领域实现产业化。另外，该校近年来研制出的碳纤维增强碳化硅基复合材料热结构部件、高效隔热部件、轻质结构/多窗口高透波一体化大曲率部件等有力支撑了国防军工装备发展。

　　二、湖南省高性能纤维及复合材料产业存在的主要问题

　　(一)产业规模较小，市场化商业价值不高

　　目前湖南省主要发展的高性能纤维及其复合材料产品如沥青基碳纤维、碳化硅纤维、高强高模聚乙烯纤维、C/C复合材料等，其主要应用领域以军工和航空航天装备为主，受限于我国航空整机产业还相对较薄弱，军工装备需求量有限，造成所需总量小，无法带动下游新材料规模化发展。以博云新材为例，其作为湖南省高性能纤维及复合材料标志性龙头企业，经过多年的发展，其2019年C/C复合材料业务营业收入才1.26亿元，不足湖南省新材料产业年产值千分之一。另外，湖南省高性能纤维及复合材料企业针对民用工业的产品开发不足，造成下游民用工业装备也对高性能纤维及复合材料需求较少，导致湖南省高性能纤维及其复合材料产品市场化商业价值不高，产业规模相对较小。

　　(二)产业链不完整，上游纤维、树脂等原材料缺乏

　　树脂基复合材料作为目前市场应用最多最广泛的一种高性能纤维及复合材料，也是最具有商业应用价值的复合材料，其产业链主要包括上游基体材料、增强体材料(高性能纤维)、助剂等，中游的复合材料部件，下游的装备制造行业应用。以湖南省产业规模最大的树脂基复合材料风电叶片为例，在上游环节，湖南省除岳阳巴陵石化公司具备环氧树脂、尼龙树脂等复合材料基体材料的规模化生产以外，其他所有品种的树脂以及助剂都不具备生产能力，同时所需的增强体材料如碳纤维、玻璃纤维等也不具有规模化生产能力。因此湖南省目前风电叶片装备产业虽然规模较大，但是几乎所有的基础纤维材料以及大部分树脂基体材料等原材料主要依托省外甚至国外进口，省内产业链相关配套企业较少，无法形成全产业链集约化发展。

　　(三)国防科技成果转化效果不理想，创新资源优势发挥不充分

　　湖南省是我国碳化硅纤维唯一发源地，国防科技大学在我国最早开始碳化硅纤维工程化研发，是国内碳化硅纤维研发实力最强的科研单位，国内目前主要几家碳化硅纤维制造企业均是湖南省的相关知识产权转化而来，但是成果转化的产业基地地点均不在湖南省内。湖南省虽然在碳化硅纤维方面具有较强的创新研发实力，但是相关创新成果未能在本地实现转移转化，没有抢占到碳化硅纤维产业化先发优势。另外国防科技大学在C/SiC复合材料、SiC/SiC复合材料、玻璃纤维复合材料、耐高温树脂等方面均具有较强的科技创新能力，但是相关科技成果在省内成功转移转化的较少，创新资源优势没有得到充分发挥。

　　三、湖南省高性能纤维及复合材料产业优劣势分析

　　(一)湖南省高性能纤维及复合材料产业竞争优势分析

　　一是下游应用牵引优势。湖南省在风电装备、轨道交通装备、航空发动机等领域具有较强的产业发展比较优势，能有力牵引产业链上游的高性能纤维及复合材料产业可持续发展。在风电装备领域，湖南省在风电装备中拥有时代新材、三一重能等2家国内行业龙头风电叶片生产企业，对碳纤维及其复合材料具有很强牵引作用，以时代新材为例，预计2021年对碳纤维的需求量达到1000吨以上，而且未来可能需求更大。在轨道交通领域，列车整车及其部分部件对碳纤维及其复合材料、芳纶纤维及其复合材料等具有较强的牵引作用，未来如果列车车体用碳纤维复合材料替代金属材料，对碳纤维的需求量将是万吨级，轨道交通装备制造将成为牵引碳纤维及其复合材料产业发展的最强动力。在航空航天领域，株洲608所和331所等航空发动机设计和制造企业对碳化硅纤维及其复合材料有一定的牵引作用。另外，湖南省在工程机械、新能源汽车、热工装备领域对高性能纤维及复合材料也具有巨大的应用牵引潜力。

