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碳纖維復合材料

碳纖維復合材料是指將碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合制成的復合材料。其中，碳纖維環(huán)氧樹脂復合材料是由碳纖維作為增強體、環(huán)氧樹脂作為基體，通過特定工藝復合而成，具有優(yōu)異的力學性能、輕質高強特性和化學穩(wěn)定性，廣泛應用于航空航天、軌道交通、體育休閑等領域。

碳纖維的比重不到鋼的1/4，強度卻是鋼的7～9倍。通過將碳纖維及碳纖維織物與樹脂復合成型，做成碳纖維復合材料替代金屬，可大幅減輕飛行器的結構重量，增強其耐疲勞和耐腐蝕性，提高載荷能力、延長續(xù)航時間。

近年來，國內(nèi)外大量的先進無人機都使用了碳纖維復合材料。例如，歐洲空中客車公司研發(fā)的Zephyr無人機采用了碳纖維復合材料機身，飛機重量僅為75千克，輕巧的結構使其能在2萬米以上的高空攜帶重達23千克的有效載荷，創(chuàng)造了42天持續(xù)無人飛行的時間紀錄。中國“翼龍”無人機機身全部采用碳纖維復合材料，因其性能穩(wěn)定，被廣泛應用于災情巡查、反毒緝私、生態(tài)環(huán)境保護、大氣成分研究、復雜地形勘探、高空氣象觀測、農(nóng)田藥物噴灑和森林防火等多領域。

上海石化自主研發(fā)的PAN基碳纖維，具有耐高溫、耐腐蝕、高比強度和高比模量的特性，可加工成碳纖維預浸料、碳纖維布、碳纖維拉擠型材、熱塑性粒料等多種中間品。碳纖維熱固性預浸料是一種碳纖維預先與熱固性樹脂浸潤的半固化材料，也是用于低空經(jīng)濟飛行器零部件制造的主要材料。上海石化圍繞低空經(jīng)濟等新興產(chǎn)業(yè)和未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向持續(xù)發(fā)力，與華東無人機基地建立長期友好交流合作關系，積極對接碳纖維及其復合材料需求。去年8月，上海石化碳纖維復合材料實驗基地建成啟用，建成熱塑預浸料線、熱固預浸料線、螺紋筋拉擠線、高性能樹脂線等，具備熱固性與熱塑性、通用型與高性能、制備工藝多樣化的復合材料中試和批量生產(chǎn)能力。目前，該基地正推進高性能碳纖維復合材料產(chǎn)品研發(fā)應用，助力低空經(jīng)濟發(fā)展。

聚酰亞胺

聚酰亞胺（PI）是一種高性能聚合物，有“高分子材料之王”的美譽。它的耐溫差性能突出，能在零下269攝氏度至400攝氏度的環(huán)境下長期使用。同時，該產(chǎn)品高強度、高韌性、高尺寸穩(wěn)定性，且介電常數(shù)和介電損耗低，真空環(huán)境下?lián)]發(fā)分少、可凝物少。

聚酰亞胺分子結構中含有的剛性芳雜環(huán)，使其擁有卓越的熱穩(wěn)定性和力學性能。通過增強、共聚、發(fā)泡等改性方式，可滿足不同場景的應用需求，因此在航空航天及深空探測領域價值顯著。經(jīng)過40多年的發(fā)展，國內(nèi)外已成功研制出一系列適用于成型工藝的聚酰亞胺樹脂體系（熱固性和熱塑性）。用這些樹脂制備的復合材料，已在飛行器制造中替代金屬，用于生產(chǎn)耐高溫的結構件和功能件。比如eVTOL機身框架采用碳纖維/PI復合材料，比金屬減重30%，且在溫差環(huán)境下強度保持率超過95%；PI模塑料制成的高壓連接器，介電強度超過30千伏/毫米，可保障800伏系統(tǒng)安全運行；耐400攝氏度的PI氣凝膠隔熱片能抑制電池熱失控；PI纖維氈可屏蔽發(fā)動機500攝氏度的熱流。

北化院聚焦低空經(jīng)濟領域的材料替代需求，針對輕量化結構、耐磨部件、隔熱/絕緣部件等應用場景，積極推進輕質、高強、耐高溫、低磨損的聚酰亞胺復合材料成套技術開發(fā)，并重點攻關核心成型工藝。同時，著力構建數(shù)據(jù)驅動的PI樹脂分子設計-性能預測平臺。這一平臺集成了自主開發(fā)的PI性能預測模型和分子結構生成式模型，目前已實現(xiàn)基于單體結構對聚酰亞胺膜材料氣體分離性能的準確預測和對新結構的定向生成，形成了“生成設計-預測篩選-實驗驗證”的研發(fā)閉環(huán)。經(jīng)實驗驗證，這一平臺可輔助科研團隊將聚酰亞胺新結構的篩選和設計時間縮短80%。

