11-新材料和先进复合材料技术发展态势和展望
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新材料与先进复合材料技术 发展态势和展望
中国兵器工业集团第五三研究所 魏化震 2015年5月21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
——高新技术和战略性新兴产业 ——促进传统产业转型升级的重要基础 ——战略性新兴产业发展的支撑和保障
60% 40% 20% 0%
居世界第一位。
2004 2005 2006 2007 2008 2009
各国和地区专利受理数每年所占数量分布
7
（3）材料领域研发人数世界第一
从事科技活动人员115万
传统材料60万（工程师超过28万） 新材料65万（大学及以上学历34万，其中研究生5万）
高端人才千余人（院士、千人、杰青、长江学者）
——碳纤维：无序竞争，低水平重复；低品级纤维（T300）产能过剩；高
6326 5585 1630
印度
2003-2013年期间各国在Web of Science （SCI）收录材料科学论文数6
（2）专利数达到世界第一，但质量有待提高
100% 80%
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
我国材料技术研究正从跟 踪逐步转向创新与跨越式 发展，发明专利申请数于 2008年超越美国、日本，
13
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
超材料是材料科学家与计算机、物理、信息、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。
上尚有差距； 产业竞争力不强，利润率低，部分行业产能严重过剩， 低水平重复现象严重。
11
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
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，包括碳基纳米材料、半导体纳米材 料、贵金属纳米材料、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，形成纳米材料、器件及相关产品。
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
——前沿新材料：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、碳纤维低成本化与高端创新示范、高强 轻型合金材料、电子信息功能材料、先进电池材料、生物医用材料等十大专项工程
复合材料具有重要的位置！！
16wk.baidu.com
技术推动
许多其它材料与 复合材料也有密 切关联
17
二、复合材料技术发展环境
18
复合材料四大特点：
高比强度、高比模量， 性能与功能的可设计性， 正向的复合效应， 材料与结构的同一性，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：
——可以显著减轻重量，节省能源； ——同时，可赋予装备及系统部件阻尼减振、防热隔热、 腐蚀防护、抗弹防护、隐身、导电、绝缘及声、光、电、 磁等功能特性。
纺 织 材 料
建 筑 材 料
需求牵引 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 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 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 高性能碳/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 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
——推动技术创新的革命性力量
近年来我国新材料技术与产业高速发展，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20年来，我国新材料技术发展迅速
（1）科技论文数位居世界第一位
2005 年我国材料领域科技论文数达到世界第一位， 2012 年 中国论文数达到18000篇，是美国的2倍，日本的4.25倍。
国家“十三五”重点发展的新材料领域（11个）
有 色 金 属 材 料 石 油 化 工 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 料 与 器 件 材 料 设 计 制 备 与 安 全 服 役
子 领 域
钢 铁 材 料
轻 工 材 料
9
（5）我国百余种材料产量世界第一位
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。 产品名称 钢材 (万吨) 粗钢 (万吨) 十种有色金属 (万吨) 水泥 (万吨) 聚氯乙烯 (万吨) 化学纤维 (万吨) 稀土金属 (万吨) 平板玻璃 (万重量箱) 光纤 （亿千米） 合成橡胶 (万吨) 2008年 60460.29 50305.75 2553.63 142010 758.7 2404.61 13.5 59890.39 0.38 296.03 2009年 2010年 69405.40 80276.58 57218.23 63722.99 2648.54 3136 164863 187598 766.6 1151.2 2726.06 12.7 58574.07 0.78 274.91 3089.70 11.9 66082 0.9 308.4 2011年 88131 68327 3438 208500 1295.2 3362.36 9.7 78500 1.0 348.8 2012年 95577 72388 3696
当前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。
12
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
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”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 的10～20年缩短为5～10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。
国家/ 地区 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
2013
全世界 37598 39932 46579 45849 46729 51866 57007 52454 中国大 5461 陆 美国 日本
5845 6537 5374 1622
9115 7269 5469 1928
15
我国新材料研发与产业化发展重点
在国家“新材料产业“十二五”发展规划”中，提出了六
大发展重点：
——特种金属功能材料：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：高品质特殊钢、新型轻合金。 ——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：先进陶瓷、特种玻璃、特种无机非金属材料。 ——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
218400
75050 397.39
10
但是，我国新材料领域面临的挑战：
基础原材料整体技术水平不高，物耗能耗排放高； 核心技术、工艺及装备依赖进口或者受制于国外； 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；
