材料是人類(lèi)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，新材料產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，是發(fā)展其他各類(lèi)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是搶占科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展制高點(diǎn)的重要支撐。
高分子材料是新材料中的一大類(lèi)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)及國(guó)防建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。目前，我國(guó)已成為世界高分子材料生產(chǎn)與消費(fèi)大國(guó)。
高性能高分子材料是指具有耐高溫、高強(qiáng)高模、高絕緣、耐輻照等優(yōu)異性能的高分子材料，以及綠色低碳高分子材料；主要包括高性能樹(shù)脂及工程塑料、有機(jī)纖維、生物基樹(shù)脂及可降解材料、特種橡膠及彈性體四大類(lèi)；普遍具有較高的軍事價(jià)值與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍工、航空航天、電子電氣、石油化工、汽車(chē)制造等領(lǐng)域。如聚芳醚（PAE）、聚酰亞胺（PI）等高性能樹(shù)脂及工程塑料是武器裝備性能向超高速、高隱身、高載荷、功能集成躍升的不可或缺的原材料，同時(shí)也是商用飛機(jī)、車(chē)輛、軌道交通、電子電器、核能、石油化工、環(huán)保、生物醫(yī)療等結(jié)構(gòu)件和功能件的關(guān)鍵原材料。我國(guó)一直非常重視高性能高分子材料技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從“十五”開(kāi)始，連續(xù)多個(gè)五年計(jì)劃大力支持相關(guān)技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！丁笆奈濉痹牧瞎I(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，要重點(diǎn)攻克可降解生物材料、光刻膠、仿生合成橡膠等一批高分子關(guān)鍵材料。工業(yè)和信息化部牽頭發(fā)布的《關(guān)于“十四五”推動(dòng)石化化工行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》提出，加快發(fā)展高端聚烯烴、高性能橡塑材料、高性能纖維、生物基材料等高分子產(chǎn)品。近年來(lái)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃對(duì) “特種高性能工程塑料及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究”“低成本高性能生物基聚酯和聚碳酸酯的制備與產(chǎn)業(yè)化”等項(xiàng)目給予了大力支持，有效推動(dòng)了我國(guó)高性能高分子材料的發(fā)展。
目前，歐美國(guó)家憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)，在技術(shù)和市場(chǎng)上占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。我國(guó)雖然在高分子材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面已居世界，但主要以通用品種為主，電子、醫(yī)療及航空航天領(lǐng)域用高端品種仍大量從國(guó)外進(jìn)口；除生物基高分子材料方面與國(guó)外基本處于同一發(fā)展水平之外，大部分類(lèi)別的高分子材料仍缺乏原創(chuàng)技術(shù)支撐，部分關(guān)鍵設(shè)備尚不能完全自立；總體上尚未形成完善的材料體系，產(chǎn)品以仿制國(guó)外品種為主，總體質(zhì)量不穩(wěn)定，且深加工制品牌號(hào)少。
高性能高分子材料體系重點(diǎn)品種梳理
高分子材料產(chǎn)品種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛，其中具有耐高溫、高強(qiáng)高模、高絕緣、耐輻照等優(yōu)異性能，并且在國(guó)防裝備和國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有重大應(yīng)用需求的高性能高分子材料和綠色低碳的高分子材料主要包括：高性能樹(shù)脂及工程塑料、有機(jī)纖維、生物基樹(shù)脂及可降解材料、特種橡膠及彈性體等。具體分類(lèi)及應(yīng)用需求見(jiàn)高性能高分子關(guān)鍵材料分類(lèi)及應(yīng)用需求表

