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行業(yè)動態(tài)
2018/9/6 13:49:14
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行業(yè)動態(tài)
全球碳纖維技術(shù)發(fā)展分析及其對我國的啟示
碳纖維是一種含碳量在95%以上，高強度、高模量纖維的新型高分子無機纖維材料，力學(xué)性能優(yōu)異，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備等領(lǐng)域。碳纖維研發(fā)已被我國列為國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。本文簡明概述了碳纖維技術(shù)領(lǐng)域主要研發(fā)國家/地區(qū)的研發(fā)態(tài)勢，分析了美、日、歐、韓等碳纖維技術(shù)先進國家/地區(qū)的發(fā)展經(jīng)驗；基于文獻計量學(xué)分析方法，對2010年以來全球碳纖維研究的論文和專利產(chǎn)出年度趨勢、領(lǐng)先研發(fā)機構(gòu)、研究熱點等進行分析，以反映碳纖維技術(shù)主要研發(fā)國家/地區(qū)、機構(gòu)的競爭態(tài)勢；并掃描了2015年以來碳纖維技術(shù)研發(fā)最新動態(tài)和技術(shù)進展，以揭示前沿研發(fā)趨勢。論文最后為我國碳纖維技術(shù)研發(fā)提出了幾點建議，以為我國碳纖維技術(shù)未來研發(fā)決策布局提供咨詢建議。
1引言
碳纖維是含碳量高于95%的無機高分子纖維無機新材料，具有低密度、高強度、耐高溫、高化學(xué)穩(wěn)定性、抗疲勞、耐磨擦等優(yōu)異的基本物理及化學(xué)性能，并有高振動衰減性，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數(shù)等特性。這些優(yōu)異的性能使得碳纖維被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、車輛制造、武器裝備、工程機械、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、海洋工程、石油工程、風(fēng)力能源、體育用品等領(lǐng)域。
碳纖維主要核心技術(shù)工藝、產(chǎn)能等主要被日本、美國以及歐洲少數(shù)發(fā)達國家和地區(qū)把控，并且，由于其高技術(shù)含量、高利潤回報，西方國家長期對我國實行嚴格的技術(shù)封鎖?；谔祭w維材料的國家戰(zhàn)略需求以及國際技術(shù)封鎖的緊迫形勢，我國已將其列為重點支持的新興產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)之一。在國家“十二五”科技規(guī)劃中，高性能碳纖維的制備和應(yīng)用技術(shù)是國家重點支持的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)之一。2015年5月，國務(wù)院正式發(fā)布《中國制造2025》，把新材料作為重點領(lǐng)域之一進行大力推動和發(fā)展，其中高性能結(jié)構(gòu)材料、先進復(fù)合材料是新材料領(lǐng)域的發(fā)展重點。2015年10月,工信部正式公布了《中國制造2025重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》，將“高性能纖維及其復(fù)合材料”作為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，2020年的目標(biāo)為“國產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料滿足大飛機等重要裝備的技術(shù)要求”。