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高性能纤维是新材料产业的重要组成部分,是我国化纤行业重点发展的关键材料,其发展水平关系到国民经济发展和国家战略安全,对航空航天、国防军工、风力发电、土木建筑、汽车轻量化、海洋工程等领域的高质量发展发挥着重要作用。


为加快突破高性能纤维行业技术瓶颈、缓解国外进口依赖、促进产业高质量发展,国家出台了一系列支持产业发展的政策,为高性能纤维行业发展营造了良好环境。


《“十三五”国家科技创新规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》、《新材料产业发展指南》、《工业强基工程实施指南(2016-2020年)》、《“十三五”材料领域科技创新专项规划》等产业政策,进一步明确了关键新材料产业发展的目标和任务,并细化到具体材料、产品、技术指标等,为高性能纤维材料持续发展奠定了基础。高性能纤维的科技攻关、产业化及重点领域应用示范也被列入增强制造业核心竞争力、技术改造、工业强基等专项,为高性能纤维行业提高产业化发展水平,推动高性能纤维应用示范发挥了重要作用。


我国高性能纤维产业虽然取得明显进步,但与国外发达国家相比,在质量一致性和稳定性、标准检测、应用设计与拓展、产业规模效益等方面还存在差距,究其原因主要是基础理论研究、技术人才队伍、产业配套能力等方面仍有不足。


高性能纤维产业发展的背景需求及战略意义


高性能纤维是指对外界的物理和化学作用具有特殊耐受能力的一类特种纤维,是近年来化学纤维工业的主要发展方向之一,按照化学组成可分为有机高性能纤维和无机高性能纤维。高性能纤维不但是发展航空航天和国防工业迫切需要的重要战略物资,而且在推进各类战略性新兴产业和低碳经济、节能减排中起着不可替代的作用,是体现一个国家综合实力和技术创新的标志之一。日本、美国和欧洲发达国家高度重视并长期垄断着全球高性能纤维的研发、生产和市场。2006年以来,在国家政策和财政的重点支持下,我国高性能纤维产业发展迅速,建立了较为完整的国产高性能纤维制备技术研发、工程实践和产业体系,大幅缩短了与发达国家的差距,有效缓解了国民经济和国防建设对高性能纤维的迫切需求。以下对常见高性能纤维进行介绍。


发展我国高性能纤维产业的主要任务及存在主要问题

我国高性能纤维研制起步并不晚,但由于经费投入、原材料、装备、人才等复杂的原因进展一直较缓慢,近10年来虽取得了很大的进步,但在产品性能稳定性、生产成本、规模及应用水平方面与日本、美国等发达国家仍有明显差距,其主要共性科学问题是高性能纤维近程、远程和宏观结构(即分子链分布、体系纯度、凝聚态结构、纤维表面结构)的不均匀性引起的产品可纺性、物化性能和批次稳定性不足。目前主要存在的主要问题总结如下:


高端纤维仍存在代差,自主保障能力亟待加强。国外航空航天领域已经大规模应用以T800级碳纤维为主要增强体的第二代先进复合材料,而我国总体上仍处在第一代先进复合材料的扩大应用、第二代先进复合材料的考核验证阶段。高强高模、超高模量碳纤维、差异化对位芳纶(超高强型、超高模型、中等模量型、高黏结型、抗疲劳型等)、高强和无蠕变UHMWPE纤维、高性能杂环芳纶Ⅲ生产技术尚未突破,不具备自主保障能力,在高性能无机纤维等领域,同样存在高端产品缺乏、质量一致性差等问题。