國(guó)外高性能高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀
總體來(lái)看，目前歐美國(guó)家在高性能高分子領(lǐng)域處于優(yōu)勢(shì)地位，掌握更多原創(chuàng)技術(shù)并占據(jù)壟斷地位。另外，歐美公司普遍重視全球化市場(chǎng)和布局，善于利用自身資源優(yōu)勢(shì)布局發(fā)展相關(guān)產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建起完善的產(chǎn)業(yè)鏈和供應(yīng)鏈。當(dāng)前，綠色環(huán)保和循環(huán)回收技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，世界各國(guó)近年來(lái)也相繼發(fā)布了多項(xiàng)政策以支持高分子材料可持續(xù)發(fā)展。這也是高性能高分子材料未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。
（一） 高性能樹(shù)脂及工程塑料
一直以來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家不斷擴(kuò)展聚芳醚、聚酰亞胺等高端高性能樹(shù)脂及工程塑料的應(yīng)用領(lǐng)域，如聚醚醚酮（PEEK）具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能，在航空航天、生物醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用廣闊。
美國(guó)波音公司的B757民航客機(jī)采用玻璃纖維與PEEK復(fù)合，以注射成型的方法制備發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩，該材料具備抗惡劣條件如高濕度、超聲振動(dòng)、高流速等特點(diǎn)，質(zhì)量比金屬制品減輕約30%，價(jià)格降低約90%。
在植入性醫(yī)療器械領(lǐng)域，已陸續(xù)開(kāi)發(fā)出脊柱融合器械、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)置換部件、接骨板和髓內(nèi)釘、顱頜面、種植體等產(chǎn)品，成為了應(yīng)用廣泛的生物醫(yī)用非金屬材料。
在機(jī)器人等新興領(lǐng)域，由于PEEK材料滿足高強(qiáng)度、輕量化的要求，也顯示出較高的應(yīng)用潛力。2023年，特斯拉汽車(chē)公司展示了Optimus-Gen2人形機(jī)器人，因采用了PEEK復(fù)合材料，在不犧牲性能的情況下減重10 kg，行走速度加快30%。
近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家競(jìng)相開(kāi)發(fā)耐熱等級(jí)更高、加工性能優(yōu)異的新型聚芳醚砜、聚芳醚酮等高性能樹(shù)脂。
美國(guó)的杜邦公司和德國(guó)的巴斯夫公司針對(duì)PEEK進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出耐熱等級(jí)更高的聚醚酮（PEK）和聚醚酮酮（PEKK）產(chǎn)品，但上述高性能樹(shù)脂均未解決難溶解、難加工、成本高的問(wèn)題。
目前國(guó)際上應(yīng)用面廣的高性能樹(shù)脂仍然是聚醚醚酮、聚醚砜等，使用溫度均在240 ℃以下，并且當(dāng)使用溫度超過(guò)其玻璃化溫度后，機(jī)械性能將會(huì)大幅度下降。
（二） 有機(jī)纖維
目前，高性能有機(jī)纖維領(lǐng)域依然以美國(guó)、日本、德國(guó)和荷蘭為主導(dǎo)。
在高性能超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維方面，荷蘭皇家帝斯曼集團(tuán)是世界上率先形成UHMWPE纖維產(chǎn)業(yè)化的公司，也一直是UHMWPE纖維行業(yè)的引領(lǐng)者，其他生產(chǎn)商還包括美國(guó)霍尼韋爾國(guó)際公司以及日本的東洋紡織株式會(huì)社、三井化學(xué)株式會(huì)社等。
在PBO纖維方面，1991年日本東洋紡織株式會(huì)社購(gòu)買(mǎi)了道康寧公司關(guān)于PBO纖維研究的全部，并開(kāi)始進(jìn)行獨(dú)立研發(fā)，直到目前，日本東洋紡織株式會(huì)社仍然是世界一家可以規(guī)模生產(chǎn)PBO纖維的公司。