未來，這一平臺也將繼續(xù)完善PI模塑料相關性能開發(fā)模塊，從而實現(xiàn)高性能PI模塑料及復合材料的“性能可定制化”開發(fā)。

無鹵阻燃PC/ABS合金材料

無鹵阻燃PC/ABS合金材料是一種具有較低密度、優(yōu)異力學性能的塑料合金產(chǎn)品，克服了鋁合金材料密度高、制件生產(chǎn)較復雜的問題，加工性能優(yōu)異，且能降低制件的成本和重量，可用于汽車、電子電器等領域。

低空飛行器與電動汽車類似，輕量化是其提高飛行效率、延長續(xù)航時間的重要途徑。無鹵阻燃PC/ABS可用于低空飛行器，其力學性能不僅能夠承受外部的沖擊和振動，確保電池在不同環(huán)境下保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，而且有助于降低低空飛行器自身的重量，提升續(xù)航能力。同時，該產(chǎn)品較強的阻燃性能夠在電池著火時有效阻止火焰蔓延，提升低空飛行器的安全性。

我國是全球低空飛行器技術和制造強國。隨著低空飛行器行業(yè)不斷發(fā)展，其電動化的特點對具備輕量化、高強度、耐腐蝕、抗疲勞、阻燃等特性的高性能材料需求顯著提升。在低空飛行器使用中，電池可能遇到過載、短路等問題，導致著火風險，影響飛行安全。上海院發(fā)揮基礎原料優(yōu)勢，攻克阻燃聚碳酸酯合金耐熱性等難題并開發(fā)出無鹵阻燃PC/ABS合金，其阻燃性能可達V0級。與現(xiàn)有金屬材料相比，該產(chǎn)品可減重20%以上，良好的流動性和注塑成型性更適合制造復雜形狀部件，滿足低空飛行器加工成型方面的應用要求。

聚酰胺特種尼龍

尼龍612（PA612）化學名稱為聚十二烷二酰己二胺，是一種半結晶性、長碳鏈特種尼龍。相較常見的尼龍產(chǎn)品，因其單體中更長的二酸碳鏈（12個碳原子），具有高韌性、低吸水性、耐磨性和高尺寸穩(wěn)定性等特性。

聚己二酰間苯二甲胺（MXD6）是由間苯二甲胺（MXDA）和己二酸縮聚而成，分子鏈中含剛性苯環(huán)結構，賦予其獨特性能，具有高剛性、低翹曲、優(yōu)異的氣體阻隔特性。

耐高溫尼龍10T(PA10T）化學名稱為聚對苯二甲酰癸二胺，由癸二胺與對苯二甲酸縮聚而成，兼具長碳鏈柔性與芳香環(huán)剛性，具有耐高溫、低吸濕、高尺寸穩(wěn)定性、耐化學等特性。

上述3種聚酰胺特種尼龍產(chǎn)品在無人機應用領域可用于生產(chǎn)電機支架、旋翼卡扣、起落架、機身框架、電池艙蓋、無刷電機端蓋、電調(diào)（ESC）殼體、電池管理系統(tǒng)（BMS）支架、云臺結構件（抗沖擊且輕量化）、高強度連接件（替代金屬減輕重量）及高溫環(huán)境用齒輪（如高速傳動部位）等。

湖南石化在PA612、MXD6、耐高溫PA10T技術方面已完成小試研究，產(chǎn)品性能達到市場同類產(chǎn)品指標，目前在建2000噸/年PA612連續(xù)聚合中試裝置、2000噸/年MXD6連續(xù)聚合中試裝置、百公斤級PA10T中試裝置，預計兩年內(nèi)完成中試研究，有望在無人機、機器人領域滿足用戶要求。此外，該公司擬建設1萬噸/年PA612、2萬噸/年MXD6、5000噸/年PA10T工業(yè)化裝置，建成后將實現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)，可在無人機、機器人領域批量應用。

