1、新材料与先进复合材料技术新材料与先进复合材料技术发展态势和展望发展态势和展望 中国兵器工业集团第五三研究所中国兵器工业集团第五三研究所 魏化震魏化震 20152015年年5 5月月2121日日 1 一、新材料技术发展态势 二、复合材料技术发展环境 三、先进复合材料在民用领域的应用 四、先进复合材料在军用领域的应用 五、先进复合材料技术发展展望 2 一、新材料技术发展态势 3 新材料技术新材料技术 高新技术高新技术和战略性新兴产业战略性新兴产业 促进传统产业转型升级的重要基础重要基础 战略性新兴产业发展的支撑和保障支撑和保障 推动技术创新的革命性力量革命性力量 近年来我国新材料技术与产业高速发展

2、，2012年新材料产业产值突破1万亿元，预计2015年将达到2万亿元。4 近近2020年来，我国新材料技术发展迅速年来，我国新材料技术发展迅速 20052005年我国材料领域科技论文数达到世界第一位年我国材料领域科技论文数达到世界第一位，20122012年年中国论文数达到中国论文数达到1800018000篇篇，是美国的是美国的2 2倍倍，日本的日本的4 4.2525倍倍。（1）科技论文数位居世界第一位 2003-2013年期间各国在Web of Science（SCI）收录材料科学论文数 国家国家/地区地区 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 201

3、1 2012 2013 全世界全世界 37598 39932 46579 45849 46729 51866 57007 52454 中国大中国大陆陆 5461 5845 9115 8581 10549 11920 12668 12799 15076 18175 16890 美国美国 6326 6537 7269 7418 7390 7852 8297 7818 8925 9180 7829 日本日本 5585 5374 5469 5770 4529 4832 4884 3999 4110 4247 2988 印度印度 1630 1622 1928 2064 2556 2945 3254 33

4、71 3631 3855 3625 6 我国材料技术研究正从我国材料技术研究正从跟跟踪踪逐步转向逐步转向创新与跨越式创新与跨越式发展发展，发明专利申请数于发明专利申请数于20082008年超越美国年超越美国、日本日本，居世界第一位居世界第一位。（2）专利数达到世界第一，但质量有待提高 各国和地区专利受理数每年所占数量分布 2004200520062007200820090%20%40%60%80%100%日本美国中国韩国欧洲德国中国台湾其他俄罗斯印度法国英国*7 从事科技活动人员从事科技活动人员115万万 传统材料传统材料60万（工程师超过万（工程师超过28万）万）新材料新材料65万（大学及以

5、上学历万（大学及以上学历34万，其中研究生万，其中研究生5万）万）高端人才千余人（院士、千人、杰青、长江学者）高端人才千余人（院士、千人、杰青、长江学者）中科院院士中科院院士103人人 工程院院士工程院院士117人人 每年材料类大学毕业生每年材料类大学毕业生8万余人万余人 硕士硕士8500余人（余人（2010年年8575人）人）;博士博士1800余人（余人（2010年年1839）材料领域研究与试验发展（R&D）人员全时当量:基础研究、应用研究、试验发展比例为25%、25%、50%全国工业领域：13%、39%、48%;制造业：11%、23%、66%（3）材料领域研发人数世界第一 8 材料类研发机

6、构超过100家；高校有材料类专业421所，占本科高校66；“211工程”高校材料相关专业84所，占总数88%。（4）建立了较完整的材料研发与产业化体系 国家重点实验室近30家、国家工程实验室20余家；国家工程（技术）研究中心超过100家；各类国家级新材料产业化基地逾各类国家级新材料产业化基地逾200200家家。9 时至今日，我国已有钢铁、有色金属、稀土、水泥、玻璃、聚乙烯、化学时至今日，我国已有钢铁、有色金属、稀土、水泥、玻璃、聚乙烯、化学纤维和光纤等百种材料产量达到世界第一位。纤维和光纤等百种材料产量达到世界第一位。（5）我国百余种材料产量世界第一位 产品名称产品名称 2008年年 2009

7、年年 2010年年 2011年年 2012年年 钢材钢材 (万吨万吨)60460.29 69405.40 80276.58 88131 95577 粗钢粗钢 (万吨万吨)50305.75 57218.23 63722.99 68327 72388 十种有色金属十种有色金属 (万吨万吨)2553.63 2648.54 3136 3438 3696 水泥水泥 (万吨万吨)142010 164863 187598 208500 218400 聚氯乙烯聚氯乙烯 (万吨万吨)758.7 766.6 1151.2 1295.2 化学纤维化学纤维 (万吨万吨)2404.61 2726.06 3089.70

8、3362.36 稀土金属稀土金属 (万吨万吨)13.5 12.7 11.9 9.7 平板玻璃平板玻璃 (万重量箱万重量箱)59890.39 58574.07 66082 78500 75050 光纤光纤 （亿千米）（亿千米）0.38 0.78 0.9 1.0 合成橡胶合成橡胶 (万吨万吨)296.03 274.91 308.4 348.8 397.39 10 基础原材料基础原材料整体技术水平不高，物耗能耗物耗能耗排放高；核心技术核心技术、工艺及装备工艺及装备依赖进口或者受制于国外；配套与工程化能力配套与工程化能力较弱，高端产品产业化程度低；新兴产业市场巨大，需求明确，但国际竞争激烈国际竞争激烈

9、；国家重大工程和国防建设对部分新材料需求强烈需求强烈，技术技术上尚有差距上尚有差距；产业竞争力产业竞争力不强，利润率低，部分行业产能严重过剩部分行业产能严重过剩，低水平重复现象严重低水平重复现象严重。但是，我国新材料领域面临的挑战：11 根据对材料领域近5年文献进行统计分析,当前十个热点材料（引用频率最高的）中四个属低维和纳米材料四个属低维和纳米材料，包括碳基纳米材料包括碳基纳米材料、半导体纳米材半导体纳米材料料、贵金属纳米材料贵金属纳米材料、人工超结构材料人工超结构材料，其它六个热点也向纳米化延伸 当前纳米材料的研究重点是突破纳米材料及制品的制备与应用关键技术，纳米器件制造、组装及集成技术，