　　二是科技创新资源优势。湖南省在高性能纤维及复合材料领域科技创新资源非常丰富，放眼全国，首屈一指。从科研院校来看，中南大学、国防科技大学、湖南大学等三所“双一流”高校在复合材料领域均具有较强的创新能力，中南大学的C/C复合材料和碳化硅纤维、国防科技大学的碳化硅纤维、湖南大学的沥青基碳纤维都在国内处于领先水平。从创新平台来看，拥有国家炭/炭复合材料工程技术研究中心、粉末冶金国家重点实验室、轻质高强结构材料国防科技重点实验室、新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室等4个国家级创新平台，还拥有8个省级创新平台。从企业来看，湖南省内的中车株洲时代新材、博云新材、金博碳素等上市企业也都具有较强的技术研发实力。同时这些高校和创新平台也为产业提供了大量优秀的复合材料创新人才。

　　三是特色产业技术优势。湖南省在C/C复合材料、碳化硅纤维、沥青基碳纤维等领域的技术创新处于全国领先地位，为产业创新发展提供了有力的科技支撑。在C/C复合材料领域，博云新材和金博碳素拥有C/C复合材料制备核心技术，处于国内绝对领先地位。在碳化硅纤维领域，湖南省是我国碳化硅纤维唯一发源地，国防科技大学和中南大学都拥有国内顶级的碳化硅纤维研发团队，长株潭是世界上碳化硅纤维产业配套最全的产业和人才集聚地之一。在沥青基碳纤维方面，东映碳材是国内首家实现高导热中间相沥青基碳纤维量产的企业，产品处于国际领先水平。这些产业技术发展基础塑造了湖南省高性能纤维及复合材料产业创新发展优势。

　　(二)湖南省高性能纤维及复合材料产业竞争劣势分析

　　一是缺乏需要应用大量复合材料的航空航天整机装备，影响上游高性能纤维及复合材料产业壮大。复合材料的基本特点之一是材料与构件的一体性，复合材料的应用需要整机装备的牵引，因此复合材料产业发展壮大与下游整机装备产业紧密相关。虽然湖南省拥有航空发动机、飞机起落架等航空产业，但是在航空航天整机装备方面还是比较匮乏的。而湖南省具有优势高性能纤维及复合材料，如碳化硅纤维、沥青基碳纤维、C/C复合材料刹车盘等主要应用对象为航空航天整机装备。由于缺乏整机装备的牵引，导致湖南省高性能纤维及复合材料产业较难发展壮大以形成规模化发展优势。

　　二是国内聚丙烯腈基碳纤维产业发展格局已基本形成，湖南已失去产业布局先机。目前碳纤维工业化产品主要以聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)为代表，其力学性能最好，应用领域最广，是当今世界碳纤维发展的主流，占据全部碳纤维市场规模90%以上，包括风电叶片、航空航天、轨道交通等行业领域所用复合材料也主要以聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)复合材料为主。但是，目前湖南省还尚未有聚丙烯腈基碳纤维生产企业，且在这方面的技术储备能力相对较弱，不具有技术创新优势。同时，我国聚丙烯腈基碳纤维产业已基本形成了以长三角(江苏、上海、浙江)为核心，山东、吉林、河北、甘肃、山西等多点分布的国产碳纤维产业发展格局，中低端产品产能已远超市场需求，湖南省已失去产业布局先机。

　　四、未来展望

　　(一)“做尖”：加强面向航空航天领域高性能纤维及复合材料基础研究和应用基础研究，组建岳麓山复合材料工业创新中心，形成国家战略科技力量储备

　　湖南省在面向航空航天领域应用的高性能纤维及复合材料具有较强的科研创新能力，拥有一批高质量的研发机构、创新平台、研发团队，建议继续加大支持相关纤维及复合材料基础研究和应用基础研究力度，提升产业技术创新能力，“做尖”湖南省高性能纤维及复合材料。一是建议实施复合材料领域重大科技任务，为基础研究提供稳定经费支持。针对湖南省具有比较优势和重点发展的高性能纤维及复合材料，如C/C复合材料、沥青基碳纤维、碳化硅纤维等，瞄准行业领域重大前沿科学问题，有针对性地实施重大科技任务，给高性能纤维及复合材料基础研究和应用基础研究提供稳定的经费支持。二是组建岳麓山复合材料工业创新中心，强化国家战略科技力量。统筹整合中南大学、湖南大学、国防科技大学等高校高性能纤维及复合材料领域优势力量，组建岳麓山复合材料工业创新中心，瞄准高性能纤维及复合材料领域关键共性技术，完善共性基础技术供给体系，夯实产业创新发展基础，为解决“卡脖子”问题提供源头支撑。力争在C/C复合材料、沥青基碳纤维、碳化硅纤维等复合材料细分领域的技术创新能力保持国内领先、国际一流水平，形成国家战略科技力量储备。

