一、项目名称多轴向经编装备及复合材料制备关键技术及

一、项目名称:
多轴向经编装备及复合材料制备关键技术及产业化
二、提名意见:
随着国防军工、航空航天、轨道交通、风力发电、新能源汽车等行业的深入发展，迫切需要开发轻量化、低成本的高性能纤维复合材料。

该项目解决了“纤维织造-复材成型-加工应用”产业链关键技术。

研发了具有自主知识产权的碳纤维展纤整经机、碳纤维多轴向经编机、玻璃纤维高速多轴向经编机等高性能纤维增强材料核心技术装备；攻克了国产碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维的多轴向编织技术；构建了碳纤维增强热塑性编织结构复合材料性能预测、结构优化设计方法、专用模具等；研发了多轴向经编增强材料的热塑/热固性树脂基复合材料快速成型技术及自动化单元装备，生产效率大幅提升。

该项目已获授权发明专利超过40件；制定国家标准2项；建立了多轴向经编材料生产线52条，复合材料生产线2条，并实现了产业化，取得了显著的经济效益和社会效益。

项目整体技术达到国际先进水平，满足了航空航天、风电叶片、汽车等国家重大需求，具有广阔的发展前景。

提名该项目为国家科技进步奖贰等奖。

三、项目简介
该项目属于新材料技术领域，涉及纺织科学技术、纺织机械、复合材料快速成型及装备工艺技术等跨学科领域，是高性能纤维经编至复合材料成型产业环节发展的核心关键技术的重大创新。

随着国防军工、航空航天、轨道交通、风力发电、新能源汽车等行业的深入发展，对应用材料体系提出了轻量化、低成本、高效率制备的市场需求，高性能纤维复合材料是满足这一要求的最佳解决途径。

目前，高性能纤维的多轴向经编装备关键技术及其复合材料高效率制备技术被德国、日本等发达国家垄断，尤其是技术壁垒较高的碳纤维多轴向经编装备及技术严禁出口，受到技术保密封锁。

国内经编材料制备技术一直处于效率低、成本高、工艺不成熟的状态中，下游复合材料生产效率普遍大于30min/件，与国外形成明显差距。

因此开展多轴向经编装备关键技术及其复合材料应用技术研究尤为关键。

该项目围绕高性能纤维“纤维织造-复材成型-加工应用”的产业关键环节关键技术展开，攻克和掌握了多轴向经编织物及复合材料低成本、高效率的理论基础及生产加工核心关键技术。

主要技术创新包括:（1）研发了具有自主知识产权的碳纤维多轴向经编机等一批高性能纤维增强材料产业用短板核心技术装备，实现了展纤宽度可控、宽度均匀一致，突破了多经轴单独捆绑技术、复合运动编织技术及基础理论、经纬纱恒线速、恒张力控制技术等，精准铺设技术，达到幅宽变形率为0，纱线铺设精确度±0.5°；（2）攻克了国产碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维的低成本全规格多轴向编织技术，实现了多层大丝束碳纤维多轴向织物对以上特殊角度的灵活设计性、准确性和可编织性，碳/碳多层织物的高效制备，碳纤维比例可从8%-95%区间内任意调节，拉伸模量可在50-100GPa范围内调节，达到最佳的性价比；（3）研发了我国独有的可回收热塑性碳纤维汽车结构件热压模具和成型工艺，构建了碳纤维增强热塑性编织结构复合材料宏、细观性能预测、以及结构一体化优化设计方法；自主开发了具有自冲裁结构的碳纤维热塑性复合材料热压成型模具和一次快速近净成型工艺；首次实现了我国碳纤维增强热塑性编织结构复合材料汽车结构横梁的集成制造，复合材料横梁比金属横梁减重50%。

（4）研发了多轴向经编增强材料的热塑/热固性树脂基复合材料快速成型技术及自动化单元装备技术，提高了织物的均匀度和树脂的渗透性，解决了快速浸润、固化成型技术难题，实现复合材料生产效率3min/件，突破了大规模工业化生产的技术瓶颈。