10、形成纳米材料、器件及相关产品。当前最大热点材料为石墨烯最大热点材料为石墨烯，因为其在未来微电子和光电子领域的潜在应用而获得2010年的诺贝尔奖。国际新材料技术发展态势：（1）材料制备与应用向低维化、微纳化、人工结构发展 12 2011年6月底，白宫发布了美国国家科学技术委员会起草的“材料基因组计划材料基因组计划”白皮书（Materials Genome Initiative，MGI）。白皮书提出，要实现材料领域发展模式的转变，把新材料研发和应用的速度从目前把新材料研发和应用的速度从目前的的10102020年缩短为年缩短为5 51010年年。材料材料制备与应用向低维化、微纳化、人工结构发展，材料

11、结构功能一体化、功能材料智能化、材料与器件集成化加快了材料的应用速度、增加了可应用的材料品种。材料创新性集成计算方法与数据库，高通量设计及其制备，多场跨尺度材料微观结构与宏观性能预测技术大大推动了材料研发速度。13 国际新材料技术发展态势：（2）材料研发周期缩短、可应用材料品种快速增长 超材料是材料科学家与计算机计算机、物理物理、信息信息、电子电子领域深度交叉的结晶典型，通过电磁场等的设计成功获得具有负折射率和负磁导率等特性，使材料与器件宏观特性拥有了颠覆了一些基本的自然规律新性能，可望应用于电磁屏蔽、隐身，射频信号的高效低成本接收等。移动互联对高密度、低功耗、非挥存储器提出了更高需求，物理学

12、家发展出阻变、相变存、磁隧道结和电荷俘获四种新的存储概念，材料学家努力寻找出合适的材料来实现相应功能，微电子专家设计相应的电路保证存储信号的写入、读取和擦除，合作已经是其研发不可分割的组成部分。14 国际新材料技术发展态势：（3）学科交叉融合加剧，在材料创新中作用越来越重要 国际生物医用材料生物医用材料及制品呈现高速增长势头，成为世界经济新的增长点和技术制高点，包括：组织修复与替代材料组织修复与替代材料、纳米生物探针和检测技术纳米生物探针和检测技术、药物控制释放和靶向治疗材料药物控制释放和靶向治疗材料、组织工程支架材料组织工程支架材料、介入诊断和治介入诊断和治疗材料疗材料、可降解和吸收生物材料

13、可降解和吸收生物材料、新型人造器官新型人造器官等 新能源材料新能源材料在实现能源转化、储存和利用以及发展新能源技术起到的关键作用，当前主要热点包括：纳米锂电池材料纳米锂电池材料、有机无机杂化太阳能电有机无机杂化太阳能电池池、量子点太阳能电池量子点太阳能电池、新型储氢材料新型储氢材料、燃料电池材料燃料电池材料、相变储能材相变储能材料和热电材料料和热电材料等。国际新材料技术发展态势：（4）材料研发向更加惠及民生方向发展 15 我国新材料研发与产业化发展重点我国新材料研发与产业化发展重点 在国家“新材料在国家“新材料产业产业“十二五”发展规划”中，提出了六“十二五”发展规划”中，提出了六大发展重点大

14、发展重点：特种金属功能材料：特种金属功能材料：稀土功能材料稀土功能材料、稀有金属材料、半导体材料、功能合金。高端金属结构材料：高端金属结构材料：高品质特殊钢、新型轻合金。先进高分子材料：先进高分子材料：特种橡胶、工程塑料、功能性高分子材料。新型无机非金属材料：新型无机非金属材料：先进陶瓷、特种玻璃、特种无机非金属材料。高性能复合材料高性能复合材料：树脂基复合材料、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯树脂基复合材料、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、其他高性能纤维、碳纤维、其他高性能纤维、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料碳复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料 前沿新材料：前沿新材料

15、：纳米材料、生物材料、智能材料、超导材料。同时，提出实施稀土及稀有金属功能材料稀土及稀有金属功能材料、碳纤维低成本化与高端创新示范碳纤维低成本化与高端创新示范、高强高强轻型合金材料轻型合金材料、电子信息功能材料电子信息功能材料、先进电池材料先进电池材料、生物医用材料生物医用材料等十大专项工程十大专项工程 复合材料具有重要的位置！复合材料具有重要的位置！16 国家“十三五”重点发展的新材料领域（国家“十三五”重点发展的新材料领域（1111个）个）钢铁材料 有色金属材料 轻工材料 纺织材料 石油化工材料 建筑材料 先进结构与复合材料先进结构与复合材料 新型功能与智能材料 纳米材料与器件 新型电子材

16、料与器件 材料设计制备与安全服役 需求牵引 技术推动 子领域子领域 17 其中，在复合材料子领域重点发展：其中，在复合材料子领域重点发展：高性能碳纤维及其复合材料高性能碳纤维及其复合材料 有机高性能纤维及其复合材料有机高性能纤维及其复合材料 高性能陶瓷纤维及其复合材料高性能陶瓷纤维及其复合材料 金属基复合材料设计、制备与应用技术金属基复合材料设计、制备与应用技术 纤维增强陶瓷复合材料构件制备关键技术纤维增强陶瓷复合材料构件制备关键技术 高性能碳高性能碳/碳复合材料高效制备与应用技术碳复合材料高效制备与应用技术 高强超韧耐高温环氧树脂的合成技术高强超韧耐高温环氧树脂的合成技术 新型耐火阻燃及耐腐

