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材料是人類賴以生存和發展的物質基礎，新材料產業作為戰略性新興產業的重要組成部分，是發展其他各類高新技術產業的物質基礎，是搶占科技和經濟發展制高點的重要支撐。
高分子材料是新材料中的一大類，在國民經濟及國防建設中發揮著重要作用。目前，我國已成為世界高分子材料生產與消費大國。
高性能高分子材料是指具有耐高溫、高強高模、高絕緣、耐輻照等優異性能的高分子材料，以及綠色低碳高分子材料；主要包括高性能樹脂及工程塑料、有機纖維、生物基樹脂及可降解材料、特種橡膠及彈性體四大類；普遍具有較高的軍事價值與經濟價值，廣泛應用于國防軍工、航空航天、電子電氣、石油化工、汽車制造等領域。如聚芳醚（PAE）、聚酰亞胺（PI）等高性能樹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，同時也是商用飛機、車輛、軌道交通、電子電器、核能、石油化工、環保、生物醫療等結構件和功能件的關鍵原材料。我國一直非常重視高性能高分子材料技術與產業的發展，從“十五”開始，連續多個五年計劃大力支持相關技術及產業發展?！丁笆奈濉痹牧瞎I發展規劃》提出，要重點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鍵材料。工業和信息化部牽頭發布的《關于“十四五”推動石化化工行業高質量發展的指導意見》提出，加快發展高端聚烯烴、高性能橡塑材料、高性能纖維、生物基材料等高分子產品。近年來，國家重點研發計劃對 “特種高性能工程塑料及其產業化技術研究”“低成本高性能生物基聚酯和聚碳酸酯的制備與產業化”等項目給予了大力支持，有效推動了我國高性能高分子材料的發展。
目前，歐美國家憑借先發優勢，在技術和市場上占據優勢地位。我國雖然在高分子材料產業規模方面已居世界，但主要以通用品種為主，電子、醫療及航空航天領域用高端品種仍大量從國外進口；除生物基高分子材料方面與國外基本處于同一發展水平之外，大部分類別的高分子材料仍缺乏原創技術支撐，部分關鍵設備尚不能完全自立；總體上尚未形成完善的材料體系，產品以仿制國外品種為主，總體質量不穩定，且深加工制品牌號少。
高性能高分子材料體系重點品種梳理
高分子材料產品種類繁多，應用廣泛，其中具有耐高溫、高強高模、高絕緣、耐輻照等優異性能，并且在國防裝備和國民經濟領域有重大應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：高性能樹脂及工程塑料、有機纖維、生物基樹脂及可降解材料、特種橡膠及彈性體等。具體分類及應用需求見高性能高分子關鍵材料分類及應用需求表
國外高性能高分子材料的發展現狀
總體來看，目前歐美國家在高性能高分子領域處于優勢地位，掌握更多原創技術并占據壟斷地位。另外，歐美公司普遍重視全球化市場和布局，善于利用自身資源優勢布局發展相關產業，構建起完善的產業鏈和供應鏈。當前，綠色環保和循環回收技術受到越來越多的關注，世界各國近年來也相繼發布了多項政策以支持高分子材料可持續發展。這也是高性能高分子材料未來發展的重要趨勢之一。
（一） 高性能樹脂及工程塑料
一直以來，西方發達國家不斷擴展聚芳醚、聚酰亞胺等高端高性能樹脂及工程塑料的應用領域，如聚醚醚酮（PEEK）具有優異的耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等性能，在航空航天、生物醫療、機器人等領域應用廣闊。
美國波音公司的B757民航客機采用玻璃纖維與PEEK復合，以注射成型的方法制備發動機整流罩，該材料具備抗惡劣條件如高濕度、超聲振動、高流速等特點，質量比金屬制品減輕約30%，價格降低約90%。
