史冬梅1，張雷2

　　(1.科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心;2.鋼鐵研究總院)

　　高性能高分子結(jié)構(gòu)材料是耐高溫、力學(xué)性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好的一類合成高分子材料，廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器裝備、精密機(jī)械及電子等領(lǐng)域。本文重點介紹了高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的制備、成型技術(shù)及應(yīng)用等方面國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢，并提出了我國的進(jìn)一步發(fā)展對策與建議。

　　一、關(guān)于高性能高分子結(jié)構(gòu)材料

　　高性能高分子結(jié)構(gòu)材料是指以耐高溫、力學(xué)性能優(yōu)異、穩(wěn)定性好、在較高溫度下可連續(xù)使用為主要性能特征的一類合成高分子材料。其化學(xué)結(jié)構(gòu)特點是分子結(jié)構(gòu)中含有大量的芳環(huán)或芳雜環(huán)，分子鏈剛性較大，使其具有較高的耐溫等級與機(jī)械強(qiáng)度。通常分為熱塑性和熱固性兩種類型，主要品種有聚酰亞胺、聚芳醚酮、聚芳醚砜、聚苯硫醚、液晶聚合物和芳香尼龍等。

　　高性能高分子結(jié)構(gòu)材料可替代金屬作為結(jié)構(gòu)材料，或用作先進(jìn)復(fù)合材料的基體樹脂，包括高性能工程塑料和特種工程塑料。與一般高分子材料相比，高性能高分子結(jié)構(gòu)材料雖然市場規(guī)模較小、價格高，但技術(shù)含量及產(chǎn)品附加值較高，而且突破了傳統(tǒng)高分子材料在耐高溫、抗老化等性能方面的不足，是航空、航天、武器裝備、精密機(jī)械及電子、醫(yī)療等現(xiàn)代科技不可或缺的關(guān)鍵材料。圍繞該類材料的新產(chǎn)品研制、加工新工藝及應(yīng)用技術(shù)開發(fā)是該領(lǐng)域目前的主要研究方向。

　　二、國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

　　(一)材料及應(yīng)用開發(fā)方面

　　近年來，高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)主要圍繞著更高耐熱等級品種和功能新產(chǎn)品兩個方面，以滿足苛刻環(huán)境的應(yīng)用要求，以及相關(guān)高新技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芄δ懿牧系男枨蟆?

　　美國成功研制了第四代雜化聚酰亞胺復(fù)合材料樹脂基體，其玻璃化溫度高達(dá)489℃，可在450℃下長期使用，使聚酰亞胺復(fù)合材料耐溫能力逼近了鈦合金。

　　2016年，美國專門從事微電子封裝的DKN研究公司開發(fā)的新型聚酰亞胺樹脂薄膜，具有高度透明性，以此作為耐熱柔性電路基材，鍍銅后電路的透明度超過85%。

　　聚醚醚酮產(chǎn)業(yè)最大的生產(chǎn)商，英國Victrex公司陸續(xù)推出高耐熱型和超級耐熱性等兩種新一代聚醚醚酮樹脂：PEEK-HT和PEEK-ST，其纖維復(fù)合材料的熱變形溫度超過380℃?；诖瞬牧?，目前已根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域需要，推出了100余種新型牌號的產(chǎn)品。

　　2016年，英國Invibio公司和Carbofix骨科公司聯(lián)合開發(fā)了超高強(qiáng)度連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮材料，可應(yīng)用于創(chuàng)傷骨折固定及修復(fù)，為骨傷患者提供了優(yōu)化解決方案。

　　2016年，英國Magma環(huán)球有限公司通過采用纖維增強(qiáng)PEEK復(fù)合材料，開發(fā)出柔性m-pipe?管技術(shù)，可鋪設(shè)在工作壓力為15ksi、深度達(dá)3000米的深海，滿足了在高壓、高流量條件下工作的液壓泵送系統(tǒng)的要求。

　　2016年德國EvoniK公司研發(fā)了用于靜電噴涂、火焰噴涂的聚醚醚酮超細(xì)粉末。采用這種粉末制成的耐磨涂層可以減少滑動表面間摩擦，降低內(nèi)燃機(jī)燃油消耗以及碳排放，延長軸承使用壽命并提高渦輪轉(zhuǎn)速，提升生產(chǎn)效率。