17、蚀轻质复合材料新型耐火阻燃及耐腐蚀轻质复合材料 超低碳复合耐火材料超低碳复合耐火材料 许多其它材料与许多其它材料与复合材料也有密复合材料也有密切关联切关联 二、复合材料技术发展环境 18 复合材料四大特点复合材料四大特点：高比强度、高比模量高比强度、高比模量，性能与功能的可设计性性能与功能的可设计性，正向的复合效应正向的复合效应，材料与结构的同一性材料与结构的同一性，对工艺的依赖性对工艺的依赖性 19 正是由于复合材料具备上述特点，其用于军、民装备正是由于复合材料具备上述特点，其用于军、民装备：可以显著减轻重量，节省能源；可以显著减轻重量，节省能源；同时，可赋予装备及系统部件同时，可赋予装备及

18、系统部件阻尼减振阻尼减振、防热隔热防热隔热、腐蚀防护腐蚀防护、抗弹防护抗弹防护、隐身隐身、导电导电、绝缘绝缘及及声、光、电、声、光、电、磁等功能特性磁等功能特性。20 疲劳疲劳/静态静态=70=7080%80%（复合材料）（复合材料）303050%50%（金属（金属)抗疲劳抗疲劳 可用于极端工况可用于极端工况抗疲劳抗疲劳 直升机旋翼直升机旋翼 可用于极端工况可用于极端工况耐腐蚀（耐海洋环境）耐腐蚀（耐海洋环境）沿海油气田沿海油气田 OnOn-shoreshore：管道系统、油：管道系统、油罐、油箱罐、油箱。O Offff-shoreshore：管道系统、围栏、管道系统、围栏、扶扶手、通手、通

19、道、坚井、抽油杆等道、坚井、抽油杆等。D Downown-holehole：管道系统及其衬里。：管道系统及其衬里。可整体成型可整体成型减少零件和连接、装配减少零件和连接、装配 F35F35平尾平尾2.92.91.4m 1.4m 无一个紧固件无一个紧固件 8 8个纵向加强件与上、个纵向加强件与上、下蒙皮共固化下蒙皮共固化 Precured Stiffeners Uncured Skin 复合材料类别复合材料类别 市场规模市场规模 聚合物基复合材料聚合物基复合材料 430 430（亿美元）（亿美元）碳碳/碳复合材料碳复合材料 10 10（亿美元）（亿美元）陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料 1 1（亿美

20、元）（亿美元）金属基复合材料金属基复合材料 2 2（亿美元）（亿美元）铝合金 树脂基 复合材料 聚合物基复合材料聚合物基复合材料技术最成熟技术最成熟、应用最为广泛应用最为广泛、研究也研究也最为活跃最为活跃 20102010年全球复合材料市场年全球复合材料市场 复合材料发展环境复合材料发展环境 全球变暖全球变暖 油价上涨油价上涨 高性能装备高性能装备 26 桥梁桥梁 隧洞隧洞 房屋房屋 汽车汽车 高铁高铁 潜艇潜艇 太阳能设备太阳能设备 风力发电风力发电 坦克坦克 装甲车装甲车 交通交通 新能源新能源 陆海陆海 复合材料复合材料 基础设施基础设施 民用飞机民用飞机 军用飞机军用飞机 卫星卫星 航

21、天飞行器航天飞行器 运载火箭运载火箭 空天空天 工程机械工程机械 其它其它 国际：已形成多条技术路线支撑的高强、高强中模、高模和高强高模等系列碳纤维产品，垄断了全球市场。我国：虽然在若干单项技术取得重要进展，但整体工程化水平与国外差距较大。未来：应攻克T800、T1000、M55J等国产碳纤维制备技术，开展不同基体树脂、成型工艺和服役环境的应用验证研究。到2020年高性能碳纤维突破千吨级T800工程化技术，吨级T1000和M55J制备技术，完成国产碳纤维及其复合材料的应用研究和验证。27 高性能碳纤维是国防军工、能源和工业等领域高性能碳纤维是国防军工、能源和工业等领域 必不可少的关键材料必不可

22、少的关键材料 28 全球碳纤维市场需求全球碳纤维市场需求-年份（千吨）年份（千吨）据据Research and MarketsResearch and Markets公布的全球碳纤维市场和碳纤维复合材料研究报公布的全球碳纤维市场和碳纤维复合材料研究报告显示，告显示，20年，全球碳纤维复合材料年复合增长率将达到年，全球碳纤维复合材料年复合增长率将达到12.8%12.8%29 全球碳纤维市场需求全球碳纤维市场需求-应用领域（千吨）应用领域（千吨）目前我国高品级纤维状况：尚未完全实现自主保障目前我国高品级纤维状况：尚未完全实现自主保障 低端产能过剩，高端差距较大低端产能

23、过剩，高端差距较大 碳纤维：碳纤维：无序竞争，低水平重复；低品级纤维（T300）产能过剩；高品级纤维性能、质量稳定性、成本与国外差距较大 T300级碳纤维基本达到日本T300B碳纤维水平，稳定性存在差距 T700级碳纤维正产业化，性能、稳定性、价格均有差距。T800级碳纤维正在中试阶段，T1000级和M40J级已制备出样品。配套技术体系差距较大：如上浆剂的系列化等 芳纶纤维芳纶纤维：K29和K49级芳纶 纤维已大量批产，军用防护级别的K129K129级级刚开始研制，KM2级尚空白，芳纶纤维开始中试。PBOPBO纤维纤维：小试样品阶段；M5M5纤维纤维：实验室探索阶段 碳化硅纤维、氧化铝纤维、石

24、英纤维、氧化锆纤维碳化硅纤维、氧化铝纤维、石英纤维、氧化锆纤维：中试阶段，与国外差距大 30 三、先进复合材料技术在 民用领域的应用 31 2009 2010 2011 2015 2019 风力发电风力发电 7,060 9,990 12,290 37,580 64,190 油气勘探和生产油气勘探和生产 1,080 1,340 1,400 1,300 1,650 模塑料模塑料 5,300 5,500 5,750 7,700 9,500 工业滚筒工业滚筒 400 430 450 680 800 压力容器压力容器 1,280 1,480 1,650 7,250 11,470 汽车（结构和车汽车（结构