高性能纤维产业技术成熟度不够,大规模高端装备与成套工艺仍未完全突破。高性能纤维产业是一个生产工艺与装备高度耦合的长流程精细产业,国内尚未完全掌握大规模成套生产工艺技术。现阶段国产碳纤维生产仍以12K及以下小丝束产品为主,大丝束、低成本碳纤维工业化生产技术尚未全面突破,而国外已开始将大丝束低成本与小丝束高质量的生产技术融合,不断提升产品质量和降低生产成本。芳纶(对位芳纶、间位芳纶、杂环芳纶Ⅲ)在产品性能与稳定性、生产效率、产业规模、应用领域等方面还存在差距。UHMWPE纤维单线产能低,投资成本高、生产效率低、能耗高,规模化低成本生产还难以实现。PPS纤维和聚芳酯纤维缺乏千吨级产业化成套技术和装备。此外,高性能纤维的产业化成套装备设计与制造能力不足,缺乏设计/仿真模拟工程师,设计/模拟软件依赖进口,基础工业技术(如机械加工)、精密设备(如计量泵、喷丝板)、装备原材料质量(如高强度钢、耐腐蚀钢材料等)与国外存在明显差距,导致国内自主装备在精度、效率和使用寿命上不足,设备运行稳定性差、故障率高,制约我国高性能纤维产品性能稳定与提升以及生产成本控制。


基础研究投入不足,部分关键科学问题尚未探明,缺乏前沿产品创新开发动力。在国家政策扶持和重大任务的牵引下,我国高性能纤维参照、仿制国外产品开展研究工作,以产品研制为主,着重解决国家重大需求和应用急需。高校与研究机构研发通常以型号产品为依托,高性能纤维材料成分-结构-工艺-性能之间的深层次关系规律尚未全面掌握,必要的基础科学机理与理论尚未揭示清楚,导致面临新的应用需求时缺乏理论支撑,自主创新能力不足。企业疲于盲目扩产,投入研发经费严重不足,如碳纤维目前国内可工业化的产品仅有几个牌号,而日本东丽有近20个产品型号。


健全的产业体系尚未形成,仍存在低水平重复、无序竞争现象。目前我国高性能纤维产业体系尚不完整,关键装备与配套材料、重要原材料、产品标准和检测评价环节薄弱。在航空航天、国防军工等领域应用的总体规模较小,难以驱动高性能纤维及复合材料全产业链的发展与完善,在以汽车、压力容器、轨道交通等为代表的工业领域仍未实现大规模应用。在国家政策支持和高科技领域投资冲动等多重因素刺激下,目前仍存在低水平重复、脱离产业实际的投资乱象,项目水平参差不齐,不仅造成大量国家和社会资源占用与浪费,同时不利于行业竞争力和可持续产业生态的形成。


针对以上问题,我国高性能纤维产业发展和升级目前面临的主要任务列举如下:


1.碳纤维


突破高强中模、高强高模、高强高模高延伸碳纤维工程化制备关键技术,实现高强中模碳纤维拉伸强度≥7GPa;高强高模碳纤维拉伸模量≥650GPa;高强高模高延伸碳纤维拉伸强度≥5.7GPa,拉伸模量≥370GPa,断裂延伸率≥1.5%,满足高端装备用碳纤维及其复合材料自主保障需求;研究生物基碳纤维氧化、碳化过程结构转化机制,突破生物质基碳纤维连续制备关键技术;突破碳纤维用纺丝油剂和上浆剂等配套材料,突破新型纺丝、预氧化碳化等颠覆性制备技术,实现国产碳纤维稳定化与低成本化,支撑国产碳纤维的规模应用。