2016年11月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確指出加強新材料產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作配套，在碳纖維復(fù)合材料等領(lǐng)域開展協(xié)同應(yīng)用試點示范，搭建協(xié)同應(yīng)用平臺。2017年1月，工信部、發(fā)改委、科技部、財政部聯(lián)合制定《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》,提出到2020年，“在碳纖維復(fù)合材料、高品質(zhì)特殊鋼、先進輕合金材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)70種以上重點新材料產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用，建成與我國新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平相匹配的工藝裝備保障體系。”
由于碳纖維及其復(fù)合材料在國防和民生中都要重要作用，許多專家都聚焦于其發(fā)展情況和研究趨勢的分析。周宏綜述了美國科學(xué)家在高性能碳纖維技術(shù)發(fā)展初期所做的科學(xué)技術(shù)貢獻，并對碳纖維的十六個主要應(yīng)用領(lǐng)域及近期技術(shù)進展進行了掃描和報道；韋鑫等對聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)工藝、性能及應(yīng)用及目前技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r進行了綜述，并針對國內(nèi)碳纖維發(fā)展中存在問題提出了建設(shè)性意見。另外，對于碳纖維及其復(fù)合材料領(lǐng)域的論文和專利的計量學(xué)分析，也有許多人開展了研究。例如馬祥林等從計量學(xué)角度對1998—2017年碳纖維中國專利的專利權(quán)人分布和應(yīng)用領(lǐng)域進行了分析；楊思思等基于Innography平臺對全球碳纖維布專利進行了檢索及數(shù)據(jù)統(tǒng)計,從專利的年度發(fā)展趨勢、專利權(quán)人、專利技術(shù)熱點和該技術(shù)的核心專利等進行了分析。
從碳纖維研究發(fā)展軌跡看來，我國的研究幾乎與世界同步啟動，但發(fā)展緩慢，高性能碳纖維的生產(chǎn)規(guī)模和質(zhì)量與國外相比都有差距，迫切需要加快研發(fā)進程，提前戰(zhàn)略布局，搶占未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機。因此，本文首先對各國在碳纖維研究領(lǐng)域的項目布局進行調(diào)研，以了解各國研發(fā)路線規(guī)劃；其次，由于碳纖維的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究對于碳纖維的技術(shù)研發(fā)來說都極為重要，因此，我們從學(xué)術(shù)研究成果——SCI論文以及應(yīng)用研究成果——專利同時進行計量學(xué)分析，以全面了解碳纖維領(lǐng)域的研發(fā)進展情況；并對近期本領(lǐng)域的科研動態(tài)進行掃描，以窺測國際前沿研發(fā)進展。最后，基于以上研究結(jié)果，為我國碳纖維領(lǐng)域的研究發(fā)展路線提出了建議。
2主要國家/地區(qū)碳纖維研究項目布局
碳纖維的主要生產(chǎn)國家/地區(qū)包括日本、美國、韓國、歐洲部分國家及中國臺灣。技術(shù)先進國家在碳纖維技術(shù)發(fā)展初期已經(jīng)意識到該材料的重要性，紛紛進行戰(zhàn)略布局，大力推動碳纖維材料研發(fā)。
2.1日本