有機(jī)纖維中代表性的是芳綸纖維，其工業(yè)化品種主要為對(duì)位芳綸和間位芳綸，具有高強(qiáng)高模、耐高溫、阻燃等特性，在航空航天、防護(hù)裝備、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、體育器材等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。
目前，芳綸的主要生產(chǎn)廠家主要集中在美國(guó)、亞洲和歐洲等地區(qū)，其中美國(guó)杜邦公司和日本帝人公司擁有規(guī)格完整的產(chǎn)品系列，占據(jù)了全球主要市場(chǎng)。
俄羅斯在技術(shù)上另辟蹊徑，開(kāi)發(fā)出綜合性能更優(yōu)異的雜環(huán)芳綸系列產(chǎn)品，區(qū)別于美國(guó)杜邦公司的間位芳綸和對(duì)位芳綸。
在合成技術(shù)方面，以對(duì)位芳綸為例，主要有界面縮聚法和低溫溶液縮聚法兩種。相比之下，低溫溶液縮聚法是目前國(guó)內(nèi)外工藝成熟的合成芳綸纖維方法，其產(chǎn)品質(zhì)量更穩(wěn)定，適合大規(guī)模合成，但工藝相對(duì)復(fù)雜，溶劑浪費(fèi)較多，且溶劑殘留對(duì)后續(xù)紡絲造成不利影響。
因此，需對(duì)其合成工藝進(jìn)一步優(yōu)化，提高分子量、減小分子量分布寬度；對(duì)紡絲工藝進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升成品率，降低成本，提高競(jìng)爭(zhēng)力。
近年來(lái)，帝人公司與BioBTX、Syncom公司一起，率先使用生物質(zhì)原料試制高性能對(duì)位芳綸，可減少生產(chǎn)過(guò)程中的碳足跡。
（三） 生物基樹(shù)脂及可降解材料
2021年，亞太地區(qū)（含中國(guó)、日本、韓國(guó)等）在生物基樹(shù)脂及可降解材料領(lǐng)域的市場(chǎng)份額為49.9%，占據(jù)主導(dǎo)地位；北美（含美國(guó)、加拿大、墨西哥）占據(jù)第二位。目前，PLA是全球范圍內(nèi)產(chǎn)業(yè)化成熟、產(chǎn)量、應(yīng)用廣泛的生物基可降解塑料。
在PLA的合成方面，技術(shù)路線主要有兩種：一種是由生物發(fā)酵制備乳酸單體，再通過(guò)乳酸酯化縮聚合成；另一種是通過(guò)齊聚 – 環(huán)化解聚制備丙交酯，再經(jīng)過(guò)開(kāi)環(huán)聚合合成。當(dāng)前，絕大部分PLA生產(chǎn)均采用丙交酯開(kāi)環(huán)聚合方法。
美國(guó)是全球早研究PLA的國(guó)家，目前歐美國(guó)家的NatureWorks、TCP、Synbra、Hycail等公司已經(jīng)搶占全球主要的市場(chǎng)份額，美國(guó)Natureworks公司和荷蘭TCP公司合計(jì)擁有全球73%的PLA產(chǎn)能。在PLA的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面，1966年，Kulkarni等人通過(guò)兩步法制備了高分子量的PLA，并研究了PLA在體內(nèi)的降解，發(fā)現(xiàn)聚左旋乳酸作為手術(shù)縫合線，具有良好的生物相容性和生物可降解性。目前，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局已批準(zhǔn)PLA廣泛應(yīng)用于骨科植入物、藥物傳輸?shù)?。美?guó)的PLA改性與加工技術(shù)較為成熟，可通過(guò)定制生產(chǎn)不同的PLA產(chǎn)品，以滿足不同性能實(shí)際應(yīng)用需求。（四） 特種橡膠及彈性體2023年，亞太地區(qū)（含中國(guó)、日本、韓國(guó)等）在特種橡膠及彈性體領(lǐng)域的市場(chǎng)份額約占全球的46%，占據(jù)主導(dǎo)地位。近年來(lái)，橡膠領(lǐng)域的主要集中在氟橡膠、硅橡膠等技術(shù)領(lǐng)域，反映出特種橡膠受到全球行業(yè)專家的高度關(guān)注。氟橡膠具有優(yōu)異的耐化學(xué)介質(zhì)、耐高溫、耐老化等特性，俗稱“橡膠王”。傳統(tǒng)的三元乙丙橡膠、丁基橡膠的極限使用溫度只有150 ℃，而氟橡膠可以在250 ℃下長(zhǎng)時(shí)間使用，極限使用溫度可達(dá)300 ℃。氟橡膠除了耐高溫還具有優(yōu)異的耐油、耐化學(xué)介質(zhì)、耐酸堿性能，主要用于火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、船舶、汽車(chē)等運(yùn)載工具的耐油密封和耐油管路等特種用途。國(guó)外主要生產(chǎn)廠家主要包括美國(guó)杜邦公司、明尼蘇達(dá)礦業(yè)及機(jī)器制造公司（3M），意大利蘇威集團(tuán)，日本大金工業(yè)株式會(huì)社、旭硝子玻璃股份有限公司等。