25、和车身）身）1,800 2,300 2,700 4,000 5,300 土木工程土木工程 1,500 1,700 1,900 2,850 3,600 拉挤拉挤 1,220 1,270 1,300 2,200 3,530 其它能源其它能源 100 150 180 500 1,320 工具工具 1,470 1,710 2,000 2,700 3,700 总计总计 21,210 25,870 29,620 66,760 105,060 全球民用领域碳纤维需求（吨）全球民用领域碳纤维需求（吨）水平轴风电机组 叶片（叶片（6 6-8 8吨）、整流罩、机舱罩都是复合材料吨）、整流罩、机舱罩都是复合材料 风

26、电能源风电能源 1 1、能源领域、能源领域 风电叶片和空客风电叶片和空客A340A340翼展翼展 目前复合材料叶片可达近目前复合材料叶片可达近70m70m 风力发电风力发电 35 2014 2014 年年4 4 月下旬，中复集团的碳纤维复合芯导线，在月下旬，中复集团的碳纤维复合芯导线，在220 220 千伏南京长江大桥千伏南京长江大桥热晓线燕子矶大跨越改造工程中成功热晓线燕子矶大跨越改造工程中成功挂网通电挂网通电世界上首条使用碳纤维复合芯导世界上首条使用碳纤维复合芯导线的大跨距工程。线的大跨距工程。该工程不仅为今后全国各省市大跨越增容改造工程提供了范本，该工程不仅为今后全国各省市大跨越增容改造

27、工程提供了范本，同时还为电网的智能化发展提供了技术支撑。同时还为电网的智能化发展提供了技术支撑。碳纤维复合芯导线碳纤维复合芯导线具有具有载流量大载流量大、重量轻重量轻、弧垂小弧垂小等特点 山西完成山西完成220kV 220kV 冶晋双回碳纤维导线更换工程冶晋双回碳纤维导线更换工程，全线更换碳纤维导线，全线更换碳纤维导线1212公里公里 辽宁丹东辽宁丹东220220千伏桁架式复合材料杆塔和先进复合材料芯导线投入试运行千伏桁架式复合材料杆塔和先进复合材料芯导线投入试运行 36 抽油杆（轻、强度高、耐腐蚀）抽油杆（轻、强度高、耐腐蚀）37 瑞典瑞典电动汽车碳纤维锂电池电极材料电动汽车碳纤维锂电池电极

28、材料 碳纤维材料具有非常高的碳纤维材料具有非常高的拉伸强度拉伸强度和和锂离子集成能力锂离子集成能力，可以，可以同时作为同时作为锂离子电池的结构电极锂离子电池的结构电极和和车身结构的一部分车身结构的一部分结构结构/能量一体化材料能量一体化材料。拟将汽车的。拟将汽车的发动机盖发动机盖设计为电池的一部分设计为电池的一部分 2 2、汽车领域、汽车领域 车重减少车重减少10%10%，燃油，燃油经济就能经济就能提高提高6%8%6%8%39 宝马宝马将扩将扩产碳纤维产碳纤维部件部件 突破三大关键技术：突破三大关键技术：车身等主体结构应用车身等主体结构应用 低成本化工艺低成本化工艺 修复技术修复技术 40 实

29、现修复成本与普通车型相当实现修复成本与普通车型相当 41 随着随着宝马宝马i3i3、i8 i8 陆续采用碳纤维材料，未来宝马集团将全面推广碳纤维在陆续采用碳纤维材料，未来宝马集团将全面推广碳纤维在旗下造车技术中的应用。旗下造车技术中的应用。大量采用碳纤维材料的大量采用碳纤维材料的宝马宝马7 7 系系于于2015 2015 年推出年推出 隶属于宝马集团的豪华品牌隶属于宝马集团的豪华品牌劳斯莱斯劳斯莱斯也将采用碳纤维材料。也将采用碳纤维材料。全新劳斯全新劳斯莱斯古思特莱斯古思特将在将在2018 2018 年上市，年上市，减重减重400 400 斤斤，进而降低燃油消耗，进而降低燃油消耗 42 大众旗

30、下的大众旗下的兰博基尼兰博基尼将牵头推广将牵头推广碳纤维车身技术碳纤维车身技术 车架减重车架减重200kg200kg 43 我国，中科院宁波材料所等单位研制出我国，中科院宁波材料所等单位研制出碳纤维材料汽车碳纤维材料汽车 2014 2014 年北京国际车展，宁波材料所与年北京国际车展，宁波材料所与奇奇瑞瑞汽车联合研制出碳纤维插电式混合动力“汽车联合研制出碳纤维插电式混合动力“艾瑞泽艾瑞泽7 7”车型”车型 外壳重量减轻外壳重量减轻10%10%，油耗降低，油耗降低7%7%；车身总体减重达车身总体减重达40%40%60%60%后，整体可后，整体可操控性加强操控性加强 近期，国内首台碳纤维新能源车在

31、近期，国内首台碳纤维新能源车在江苏奥新江苏奥新新能源汽车公司工厂下线新能源汽车公司工厂下线轻量化纯电动汽车轻量化纯电动汽车 碳纤维车身碳纤维车身 铝合金底盘铝合金底盘 3 3、土木工程、维修与加固领域、土木工程、维修与加固领域 复合材料加固 桥墩加固 甲板加固 土木工程、维修与加固土木工程、维修与加固 4 4、体育休闲领域、体育休闲领域 46 网球拍网球拍 钓具钓具 自行车自行车 箭杆箭杆 三脚架三脚架 滑板滑板 47 半碳到全碳过渡历程半碳到全碳过渡历程 初始初始,等径碳纤维等径碳纤维 车架管车架管，金属接头，金属接头 承力要求不甚苛刻的承力要求不甚苛刻的前后前后 叉叉采用碳纤维复合材料采用