日本是碳纖維技術(shù)最發(fā)達的國家。日本東麗、東邦和三菱麗陽3家企業(yè)的碳纖維產(chǎn)量約占全球70%～80%的市場份額。盡管如此，日本依然非常重視保持在該領(lǐng)域的優(yōu)勢，尤其是高性能PAN基碳纖維以及能源和環(huán)境友好相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并給予人力、經(jīng)費上的大力支持，在包括“能源基本計劃”、“經(jīng)濟成長戰(zhàn)略大綱”和“京都議定書”等多項基本政策中，均將此作為應(yīng)當(dāng)推進的戰(zhàn)略項目。日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省基于國家能源和環(huán)境基本政策，提出了“節(jié)省能源技術(shù)研究開發(fā)方案”。在上述政策的支持下，日本碳纖維行業(yè)得以更加有效地集中各方資源，推動碳纖維產(chǎn)業(yè)共性問題的解決。
“革新性新結(jié)構(gòu)材料等技術(shù)開發(fā)”(2013—2022)是在日本“未來開拓研究計劃”下實施的一個項目，以大幅實現(xiàn)運輸工具的輕量化(汽車減重一半)為主要目標(biāo)，進行必要的革新性結(jié)構(gòu)材料技術(shù)和不同材料的結(jié)合技術(shù)的開發(fā)，并最終實現(xiàn)其實際應(yīng)用。產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)(NEDO)于2014年接手該研究開發(fā)項目后，制定了幾個子項目，其中碳纖維研究項目“革新碳纖維基礎(chǔ)研究開發(fā)”的總體目標(biāo)是：開發(fā)新型碳纖維前體化合物；闡明碳化結(jié)構(gòu)形成機理；開發(fā)并標(biāo)準(zhǔn)化碳纖維的評估方法。該項目由東京大學(xué)主導(dǎo)，產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所(NEDO)、東麗、帝人、東邦特耐克絲、三菱麗陽聯(lián)合參與，已在2016年1月取得了重大進展，是日本繼1959年發(fā)明“近藤方式”后，在PAN基碳纖維領(lǐng)域的又一重大突破。
2.2美國
美國國防預(yù)研局(DARPA)在2006年啟動先進結(jié)構(gòu)纖維項目，目的是召集全國優(yōu)勢科研力量，開發(fā)以碳纖維為主的下一代結(jié)構(gòu)纖維。在此項目支持下，美國佐治亞理工學(xué)院的研究小組在2015年突破了原絲制備技術(shù)，使其彈性模量提升了30%，標(biāo)志著美國具備了第三代碳纖維的研制能力。
2014年，美國能源部(DOE)宣布為“針對非食用生物質(zhì)糖類轉(zhuǎn)化為丙烯腈的多步驟催化過程”、“研究和優(yōu)化多通路生產(chǎn)生物質(zhì)衍生的丙烯腈”兩個項目提供1130萬美元資助，以推進用農(nóng)業(yè)殘留物、木本生物質(zhì)等可再生非食物基原料生產(chǎn)具有成本競爭力的可再生高性能碳纖維材料相關(guān)研究，并計劃在2020年以前，將生物質(zhì)可再生碳纖維的生產(chǎn)成本降至5美元/磅以下。
2017年3月，美國能源部再次宣布提供374萬美元資助由美國西部研究所(WRI)領(lǐng)導(dǎo)的“低成本碳纖維組件研發(fā)項目”，主要以煤和生物質(zhì)等資源為原料，開發(fā)低成本的碳纖維部件。
2017年7月，美國能源部宣布資助1940萬美元用于支持先進高能效車輛技術(shù)研發(fā)，其中670萬美元用于資助利用計算材料工程制備低成本碳纖維，主要包括開發(fā)集成計算機技術(shù)的多尺度評價方法，用于評估新碳纖維前驅(qū)體的積極性，并利用先進分子動力學(xué)輔助的密度泛函理論、機器學(xué)習(xí)等工具來開發(fā)先進計算機工具，以提高低成本碳纖維原料的遴選效率。
2.3歐洲
歐洲碳纖維產(chǎn)業(yè)在20世紀七八十年代緊隨日本和美國發(fā)展起來，但因為技術(shù)以及資本等原因，許多單一生產(chǎn)碳纖維的企業(yè)沒有堅持到2000年后的碳纖維需求高增長期就消失了，德國SGL公司是歐洲唯一一家在世界碳纖維市場上占據(jù)主要份額的公司。
2011年11月，歐盟啟動EUCARBON項目，致力于提升歐洲在航天用碳纖維和預(yù)浸漬材料方面的制造能力。項目歷時4年，總投入320萬歐元，并于2017年5月成功建立歐洲第一條面向衛(wèi)星等航天領(lǐng)域用特種碳纖維生產(chǎn)線，從而使歐洲有望擺脫對該產(chǎn)品的進口依賴，確保材料供應(yīng)安全。