2.有机高性能纤维

突破芳纶、差别化聚酰亚胺和UHMWPE、聚芳酯纤维、PPS纤维等高性能有机纤维产业化制备关键技术,实现在国家重大装备上的稳定应用。开发系列化、功能性对位芳纶,满足差异化应用领域需求,集中提高产业链规模,形成规模效益,提升国际竞争力;突破提升间位芳纶生产效率的新工艺、新技术,进一步降低产品价格,拓宽应用领域,推进产品升级换代,积极开发间位芳纶差异化产品,满足高端领域应用要求;发展新一代高强高模、高复合性、低成本杂环芳纶;开发耐温、抗蠕变UHMWPE纤维,完善中高强度UHMWPE工程化制备技术,解决生产过程能耗大、成本高问题;优化聚芳酯纤维聚合纺丝工艺,实现稳定高品质产品千吨级生产及成套装备研发;开发高性能PPS纤维技术,提升PPS短纤级切片质量,突破PPS长丝级切片关键制备工艺与集成设备技术,拓展PPS纤维及其复合材料的应用领域;开展高纯度DAR单体制备技术研究,提升产品质量稳定性,提升PBO纤维生产规模,并针对性开发PBO专用成套装备,提升装备在酸性、高黏度、高压力状态下的运行稳定性,保障PBO生产全流程工艺稳定性。


3.无机高性能纤维


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突破高端玄武岩纤维、碳化硅、氧化铝、硅硼氮等纤维及其前驱体的工程化稳定制备技术,突破大丝束拉丝工艺技术,实现无机高性能纤维批量化应用;形成系列无机高性纤维及其复合材料产品库,实现无机高性能纤维基复合材料在航天发动机等重大装备上的工程应用。


推动我国高性能纤维产业发展的对策和建议


高性能纤维是全球化纤工业的主要发展方向,近10年间全球化纤产量以年均3%的速度增长,而高性能纤维则以接近30%的速度增长。同时高性能纤维生产国由少数发达国家扩展到包括中国、土耳其、韩国等在内的十多个国家和地区。但全球高性能纤维的生产仍高度集中在日本、美国、欧洲的少数企业,这些公司大都已处于高性能纤维的规模化发展阶段,他们一方面积极投资以扩大其产品的市场占有率,另一方面在主要产品已经较为成熟且完成系列化生产的前提下,将研发重点转向不断提高核心技术与产品质量和性能上,通过技术储备以进一步拉大与竞争对手的差距,保持其行业垄断地位。目前,高性能纤维正向着制造技术先进化、低成本化、材料高性能化、结构功能一体化和应用扩大化的方向发展。


为推动我国高性能纤维产业进一步发展,提高其国际竞争力,建议:


加强顶层设计,强化政府主导作用。当前面临国际大环境的急速变化,应由国家相关部委和行业协会牵头,谋划我国高性能纤维行业发展新路径,保障行业的稳健发展,防止同质产能增长过快,避免走常规纤维发展的老路,影响行业未来可持续发展。支持科技研发和示范应用,坚持长期投入,鼓励迭代和稳定性发展,推动创新产品的研发和规模化应用,以高性能纤维材料技术进步带动产业升级。


加强研发创新,深化产学研相结合。加大自主创新,注重协同创新,构建以企业为主体、市场为导向、产学研结合的技术创新体系,增强内生动力,推动产业高质量发展。加大力度解决制约行业高质量发展的共性难题,重点关注短板问题,加强高品质原辅料、关键装备和零部件等研发,增强产业链供应链的自主可控能力,掌握高性能纤维成分-结构-工艺-性能之间的深层次关系规律,全面提升自主创新能力。


扩大生产规模,开发低成本工艺技术。在聚焦产品性能和研发高附加值产品的同时,重视开发各种成型工艺技术,进一步降低成本,强化收益能力。生产成本决定了市场容量和应用,加快低成本技术的开发,有利于扩大应用范围。扩大生产规模,提高单线生产能力,可进一步提高生产效率,降低生产成本,从而提升产品的市场竞争力。


针对市场需求,加大应用技术开发。通过“下游”带动“上游”,形成具有自主知识产权的系列化产品,加强与配套产业的沟通合作,从制成品的设计端开始就积极融入下游客户的研发工作中,高效地将高性能纤维的优异性能最大化地体现在应用场景中,真正实现其性能与下游应用的精准匹配。

建立监测体系,把握行业动态。健全高性能纤维产业统计,聚焦行业数据研究,加强行业管理和引导,规划发展,制定和完善行业准入条件,发布产品指导目录,避免盲目发展与低水平重复建设,鼓励推动各生产厂家之间协同联动、深入沟通,引导高性能纤维产业良性发展。


