天津高性能复合材料产业链与创新链融合研究

习近平总书记多次强调：坚持科技面向经济社会发展的导向，着力围绕产业链部署创新链，消除科技创新中的“孤岛现象”。对于天津而言，当前在一定程度上存在创新链和产业链相互协同不足的问题，存在弱链、断链环节，使得技术优势与产业优势不能相互转化、相得益彰。本文以天津的高性能复合材料领域为例，分析高性能复合材料的产业链和创新链的构成，发现链条的优势与不足，进而提出产业链和创新链融合的对策措施与建议，破除制约科技成果转移扩散的障碍，旨在促进天津高性能复合材料产业持续发展。

一、高性能复合材料产业链的特点

1.高性能复合材料产业链

高性能复合材料又称先进复合材料（Advanced composite materials），是指用碳纤维等高性能增强相增强的复合材料，属于先进树脂基复合材料的范畴，在综合性能上与铝合金相当，但比强度和比弹性模量要高于铝合金。根据这一定义，对高性能复合材料整体产业链描述如图1所示。高性能复合材料包括碳纤维、芳纶、超高分子聚乙烯（UHMWPE）、聚酰亚胺、石英纤维、碳化硅等，特别是近年来碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯正在成为世界上3大高性能复合材料。天津在这一领域有一定的研发和产业基础，但应用总体上还处于起步阶段。为此，本文主要针对天津市产业发展实际和国内外高性能复合材料发展方向展开研究。

2.全球高性能复合材料产业链发展现状和特点

（1）龙头企业实现全球化布局，产业集中度较为明显

从全球情况看，高性能复合材料制备领域的大企业纷纷实现了从原丝到复合材料的产业链环节，并基本实现了全球化布局，产业集中度较为明显。如碳纤维领域国际7大龙头企业基本占据了全球70%的份额，分支机构遍及全球，其中日本东丽株式会社（以下简称“东丽”）在全球21个国家开展了业务，德国西格里集团（SGL）在全球拥有46个生产基地；芳纶领域美国杜邦公司与日本帝人株式会社的产能之和约占全球的85%；超高分子量聚乙烯也主要集中在德国、美国和荷兰。但目前来看，全球尚无一家复合材料企业实现全产业链商业化运营。

（2）纤维生产及制备产业链主要集中在日本、美国等发达国家

尽管近年来土耳其、韩国、沙特阿拉伯等新兴国家复合材料产业逐步崛起，但从全球来看，复合材料纤维制备的产业链与关键技术始终被日本、美国、欧洲发达国家的龙头企业占据，且短期内这种格局难以改变。如日本早在20世纪60年代就开始从事碳纤维制造，技术垄断地位始终难以撼动，特别是原丝加工领域，东丽、日本东邦化学工业株式会社、日本三菱人造丝公司3大企业占据全球市场的70%。芳纶纤维也主要以荷兰、美国、日本等国所垄断。超高分子量聚乙烯也主要集中在德国、荷兰、美国等发达国家。

（3）下游应用领域加速向民用和新兴产业扩展

高性能复合材料最早主要用于军工，后来逐步向民用领域拓展，如碳纤维主要应用于航空航天、文体用品等，芳纶主要用于劳保防护、光缆、增强材料等，超高分子量聚乙烯主要用于防弹用品、渔网、防切割用品等。近年来，随着复合材料产品性能趋向于高性能化，使得民用工业用量增幅有后来居上之势，增幅超过了航空航天和文体用品领域，并继续保持快速增长，在土木建筑、能源交通、环保农业等民用领域得到了广泛应用。

（4）国外企业注重与下游用户合作，拓展复合材料应用领域

近年来，下游应用正在成为带动高性能复合材料发展的重要引擎，且国际复合材料市场在下游应用的牵引下还在不断扩大。复合材料企业将面临着如何降低生产成本，从终端产品的设计出发，培育和开发从复合材料到制品的整个价值链的工艺流程等问题。如德国SGL公司与宝马公司合作开展碳纤维在汽车领域的应用已取得巨大进展。

