高性能纖維複合材料作為典型的先進纖維複合材料，無論在軍用還是民用領域都擁有極為廣泛的應用前景，近年來已成為世界各國研究的熱點和重點。
在徐堅教授的帶領下，材料委天津院前沿材料團隊及中科院化學所對2019 年全球範圍內高性能纖維複合材料在新產品、新工藝以及新市場等方面取得的科技進展進行了回顧。
徐堅，深圳大學特聘教授，國家新材料產業發展戰略諮詢委員會常務副主任
聶銘歧、王熙大、季俊娜、王亞會、李林潔，材料委天津院前沿材料團隊行業分析師
朱才鎮，深圳大學特聘研究員
劉瑞剛，中國科學院化學研究所研究員
美國科技進展
1.美國陸軍研究實驗室研發出一款輕型戰鬥裝甲
2019年9月，美國陸軍研究實驗室表示正在通過將超高分子量聚乙烯與氧化硅納米粒子結合的一種新技術製備用於防彈衣的新材料，這種新材料具有更高的強度，是吸收子彈和其它彈殼撞擊的理想材料。2019年11月，美國官員表示，目前美國特種部隊正在對一款輕型戰鬥裝甲進行測試，它是之前“戰術突擊輕型行動服（TALOS）”的項目成果之一，這款輕型裝甲是一種“輕型聚乙烯肢體防護裝甲”，既強固又輕巧，比現行的標準防護裝備輕了25%，這款新型的戰鬥裝甲與現役的標準步兵防彈服（身體覆蓋率19%）相比，身體覆蓋率達到44%以上，能有效保護士兵的肩膀、體前側、前臂和跨部。
2.AFRL研製出一種定製化直接噴墨3D打印設備
2019年3月15日，美國空軍研究實驗室（AFRL）與阿肯色大學、邁阿密大學合作開發出3D碳纖維/環氧樹脂複合材料，研製出一種定製化直接噴墨3D打印設備，可用於加工航空航天領域的短纖維環氧樹脂複合材料結構件，這種材料的開發為下一代多功能無人飛行器結構零件的製造提供了技術支持。
3.美國通用汽車開始在兩款車上使用碳纖維車廂
在汽車領域，美國通用汽車公司於2019年宣佈開始在通用Sierra皮卡“GMC Sierra Denali 1500”和“GMC Sierra AT4 1500”中使用碳纖維車廂，該皮卡車廂（CarbonPro）由通用公司與帝人聯合開發，是世界上首次將碳纖維增強熱塑性塑料用於大批量生產的汽車結構部件，這款“CarbonPro”與其他皮卡車廂相比，重量減少了約25%，且具有一流的抗凹痕、耐刮擦和耐腐蝕性。
4.美國萊斯大學Ajayan團隊研發出一種新型層狀複合材料
2019年6 月，美國萊斯大學的Ajayan團隊研發了一種高介電、高導熱以及耐高溫芳香聚酰胺纖維增強的層狀複合材料。該材料介電常數最高可達6.3，導熱係數最高可達2.4 W·m﹣¹·K﹣¹，擊穿強度可高達292MV ·m﹣¹，楊氏模量達到 11GPa，有望應用於高溫儲能器件中。
5.佐治亞理工學院Kumar 團隊成功製備質量分數超過40%的CNC纖維
2019年1月，佐治亞理工學院的Kumar 團隊採用聚丙烯腈（PAN）纖維為原料，成功製備了質量分數超過40%的納米微晶纖維素（CNC）碳纖維。PAN/CNC 基碳纖維的拉伸強度在1.8~2.3 GPa 範圍內，拉伸模量在220~265 GPa範圍內。
日本科技進展
6.東麗公司研製出世上首個具有納米級連續孔結構的多孔碳纖維
2019年11月18日，東麗公司通過自身的聚合物技術和纖維技術，研製出世界上第一種具有納米級連續孔結構的多孔碳纖維，並且可以利用自身的技術確保孔隙的均勻分佈以及定製多孔結構的固定尺寸，這種纖維材料結構緊密且質輕，具有優異的化學穩定性和透氣性，可以用來製作先進膜材料的支撐層，實現更具有環境友好性的天然氣和沼氣淨化、溫室氣體分離以及安全制氫。
7.帝人公司研發出一種新型碳纖維增強BMI預浸料
2019 年3月4 日，帝人公司宣佈研發出了一種新型碳纖維增強雙馬來酰亞胺樹脂（BMI）預浸料，這種預浸料具 有高達280℃的玻璃化轉變溫度，以及較高的衝擊後抗壓強度和較小的線性熱膨脹係數，是日本首個兼具高耐熱性和高耐衝擊性的BMI 預浸料，為航空航天發動機零部件的生產提供了新的思路。