聚丙烯發(fā)泡材料

聚丙烯發(fā)泡材料是一種性能優(yōu)良的輕量化高分子材料，兼具高強度與質輕特點，還具備耐腐蝕、耐溫、三維尺寸精度高和環(huán)境友好等優(yōu)勢，在實現(xiàn)輕量化減重的同時，隔熱和緩震性能也十分出色，且發(fā)泡倍率與泡孔直徑的可調(diào)整范圍較廣。相比熱固性泡沫，它更適合作為“三明治”復合材料的芯材進行加工應用。

通過不同加工方式制成的聚丙烯發(fā)泡材料，各有其獨特優(yōu)勢：釜壓發(fā)泡聚丙烯（EPP）適合制作形狀復雜、三維尺寸精度高的部件；模壓發(fā)泡聚丙烯（MPP）可生產(chǎn)物理性能優(yōu)異的納米級超微孔發(fā)泡產(chǎn)品；擠出發(fā)泡聚丙烯（XPP）能高效、低成本地連續(xù)生產(chǎn)高剛性發(fā)泡板片材。這些材料在低空經(jīng)濟領域的有人/無人駕駛飛行器非結構部件中有廣闊的應用空間，可用于機頂、機門或機身的保溫層、緩沖層、電磁屏蔽層、阻燃防護層，以及高剛性高耐熱復合材料的芯材等。它們在滿足低空飛行器對安全性、舒適性和功能性要求的同時，還能有效減輕重量，進而提升運輸載荷，增加運行里程。

北化院在聚丙烯發(fā)泡材料領域陸續(xù)開展了多項技術開發(fā)工作，包括高性能聚丙烯發(fā)泡專用料的研發(fā)、不同聚丙烯發(fā)泡技術的小試與中試工藝研究、聚丙烯發(fā)泡用功能化改性體系的設計與推廣，以及多種聚丙烯發(fā)泡中試平臺乃至產(chǎn)業(yè)化示范裝置的設計搭建等。截至目前，中國石化已在多家煉化企業(yè)實現(xiàn)發(fā)泡用聚丙烯的工業(yè)化應用，開發(fā)出多個牌號的EPP專用料和MPP專用料，累計產(chǎn)銷量20余萬噸，使發(fā)泡用聚丙烯的國內(nèi)市場占有率從空白提升至35%以上，打破了國外公司在該領域的技術與市場壟斷。如今，北化院已建成EPP珠粒與成型體的工業(yè)化示范成套裝置，形成了具有中國石化自主知識產(chǎn)權的EPP成套技術；開發(fā)出的性能優(yōu)良的功能化發(fā)泡聚丙烯改性料，其終端制品已廣泛應用于我國高端制造領域。

長玻纖增強聚丙烯材料

長玻纖增強聚丙烯材料是一種新型纖維增強樹脂基復合材料，具有高強度、高剛性、高尺寸穩(wěn)定性、耐高溫、低吸水率、低翹曲度、使用壽命長、高低溫耐蠕變性能優(yōu)良、可回收再利用等顯著特點，在汽車、電子、家電、通信、機械、化工、軍工、體育器材、醫(yī)療器械等領域具有廣泛應用。

長玻纖增強聚丙烯材料具有玻璃纖維復合材料輕量化、高強度、耐腐蝕等特性，機械性能逼近金屬卻成本更低，能精準適配低空飛行器重量敏感、使用環(huán)境廣泛、面向大眾市場推廣等需求，主要應用在低空飛行器機身與機翼制造，為關鍵結構部件減重提效，助力續(xù)航能力與飛行效率雙提升。此外，該材料還可通過調(diào)整纖維鋪層、樹脂類型等，靈活優(yōu)化性能、拓展應用場景，如與尼龍等材料協(xié)同制作螺旋槳，強化其剛性與耐久性，保障飛行器在復雜情況下飛行穩(wěn)定。

長期以來，長玻纖增強聚丙烯材料國內(nèi)市場被進口產(chǎn)品占據(jù)。揚子石化研究院在調(diào)研國外同類產(chǎn)品的基礎上，組成專項研發(fā)團隊，從催化劑選擇到工藝條件探索，先后完成了小試、中試，于2016年首次實現(xiàn)工業(yè)裝置放大生產(chǎn)。由于該材料工藝復雜，生產(chǎn)難度大，之后的近5年時間，揚子石化持續(xù)攻關，通過工藝技術改進和造粒工序優(yōu)化提高生產(chǎn)平穩(wěn)性和質量穩(wěn)定性，開發(fā)出長玻纖增強聚丙烯專用料系列產(chǎn)品，涵蓋由低到高三種不同的熔融指數(shù)，各項性能指標達到國外先進水平。