目前，國(guó)際上已經(jīng)形成了一系列多品種的特種橡膠，美國(guó)以聚烯烴類(lèi)氟橡膠、亞硝基類(lèi)氟橡膠及用過(guò)氧化物硫化的高氟含量氟橡膠、耐低溫偏氟醚橡膠為主要產(chǎn)品。在氟橡膠的合成技術(shù)方面，各個(gè)公司分別采取了不同的交聯(lián)技術(shù)體系。日本信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)的全氟聚醚橡膠采用的是一種鉑催化硅氫加成的硫化反應(yīng)，杜邦公司的產(chǎn)品Perlast使用的是碘硫化體系，而Kalrez產(chǎn)品使用的是含氰基（CN）側(cè)基硫化體系。采用的硫化體系不同，得到的氟橡膠產(chǎn)品具有不同的特性，豐富了氟橡膠面對(duì)不同苛刻環(huán)境的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
近年來(lái)，各國(guó)在改善氟橡膠性能方面開(kāi)展了大量研究工作，其中比較常用的方法是在混煉膠中加入填料以提高硫化膠的各項(xiàng)性能。
我國(guó)高性能高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題挑戰(zhàn)
目前，我國(guó)在高性能高分子材料方面已建立起比較完備的化工原料–合成–加工改性–制品應(yīng)用上下游產(chǎn)業(yè)體系，自主開(kāi)發(fā)的聚芳醚、聚酰亞胺、芳綸、氟橡膠等成功應(yīng)用于航空航天、軌道交通、電子電器、生物醫(yī)療等領(lǐng)域，生物基高分子等部分領(lǐng)域與國(guó)際處于同一發(fā)展水平。我國(guó)高性能樹(shù)脂的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代，80年代進(jìn)行了深入研究和開(kāi)發(fā)，90年代發(fā)展較快，取得了突破性進(jìn)展。目前，我國(guó)實(shí)現(xiàn)了部分高性能樹(shù)脂材料由“跟跑”到“并跑”并逐步走向“領(lǐng)跑”的目標(biāo)，但在高端產(chǎn)品穩(wěn)定性、系列化和成本等方面依然落后于國(guó)際先進(jìn)水平，尤其在航空航天、新型顯示、集成電路、5G通信、人工智能、新能源等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)布局欠缺，相關(guān)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化動(dòng)力不足。目前，我國(guó)的電子級(jí)聚酰亞胺薄膜、集成電路封裝基板板材均全部依賴進(jìn)口。從總體情況看，目前我國(guó)芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維產(chǎn)業(yè)已具備一定規(guī)模，建立了多個(gè)國(guó)家及地方研發(fā)與技術(shù)平臺(tái)。我國(guó)生物基樹(shù)脂及可降解材料的品類(lèi)與產(chǎn)業(yè)體系健全，總體生產(chǎn)能力基本能滿足國(guó)內(nèi)的需求。目前我國(guó)通用特種橡膠已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)規(guī)模國(guó)際領(lǐng)先，性能與國(guó)際相當(dāng)；但也存在產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重等問(wèn)題，中高端牌號(hào)供給不足，很多特種高性能產(chǎn)品長(zhǎng)期依賴進(jìn)口；在產(chǎn)品質(zhì)量、工藝創(chuàng)新和環(huán)境友好三個(gè)方面仍與國(guó)外存在差距，需重點(diǎn)發(fā)展，補(bǔ)齊短板。
面臨的問(wèn)題挑戰(zhàn)：
產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)尚需調(diào)整，高端品種供給不足；
技術(shù)支撐仍需加強(qiáng)，產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)發(fā)有待拓展；
原始創(chuàng)新投入不足，前瞻布局尚需加強(qiáng)；
產(chǎn)研合作效率較低，標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)有待加強(qiáng)；
循環(huán)回收布局不夠，綠色發(fā)展需重視。

（文章來(lái)源于中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》）