　　荷蘭DSM公司持續(xù)推進(jìn)其基于PA4T基礎(chǔ)上的下一代高性能尼龍(Fortii Ace PPA)，其熱變形溫度為160℃，高于其他耐高溫尼龍品種，比PA66高80℃以上，能夠耐受各種汽車油品的侵蝕，目標(biāo)應(yīng)用于包括汽車動力總成、傳動、底盤、熱管理系統(tǒng)等。同時，Solvay、Dupont、Evonik、Lanxess等各大化學(xué)品公司，也均把注意力集中在高溫尼龍基纖維復(fù)合材料方面，開發(fā)了大量用于交通領(lǐng)域的，最高可達(dá)50%含量玻璃纖維和碳纖維填充的高性能復(fù)合材料新品種，表現(xiàn)出了突出的性能，并在發(fā)動機(jī)周邊產(chǎn)品上得到應(yīng)用。

　　這些新材料品種的研發(fā)和推廣，為航空航天、車輛、醫(yī)療、電子及顯示等領(lǐng)域的技術(shù)突破和發(fā)展提供了必要的材料支撐。

　　(二)成型技術(shù)方面

　　高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的傳統(tǒng)加工方法主要包括：模壓、注塑、拉擠和纏繞成型等。近年來，3D打印技術(shù)在高分子結(jié)構(gòu)材料成型加工中的應(yīng)用發(fā)展迅速。美國弗吉尼亞理工大學(xué)的高分子創(chuàng)新研究所，采用掩模投影光固化3D打印方法，制備了聚酰亞胺薄膜材料。德國INDMATEC等公司，繼德國EOS公司采用選擇性激光粉末燒結(jié)技術(shù)(SLS)，實現(xiàn)了聚醚醚酮粉末的3D打印后，成功開發(fā)了基于傳統(tǒng)熔融沉積技術(shù)(FDM)的聚醚醚酮線材和專用3D打印專用設(shè)備，使打印過程更為簡便高效，而且打印的聚醚醚酮制品力學(xué)性能已接近傳統(tǒng)注塑制品。

　　高性能高分子結(jié)構(gòu)材料3D打印技術(shù)的成功開發(fā)，可以有效降低復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品和個性化定制件的加工成本，拓寬材料的應(yīng)用領(lǐng)域。目前高性能高分子材料3D打印制品已開始應(yīng)用于各種異形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工業(yè)零部件、醫(yī)用植入物及空間技術(shù)等領(lǐng)域。

　　(三)材料產(chǎn)業(yè)化方面

　　隨著高性能樹脂基復(fù)合材料、高性能薄膜和纖維、光電功能材料等技術(shù)的不斷發(fā)展，高性能結(jié)構(gòu)高分子材料應(yīng)用領(lǐng)域逐漸拓寬，生產(chǎn)規(guī)模和銷量大幅增加。

　　2016年各類聚酰亞胺全球總產(chǎn)量已超過10萬噸/年，80%以上的生產(chǎn)集中在美、歐和日本等發(fā)達(dá)國家，是品種最多的一類高性能高分子結(jié)構(gòu)材料，主要產(chǎn)品形式為薄膜、纖維及模塑粉料等。應(yīng)用領(lǐng)域集中在航空航天、核能、電器絕緣、電子及精密機(jī)械等領(lǐng)域，特別是近年來快速發(fā)展的電子工業(yè)對輕量化、小型化、高性能電子設(shè)備的需求，極大地推動了聚酰亞胺產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　隨著近年來市場培育的日漸成熟，聚醚醚酮樹脂步入了快速增長階段，產(chǎn)銷量年均增長超過10%，是高性能高分子結(jié)構(gòu)材料中增長最快的品種。英國Victrex公司、比利時Solvay公司和德國Evonik三大生產(chǎn)商，壟斷了聚醚醚酮樹脂90%以上的生產(chǎn)和銷售，2016年銷量超過5000噸。近年來，聚醚醚酮樹脂的發(fā)展主要集中在多種牌號專用料和下游復(fù)合材料的研發(fā)方面。目前生產(chǎn)規(guī)模最大的英國Victrex的產(chǎn)品牌號超過200種。聚苯硫醚和聚芳醚砜作為特種工程塑料中性價比較高的兩類產(chǎn)品，全球總銷量在5~10萬噸規(guī)模，近年來年產(chǎn)銷量年增長率5%以上。