从产业发展趋势看，未来高性能复合材料的发展总体上将呈现出高性能化、低成本化、规模化、应用扩大化的发展方向。

3.国内高性能复合材料产业链发展特点

（1）整体规模小，产品品种少、质量低

与国外相比，我国高性能复合材料生产商规模较小，更多集中在合成材料和终端产品应用2个环节，而在纤维制备环节方面则较为薄弱。产品品种少，以碳纤维为例，国内大部分企业生产的碳纤维只有T300碳纤维一个品种，质量不稳定，而国外早已由更高性能的T700取代T300作为通用级别产品。目前我国的碳纤维生产企业有30多家，但大部分企业产能偏低，全国产能总和尚不及日本东丽公司一家产能的一半。由于缺少具有自主知识产权的技术支撑，国内企业目前尚未掌握完整的复合材料核心关键技术，使得产品在纯度、强度、均质化、稳定性等方面与技术领先国家差距较大，导致产品质量较差且不稳定，正品率低，缺乏市场竞争力。

（2）复合材料制备技术取得重大突破，但核心技术突破不足

近年来，我国复合材料制备取得了重大进展。威海拓展纤维有限公司（以下简称“威海拓展”）在国内率先突破了T300碳纤维制备技术，主要产品已在军工航空项目有所应用。低性能T300型碳纤维产品已实现了全流程国产化；国产T700级碳纤维完成了中试，并获得小批量应用。2009年，科技部支持的烟台泰和新材有限公司（以下简称“泰和新材”）年产1 000万t对位芳纶生产线正式投产，打破了美国、日本等国长期以来对我国的垄断。目前国内芳纶生产已进入世界前3，其中对位芳纶产能居全球第3；间位芳纶产能居全球第3。国产超高分子量聚乙烯在产品性能、单线产能及生产成本都具有一定的国际竞争力，并形成了多项自主知识产权。但在纤维材料制备的关键技术方面，如原丝、预氧化、碳化等环节核心技术仍受制于日本、美国等发达国家。

（3）国产复合材料成本过高，缺乏竞争力

在当前供需过剩的情况下，国内高性能复合材料生产企业的产品利润空间已经被压缩到了亏损的边缘，与国际同类水平相比，成本构成不合理，制备成本高，甚至高于国外同类产品的销售价格，企业存在亏本经营的局面。很多企业难以为继。以T300型12K碳纤维为例，我国目前生产成本最少200元/kg，要想盈利只能抬高售价。而日本东丽公司的市场销售价在120元/kg；土耳其的一家企业进入中国的碳纤维只有60元/kg。这些价格比我国同类产品的成本还低，无形中挤压着国产产品的生存空间。国内高性能复合材料企业绝大多数都是亏损状态，部分厂商只有缩减产能甚至停产。

（4）下游应用前景广阔，领域冷热不均

复合材料的应用领域非常广泛，涵盖国防军工、航空航天、风电、高铁、汽车、武器装备、安全防护、环境保护、远洋捕捞、电子信息、体育休闲等领域，7大战略性新兴产业发展都有复合材料的用武之地。目前国内企业更多侧重于下游应用，除军用领域和航空航天外，民用领域主要以网球拍、钓鱼竿、自行车、绳缆等传统产品为主，且这恰是国内最大的应用领域。目前全球高档体育产品用复合材料的制备主要集中在我国东南沿海地区，在全球处于领先水平。而在新兴产业领域，如航空航天、高铁、汽车等，中小企业缺乏低成本应用的开发实力和能力，国内大企业囿于成本而同样对此鲜有关注，出现低端产品过热，高端应用遇冷的局面。

二、高性能复合材料创新链及其特点

总体来看，国内高性能复合材料以航空航天和交通能源领域的国家重大需求为出发点，在碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯、聚酰亚胺等材料的关键技术研发上取得了重要进展。由于我国尚未完全掌握碳纤维制备的核心技术，使得原丝质量还不如日、美等发达国家，导致产品性能达不到要求，更多则集中在中间材料和复合材料制备环节。高性能复合材料创新链如图2所示。

复合材料创新链的特点主要有以下3点：

①上游：关键技术有所突破，高端原丝受制于人。在纤维制备方面，国内现已在原丝制备、预氧化、碳化与石墨化等关键技术取得重大突破。以碳纤维为例，T300和T700碳纤维国内已经具备独立制备纤维的水平，威海拓展纤维有限公司还在科技部的大力支持下突破了原丝制备技术，打破了国外垄断。但在高端T800碳纤维制备国产商业化进程还不甚理想。加之国外在原丝、碳化等关键技术对我国加以限制这一大环境，也使得多年来国内在原丝研发和生产方面基本保持亏本经营的局面。整个国内产品无论从性能上都远低于国外产品，大部分厂商只能达到日本低性能T300碳纤维以下的水平。在树脂基体制备方面，我国尚具有一定的比较优势。