8.帝人汽車複合材料集團開發出一種多材料複合材料汽車門概念
2019年3月6日，帝人汽車複合材料專業集團開發出了一種多材料複合材料汽車門概念，這款多材料側門模塊由碳纖片狀模塑料（SMC）、玻璃纖 維SMC 和單向玻璃纖維增強塑料（GFRP）製成，具有高強度、低重量、優異的耐熱性和減震性、卓越的設計自由度以及能夠實現深拉伸等優點。帝人計劃於2025 年推出商用門模塊，爭取成為多材料汽車零部件的全球供應商。
9.東麗公司成功研發出新型CFRP預浸料和新型預浸樹脂系統
東麗公司成功研發出新型航空用碳纖維增強塑料（CFRP）預浸料和高端汽車和賽車用新型預浸樹脂系統“東麗TC346”。其中，新型CFRP預浸料適用於真空成型技術，與傳統預浸料使用熱壓罐成型技術相比，能夠顯著降低製造成本。“東麗TC346”具有優異的機械性能和表面光澤度，是目前性能最高的產品，可以製成各種重量和纖維的單向膠帶或織物，廣泛應用於賽車變速箱、懸架、機翼和防撞結構。
10.日本大成建設開發出一種超輕型碳纖維複合材料結構部件
2019年10月9日，日本大成建設（Taisei）開發了一種超輕型碳纖維複合材料（CFRP）結構部件—T- CFRP 梁。該T-CFRP 梁重量僅為鋼架的1/5，並且可以根據建築物的應用自由設計構件的剛度、強度和形狀。這項技術的開發將應對不斷增長的建築用輕量化構件的需求。
11.日本開始構建碳纖維回收並以低成本再利用的生產機制
日本汽車製造商協會於2019年下半年開始有關如何回收燃料電池汽車中使用的碳纖維增強塑料的基礎研究，這項研究旨在通過探索阻燃碳纖維的燃燒機理，為將來報廢汽車做準備。2019年9月24日，日本經濟產業省與法國政府、歐洲空客發佈了關於飛機碳纖維再利用等環保領域的合作戰略。日本經濟產業省將在碳纖維企業及相關學校的協助下，共同構建碳纖維回收並以低成本再利用的生產機制。
歐洲科技進展
12.英國利物浦公司正式推出採用石墨烯增強碳纖維的“Mono R”跑車
2019年4月7日，英國利物浦公司（Briggs Au⁃ tomotive Company，BAC）正式推出“Mono R”跑車。“Mono R”是世界上第一款在每個車身面板中都完全採用石墨烯增強碳纖維的量產車，石墨烯增強了纖維的結構特性，使面板更堅固、更輕，具有更好的機械和熱性能，也使得“Mono R”具有更高性能。
13.法國科紡勒為Arcona Yachts巡洋艦開發碳纖維增強材料
2019年11月，法國科紡勒集團（Chomarat）為瑞典古斯塔夫斯堡（Arcona Yachts）的巡洋艦435型號和465 型號開發了碳纖維增強材料。Cho⁃marat 為了在澆灌過程中獲得更好的滲透性，深入研究了高性能C-PLYTM 的最佳結構，開發出的高性能C-PLYTM 碳纖維非捲曲織物（NCF），使其具有更高的機械性能和與多種樹脂的相容性，而且可以實現更優的成本效益。Chomarat 用於巡洋艦的船體和甲板的灌注技術將高達70%的碳纖維摻入層壓板中，可帶來結構設計優勢、優質的表面質量及整體零件成本的縮減。
14.SGL與NIO合作研製電動汽車碳纖維增強型塑料電池外殼原型
2019年，德國西格里（SGL ）為尋求更多的業務發展方式，擴大碳纖維複合材料在更多領域中的作用。2019年4月30日，SGL與上海蔚來汽車有限公司（NIO）合作，共同研製電動汽車碳纖維增強型塑料電池外殼原型，該電池外殼比傳統鋁或鋼製電池外殼輕40%，具有高剛性且比鋁的熱導率低200倍，能夠更好地保護電池本體不受外界冷熱的影響。除此以外，複合材料還賦予電池外殼優異的氣密性、防水性和耐腐蝕性。
15.TUM團隊與SGL專家合作開發出一種超迴路列車膠囊艙的優化模型