歐盟第七框架計劃以608萬歐元支持“利用具有成本效益和可調(diào)控性能的新型前驅(qū)體制備功能化碳纖維”(FIBRALSPEC)項目(2014—2017)。該項目為期4年，由希臘雅典國立技術(shù)大學(xué)主導(dǎo)，意大利、英國、烏克蘭等多國公司聯(lián)合參與，主要致力于創(chuàng)新和改進連續(xù)性制備聚丙烯腈基碳纖維的流程，實現(xiàn)連續(xù)PAN基碳纖維實驗性生產(chǎn)。該項目已經(jīng)成功完成了從可再生有機聚合物資源中生產(chǎn)碳纖維以及強化復(fù)合技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用(如超級電容器、快速應(yīng)急避難所,以及納米纖維的原型機械電動旋涂機及生產(chǎn)線研制等)。
越來越多的工業(yè)領(lǐng)域(例如汽車、風(fēng)能發(fā)電、造艇業(yè))需要輕量高性能復(fù)合材料，這對碳纖維產(chǎn)業(yè)來說是巨大的潛在市場。歐盟投資596.8萬歐元啟動CARBOPREC項目(2014—2017)，其戰(zhàn)略性目標(biāo)是從廣泛存在于歐洲的可再生材料中開發(fā)低成本前驅(qū)體，通過碳納米管增強生產(chǎn)高性能碳纖維。
歐盟的CleanSky II研究計劃資助了一項“復(fù)合材料輪胎研發(fā)”項目(2017)，由德國弗勞恩霍夫生產(chǎn)和系統(tǒng)可靠性研究所(LBF)負責(zé)，計劃開發(fā)用于空客A320的碳纖維增強復(fù)合材料飛機前輪部件，目標(biāo)是較傳統(tǒng)金屬材料減重40%。項目經(jīng)費約為20萬歐元。 2.4韓國
韓國的碳纖維研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化起步較晚，研發(fā)始于2006年，2013年開始正式進入實用化階段，扭轉(zhuǎn)了韓國碳纖維全部依賴進口的局面。以韓國本土的曉星集團和泰光事業(yè)為代表的行業(yè)先鋒積極進行碳纖維領(lǐng)域行業(yè)布局，勢頭發(fā)展強勁。此外日本東麗在韓國建立的碳纖維生產(chǎn)基地也對韓國本土的碳纖維市場起到了促進作用。
韓國政府選擇將曉星集團打造成碳纖維的創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)聚集地。旨在形成碳纖維材料產(chǎn)業(yè)集群，促進全北地區(qū)創(chuàng)意經(jīng)濟生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，最終目標(biāo)形成碳纖維材料→零部件→成品一條龍生產(chǎn)鏈，建立可與美國硅谷比肩的碳纖維孵化集群，挖掘新市場，創(chuàng)造新的附加值，到2020年實現(xiàn)碳纖維相關(guān)產(chǎn)品出口額100億美元(折合人民幣約552億元)的目標(biāo)。
3全球碳纖維研究科研產(chǎn)出分析
本小節(jié)統(tǒng)計了2010年以來的碳纖維研究相關(guān)SCI論文和DII專利成果，以對全球碳纖維技術(shù)的學(xué)術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)研發(fā)兩方面同時進行分析,全面了解國際上碳纖維研發(fā)進展。
數(shù)據(jù)來源自科睿唯安公司(Clarivate Analytics)出版的WEB OF SCIENCE數(shù)據(jù)庫中的SCIE數(shù)據(jù)庫和Dewent數(shù)據(jù)庫；檢索時間范圍：2010—2017年；檢索日期：2018年2月1日
3.1年度趨勢
2010年以來，全世界共發(fā)表相關(guān)論文16553篇，申請發(fā)明專利26390項，均呈現(xiàn)出逐年穩(wěn)步上升的態(tài)勢(圖1)。
3.2國家或地區(qū)分布