②中间：自主开发制备工艺，工程化还存在差距。近10年来，国内在高性能复合材料的制备工艺与技术取得了重要进展，特别是预浸料制备和固化成型技术方面基本实现了技术国产化。如沈阳飞机工业集团有限责任公司、中航工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司等企业制备的复合材料可以直接用于波音飞机，缠绕机、热压罐等核心加工设备也开始自主设计并投入生产当中，打破了国外长期对我国的垄断。但总体来说，国内设备水平与加工能力与发达国家相比还有一定差距，特别是高品质复合材料在品质上还有待提升。如我国超高分子量聚乙烯的实验室成果基本接近国际龙头企业——荷兰帝斯曼集团（DSM）的水平，但由于生产工艺和设备等方面的原因，国内产品在强度、模量、产品均一性、稳定性等方面与DSM还存在一定的差距，加之成本因素使得绝大多数国内企业所用原料仍需通过国外进口。另外，预浸料制备技术门槛高，企业单纯靠优良的加工设备也很难实现对核心技术的掌握。

③下游：应用技术开发不足，高端应用还在起步。国内企业对复合材料的应用主要是在体育休闲用品、绳缆等领域。随着这一市场的逐渐饱和，国内近半数生产线闲置，加之目前国内企业对低成本应用技术了解较少，使得下游应用产品开发不足的现状日益突出，极大地制约了我国复合材料材料的发展。如在交通工具领域的应用尚处于起步阶段，主要是外资企业应用为主，国内企业鲜有问津；航空航天领域中军用基本能够满足需要，但成本和投入过高，民用领域受此影响不得不采取进口，进一步造成了国内产能闲置；建筑材料领域则主要应用于加固材料，由于国产复合材料强度达不到标准，市场鱼目混杂，加之技术优势不明显，整体需求不旺。可见，研发复合材料低成本应用技术是行业发展当务之急。

三、天津高性能复合材料产业链与创新链发展现状

1.天津高性能复合材料产业概况

根据天津市科学技术委员会的统计数据，截至2014年9月，天津从事高性能复合材料领域的科技型中小企业有127家，约占全市新材料领域企业总数的1.17%，呈现出分布散、领域杂、集中度明显的特点。全市从事高性能复合材料领域各区县企业及收入情况分布如图3和图4所示。可以看出，高性能复合材料的企业基本分布在滨海新区、环城四区（东丽、津南、西青、北辰）和远郊宝坻、武清二区。其中滨海新区企业最多，占37.8%，尤以集中在开发区、保税区等；其次是环城四区，占复合材料企业总数的30%。

从企业的主营业务看，主要涉及树脂制备、复合材料制备与应用等环节，很多企业就是直接面向下游产业提供复合材料，所服务的行业与客户分布广泛，包括航空航天、新能源、油气输送、自行车、线缆、医用材料、劳保防护等，但应用水平整体还处于起步阶段，有很大的发展空间。

从图4所示收入情况看，截至2014年9月，天津全市高性能复合材料领域产值61.68亿元；企业主营业务收入66.98亿元，占全市新材料企业主营业务收入的1.55%。其中滨海新区占71.4%；环城四区占13.3%。企业平均收入规模5273.8万元，高出全市新材料产业企业平均收入规模32.6%；产值超过1亿元的企业有15家，企业平均资产规模5352.68万元，超过全市行业平均值67.7%。但除去主营业务收入超过1亿元的企业外，其余企业平均收入只有560万元，总资产1 462.8亿元，企业规模明显偏小。

从企业的研发经费支出看，高性能复合材料领域企业127家企业研发经费仅为4.83亿元，平均每家企业380.6万元，高于天津新材料产业平均水平191.05万元近一半。可见天津高性能复合材料领域非常重视研发投入，其中获得科技项目经费支持1.79亿元。