32、碳纤维复合材料 全碳纤维复合材料自行车全碳纤维复合材料自行车 碳纤维复合材料碳纤维复合材料车圈车圈 48 世界最快自行车亮相，世界最快自行车亮相，速度达速度达125km/h 49 四、先进复合材料技术在军工领域的应用 复合材料在武器装备复合材料在武器装备上的用量将会显著增加上的用量将会显著增加，将将与铝合金和特种钢并列与铝合金和特种钢并列成为武器装备成为武器装备的主体结构材料的主体结构材料，复合材料也将成为最为关键的功能材料复合材料也将成为最为关键的功能材料。结构复合材料结构复合材料 抗弹和装甲防护复合材料抗弹和装甲防护复合材料 防热复合材料防热复合材料 结构结构/隐身复合材料隐身复合材料 防

33、热防热/透波复合材料透波复合材料 结构结构/阻尼复合材料阻尼复合材料 其它结构其它结构/功能复合材料等功能复合材料等 1 1、先进复合材料在兵器武器装备上的应用、先进复合材料在兵器武器装备上的应用 51(1)(1)坦克装甲车辆坦克装甲车辆 装甲复合材料装甲复合材料 结构装甲复合材料结构装甲复合材料 结构结构/隐身装甲复合材料隐身装甲复合材料 装甲复合材料装甲复合材料用于正面、顶、底、侧复合装甲用于正面、顶、底、侧复合装甲 复合材料具有高的防护效益，即与装甲钢相比：复合材料具有高的防护效益，即与装甲钢相比：相同重量下防护效能更高相同重量下防护效能更高 相同防护效能下重量更轻，并更易于实现隐身化相

34、同防护效能下重量更轻，并更易于实现隐身化。纤维增强复合材料的防护机理：纤维增强复合材料的防护机理：能量吸收机制能量吸收机制通过纤维拉长塑性变形和断裂吸收能量通过纤维拉长塑性变形和断裂吸收能量。美国美国AAAVAAAV战车复合材料后门战车复合材料后门 AAAVAAAV复合材料后门效果复合材料后门效果 (减重约减重约30Kg)30Kg)美国美国CIFV复合材料车体复合材料车体 M2步兵战车步兵战车 兼具抗弹兼具抗弹结构结构隐身功能隐身功能 AAAVAAAV装甲车复合材料车体装甲车复合材料车体 装甲车体对多种攻击提供防护，装甲车体对多种攻击提供防护，防御轻武器从防御轻武器从300 m处发射的处发射的

35、14.5 mm穿甲弹；穿甲弹；抵御抵御15 m远任何方向炮弹碎片；远任何方向炮弹碎片；车体底部防御反步兵地雷。车体底部防御反步兵地雷。(2)火炮上的应用火炮上的应用 美国海军先进火炮系统材料技术美国海军先进火炮系统材料技术 英国超轻榴弹炮复合身管英国超轻榴弹炮复合身管 研究单位：英国试验与研究局研究单位：英国试验与研究局 研究目的：开发轻重量炮管，研究目的：开发轻重量炮管，榴弹炮重从榴弹炮重从4.08t4.08t降为降为2.27t2.27t 研究内容：复合身管由中等模量碳纤维层研究内容：复合身管由中等模量碳纤维层+高模量碳纤维层高模量碳纤维层+高强度钢衬构成，高强度钢衬构成，高拉应力缠绕，高拉

36、应力缠绕，39倍口径身管减薄倍口径身管减薄60%，火炮，火炮 减重减重40%。美陆军未来战斗系统的轻量化美陆军未来战斗系统的轻量化120mm120mm火炮复合材料身管火炮复合材料身管 复合身管：复合身管：碳纤维热塑性复合材料碳纤维热塑性复合材料/钢内衬钢内衬。该型号火炮已具备该型号火炮已具备6 6级技术成熟等级级技术成熟等级。该火炮号称该火炮号称是世界上最先进、重量最轻的坦克炮是世界上最先进、重量最轻的坦克炮，重量比，重量比“艾布拉姆斯艾布拉姆斯”主战主战坦克配装的坦克配装的120mm120mm火炮火炮轻轻1/31/3 61(3)(3)陆军弹箭武器陆军弹箭武器 结构复合材料结构复合材料 防热复

37、合材料防热复合材料 62 火箭发动机壳体的材料发展历史：火箭发动机壳体的材料发展历史：第一代第一代钢钢 第二代第二代铝合金铝合金 第三代第三代玻璃纤维复合材料玻璃纤维复合材料 第四代第四代芳纶纤维复合材料芳纶纤维复合材料 第五代第五代碳纤维复合材料碳纤维复合材料 目前又有向目前又有向PBO纤维复合材料发展的趋势。纤维复合材料发展的趋势。国外国外单兵便携式反坦克导弹单兵便携式反坦克导弹的主体结构材料是的主体结构材料是碳纤维复碳纤维复合材料合材料，少量采用铝合金和工程塑料，少量采用铝合金和工程塑料 2015/5/29 63 型号型号 用用材情况材情况 美国美国“标枪标枪”导弹导弹 弹翼弹翼、舵翼：