慕尼黑工業大學（TUM）團隊與SGL的專家合作開發了一種超迴路列車（Hyperloop）膠囊艙的優化模型，該模型使用了SGL 的預浸碳纖維編織材料，通過設計和材料優化，膠囊艙結構重約5.6kg，與6.1kg的前一型號相比輕了約10%。此外，不同於以前的塑料解決方案，此次運輸艙的外殼襯板也完全由碳纖維材料製成，將其重量從1.5kg減少到僅0.7kg。該模型在2019年7月21 日舉辦的第四屆超迴路列車（Hyperloop）競賽中，以463 km/h的速度為其研發團隊獲得冠軍。
16.英國ELG將碳纖維材料回收利用加工成非織造碳纖維氈
2019年12月4日，英國ELG Carbon Fibre公司為助力英力士隊參戰美洲盃帆船賽，利用製造比賽船隻時產生的廢料，將其再加工成非織造碳纖維氈，進一步用來製成了兩個固定船身的運輸托架，這種回收材料性能良好，可直接用於現有工藝， 充分表明碳纖維複合材料可以進行回收再利用，減輕環境負擔。
17.ELG與英國哈德斯菲爾德大學鐵路研究所合作研發出世界首個碳纖維複合軌道轉向架
2019年12月10日，ELG 和英國哈德斯菲爾德大學鐵路研究所（University of Hud⁃ dlersfield’s Institute for Railway Research）聯合研究併發布了世界首個碳纖維複合軌道轉向架，稱為“CAFIBO”。該新型轉向架完全由剩餘和回收的碳纖維材料製成，比常規轉向架輕，並具有更優異的垂直和橫向剛度。在鐵路車輛中使用這種新型轉向架可以減少軌道磨損、降低基礎設施維護成本、提高可靠性和運營可用性以及節約能源，減緩全球變暖。
18.俄羅斯Anisoprint 公司推出了一種用於連續纖維3D打印技術的新型玄武岩纖維複合材料
俄羅斯的Anisoprint公司於2019年6月推出了一種用於連續纖維3D打印技術的新型玄武岩纖維複合材料（CBF），用這種材料打印的零件，強度是塑料的30 倍、鋁的2倍，比重也更輕。德國Lipex Engineering GmbH公司在俄羅斯投資5000萬歐元，開始建立玄武岩纖維生產線，以滿足玄武岩纖維快速增長的市場需求。
19.SGL與NCC將合作開發下一代複合材料生產技術
2019年5月2日，德國西格里公司（SGL）與英國國家複合材料中心（National Composite Center, NCC）達成合作協議，雙方將針對航空、交通運輸和油氣等領域的市場需求，共同開發下一代複合材料生產技術，提升一級和二級結構件中複合材料的使用率。目前，雙方已經利用NCC位於英國布里斯托的實驗設備開展碳纖維織物（包括無捲曲布等）先進加工工藝的項目研發，下一步將利用SGL 集團所提供的碳纖維無捲曲布生產出複合材料機翼樣件。
20.SGL與Solvay計劃將首個用於商業航空的複合材料推向市場
2019年12月3日，SGL與Solvay達成一項聯合開發協議。該協議計劃將基於大絲束中模量（IM）碳纖維的首個用於商業航空的複合材料推向市場，這些材料將基於SGL的IM 碳纖維和Solvay的主結構件樹脂系統，幫助滿足降低成本和二氧化碳排放量的需求， 並改善下一代商用飛機的生產工藝和燃油效率。
21.德國拜羅伊特大學Greiner團隊製造出多纖維 PAN 紗線
2019年12月13日，德國拜羅伊特大學高分子化學和聚合物研究所Greiner團隊在《Science》發表了《High strength in combination with high toughness in robust andsustainable poly⁃ meric materials》的研究文章，通過改進分子交聯， 克服了人造纖維材料強度和韌性的衝突，製造出多纖維 PAN 紗線，韌性高達（137±21）J/g、拉伸強度為（1236±40）MPa。
中國科技進展
22.國內率先實現幹噴溼紡T1000 級超高強度碳纖維工程化
2019年10月29日，由中復神鷹牽頭，東華大學和江蘇新鷹遊機械有限公司共同承擔的“QZ6026（T1000 級）超高強度碳纖維百噸級工程化關鍵技術”順利通過了技術鑑定，率先在國內實現了幹噴溼紡T1000級超高強度碳纖維工程化，將來可以為更多的國產先進武器和設備提供高性能纖維材料。