　　2016年全球耐高溫尼龍年產(chǎn)量超過10萬噸，保持了6%以上的年增長率。荷蘭DSM公司、美國Dupont公司、日本三井化學(xué)公司、比利時Solvay公司，以及德國BASF等國際尼龍廠商，近年來都推出了相應(yīng)牌號的產(chǎn)品。

　　總體上看，高性能高分子結(jié)構(gòu)材料受限于較高的生產(chǎn)成本，總體生產(chǎn)規(guī)模仍然較小。但由于產(chǎn)品的特殊性和不可替代性，近年來隨著應(yīng)用領(lǐng)域的逐步拓寬，產(chǎn)銷量增長速度較快，國外跨國公司大企業(yè)通過自身研發(fā)和并購，壟斷了大部分高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的生產(chǎn)和銷售。

　　三、我國發(fā)展現(xiàn)狀與水平

　　我國在高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)研究方面與國外基本同步，同時，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，也掌握了一大批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)技術(shù)，形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。但產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展水平仍與發(fā)達(dá)國家存在較大差距，主要表現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)規(guī)模較小、工業(yè)化品種少，部分高附加值的高端產(chǎn)品至今無法生產(chǎn)，產(chǎn)品應(yīng)用技術(shù)開發(fā)原創(chuàng)性不足等方面。

　　(一)材料及應(yīng)用開發(fā)方面

　　近年來隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和制造業(yè)產(chǎn)品品質(zhì)的提升，對高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的需求日益增多。電子工業(yè)對高性能高分子薄膜材料的需求量與日俱增;高鐵、新能源產(chǎn)業(yè)等的不斷發(fā)展，也進(jìn)一步助推了高分子結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)業(yè)升級。高性能高分子結(jié)構(gòu)材料與國外產(chǎn)業(yè)水平的差距正在逐步縮小。

　　2016年，復(fù)旦大學(xué)通過在聚酰亞胺制備過程中加入石墨烯和蒙脫土，冷凍干燥后熱酰亞胺化，制備出具有增強(qiáng)阻燃性能的聚酰亞胺復(fù)合氣凝膠，材料機(jī)械性能增強(qiáng)的同時，阻燃性能也有提高。這種復(fù)合氣凝膠用作高性能阻燃材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　2016年，江蘇先諾聯(lián)合北京化工大學(xué)建成首條年產(chǎn)30t的高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維生產(chǎn)線，實現(xiàn)了從聚酰亞胺預(yù)聚體-聚酰胺酸溶液出發(fā)，直接獲得高強(qiáng)高模聚酰亞胺纖維的生產(chǎn)方式，產(chǎn)品具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模等優(yōu)異性能，可應(yīng)用于航空航天、軍事等高科技領(lǐng)域。深圳惠程建成了可生產(chǎn)具透明、高介電常數(shù)、低介電損耗等功能的聚酰亞胺薄膜生產(chǎn)線并投入使用。

　　2016年，四川中科興業(yè)高新材料有限公司的，我國首條聚芳硫醚砜(PASS)生產(chǎn)線建成投產(chǎn)，預(yù)計年產(chǎn)達(dá)1000噸。PASS具有耐高溫、耐腐蝕等特點，廣泛應(yīng)用于航天航空、軍事工業(yè)、除塵環(huán)保和汽車工藝等領(lǐng)域。此前國內(nèi)因非鋰混合催化劑關(guān)鍵技術(shù)沒有攻破等原因，導(dǎo)致PASS生產(chǎn)成本過高，全部依靠進(jìn)口，這條生產(chǎn)線的投產(chǎn)有望改善現(xiàn)狀。

　　近年來，吉林大學(xué)陸續(xù)成功開發(fā)了具有更高耐熱等級的PEEKK和PEKEKK兩種聚芳醚酮樹脂，完成了產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)，形成了50噸/年的生產(chǎn)能力。2016年完成了聚醚醚酮薄膜材料制造設(shè)備的研制和薄膜成型技術(shù)開發(fā)，將為我國航空航天及電子等領(lǐng)域的發(fā)展提供材料基礎(chǔ)。

　　國產(chǎn)耐高溫尼龍方面，近年來取得了較大技術(shù)突破，相繼推出了PA10T、PA12T等耐高溫品種，建成了千噸級的工業(yè)化生產(chǎn)線，但產(chǎn)品競爭力還有待進(jìn)一步的市場驗證。