38、舵翼：工程塑料工程塑料 发动机壳体：发动机壳体：高强铝合金高强铝合金 战斗部壳体：战斗部壳体：碳纤维复合材料碳纤维复合材料 导弹舱体：导弹舱体：碳纤维复合材料碳纤维复合材料 美国美国“网火网火”导弹导弹 弹翼弹翼、舵翼舵翼：工程塑料工程塑料 发动机壳体：发动机壳体：疑是碳纤维复合材料缠绕疑是碳纤维复合材料缠绕 战斗战斗部壳体：部壳体：碳纤维复合材料碳纤维复合材料 导弹舱体：导弹舱体：碳纤维复合材料碳纤维复合材料 以色列以色列“长钉长钉”导弹导弹 弹翼弹翼、舵翼：舵翼：工程塑料工程塑料 发动机壳体：发动机壳体：高强铝合金高强铝合金 战斗部壳体：战斗部壳体：碳纤维复合材料碳纤维复合材料 导弹舱体：

39、导弹舱体：碳纤维复合材料碳纤维复合材料 64 美国“标枪”导弹美国“标枪”导弹 美国“网火”导弹美国“网火”导弹 以色列以色列“长钉”导弹示意图“长钉”导弹示意图 20092009 20102010 20112011 20152015 20192019 商用飞机商用飞机 3,2703,270 3,8503,850 4,3004,300 7,9107,910 11,68011,680 军事固定翼飞军事固定翼飞机机 470470 460460 510510 770770 960960 旋翼飞机旋翼飞机 370370 380380 370370 400400 440440 业务专用飞机业务专用飞机

40、220220 230230 240240 590590 750750 通用航空通用航空 630630 570570 600600 1,0001,000 1,3401,340 涡轮喷气和涡轮涡轮喷气和涡轮风扇发动机风扇发动机 300300 340340 380380 1,6601,660 1,8901,890 太空发射舱太空发射舱 430430 440440 450450 520520 550550 碳碳/碳碳 110110 140140 160160 240240 490490 合计合计 5,8005,800 6,4106,410 7,0107,010 13,09013,090 18,1001

41、8,100 全球航空用碳纤维需求（吨）全球航空用碳纤维需求（吨）2 2、先进复合材料在航空领域的应用、先进复合材料在航空领域的应用 （军用飞机和商用飞机）（军用飞机和商用飞机）民用客机民用客机 A350 A340 波音波音777 A380 波音波音787 复合材料用量复合材料用量 B787：50%A380：25%A340：14%B777：11%B757：4%B767：4%1970 1980 1990 2000 20101970 1980 1990 2000 2010 0%10%20%30%40%50%波音波音757/767 民用航空应用民用航空应用 后压力隔框 中央翼盒中央翼盒 J-型热塑性复

42、合材料固定前缘 上层客舱地板梁 水平安定面 垂直安定面 非承压后机身 翼肋、机翼后缘操纵面 GLARE机身上壁板 A380A380用量用量25%25%机机翼翼 结结构构 中央翼盒中央翼盒 A380A380是第一个将复合材料用是第一个将复合材料用于于中央翼盒中央翼盒的大型民机，该翼盒的大型民机，该翼盒8 87 72.4m2.4m，重重8.88.8吨，用复合吨，用复合材料材料5.35.3吨，减重吨，减重1.51.5吨吨 可以增加有效载荷可以增加有效载荷:10:10余人或余人或1 1吨多燃料吨多燃料 Carbon laminateCarbon sandwichFiberglassAluminumAl

43、uminum/steel/titanium pylonsComposites50%Titanium15%Other5%Steel10%Aluminum20%Primary Structure Weight by MaterialB787B787用量用量50%50%（机身）（机身）大型客机上的复合材料大型客机上的复合材料结构用量超过铝合金结构用量超过铝合金 复合材料整体机身段复合材料整体机身段 70 法国阿波罗法国阿波罗-4 4轻型私人飞机轻型私人飞机采用碳纤维复合材料采用碳纤维复合材料 世界上同类型产品中性能最优异的飞机。世界上同类型产品中性能最优异的飞机。珠海雁州公司珠海雁州公司已获得法国已

44、获得法国Dynaero公司独家授权在珠海生产。本机的空机质量为公司独家授权在珠海生产。本机的空机质量为300公斤，最大起飞公斤，最大起飞质量为质量为750公斤公斤 71 我国首款拥有自主知识产权的我国首款拥有自主知识产权的电动载人飞机电动载人飞机将开始批量生产将开始批量生产RX1ERX1E锐翔锐翔双座电动轻型飞机双座电动轻型飞机 采用全碳纤维复合材料结构机体，最大起飞重量约采用全碳纤维复合材料结构机体，最大起飞重量约500500公斤公斤 72 世界最大太阳能飞机世界最大太阳能飞机阳光动力阳光动力2 2号号由碳纤维制成，翼展由碳纤维制成，翼展7272米，但其质量米，但其质量仅为仅为2300230

45、0千克。千克。3 3月月9 9日开始环球飞行，日开始环球飞行，3 3月月3131日降落重庆，日降落重庆，4 4月月2121日抵达南京日抵达南京 4 4、先进复合材料在船舶领域的应用（军用、民用）、先进复合材料在船舶领域的应用（军用、民用）2015/5/29 74 国外结构装甲复合材料还用于舰船国外结构装甲复合材料还用于舰船 水面舰只结构装甲构件水面舰只结构装甲构件各舱室结构各舱室结构 2015/5/29 75 水面舰只水面舰只结构装甲结构装甲构件构件上上层建筑结层建筑结构构 76 瑞典瑞典VisbyVisby级轻型护卫舰采用碳纤维夹心材料级轻型护卫舰采用碳纤维夹心材料 实现了实现了全新的隐身设

46、计全新的隐身设计 四、先进复合材料技术 发展展望 77 复合材料技术已发展呈如下趋势：复合材料技术已发展呈如下趋势：（1）不断开发和应用更高比强度、比模量的新型纤维）不断开发和应用更高比强度、比模量的新型纤维 （2）不断向功能化、结构）不断向功能化、结构/功能一体化和智能化、仿生化功能一体化和智能化、仿生化发展发展 （3）向低成本化方向发展）向低成本化方向发展 （4）不断发展材料复合新技术）不断发展材料复合新技术 78 发展趋势（发展趋势（1 1）：不断开发和应用）：不断开发和应用更高比强度、比模量更高比强度、比模量的新型纤维的新型纤维 碳纤维（碳纤维（CFCF）玻璃纤维玻璃纤维 (GF)(G