23.世界上首條全線路採用碳纖維複合芯導線的特高壓工程在內蒙古正式併網投運
2019年12月13日，世界上首條全線路採用碳纖維複合芯導線的特高壓工程在內蒙古正式併網投運，該工程線路全長14.6km，全部採用中國自主研製的碳纖維複合芯導線，與傳統的鋼芯導線相比，碳纖維複合芯導線具有重量輕、強度高、安全性好、導體導電率高、傳輸損失小等優點。該線路的投運不僅可以節約能源，降低運行成本還可以每年增加132萬kW/h 的輸送電量，以緩解用電緊張問題。
24.中國首輛採用氫能碳纖維車身的乘用車研製成功
在汽車領域，2019年3月20日，中國首輛採用氫能碳纖維車身的乘用車在“中國光谷”研製成功，該車搭載全球領先技術的氫燃料電堆，續航里程可達1000km以上，全身採用碳纖維材料，使車身結構更輕更強韌、汽車更加輕量化。該車預計於2020年在中國一線城市推廣。
25.光威交付首架採用大量碳纖維複合材料的無人機
2019年12月6日，威海光威複合材料股份有限公司向航空工業直升機設計研究所交付了首架AV500B/C無人機，該無人機的蒙皮（蜂窩和泡沫夾層結構件）、整體油箱承力結構、尾梁整體結構和層壓件、封閉腔型結構件等零件，採用了大量由光威復材自主研製的碳纖維複合材料，極大地提高了無人機巡航能力和機動靈活性。該系列無人機主要應用於軍用市場，也可通過改裝用於其他民用領域，具有巨大的市場潛力。
26.科研人員對PAN基碳纖維的結構與性能相關性研究有新發現
在PAN基碳纖維的結構與性能相關性研究方面，科研人員發現對於模量大於 350GPa的PAN 基碳纖維，石墨化程度的提高對模量的提高關係不大，而主要來源於碳纖維中石墨晶體中的石墨片層的規則排列和石墨晶體的尺寸增長以及石墨晶體取向度的增大；對於PAN 基碳纖維的強度而言，石墨晶體之間相互糾纏和石墨片層之間的缺點則可以有效使碳纖維在牽伸過程中應力的分散，從而提高碳纖維的強度。此外，碳纖維中的任何缺陷結構，包括微孔、皮芯結構等均導致碳纖維性能降低，理想的PAN基碳纖維結構應均勻，儘量減少皮芯結構等缺陷。
27.四川玻纖集團、川大等共同研發出連續玄武岩纖維單元池窯生產技術並中試
2019年3月29日，四川省玻纖集團有限公司聯合四川大學、西南科技大學共同研發出了連續玄武岩纖維單元池窯生產技術，投產運營了中國具有完全自主知識產權的第一條年產8000t 連續玄武岩纖維池窯拉絲中試生產線。該生產線已經成功生產出9~17 μm多個規格的連續玄武岩纖維，相比傳統坩堝法工藝降低了20%以上的生產成本，為國內連續玄武岩纖維的發展奠定了技術基礎。
28.內蒙古石墨烯材料研究院與清華大學共同研發的國產化對位芳綸順利投產
2019年11月23日，由內蒙古石墨烯材料研究院與清華大學共同研發的國產化對位芳綸，經過3個多月的調試運行，順利建成了年產100t 的對位芳綸生產線，成功打破了國外對芳綸技術壟斷，加速推進了國內對位芳綸的產業化進程。
29.陝西科技大學張美雲團隊研究出ANFs高效、高性能製備方法
但是傳統芳綸納米纖維（aramid nanofibers，ANFs）製備方法存在週期長（7 d）、反應濃度低（0.2%）、反應效率低等問題，嚴重困擾著ANFs 規模化應用與發展。陝西科技大學張美雲團隊為解決這一問題，利用原纖化/超聲/質子供體耦合去質子化法制備ANFs，使得ANFs 製備週期從傳統的7d縮短至 4h，製備的ANFs 具有小的直徑及尺度分佈（10.7±1.0）nm，同時也探究了高濃度ANFs的製備，在12h內即可製得4.0%的高濃ANFs，成膜具有優異的機械性能與熱穩定性，本研究提出的ANFs高效製備方法工藝簡單、性能優異，有望進一步推動其規模化生產與產業化應用。
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