　　(二)“做大”：抓住风电叶片、轨道交通应用需求机遇，聚焦发展碳纤维复合材料，完善产业链，开发低成本制备技术

　　湖南省在风电叶片和轨道交通装备制造领域具有比较优势。风电叶片目前已成为全球碳纤维及复合材料最大的应用领域，对碳纤维复合材料产业具有非常强的牵引作用。轨道交通装备轻量化已是发展趋势，未来如果列车车体用碳纤维复合材料替代金属材料，对碳纤维的需求量将是万吨级，未来有可能成为牵引碳纤维及其复合材料产业发展的最强动力。一是重点发展轨道交通装备用碳纤维复合材料。重点支持时代新材大力发展轨道交通装备用碳纤维复合材料，充分发挥其作为中国中车的新材料产业平台优势，针对列车车体对碳纤维复合材料的应用需求，开发相应的复合材料产品，形成紧密的产业链配套。二是引进培育碳纤维和树脂基体材料企业。以湖南省风电叶片和轨道交通用碳纤维复合材料需求为牵引，大力引进培育上游的碳纤维和树脂基体企业，进一步完善湖南省高性能纤维及复合材料产业链。三是开发低成本复合材料工艺技术。目前碳纤维复合材料应用主要痛点难点为综合成本太高、“好材不会用”等。坚持问题和需求导向，聚焦风电叶片和轨道交通装备用复合材料构件，加强在复合材料结构设计、复合材料加工以及成型技术方面研发支持力度，引导广大科研人员开发低成本复合材料工艺技术，为碳纤维复合材料的大规模应用提供技术支撑。

　　(三)“做特”：打造碳化硅纤维创新创业高地，加快科技成果转化，培育行业龙头企业

　　碳化硅纤维是湖南省在国内为数不多的优势产业，湖南是我国碳化硅纤维唯一发源地，国防科技大学和中南大学在碳化硅纤维领域创新能力国内领先，长株潭是碳化硅纤维产业和人才集聚地，湖南省将碳化硅纤维打造成标志性特色产业具有得天独厚的优势。因此，建议湖南省集中优势力量着力打造国家碳化硅纤维产业创新高地，形成碳化硅纤维特色产业，塑造新材料产业新名片。一是打造碳化硅纤维国家级创新平台，强化产业技术支撑。依托中南大学和国防科技大学等省内最有优势的创新单元，整合新型陶瓷纤维及其复合材料国防科技重点实验室以及碳化硅纤维及其复合材料湖南省工程实验室、湖南省含铍碳化硅纤维工程技术研究中心、新型特种纤维及其复合材料湖南省重点实验室等省内创新资源，以岳麓山国家大学科技城为基地，强化人才和资金支持力度，打造国家碳化硅纤维技术创新中心或国家重点实验室。二是推进创新科技成果在省内转化，促进产业做强做大。国防科技大学第三代碳化硅纤维已进入工程化试验阶段，产品技术水平处于国内领先，建议湖南省抓住产业变革换代的机遇，深化军民融合，加强与国防科技大学及科研团队对接合作，力争实现第三代碳化硅纤维在省内成果转化。通过推进科技成果转化，促进产业做强做大，将湖南省创新优势转化为产业发展优势。三是培育碳化硅纤维行业龙头企业，引领产业规模化发展。龙头企业对区域产业发展具有强大的拉动作用，建议湖南省根据企业创新能力和企业生产规模，确定碳化硅纤维产业领域龙头企业培育对象，通过支持企业承担各类政府资助科技重大项目、支持企业引进高层次人才以及实施“一对一”帮扶等政策措施，提升企业技术创新能力和产业化水平，促进企业高质量发展，打造行业龙头企业，引领产业规模化发展。

　　本文是湖南省科学技术信息研究所自选研究项目“湖南省先进复合材料产业深度分析报告”(编号：2018102)的研究成果之一。