47、F)芳纶纤维芳纶纤维 (KF)(KF)聚对亚苯基苯并双噁唑纤维聚对亚苯基苯并双噁唑纤维 (PBO(PBO纤维）纤维）超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯纤维 (UHMWPE(UHMWPE）硼纤维（硼纤维（BFBF）增强纤维发展增强纤维发展 （性能（性能 种类种类 形式）形式）79 型型 号号 拉伸强度拉伸强度(MPa)(MPa)拉伸模量拉伸模量(GPa)(GPa)伸长率伸长率(%)(%)直径直径(m)(m)密度密度(g/cm(g/cm3 3)T300T300 35303530 230230 1.51.5 8 8 1.761.76 T700SCT700SC 49004900 230230 2.1

48、2.1 7 7 1.81.8 T800HBT800HB 54905490 294294 1.91.9 5.15.1 1.811.81 T1000GBT1000GB 63706370 294294 2.22.2 5.35.3 1.81.8 T1000T1000 70607060 294294 2.42.4 5.15.1 1.821.82 M40M40 27402740 392392 0.60.6 6.56.5 1.811.81 M50M50 24502450 490490 0.50.5 6 6 1.911.91 M35JBM35JB 45104510 343343 1.31.3 1010 1.7

49、51.75 M55JBM55JB 40204020 540540 0.80.8 8 8 1.911.91 M60JBM60JB 38203820 588588 0.70.7 8 8 1.931.93 碳纤维性能（东丽）碳纤维性能（东丽）高强型高强型：T300 T700 T800T1000 高模型高模型：M40 M50 M60JB 80 型型 号号 拉伸强度拉伸强度 (MPa)(MPa)拉伸模量拉伸模量 (GPa)(GPa)伸长率伸长率 (%)(%)密度密度 (g/cm(g/cm3 3)IM400IM400 45104510 295295 1.51.5 1.781.78 IM600IM600 5

50、6905690 285285 2.02.0 1.811.81 IM6IM6 44804480 276276 1.651.65 1.741.74 IM7IM7 57605760 268268 1.91.9 1.801.80 AS4AS4 35603560 233233 1.531.53 1.801.80 UM40UM40 49004900 380380 1.21.2 1.811.81 UM50UM50 40204020 540540 0.70.7 1.811.81 UM68UM68 33003300 650650 0.50.5 1.821.82 碳纤维性能（美国）碳纤维性能（美国）军机均采用本国

51、碳纤维军机均采用本国碳纤维 81 82 新型纤维的典型代表是新型纤维的典型代表是PBOPBO纤维纤维、PIPD（M5）纤维）纤维、纳米纤维纳米纤维等等 PBOPBO纤维纤维超级纤维超级纤维 缠绕内压容器缠绕内压容器PV/WPV/W值远高于碳纤维（达到值远高于碳纤维（达到55km55km以上）以上）抗弹防护性能远高于芳纶纤维（抗弹比吸能几乎高抗弹防护性能远高于芳纶纤维（抗弹比吸能几乎高1 1倍）倍）纳米纤维：纳米纤维：直接将一维纳米线用作增强剂直接将一维纳米线用作增强剂，可使复合材料具有可使复合材料具有极其优异的力学性能极其优异的力学性能。碳纳米管碳纳米管，超高强度：超高强度：100100GPa

52、GPa，是钢的是钢的100100倍以上；倍以上；超高模量超高模量:1 1TPaTPa；导电性导电性:106-107 S/m 碳纳米管是轻量化多功能复合材料的理想增强相碳纳米管是轻量化多功能复合材料的理想增强相 纳米复合材料将使材料技术产生跨越发展纳米复合材料将使材料技术产生跨越发展 在装甲复合材料中，国外已分别出现纳米陶瓷、碳纳在装甲复合材料中，国外已分别出现纳米陶瓷、碳纳米管、纳米金属氧化物等增强的聚合物装甲材料。米管、纳米金属氧化物等增强的聚合物装甲材料。83 进期国内外纳米增强树脂基复合材料研究新进展：进期国内外纳米增强树脂基复合材料研究新进展：在碳纤维表面生长碳纳米管在碳纤维表面生长碳

53、纳米管 碳纳米管在复合材料中取向定向碳纳米管在复合材料中取向定向 在复合材料中高碳纳米管加入量技术（加入量可高在复合材料中高碳纳米管加入量技术（加入量可高达达30%50%）等三项新技术，可使复合材料力学性能成倍提高，预计将等三项新技术，可使复合材料力学性能成倍提高，预计将对复合材料技术的发展产生革命性的影响！对复合材料技术的发展产生革命性的影响！84 碳纤维织物碳纤维单丝碳纳米管碳纳米管管壁结构碳纤维表面生长碳纳米管明显提高复碳纤维表面生长碳纳米管明显提高复合材料的层间性能。合材料的层间性能。碳纳米管沿垂直于纤维方向取向定向碳纳米管沿垂直于纤维方向取向定向层合板层间增强层合板层间增强 发展碳纳

54、米管阵列发展碳纳米管阵列 碳纳米管取向薄膜碳纳米管取向薄膜 碳纳米管连续纤维碳纳米管连续纤维 1 1、碳纳米管取向薄膜、碳纳米管取向薄膜:阵列拉膜法阵列拉膜法 制制备备方方法法 力学性能力学性能 碳纳米管纤维碳纳米管纤维 多工位制备多工位制备 2 2、碳纳米管连续纤维制备：阵列纺丝、碳纳米管连续纤维制备：阵列纺丝 89 碳纳米管纤维具有比传碳纳米管纤维具有比传统纤统纤维更优异的力学性能维更优异的力学性能 碳纳米管纤维的力学性能碳纳米管纤维的力学性能 Cutting test Knot test Jennifer A.Lewis et al.,Adv.Funct.Mater.(2014)3D3D