加强标准建设,推动参与国际竞争。聚焦高性能纤维国家标准及行业标准建设,包括碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、聚芳酯纤维、聚苯硫醚纤维、UHMWPE纤维等及其各类下游制品的方法标准以及产品标准,以规范国内高性能纤维产品,推动产品进入国际市场、参与国际竞争。


面向国家2035年重大战略需求高性能纤维产业技术预判和战略布局


我国已建立起较为完整的国产高性能纤维制备技术研发、工程实践和产业体系,产品质量不断提高,产学研用格局初步形成,有效缓解了国民经济和国防建设对国产高性能纤维的迫切需求。但我国高性能纤维及其复合材料的基础理论研究仍相对薄弱,高端优质产品的产业化开发不足,一些关键科学技术问题尚未完全突破,行业自主创新能力不强,部分品种仍受制于发达国家。面向国家2035年重大战略需求,我国高性能纤维产业技术应进行以下布局:


加强高性能纤维的关键科学技术问题研究。高性能纤维是高度复杂性产品,具有对基础研究依赖性强、生产工艺前后关联度高的特点,高性能纤维的性能源于其独特的微观结构,要在生产中确保其微观结构得以实现,就需要对其形成过程有非常清楚的认识,对影响其形成的外部条件有精准的控制。因此,对相关共性基础科学问题的深入研究是解决发展过程遇到的问题、建立具有自主知识产权的生产体系和实现工业化稳定生产的关键。但目前国内企业缺乏对相关基础科学问题的正确理解与清晰认识,需要加大力度凝练共性科学问题,布局前瞻研究,研发具有稳定性能的优质高性能纤维。


高性能纤维的产业化关键技术与成套装备开发的系统集成。高性能纤维产业技术难度高、专业跨度大,是复杂的系统工程和高度的集成创新,具有对设备质量和控制精度要求高、对生产管理要求严格等工程技术特性。需加强多学科、多专业的相互交融和前后衔接,加快高性能纤维及其复合材料高附加值、低成本关键工艺及装备工程化研究,包括有机高性能纤维级专用树脂的研发与产业化,新型溶剂、助剂、萃取剂等的开发,新型纺丝及后处理等连续化工程成套技术及关键设备开发等,提升高水平产业化的系统集成、项目管理和过程融合。


高性能纤维性能、品质提升以及品种系列化、功能化研发。全球主要高性能纤维已经进入技术和工艺全面更新的阶段,生产效率不断提高,成本不断下降,新产品个性化明显,要完善和系列化生产各种型号规格的产品,重点拓展新品种和应用领域。一方面突破国外垄断高端产品的产业化,另一方面通过降低纤维制造成本,来提高产品的市场竞争力和扩大纤维的应用领域。加强高性能纤维产品多领域市场应用开发,携同下游复合材料企业大力发展协同设计、制造、服务,通过下游稳定应用支撑上游行业发展,拓展整体产业上下游产业链的宽度和深度。


从原料到纤维的对应标准和评价体系。瞄准国际先进水平,立足自主技术,健全高性能纤维新材料标准体系、技术规范、检测方法和认证机制。加快制定产品全产业链标准,鼓励产学研用联合开发重要技术标准,积极参与国际标准制定,加快国外先进标准向国内标准的转化。


加强高性能纤维配套的复合材料技术研究。高性能纤维及其复合材料不仅事关国家战略安全,与国防军工、航空航天建设紧密相关,更是践行国家“双碳”战略的重要基础性材料产业,是风电、光伏、交通工具轻量化、氢能源汽车等发展的重要支撑。需要加强高性能纤维配套的设备及复合材料技术研究,开发高效织造、复合材料高效成型等新技术,构筑三维纺织结构和复合材料表界面结构,牵引高性能纤维材料产业发展和升级。


来源:前沿材料、国家先进功能纤维创新中心

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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