在植入性醫療器械領域，已陸續開發出脊柱融合器械、膝關節和髖關節置換部件、接骨板和髓內釘、顱頜面、種植體等產品，成為了應用廣泛的生物醫用非金屬材料。
在機器人等新興領域，由于PEEK材料滿足高強度、輕量化的要求，也顯示出較高的應用潛力。2023年，特斯拉汽車公司展示了Optimus-Gen2人形機器人，因采用了PEEK復合材料，在不犧牲性能的情況下減重10 kg，行走速度加快30%。
近年來，發達國家競相開發耐熱等級更高、加工性能優異的新型聚芳醚砜、聚芳醚酮等高性能樹脂。
美國的杜邦公司和德國的巴斯夫公司針對PEEK進行了相應的技術改進，開發出耐熱等級更高的聚醚酮（PEK）和聚醚酮酮（PEKK）產品，但上述高性能樹脂均未解決難溶解、難加工、成本高的問題。
目前國際上應用面廣的高性能樹脂仍然是聚醚醚酮、聚醚砜等，使用溫度均在240 ℃以下，并且當使用溫度超過其玻璃化溫度后，機械性能將會大幅度下降。
（二） 有機纖維
目前，高性能有機纖維領域依然以美國、日本、德國和荷蘭為主導。
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是世界上率先形成UHMWPE纖維產業化的公司，也一直是UHMWPE纖維行業的引領者，其他生產商還包括美國霍尼韋爾國際公司以及日本的東洋紡織株式會社、三井化學株式會社等。
在PBO纖維方面，1991年日本東洋紡織株式會社購買了道康寧公司關于PBO纖維研究的全部，并開始進行獨立研發，直到目前，日本東洋紡織株式會社仍然是世界一家可以規模生產PBO纖維的公司。
有機纖維中代表性的是芳綸纖維，其工業化品種主要為對位芳綸和間位芳綸，具有高強高模、耐高溫、阻燃等特性，在航空航天、防護裝備、交通運輸、環境保護、體育器材等領域具有廣泛應用。
目前，芳綸的主要生產廠家主要集中在美國、亞洲和歐洲等地區，其中美國杜邦公司和日本帝人公司擁有規格完整的產品系列，占據了全球主要市場。
俄羅斯在技術上另辟蹊徑，開發出綜合性能更優異的雜環芳綸系列產品，區別于美國杜邦公司的間位芳綸和對位芳綸。
在合成技術方面，以對位芳綸為例，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內外工藝成熟的合成芳綸纖維方法，其產品質量更穩定，適合大規模合成，但工藝相對復雜，溶劑浪費較多，且溶劑殘留對后續紡絲造成不利影響。
因此，需對其合成工藝進一步優化，提高分子量、減小分子量分布寬度；對紡絲工藝進行優化，進一步提升成品率，降低成本，提高競爭力。
近年來，帝人公司與BioBTX、Syncom公司一起，率先使用生物質原料試制高性能對位芳綸，可減少生產過程中的碳足跡。
（三） 生物基樹脂及可降解材料
2021年，亞太地區（含中國、日本、韓國等）在生物基樹脂及可降解材料領域的市場份額為49.9%，占據主導地位；北美（含美國、加拿大、墨西哥）占據第二位。目前，PLA是全球范圍內產業化成熟、產量、應用廣泛的生物基可降解塑料。
在PLA的合成方面，技術路線主要有兩種：一種是由生物發酵制備乳酸單體，再通過乳酸酯化縮聚合成；另一種是通過齊聚 – 環化解聚制備丙交酯，再經過開環聚合合成。當前，絕大部分PLA生產均采用丙交酯開環聚合方法。