中國的碳纖維論文和發(fā)明專利申請數(shù)量(此處統(tǒng)計優(yōu)先權(quán)國家)均最多，呈現(xiàn)領(lǐng)先的優(yōu)勢；論文數(shù)量排在2~5位的依次是美、日、英、韓；發(fā)明專利申請數(shù)量排在2~5位的國家依次是日、韓、美、德(圖2)。
3.3機構(gòu)分析
全球碳纖維研究論文產(chǎn)出最多的前10個機構(gòu)均來自中國，其中排在前5位的依次是：中國科學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、東華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)。國外機構(gòu)中，印度理工學(xué)院、東京大學(xué)、布里斯托大學(xué)、莫納什大學(xué)、曼徹斯特大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院排在10~20名之間(圖3)。
專利申請數(shù)量排名前30機構(gòu)中，日本有5家，且其中3家位居前五，東麗公司排名第一，其后依次為三菱麗陽(第2)、帝人(第4)、東邦(第10)、日本東洋紡公司(第24)；中國機構(gòu)有21家，中國石化集團公司專利量最多，排名第三，其次是哈爾濱工業(yè)大學(xué)、河南科信電纜公司、東華大學(xué)、中國上海石化、北京化工大學(xué)等，中科院山西煤化所申請發(fā)明專利66件，排名第27位；韓國機構(gòu)有2家，其中曉星株式會社排名靠前，居第8位(圖4)。
產(chǎn)出機構(gòu)上看，論文產(chǎn)出主要來自于大學(xué)及科研機構(gòu)，專利產(chǎn)出主要來自于公司企業(yè)，可以看出，碳纖維制造是一項具有高技術(shù)含量的產(chǎn)業(yè)，作為碳纖維研發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主體，公司企業(yè)都非常重視碳纖維研發(fā)技術(shù)的保護，尤其是日本2大公司，專利數(shù)量遙遙領(lǐng)先。
3.4研究熱點
碳纖維研究論文涉及最多的研究主題是：碳纖維復(fù)合材料(包括碳纖維增強復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料等)、機械性能研究、有限元分析、碳納米管、脫層、加強、疲勞、微結(jié)構(gòu)、靜電紡絲、表面處理、吸附等。涉及這些關(guān)鍵詞的論文占全部論文數(shù)量的38.8%。
碳纖維發(fā)明專利涉及最多的主題是碳纖維的制備、生產(chǎn)設(shè)備及復(fù)合材料。其中，日本東麗、三菱麗陽、帝人等公司均在“用碳纖維增強高分子化合物”領(lǐng)域進行了重要技術(shù)布局，另外，東麗和三菱麗陽在“聚丙烯腈制作碳纖維及生產(chǎn)設(shè)備”、“用不飽和腈，如聚丙烯腈、聚偏氰化物乙烯制作碳纖維”等技術(shù)上有較大比重的專利布局，而日本帝人公司在“碳纖維與含氧化合物復(fù)合材料”有較大比重的專利布局。
我國中石化集團、北京化工大學(xué)、中科院寧波材料所在“聚丙烯腈制作碳纖維及生產(chǎn)設(shè)備”上有較大比重的專利布局；另外，北京化工大學(xué)、中科院山西煤化所和中科院寧波材料所重點布局“用無機元素纖維作為配料的高分子化合物制備”技術(shù)有；哈爾濱工業(yè)大學(xué)重點布局“碳纖維的處理”、“碳纖維與含氧化合物復(fù)合材料”等技術(shù)。
另外，從全球?qū)＠募夹g(shù)年度分布統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)，最近三年一些新的熱點領(lǐng)域開始出現(xiàn)，例如：“由在主鏈中形成羧酸酰胺鍵合反應(yīng)得到的聚酰胺的組合物”、“由主鏈中形成1個羧酸酯鍵反應(yīng)得到的聚酯的組合物”、“以合成材料為主的機動車材料”、“環(huán)狀多羧酸的含氧化合物作為配料的碳纖維復(fù)合材料”、“以三維形式固著或處理紡織材料的方法”、“不飽和醚、乙縮醛、半縮醛、酮或醛通過僅涉及碳—碳不飽和鍵的反應(yīng)而制得的高分子化合物”、“絕熱材料管子或電纜”、“以磷酸酯類有機物作為配料的碳纖維復(fù)合材料”等。