天津在高性能复合材料领域的领军企业较少，大部分以外资为主，其中不乏瑞士固瑞特（Gurit）、美国赫氏（Hexcel）等国际知名复合材料厂商。本地企业以树脂生产企业居多，且在国内具有一定市场份额和影响力。从经营领域看，这些企业既有国际复合材料龙头企业在津投资设立的，也有为大企业从事复合材料配套的，也有为复合材料制备高性能树脂材料和中间产品的，还有一些企业作为下游用户，在发展主业的基础上，直接面向本企业部分终端产品开展复合材料研发，使得复合材料从单一研发变成用户主导研发，与下游产业紧密结合。

2.天津高性能复合材料产业链发展现状

（1）上游：原材料树脂具有一定的基础和优势，纤维制备稍逊一筹

高性能复合材料主要原料主要包括纤维和树脂。作为复合材料的基体，天津的树脂生产加工无论从产品种类还是规模，在国内都具有比较优势。酚醛树脂、环氧树脂、不饱和树脂等在天津都有生产。特别是高性能环氧树脂方面，天津的TDE-85等军工特种环氧树脂长期为军用领域和航空航天配套，居于国内领先水平。而天津在纤维制备方面，无论是企业还是生产能力上都稍逊一筹，与威海拓展、泰和新材等国内领先企业相比还有较大差距。

（2）中游：中间材料制备环节整体薄弱，主要集中在外资企业

在中间材料制备环节上，天津本土制造企业少、实力弱，缺乏特色；主要集中在Hexcel、固瑞特等在天津投资的外资企业。他们主要面向波音飞机和风电叶片提供复合材料，并具有较大规模，成为天津复合材料发展的主要力量。同时，尽管天津拥有深厚的纺织工业基础，并在非织造织物、立体织物及其复合材料制品的制备工艺、技术和装备具有一定研发基础，但天津的纺织工业更多地从事传统的棉、麻、丝等纺织工艺与技术，在高性能复合材料的织物制备的基础薄弱，能实现技术产业化的企业较少。

（3）下游：企业分布集中，应用领域前景广阔，用户参与复合材料制备

随着民用领域对高性能碳纤维的需求日渐升温，特别是对天津而言，航空航天、风电、自行车、新能源汽车、医疗器械等天津优势行业的快速发展，必将衍生出对复合材料的大量需求，为复合材料在天津的发展创造了机遇。天津很多企业已经抓住了这一机遇，围绕下游应用需求开发高性能复合材料，并已为自行车、飞机零部件、风电叶片所配套，复合材料在天津的应用已见端倪。但受生产成本和价格过高的影响，天津的复合材料应用还处于起步阶段，整体处于亏本经营状态。

从企业分布看，天津从事复合材料的企业主要集中在下游应用环节，企业呈现散、小、乱的局面。此外，天津还有一些大型行业用户针对本行业对复合材料的需求，开展复合材料研发与合成制备的业务。

3.天津高性能复合材料创新链发展现状分析

天津在高性能复合材料领域里有一定的研究基础，拥有教育部先进纺织复合材料工程研究中心、教育部先进纺织复合材料重点实验室、天津市非织造布技术工程中心、天津市改性与功能纤维重点实验室、天津市材料复合与功能化重点实验室、天津市功能高分子材料企业重点实验室等创新资源，如表1和表2所示。

从天津创新链总体情况看，上游在高性能树脂基体合成及制备、高性能纤维表面处理等方面在国内具有优势，拥有一定的创新资源和研发基础；而原丝、碳化等纤维制备关键技术方面则集中在中国科学院化学研究所、中国科学院山西煤炭化学研究所、北京化工大学等一些国家级科研院所机构、工程中心及重点实验室。中游在非织造物、增强织物方面，以天津工业大学复合材料研究所为代表的科研机构取得了诸多科研成果，非织造织物、2.5D整体织物、3D编织立体织物以及其复合材料制品的制备工艺、技术和装备在国内处于领先水平。但成果在天津的产业化应用还有一定距离。预浸料研发和制备技术集中在外企，本地企业实力有待提升。下游复合材料制备和工程化装备研发方面则具有较强的研发资源和优势，但复合材料低成本应用技术、工艺、装备等在国内应用尚有差距，一定程度上制约了天津复合材料应用技术的发展和产业化进程。天津复合材料创新链发展现状如图5所示。