项目成果具有自主知识产权，已获得授权发明专利40项，实用新型专利60项；发表论文20余篇，硕博论文10篇；制定国家标准2项；建立了多轴向经编材料生产线52条，复合材料生产线2条，并实现了产业化；项目整体技术达到了国际先进水平，产品经航空、风电、汽车等领域典型应用认可。

该项目整体技术产品自2015年实施应用以来，已累计新增产值达30亿元，新增利润4亿元，新增税收2.4亿元，带动航空、风电、汽车产业产生的间接经济效益超过200亿元，取得了较好的经济效益和社会效益。

项目填补了国内空白，打破了国外技术垄断，整体技术达到国际先进水平，满足了航空航天、风电叶片、汽车等国家重大需求，有力促进了多轴向经编技术及先进复合材料技术的发展。

四、客观评价：
(1) 项目验收结论
2014年3月7日，中国纺织机械器材工业协会组织专家对常州市第八纺织机械有限公司承担的国家科技支撑计划课题《碳纤维多轴向经编机及技术研发》（编号：2011BAF08B01）进
行了验收，验收意见如下：（1）成功研制了具有自主知识产权的碳纤维多轴向经编机；（2）自主开发了0°铺纬用经轴碳纤维展纤整经机；（3）建立了多轴分区联动的数学模型，实现了碳纤维多轴向经编机三十轴联动；研发了3道恒温加热、张力可调的加热展纤及单轴机器人的智能储纱技术，实现了碳纤维恒温、恒线速展纤。

专家组认为该项目组完成了课题任务书规定的研究内容，达到了考核指标，一致同意通过验收。

2015年5月14日，科技部高技术中心对常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司承担的863计划课题《高性能纤维及复合材料制备关键技术（一期）》（编号：2012AA03A201）进行了验收，验收意见如下：（1）开发了大丝束碳纤维展纤、多轴向铺层全规格编织技术，实现了碳纤维多轴向织物的全规格、低成本编织；（2）完成了国产碳纤维NCF织物及复合材料性能测试及评价，实现织物在C919升降舵、CRH3动车裙板、物流箱等领域典型应用件的验证，技术水平达到8级。

专家组认为该项目组完成了课题任务书规定的研究内容，达到了考核指标，一致同意通过验收。

2012年12月28日，完成了江苏省科技成果转化专项资金项目《2兆瓦及以上风电叶片用玻纤多轴向经编增强材料研发与产业化》（BA2009051），通过了江苏省科技厅验收。

验收意见如下：项目产品实现了原料国产化、突破了低克重加密分纱编织技术和多经轴单独捆绑技术，并运用捆绑纱和经纱的配合与复合运动，使同幅异厚织物达到相同的紧密度和均匀度。

产品质量控制体系完善，性能达到国际同类产品先进水平。

验收委员会一致同意通过验收。

产品经国家玻璃纤维产品质量监督检验中心检验结论为：样品经检验，所检项目符合Q/320411 ASV 003-2009《2MW及以上风电叶片用多轴向经编材料》标准规定的要求。

(2) 科技查新及咨询报告
科技成果查新报告，结论为：课题“碳纤维多轴向经编增强复合材料”具有新颖性。

科技成果咨询报告，结论为：该项目“碳纤维多轴向经编增强复合材料”的研究成果处于国际先进水平。

(3) 国内外同类技术综合比较
多轴向经编装备关键技术自20世纪70年代后期在欧美国家率先发展，后由德国利巴（LIBA）和卡尔迈耶（Karl Maryer）公司所掌握并对我国实施垄断，尤其是技术壁垒较高的碳纤维多轴向经编装备，严禁出口，受到技术保密封锁。

国内相关技术研究起步较晚，1996年由原天津纺织工学院与武进纺织机械厂联合，研制出首台圆型多轴向经编机，类似于卡尔迈耶的RS2DS型经编机，但是其主轴转速过低，未能得到产业化应用推广。