55、打印高性能纳米复合材料打印高性能纳米复合材料 发展趋势（发展趋势（2 2）：不断向）：不断向功能化功能化、结构结构/功能一功能一体化体化和和智能化智能化、仿生化仿生化发展发展 复合材料具有复合材料具有设计自由度大设计自由度大的特点，适合于的特点，适合于向功能材料和向功能材料和结构结构/功能材料发展功能材料发展，适合于，适合于向“高级”形式的“复合”发展向“高级”形式的“复合”发展，即：即：由由宏观层面的“复合”宏观层面的“复合”向向亚宏观和微观层面的“复合”亚宏观和微观层面的“复合”发展发展 由由实现机械功能为主的“复合”实现机械功能为主的“复合”向向实现电、磁、光、声功能的“复合”实现电、磁

56、、光、声功能的“复合”发展发展 并进一步向并进一步向机敏与智能复合材料机敏与智能复合材料、仿生复合材料仿生复合材料等发展等发展 92 智能复合材料智能复合材料 智能复合材料是结构智能复合材料是结构/功能材料的功能材料的最高级形式最高级形式 智能复合材料是将智能复合材料是将传感功能材料或器件传感功能材料或器件和和具有执行功能的材具有执行功能的材料或器件料或器件通过某种基体复合在一起，可表现出通过某种基体复合在一起，可表现出自诊断自诊断、自适应自适应、自修复自修复等功能。等功能。目前国外正研究在目前国外正研究在结构装甲复合材料结构装甲复合材料中嵌入具有修复作用的微胶囊、中嵌入具有修复作用的微胶囊、

57、传感器与启动器等，使其具有传感器与启动器等，使其具有抗侵彻、自修复、隐身、安全状况监控、抗侵彻、自修复、隐身、安全状况监控、热负荷消散、电磁辐射管理热负荷消散、电磁辐射管理等功能，这或将促进新型装甲平台的诞生。等功能，这或将促进新型装甲平台的诞生。93 仿生复合材料仿生复合材料 天然的生物材料基本上是复合材料天然的生物材料基本上是复合材料生物材料历经自然环生物材料历经自然环境的优胜劣汰，形成了境的优胜劣汰，形成了趋于“完美”的复合材料趋于“完美”的复合材料。研发仿生复合材料，是新一代材料发展的重要方向研发仿生复合材料，是新一代材料发展的重要方向 国内外均开展：国内外均开展：仿蜘蛛丝复合材料装甲

58、仿蜘蛛丝复合材料装甲；BC/Al 聚丙烯、聚丙烯、SiC/Al聚丙烯聚丙烯层状鲍鱼壳复层状鲍鱼壳复合料仿生装甲合料仿生装甲 94 发展趋势（发展趋势（3 3）：向低成本化方向发展）：向低成本化方向发展 复合材料的制造成本通常：复合材料的制造成本通常：原材料占原材料占20%成型加工占成型加工占70%质量控制和检测成本占质量控制和检测成本占10%。因此降低复合材料成本的因此降低复合材料成本的重点是成型工艺重点是成型工艺，其次是原材料其次是原材料成本成本 95 低成本化措施之一：改进和发展成型工艺技术 发展和使用RTM和树脂膜浸熔工艺（RFI）。RTM工艺已在我国兵器行业得到广泛应用，采用热塑性薄膜

59、的RFI工艺也已用于制备抗弹复合材料制品。发展新的低成本的非加热固化工艺，主要有微波、电子束（EB）、超声波、紫外光等方法。在兵器行业已开始探索微波固化中小尺寸制件的可行性。发展工艺模拟技术。建立铺层、浸胶、固化等过程的模型和采用人工智能模拟，以优化工艺，可提高工艺参数准确性、自动化程度和制品合格率。开发一体化、自动化的成型工艺。如采用缠绕热压罐、热压罐RTM等组合工艺，采用拉挤、缠绕等自动化工艺技术，发展自动化模压、一机多模模压、一机多芯模缠绕、一罐多模具热压罐等成型技术，发展工艺过程实时监控技术，已成为复合材料工艺的主要发展方向，可有望将复合材料成型工艺难度和成本降低一个数量级。96 低成

60、本化措施之二：降低原材料成本。采用大丝束碳纤维。国外已出现160K、320K碳纤维，关键是开发先进的预浸料工艺。开发低温固化、高温使用的树脂和预浸料，以降低能耗 三是使用混杂纤维复合材料 97 发展趋势（发展趋势（4 4）：发展材料复合新技术）：发展材料复合新技术 尤其是基于尤其是基于微观、亚微观和显微尺寸结构层次微观、亚微观和显微尺寸结构层次上的复合新技术是上的复合新技术是新一代复合材料发展的重点，如：新一代复合材料发展的重点，如：以在材料合成过程中在基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重复以在材料合成过程中在基体中产生弥散相且与母体有良好相容性、无重复污染为特点的污染为特点的原位复合技术原位复合技术；以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特点的以自放热、自洁净和高活性、亚稳结构产物为特点的自蔓燃复合技术自蔓燃复合技术；以组分、结构及性能渐变为特点的以组分、结构及性能渐变为特点的梯度复合技术梯度复合技术；以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散以携带电荷基体通过交替的静电引力来形成层状高密度、纳米级均匀分散材料为特点的材料为特点的分子自组装技术分子自组装技术；以依靠分子识别现象进行有序堆积而形成超分子结构为特点的以依靠分子识别现象进行有序堆积而形成超分子结构为特点的分子复合技分子复合技术术等。等。98 谢谢！99