4.天津高性能复合材料发展的SWOT矩阵

在对天津高性能复合材料产业链和创新链分析的基础上，借助SWOT的分析方法，得出天津复合材料SWOT分析矩阵，如表3所示。

四、天津高性能复合材料产业与创新链融合思路与对策

促进天津高性能复合材料产业链和创新链的深度融合，要以应用作为突破口，积极与下游市场合作，加强与天津战略性新兴产业深度融合，以低成本应用促进产业集聚，带动复合材料关键技术研发本地化，促进复合材料行业做大做强。

1.以应用为突破口，完善复合材料产业链

天津应重点关注下游应用领域，发展面向航空航天、风电叶片、建筑、海洋装备、石油输送绳缆、自行车等领域应用的高性能复合材料及制品。同时大力发展复合材料工程化装备，降低材料制备成本，改变目前产业总体亏损的局面，逐步实现扭亏为盈。依托天津纺织工业的发展基础和复合材料制备技术优势，发展复合材料增强织物和非织造织物，推进产业化进程，为复合材料制备与合成提供基础，进而带动天津纺织工业向高附加值产品转型升级。

在完善产业链方面，通过科技招商、风险投资等多种途径，吸引国内外复合材料龙头企业落户天津，建设区域总部或产品研发推广中心，通过制定一系列支持政策，吸引外资企业研发机构落户天津，开展先进复合材料研发；并围绕龙头企业开展产业链布局，鼓励本地中小企业为其提供配套服务，形成产业聚集效应。

2.在关键技术和创新机构上寻求突破，完善复合材料创新链

依托天津现有创新资源，在非织造物制备、复合材料制备的工程化应用技术方面开展突破，并形成一批技术储备。重点发展复合材料树脂基体制备技术、非织造物制备技术、多维增强织物加工技术、复合材料制备技术、材料钻孔加工及成型技术、材料检测技术、复合材料工程化制备工艺和装备研发等关键技术。充分借重首都资源，加强与首都高校和院所合作，通过引进或院地合作共建等方式在津设立研发中心或分支机构，依托大飞机、大火箭、石油化工产业基地建设等重大项目，开展复合材料制备关键技术和工程化应用技术的研究实力，推动工程化技术的研发本地化。

3.促进产业链与创新链融合的对策建议

（1）建立产业促进机构和产业技术研究院，发挥各类研发组织的作用

建设天津市新材料生产力促进中心，将复合材料作为重点工作方向之一，面向全市复合材料企业提供共性技术研发、技术推广、检测服务、项目咨询等。围绕天津市新材料产业发展需要，建立天津市复合材料产业技术研究院，开展复合材料基础理论研究、复合材料加工工艺技术、复合材料工程化装备制造技术、复合材料应用技术4个研发平台。形成一系列自主知识产权的成果，并在天津市和国家重大项目上推广应用。充分发挥产业促进机构和研发组织的作用，加大工程中心、重点实验室面向下游应用行业的服务力度。

（2）建设天津复合材料产学研创新联盟，促进产业链中上下游企业的融合

建立包括航空航天、风电叶片、石油装备等领域的大型用户企业、天津大学、天津工业大学等高校和院所、复合材料制备企业组成的产业技术创新联盟，围绕用户需求，组织应用单位和工程中心、重点实验室的依托单位开展共性技术研发，为高端用户提供材料配套，加速成果转化。

（3）围绕下游应用，建设天津市复合材料产业园

充分发挥专业园区和下游应用产业的优势，依托龙头企业，以复合材料应用为出发点，建立天津市复合材料产业园。将复合材料产业技术研究院、新材料生产力促进中心和配套服务机构落户园区，并开展工程中心、重点实验室、检测中心等创新机构建设，进一步完善行业创新体系。开展先进复合材料公共服务平台建设，并依托园区孵化器开展运营。

（4）将高性能复合材料作为新材料专项发展重点领域予以支持

高性能复合材料作为新材料产业的重要领域，建议将围绕高性能复合材料应用的关键技术作为未来科技计划项目的一个支持方向，鼓励企业开展行业应用工程化技术创新，打造“杀手锏”产品，为促进高性能复合材料产业做大做强提供支持。充分发挥科技成果转化资金的引导作用，对高性能复合材料领域成果转化的，以后补助形式给予优先支持。

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