长期以来国内经
编材料制备技术一直处于效率低、成本高、工艺不成熟的状态中，且缺少应用牵引，与国外先进水平存在一定差距。

在复合材料应用领域，欧美、日本等国家一直把碳纤维为代表的高性能纤维复合材料技术列为战略关键技术予以优先发展，目前掌握了高性能纤维复合材料低成本、高效率、自动化量产智能制造技术体系，带动了军工、航空、风电、汽车等领域的广泛应用，形成领跑地位。

以宝马为代表的国际整车厂突破了从碳纤维原丝制备、碳纤维多轴向经编、复合材料设计制造到新能源整车应用全产业链的整体解决方案；特别是由德国克劳斯玛菲和迪芬巴赫联合开发的碳纤维复合材料快速成型装备技术，将复合材料制备速度提升至3min/件，解决了工业化制造的技术瓶颈。

国内相关技术起步晚，目前复合材料生产效率普遍大于30min/件，生产线自动化程度低，严重依赖手工操作，与国外形成明显差距。

该项目突破了多轴向经编装备关键技术及其复合材料应用的关键理论与技术，攻克了“纤维多轴向织造-复合材料快速成型-下游加工应用”的产业链在发展中成本高及效率低的生产工艺及设备技术瓶颈，目标产品以碳纤维为典型的一批高性能纤维多轴向织物及复合材料为代表，可满足国防军工、航空航天、风电、汽车等国民经济领域对材料体系轻量化、高性能、规模化的应用需求，产品及装备整体技术达到或超过了国外高端同类产品的技术指标。

推广应用情况
该项目整体技术产品自2015年实施应用以来，已累计新增产值达30亿元，新增利润4亿元，新增税收2.4亿元，带动航空、风电、汽车产业产生的间接经济效益超过200亿元，取得了较好的经济效益和社会效益。

多轴向经编材料产品经中国航天科工集团306所、中材科技风电叶片有限公司、中航复合材料有限责任公司、常州格维创联汽车科技有限公司、中简科技股份有限公司等典型客户应用获得认可；复合材料产品通过德国IMA材料研究和应用技术有限公司等第三方专业检测公司认证，经上海申龙客有限公司应用，车辆通过路试。

代表产品“碳纤维多轴向经编增强材料”获得第十一届江苏纺织技术创新奖，经常州市经信委鉴定为国际先进水平；项目自主研发核心装备碳纤维填充芯材自动拉挤成型设备等进入上海飞机制造有限公司供应链体系。

项目成功研制出碳纤维增强热塑性编织结构复合材料汽车横梁，比金属横梁减重50%（减重10Kg），拉伸模量和拉伸强度分别达到54 Gpa和974 Mpa。

自主开发的热塑性碳纤维快速热压成型工艺，实现了从复合编织结构铺层板材加热后放入模具到模压成型过程不大于3分钟实现了在华晨汽车的成功装车测试。

实现了可回收汽车横梁制品轻量化和高效率制造。

项
目成果突破了传统热固性碳纤维复合材料制造周期长、成本高及无法回收困局，并可以广泛推广到各个工业领域、以及航空、航天等国家战略领域。

相关项目“2兆瓦及以上风电叶片用玻纤多轴向经编增强材料”获得了2014年度江苏省科学技术二等奖；“碳/碳、碳/玻多层织造及其复合材料低成本、高效率制备与应用技术开发”经初评获2018年度江苏省科学技术奖。

项目核心专利“多轴向经编织物生产工艺”获第十八届中国专利优秀奖，“多轴向经编增强复合材料的生产工艺”获第十九届中国专利优秀奖。

项目填补了国内空白，打破了国外技术垄断，整体技术达到国际先进水平，满足了航空航天、风电叶片、汽车等国家重大需求，有力促进了多轴向经编技术及先进复合材料技术的发展。

主要知识产权证明目录
七、主要完成人情况：
1、陈南梁，排名1、副校长、教授、工作单位:东华大学，完成单位:东华大学
项目总负责，制定总体技术方案，提出多轴向经编织物编设计理论及装备优化生产工艺方法，碳/玻多层混编织物的自动化织造技术等。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：成果验收证书，授权国家发明专利、论文、2014年度江苏省科学技术二等奖等。