4對我國碳纖維技術(shù)研發(fā)的建議
4.1前瞻布局，目標(biāo)導(dǎo)向，聚焦突破第三代碳纖維技術(shù)
我國第二代碳纖維技術(shù)尚未全面突破，如不及時跟進第三代碳纖維的技術(shù)開發(fā)，會拉大我國與國外下一代航空武器裝備性能之間的差距。我國應(yīng)及早進行前瞻性布局，將我國的相關(guān)頂尖科研機構(gòu)匯聚起來，集中攻克關(guān)鍵技術(shù)，聚焦第三代高性能碳纖維制備技術(shù)研發(fā)(即適用于航空航天的高強度、高模量碳纖維技術(shù))，以及碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的研發(fā)，包括面向汽車、建筑修補等的輕量化、低成本大絲束碳纖維制備研究，碳纖維復(fù)合材料的增材制造技術(shù)、回收技術(shù)和快速成型技術(shù)等等。
4.2統(tǒng)籌組織，強化支持，設(shè)立重大技術(shù)項目持續(xù)支持協(xié)同攻關(guān)
對于涉及國家安全和重大經(jīng)濟利益的關(guān)鍵核心技術(shù)，我國必須要掌握在自己手里，碳纖維技術(shù)就是其中之一。目前我國開展碳纖維研究的機構(gòu)比較多，但是力量分散，缺乏有效協(xié)同攻關(guān)的統(tǒng)一研發(fā)組織機制和強有力的資助支持。從先進國家的發(fā)展經(jīng)驗來看，重大項目組織與布局對本技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展起著極大的推動作用。應(yīng)集中我國優(yōu)勢研發(fā)力量，針對我國碳纖維突破性研發(fā)技術(shù)啟動重大項目攻關(guān)，強化協(xié)同技術(shù)創(chuàng)新，不斷推進我國碳纖維研究技術(shù)水平，爭奪國際碳纖維及復(fù)合材料研發(fā)制高點。
4.3完善技術(shù)成果應(yīng)用效果導(dǎo)向的評價機制
從SCI論文計量學(xué)分析角度看，我國的碳纖維作為一種高強性能材料應(yīng)用于各種領(lǐng)域的研究較多，而對于碳纖維生產(chǎn)制備技術(shù)，尤其是聚焦于降低成本、提高產(chǎn)效的研究較少。碳纖維生產(chǎn)工藝流程長、技術(shù)關(guān)鍵點多、生產(chǎn)壁壘高，是多學(xué)科、多技術(shù)的集成，需要突破的技術(shù)障礙很多，要高效推進“低成本、高性能”的核心制備技術(shù)研發(fā)，一方面，需要加強研究投入，另一方面，需要弱化本領(lǐng)域科研績效評價的論文產(chǎn)出導(dǎo)向，強化技術(shù)成果應(yīng)用效果評估導(dǎo)向，從注重論文發(fā)表的“數(shù)量型”評價轉(zhuǎn)向成果價值的“質(zhì)量型”評價。
4.4加強尖端技術(shù)復(fù)合型人才培養(yǎng)
碳纖維技術(shù)的高技術(shù)屬性決定了專業(yè)化人才的重要性，是否擁有尖端核心技術(shù)人才直接決定著一個機構(gòu)研發(fā)水平的高低。
由于碳纖維技術(shù)研發(fā)環(huán)節(jié)很多，應(yīng)當(dāng)注重復(fù)合型人才培養(yǎng)，以保證各環(huán)節(jié)研發(fā)的配合銜接。另外，從我國碳纖維研究發(fā)展史看來，技術(shù)核心專家的流動往往成為影響一個研究機構(gòu)研發(fā)水平的關(guān)鍵因素。在生產(chǎn)工藝、復(fù)合材料和主要產(chǎn)品上能夠保持核心專家和研發(fā)團隊的固定，對于不斷實現(xiàn)技術(shù)升級十分重要。
應(yīng)當(dāng)繼續(xù)加強本領(lǐng)域的專業(yè)化高技術(shù)人才培養(yǎng)和使用，完善對技術(shù)研發(fā)型人才的評價和待遇政策，加強對青年人才的培育，積極支持與國外先進研發(fā)機構(gòu)的合作和交流，同時大力引進國外先進人才等等，這將對我國的碳纖維研究的發(fā)展起到極大的推動作用。