　　(二)成型技術(shù)方面

　　國內(nèi)在高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的3D打印成型技術(shù)方面也取得了重要進(jìn)展。2016年，陜西恒通智能機(jī)器有限公司通過提升噴頭溫度，解決了打印過程中聚芳醚酮材料熔點較高的問題，研發(fā)出了新型聚芳醚酮材料3D打印設(shè)備。

　　在聚芳醚酮醫(yī)用植入物的3D打印制造方面，吉林大學(xué)應(yīng)用自制的聚醚醚酮3D打印系統(tǒng)，成功進(jìn)行了人工骨植入物的三維實體制造，并完成了相應(yīng)的生物學(xué)實驗，這將為醫(yī)療植入技術(shù)的發(fā)展提供幫助。

　　目前國內(nèi)高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的3D打印技術(shù)，在材料各項異性等方面仍然存在一系列問題，在規(guī)?；a(chǎn)方面仍然需要進(jìn)一步加強(qiáng)。

　　(三)材料產(chǎn)業(yè)化方面

　　目前，聚酰亞胺產(chǎn)業(yè)國內(nèi)已形成了千噸級規(guī)模的產(chǎn)能，大部分生產(chǎn)廠商的生產(chǎn)線為百噸級生產(chǎn)線，生產(chǎn)裝置小，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定，產(chǎn)品競爭力不足，而且在高性能聚酰亞胺薄膜、高耐溫聚酰亞胺材料等方面仍未突破產(chǎn)業(yè)化瓶頸。

　　聚醚醚酮樹脂在我國具有2000噸/年左右的市場需求，國內(nèi)雖然產(chǎn)能達(dá)到了千噸級，但是由于產(chǎn)品品種相對單一，以及產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)滯后等瓶頸問題，導(dǎo)致目前國產(chǎn)產(chǎn)品在國內(nèi)市場的實際年銷售量不到200噸。

　　四、我國進(jìn)一步發(fā)展對策建議

　　“一代材料、一代裝備”，高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展與制造業(yè)、電子信息、生物醫(yī)療行業(yè)的發(fā)展密不可分，在高安全性、高可靠性、輕量化等方面已成為主流應(yīng)用材料。因此，為避免成為卡脖子的關(guān)鍵材料，進(jìn)一步應(yīng)加強(qiáng)頂層設(shè)計，推進(jìn)相關(guān)材料的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用推廣。

　　(一)加強(qiáng)重要品種的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

　　從基礎(chǔ)研究角度來看，我國的高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)水平與國外相當(dāng)，國外大部分開發(fā)成功的品種，國內(nèi)均開展過研究，并已完成一些通用牌號產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。但在一些技術(shù)含量高的重要高端材料的產(chǎn)業(yè)化方面，由于受到產(chǎn)品規(guī)模小、研制周期長、投資回報期長等不利影響，在資金和人力投入方面不足，國產(chǎn)化進(jìn)程緩慢。因此，要注意加強(qiáng)國內(nèi)尚不具備生產(chǎn)能力的，重要高性能高分子結(jié)構(gòu)材料品種的產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，擺脫關(guān)鍵材料受制于人的局面。

　　(二)加快自主知識產(chǎn)權(quán)新品種的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程

　　無定形聚芳醚酮、聚苯硫醚砜等特種工程塑料都是完全自主知識產(chǎn)權(quán)的品種，但由于國外大公司的產(chǎn)品侵入、產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻克較慢、制造業(yè)市場接受周期長等原因，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢，應(yīng)注重加快這些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新材料品種的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

　　(三)加強(qiáng)應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)，支撐中國制造

　　我國高性能高分子結(jié)構(gòu)材料的品種、牌號，以及下游應(yīng)用技術(shù)開發(fā)與國外差距較大，從模壓料、注塑料到薄膜和復(fù)材等，品種少，應(yīng)用的案例更少。隨著國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，高性能工程塑料有了新的機(jī)遇，應(yīng)趁勢加強(qiáng)應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)，實現(xiàn)在中國制造中的應(yīng)用。

　　本報告為科技部科技創(chuàng)新戰(zhàn)略研究專項項目“高新技術(shù)領(lǐng)域年度重點創(chuàng)新進(jìn)展報告”(編號：ZLY201633)研究成果之一。感謝中科院周光遠(yuǎn)研究員的支持。

　　本文特約編輯：姜念云