2、谈昆伦，排名2、总经理、高级经济师、工作单位: 常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司，完成单位:常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司
项目总负责，负责技术及产业化，创新开发了玻纤及碳纤维多轴向经编机设备，多轴向经编织物生产工艺，混编织物的自动化高速混合编织等。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：授权国家发明专利、论文、2014年度江苏省科学技术二等奖等。

3、刘春太，排名3、处长、教授，工作单位：郑州大学，完成单位：郑州大学
负责热塑性碳纤维编织结构复合材料成型模具和工艺的研究，重点开发了具有自冲裁结构的热塑性碳纤维汽车结构件热压模具和成型工艺。

在该项目技术创造性工作对创新点3有贡献。

创造性性贡献及成果见支撑材料：授权国家发明专利、软件著作版权、学术论文，首届“中国
汽车轻量化设计奖”优秀奖等。

4、段跃新，排名4、研究员、博士、工作单位: 北京航空航天大学，完成单位: 北京航空航天大学
负责多轴向混编织物设计性能与复合材料湿法成型技术，研发了预成型体制备工艺、模具制备技术、混编织物定型工艺与渗透性、及复合材料湿法成型技术，解决了快速浸润、固化成型技术难题等。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：成果验收证书，授权国家发明专利、论文、验收证书等。

5、蒋金华，排名5、系主任、副教授、工作单位:东华大学，完成单位:东华大学
负责多轴向编织工艺及复合材料成型，提出了多轴向经编织物编设计工艺及装备优化生产工艺方法，设计了捆绑纱线和经纱的配合与复合运动编织技术及基础理论，突破了多轴向织物铺层结构设计、织物渗透性关系的建立等。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：授权国家发明专利、论文、2014年度江苏省科学技术二等奖等。

6、谈源，排名6、总经理、研究员、工作单位: 常州市新创智能科技有限公司，完成单位:常州市新创智能科技有限公司
负责碳/碳纤维全规格编织装备、碳/玻混编装备技术开发，发明了碳/玻一步混编工艺技术，研发了变速实时恒张力闭环控制和纱线缓冲技术，建立变化编织速度与恒定展纤速度的数学模型，实现变速恒张力积极送纱和展纤编织一步法混合编织成型。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：成果验收证书，授权国家发明专利、验收证书等。

7、蒋国中，排名7、总工程师、高级工程师、工作单位:常州市第八纺织机械有限公司，完成单位: 常州市第八纺织机械有限公司
负责多轴向经编机开发设计及工艺优化，开发了碳纤维多轴向经编机智能储纱装置，创新了储纱控制系统以及控制方法，实现了对碳纤维展纤到铺纬过程的精确控制，提出了碳纤维多层织造技术方案，实现不同规格的碳纤维材料可以从不同的位置衬入实现全规格的编织技术。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：成果验收证书，授权国家发明专利、验收证书等。

8、刘勇俊，排名8、技术部经理、工程师、工作单位:常州市第八纺织机械有限公司，完成单位: 常州市第八纺织机械有限公司
负责碳纤维多轴向经编机技术开发及整经机开发，提出了碳纤维多轴向经编机三十轴联动设计，解决了二十九根轴与机器主轴的协调和同步运行难题，创新了单轴机器人的智能储纱技术，使用单轴机器人进行智能储纱技术，实现碳/碳经编材料高速织造。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：成果验收证书，授权国家发明专利、验收证书等。

9、季小强，排名9、副总经理、高级工程师、工作单位: 常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司，完成单位: 常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司
负责碳纤维恒宽在线展纤技术、碳/玻层间混合编织技术开发，建立了温度、张力、线速对在线展纤的影响数学模型，确定了最佳工艺参数，研发设计了碳/玻层间混合编织放卷、送经、编织技术，满足复合材料的性能设计要求。