国家重大工程和国防建设对部分新材料需求强烈，技术
20
可用于极端工况——抗疲劳
抗疲劳
•疲劳/静态=70％~80%（复合材料） •30％~50%（金属)
直升机旋翼
可用于极端工况——耐腐蚀（耐海洋环境）
沿海油气田 On-shore：管道系统、油罐、油箱。 Off-shore：管道系统、围栏、扶手、通 道、坚井、抽油杆等。 Down-hole：管道系统及其衬里。
8
（4）建立了较完整的材料研发与产业化体系
材料类研发机构超过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%。 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200家。
14
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
国际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、纳米生物探针和检测技术 、药物控制释放和靶向治疗材料、组织工程支架材料、介入诊断和治 疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官等 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、有机无机杂化太阳能电 池、量子点太阳能电池、新型储氢材料、燃料电池材料、相变储能材 料和热电材料等。
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。
铝合金
2 （亿美元）
聚合物基复合材料——技术最成熟、应用最为广泛、研究也
最为活跃
复合材料发展环境
全 球 变 暖 油 价 上 涨
高 性 能 装 备
汽车
桥梁
高铁
交通
工程机械
房屋
基础设施
隧洞 其它
民用飞机
复合材料
空天
风力发电
军用飞机
新能源
卫星
太阳能设备 潜艇
陆海
运载火箭
航天飞行器
坦克
装甲车
26
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
27
全球碳纤维市场需求-年份（千吨）
据Research and Markets公布的全球碳纤维市场和碳纤维复合材料研究报 告显示，2014-2019年，全球碳纤维复合材料年复合增长率将达到12.8% 28
全球碳纤维市场需求-应用领域（千吨）
29
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
8581 7418 5770 2064
10549 11920 12668 12799 15076 18175 16890 7390 4529 2556 7852 4832 2945 8297 4884 3254 7818 3999 3371 8925 4110 3631 9180 4247 3855 7829 2988 3625
可整体成型——减少零件和连接、装配
Precured Stiffeners
Uncured Skin
F35平尾2.9×1.4m 无一个紧固件
8个纵向加强件与上、 下蒙皮共固化
2010年全球复合材料市场
复合材料类别 市场规模
树脂基 复合材料
聚合物基复合材料 430 （亿美元） 碳/碳复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 10 （亿美元） 1 （亿美元）
中科院院士103人 工程院院士117人
每年材料类大学毕业生8万余人
硕士8500余人（2010年8575人）;博士1800余人（2010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%
中国兵器工业集团第五三研究所 魏化震 2015年5月21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
——高新技术和战略性新兴产业 ——促进传统产业转型升级的重要基础 ——战略性新兴产业发展的支撑和保障
60% 40% 20% 0%
居世界第一位。
2004 2005 2006 2007 2008 2009
各国和地区专利受理数每年所占数量分布
7
（3）材料领域研发人数世界第一
从事科技活动人员115万
传统材料60万（工程师超过28万） 新材料65万（大学及以上学历34万，其中研究生5万）
高端人才千余人（院士、千人、杰青、长江学者）
——碳纤维：无序竞争，低水平重复；低品级纤维（T300）产能过剩；高
6326 5585 1630
印度
2003-2013年期间各国在Web of Science （SCI）收录材料科学论文数6
（2）专利数达到世界第一，但质量有待提高
100% 80%
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
我国材料技术研究正从跟 踪逐步转向创新与跨越式 发展，发明专利申请数于 2008年超越美国、日本，
13
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
超材料是材料科学家与计算机、物理、信息、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。
上尚有差距； 产业竞争力不强，利润率低，部分行业产能严重过剩， 低水平重复现象严重。
11
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
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，包括碳基纳米材料、半导体纳米材 料、贵金属纳米材料、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，形成纳米材料、器件及相关产品。
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
——前沿新材料：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、碳纤维低成本化与高端创新示范、高强 轻型合金材料、电子信息功能材料、先进电池材料、生物医用材料等十大专项工程
复合材料具有重要的位置！！
16wk.baidu.com
技术推动
许多其它材料与 复合材料也有密 切关联
17
二、复合材料技术发展环境
18
复合材料四大特点：
高比强度、高比模量， 性能与功能的可设计性， 正向的复合效应， 材料与结构的同一性，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：
——可以显著减轻重量，节省能源； ——同时，可赋予装备及系统部件阻尼减振、防热隔热、 腐蚀防护、抗弹防护、隐身、导电、绝缘及声、光、电、 磁等功能特性。
纺 织 材 料
建 筑 材 料
需求牵引 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 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 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 高性能碳/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 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
——推动技术创新的革命性力量
近年来我国新材料技术与产业高速发展，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。
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近20年来，我国新材料技术发展迅速