美國是全球早研究PLA的國家，目前歐美國家的NatureWorks、TCP、Synbra、Hycail等公司已經搶占全球主要的市場份額，美國Natureworks公司和荷蘭TCP公司合計擁有全球73%的PLA產能。在PLA的應用開發方面，1966年，Kulkarni等人通過兩步法制備了高分子量的PLA，并研究了PLA在體內的降解，發現聚左旋乳酸作為手術縫合線，具有良好的生物相容性和生物可降解性。目前，美國食品藥品監督管理局已批準PLA廣泛應用于骨科植入物、藥物傳輸等。美國的PLA改性與加工技術較為成熟，可通過定制生產不同的PLA產品，以滿足不同性能實際應用需求。（四） 特種橡膠及彈性體2023年，亞太地區（含中國、日本、韓國等）在特種橡膠及彈性體領域的市場份額約占全球的46%，占據主導地位。近年來，橡膠領域的主要集中在氟橡膠、硅橡膠等技術領域，反映出特種橡膠受到全球行業專家的高度關注。氟橡膠具有優異的耐化學介質、耐高溫、耐老化等特性，俗稱“橡膠王”。傳統的三元乙丙橡膠、丁基橡膠的極限使用溫度只有150 ℃，而氟橡膠可以在250 ℃下長時間使用，極限使用溫度可達300 ℃。氟橡膠除了耐高溫還具有優異的耐油、耐化學介質、耐酸堿性能，主要用于火箭、導彈、飛機、船舶、汽車等運載工具的耐油密封和耐油管路等特種用途。國外主要生產廠家主要包括美國杜邦公司、明尼蘇達礦業及機器制造公司（3M），意大利蘇威集團，日本大金工業株式會社、旭硝子玻璃股份有限公司等。目前，國際上已經形成了一系列多品種的特種橡膠，美國以聚烯烴類氟橡膠、亞硝基類氟橡膠及用過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品。在氟橡膠的合成技術方面，各個公司分別采取了不同的交聯技術體系。日本信越化學工業株式會社生產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，杜邦公司的產品Perlast使用的是碘硫化體系，而Kalrez產品使用的是含氰基（CN）側基硫化體系。采用的硫化體系不同，得到的氟橡膠產品具有不同的特性，豐富了氟橡膠面對不同苛刻環境的交聯網絡結構。
近年來，各國在改善氟橡膠性能方面開展了大量研究工作，其中比較常用的方法就是在混煉膠中加入填料以提高硫化膠的各項性能。
我國高性能高分子材料的發展現狀及面臨的問題挑戰
目前，我國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–制品應用上下游產業體系，自主開發的聚芳醚、聚酰亞胺、芳綸、氟橡膠等成功應用于航空航天、軌道交通、電子電器、生物醫療等領域，生物基高分子等部分領域與國際處于同一發展水平。我國高性能樹脂的研發始于20世紀70年代，80年代進行了深入研究和開發，90年代發展較快，取得了突破性進展。目前，我國實現了部分高性能樹脂材料由“跟跑”到“并跑”并逐步走向“領跑”的目標，但在高端產品穩定性、系列化和成本等方面依然落后于國際先進水平，尤其在航空航天、新型顯示、集成電路、5G通信、人工智能、新能源等領域的產業布局欠缺，相關技術成果轉化動力不足。目前，我國的電子級聚酰亞胺薄膜、集成電路封裝基板板材均全部依賴進口。從總體情況看，目前我國芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維產業已具備一定規模，建立了多個國家及地方研發與技術平臺。我國生物基樹脂及可降解材料的品類與產業體系健全，總體生產能力基本能滿足國內的需求。目前我國通用特種橡膠已實現產業化，產業規模國際領先，性能與國際相當；但也存在產品同質化嚴重等問題，中高端牌號供給不足，很多特種高性能產品長期依賴進口；在產品質量、工藝創新和環境友好三個方面仍與國外存在差距，需重點發展，補齊短板。
面臨的問題挑戰：
產業結構尚需調整，高端品種供給不足；
技術支撐仍需加強，產品應用開發有待拓展；
原始創新投入不足，前瞻布局尚需加強；
產研合作效率較低，標準體系建設有待加強；
循環回收布局不夠，綠色發展需重視。
（文章來源于中國工程院院刊《中國工程科學》）
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