在该项目技术创造性工作中对创新点1-4均有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：授权国家发明专利、2014年度江苏省科学技术二等奖等。

10、张娜，排名10、高级实验师，工作单位：郑州大学，完成单位：郑州大学
负责复合材料实验与实施，提出热塑性复合材料制备过程中经编设计材料与热塑性材料的浸润方法与实施方案。

该项目技术创造性工作中对创新点3-4有贡献。

创造性贡献及成果见支撑材料：授权国家发明专利、论文等。

八、主要完成单位及创新推广贡献
1、常州市宏发纵横新材料科技股份有限公司
项目牵头实施单位，从碳纤维复合材料低成本、高效率、工业化生产与应用角度出发，提出了整体技术方案、技术路线，负责项目整体实施，研究开发了“碳纤维恒宽在线展纤技术、碳纤维多角度全规格织造技术、碳/玻层间混合编织技术、复合材料快速成型工艺技术”，破解了碳纤维复合材料低成本、高效率制备技术瓶颈，建立了涵盖“纤维织造-织物裁切-预成型-快速成型-加工装配”全流程的低成本、高效率制造技术路线和完整的材料体系。

主要贡献为：（1）研发了具有自主知识产权的碳纤维多轴向经编机等一批高性能纤维增强材料产业用短板核心技术装备，实现了展纤宽度可控、宽度均匀一致，突破了多经轴单独捆绑技术、复合运动编织技术及基础理论、经纬纱恒线速、恒张力控制技术等，精准铺设技术，达到幅宽变形率为0，纱线铺设精确度±0.5°；（2）攻克了国产碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维的低成本全规格多轴向编织技术，实现了多层大丝束碳纤维多轴向织物对以上特殊角度的灵活设计性、准确性
和可编织性，碳/碳多层织物的高效制备，碳纤维比例可从8%-95%区间内任意调节，拉伸模量可在50-100GPa范围内调节，达到最佳的性价比；（3）研发了多轴向经编增强材料的热塑/热固性树脂基复合材料快速成型技术及自动化单元装备技术，提高了织物的均匀度和树脂的渗透性，解决了快速浸润、固化成型技术难题，实现复合材料生产效率3min/件，突破了大规模工业化生产的技术瓶颈。

（4）负责产品的技术推广和市场应用，将项目开发的目标产品-碳/碳经编材料、碳/玻混编材料、复合材料推广到风电、汽车、航空航天等应用领域。

2、东华大学
作为项目主要承担单位，系统负责了项目的总体方案设计和实施，形成了多轴向织物设计、生产关键技术及复合材料产业化全套技术。

研究开发了碳纤维展纤技术、碳纤维多角度全规格织造技术、碳/玻层间混合编织技术、复合材料成型工艺技术，破解了碳纤维复合材料低成本、高效率制备技术瓶颈。

主要技术创新包括:（1）研发了具有自主知识产权的碳纤维展纤整经机关键机构、突破了碳纤维多轴向经编机、玻璃纤维高速多轴向经编机等一批高性能纤维增强材料产业用短板核心技术装备，开发了碳/玻层间混合编织工艺技术；（2）攻克了国产碳纤维、玻璃纤维、碳/玻混杂纤维等高性能纤维的低成本全规格多轴向编织技术，开发了碳纤维多角度铺纬工艺技术，实现了多层大丝束碳纤维多轴向织物对以上特殊角度的灵活设计性、准确性和可编织性，碳/碳多层织物的高效制备；（3）提出了多轴向经编织物编设计工艺及装备优化生产工艺方法，设计了捆绑纱线和经纱的配合与复合运动编织技术及基础理论；（4）构建了碳纤维增强热塑性编织结构复合材料宏、细观性能预测、以及结构一体化优化设计方法，研究了多轴向织物结构设计与变形机理，突破了多轴向织物铺层结构设计、织物渗透性关系的建立等，突破了大规模工业化生产的技术瓶颈。