（1）科技论文数位居世界第一位
2005 年我国材料领域科技论文数达到世界第一位， 2012 年 中国论文数达到18000篇，是美国的2倍，日本的4.25倍。
国家“十三五”重点发展的新材料领域（11个）
有 色 金 属 材 料 石 油 化 工 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 料 与 器 件 材 料 设 计 制 备 与 安 全 服 役
子 领 域
钢 铁 材 料
轻 工 材 料
9
（5）我国百余种材料产量世界第一位
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。 产品名称 钢材 (万吨) 粗钢 (万吨) 十种有色金属 (万吨) 水泥 (万吨) 聚氯乙烯 (万吨) 化学纤维 (万吨) 稀土金属 (万吨) 平板玻璃 (万重量箱) 光纤 （亿千米） 合成橡胶 (万吨) 2008年 60460.29 50305.75 2553.63 142010 758.7 2404.61 13.5 59890.39 0.38 296.03 2009年 2010年 69405.40 80276.58 57218.23 63722.99 2648.54 3136 164863 187598 766.6 1151.2 2726.06 12.7 58574.07 0.78 274.91 3089.70 11.9 66082 0.9 308.4 2011年 88131 68327 3438 208500 1295.2 3362.36 9.7 78500 1.0 348.8 2012年 95577 72388 3696
当前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。
12
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
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”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 的10～20年缩短为5～10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。
国家/ 地区 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012
2013
全世界 37598 39932 46579 45849 46729 51866 57007 52454 中国大 5461 陆 美国 日本
5845 6537 5374 1622
9115 7269 5469 1928
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我国新材料研发与产业化发展重点
在国家“新材料产业“十二五”发展规划”中，提出了六
大发展重点：
——特种金属功能材料：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：高品质特殊钢、新型轻合金。 ——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：先进陶瓷、特种玻璃、特种无机非金属材料。 ——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
218400
75050 397.39
10
但是，我国新材料领域面临的挑战：
基础原材料整体技术水平不高，物耗能耗排放高； 核心技术、工艺及装备依赖进口或者受制于国外； 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；
国家重大工程和国防建设对部分新材料需求强烈，技术
20
可用于极端工况——抗疲劳
抗疲劳
•疲劳/静态=70％~80%（复合材料） •30％~50%（金属)
直升机旋翼
可用于极端工况——耐腐蚀（耐海洋环境）
沿海油气田 On-shore：管道系统、油罐、油箱。 Off-shore：管道系统、围栏、扶手、通 道、坚井、抽油杆等。 Down-hole：管道系统及其衬里。
8
（4）建立了较完整的材料研发与产业化体系
材料类研发机构超过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%。 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200家。
14
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
国际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、纳米生物探针和检测技术 、药物控制释放和靶向治疗材料、组织工程支架材料、介入诊断和治 疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官等 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、有机无机杂化太阳能电 池、量子点太阳能电池、新型储氢材料、燃料电池材料、相变储能材 料和热电材料等。
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。
铝合金
2 （亿美元）
聚合物基复合材料——技术最成熟、应用最为广泛、研究也
最为活跃
复合材料发展环境
全 球 变 暖 油 价 上 涨
高 性 能 装 备
汽车
桥梁
高铁
交通
工程机械
房屋
基础设施
隧洞 其它
民用飞机
复合材料
空天
风力发电
军用飞机
新能源
卫星
太阳能设备 潜艇
陆海
运载火箭
航天飞行器
坦克
装甲车
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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
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全球碳纤维市场需求-年份（千吨）
据Research and Markets公布的全球碳纤维市场和碳纤维复合材料研究报 告显示，2014-2019年，全球碳纤维复合材料年复合增长率将达到12.8% 28
全球碳纤维市场需求-应用领域（千吨）
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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
8581 7418 5770 2064
10549 11920 12668 12799 15076 18175 16890 7390 4529 2556 7852 4832 2945 8297 4884 3254 7818 3999 3371 8925 4110 3631 9180 4247 3855 7829 2988 3625
可整体成型——减少零件和连接、装配
Precured Stiffeners
Uncured Skin
F35平尾2.9×1.4m 无一个紧固件
8个纵向加强件与上、 下蒙皮共固化
2010年全球复合材料市场
复合材料类别 市场规模
树脂基 复合材料
聚合物基复合材料 430 （亿美元） 碳/碳复合材料 陶瓷基复合材料 金属基复合材料 10 （亿美元） 1 （亿美元）
中科院院士103人 工程院院士117人
每年材料类大学毕业生8万余人
硕士8500余人（2010年8575人）;博士1800余人（2010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%