在项目实施的推动作用下，学校与多家合作单位之间开发产业关键技术研究，有效地促进了产学研的结合，极大推动了合作企业产品市场竞争力。

3、郑州大学
作为项目主要参与单位，郑州大学橡塑模具国家工程研究中心主要负责热塑性经编复合材料的模具设计和成型工艺研究。

主要贡献为：（1）构建了碳纤维经编复合材料宏、细观性能预测方法，以及制品轻量化设计与CAE验证方法，相关成果获得了软件著作权“纤维增强复合材料弹性参数预测软件（2018SR636490）”；（2）自主开发出一套热塑性碳纤维快速热压成型工艺，实现了复合材料热压过程产品与切边、冲孔一体近净成型。

首次实现了我国碳纤维增强热塑性编织结构复合材料汽车结构横梁的集成制造，复合材料横梁比金属横梁减重50%。

项目实施过程中，联合华晨汽车等，完成了中国汽车工业学会汽车轻量化技术创新战略联盟组织的合
作项目“汽车低成本热塑性碳纤维复合材料零部件联合开发”，所研制的复合材料横梁已经在完成了在华晨汽车某型号的装车测试，并获得了首届“中国汽车轻量化设计奖”优秀奖。

项目实施过程中，主持承担了国家自然科学科学基金重点项目“碳纤维增强热塑性树脂复合材料制备成型的应用基础研究（U1604253）”。

项目的完成为我国可回收碳纤维热塑性复合材料在汽车轻量化领域的应用，提升我国汽车轻量化技术具有重要的理论和技术意义。

4、常州市新创智能科技有限公司
作为项目主要参与单位，负责碳/碳纤维全规格编织装备、碳/玻混编装备技术开发，复合材料成型加工及应用推广等。

主要贡献为：（1）突破了碳/玻混编装备及生产技术，建立变化编织速度与恒定展纤速度的数学模型，实现变速恒张力积极送纱和展纤编织一步法混合编织成型；（2）开发了复合材料快速成型工艺技术，研发了预成型体制备工艺、模具制备技术及复合材料湿法成型技术，解决了快速浸润、固化成型技术难题。

通过织物裁切技术、预成型体制备、快速成型、复合材料加工等技术研究，实现各单元的自动化制备。

（3）研发了独有的可回收热塑性碳纤维结构件热压模具和成型工艺，构建了碳纤维增强热塑性编织结构复合材料宏、细观性能预测、以及结构一体化优化设计方法；（4）负责产品的技术推广和市场应用，将项目开发的目标产品-碳/碳经编材料、碳/玻混编材料、复合材料推广到风电、汽车、航空航天等应用领域。

5、常州市第八纺织机械有限公司
作为整经机行业领军企业之一，主要负责多轴向经编机及整经机设计开发及生产线研制工作。

开发了“碳纤维恒宽在线展纤、整经技术及装备、碳纤维多角度全规格织造技术及装备、碳/玻层间混合编织技术及装备，突破了碳纤维多轴向经编生产技术、低成本、高效率制备技术瓶颈。

主要贡献为：（1）研发了具有自主知识产权的碳纤维多轴向经编机等一批高性能纤维增强材料产业用短板核心技术装备，实现了展纤宽度可控、宽度均匀一致，突破了多经轴单独捆绑技术、复合运动编织技术及基础理论、经纬纱恒线速、恒张力控制技术等，精准铺设技术，达到幅宽变形率为0，纱线铺设精确度±0.5°；（2）提出了采用磁粉张立罗拉及大张力液态阻尼张力器的设想和机构设计，实现了对整经装备关键部件的有效控制，开发了专用和混编多轴向经编整经机构；（3）攻克了国产碳纤维、玻璃纤维等高性能纤维的低成本全规格多轴向编织技术，实现了多层大丝束碳纤维多轴向织物对以上特殊角度的灵活设计性、准确性和可编织性，碳/碳多层织物的高效制备，碳纤维比例可从8%-95%区间内任意调节，拉伸模量可在50-100GPa范围内调节，达到最佳的性价比，实现了碳经编材料、碳/玻混编材料等材料的高。