碳纤维复合材料是由两种不同性能的材料复合而成的具有特殊功能和结构的高性能材料，其中碳纤维做为增强体，基体材料主要有树脂、碳、碳化硅材料等。例如，树脂基碳纤维复合材料首先由碳纤维和树脂复合成预浸料，然后预浸料在模具上铺制，再通过各种成型设备(热压罐成型设备、模压成型设备、RTM成型设备等)在一定温度、一定时间、一定压强的情况下完成而形成的碳纤维复合材料制品[1]。

碳纤维复合材料制品因其质轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀及抗疲劳等优异性能，在国际上被作为一种重要的军事材料，被广泛应用于航空航天、轨道交通、风力发电等领域，是否应用碳纤维复合材料以及应用比例大小已成为衡量产品技术先进性的重要指标之一。

碳纤维是制作碳纤维复合材料的上游原材料，它以腈纶和黏胶纤维为原材料，经过预氧化(200～300℃)、碳化(1 000～2 000℃)、石墨化(2 000～3 000℃)等过程制成，作为增强体加入到陶瓷、树脂等基体中，形成碳纤维复合材料，应用到下游的终端产品，如图1所示。

1、碳纤维发展现状

1.1 碳纤维材料定义

碳纤维是指含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。它可作为关键战略物资运用于国家安全、武器装备，是新兴战略产业发展的重要支撑，也是国外长期实行技术封锁和产品垄断的关键性材料[2]。

1.2 国外碳纤维市场规模

2021年国外碳纤维市场需求量为5.56万t，近两年受疫情影响，需求量有较小幅度的下降。需求结构方面，2021年国外碳纤维需求量占比前五的领域依次是航空航天、风电叶片、汽车、混配模成型、压力容器，分别占比26%、19%、14%、13%、13%，建筑、体育休闲、碳/碳复合材料等领域需求占比均在5%以下[3]。2021年，国外碳纤维理论产能约14.42万t，主要集中在美日两国，其中美国5.34万t，占比37%，日本5.79万t，占比40.2%。2021年国外碳纤维产量9.36万t，产能利用率约65%。小丝束碳纤维供应以日本东丽、东邦和三菱为主，三者占据约60%市场份额；大丝束碳纤维领域，卓尔泰克(东丽)、美国赫氏和德国西格里共计占据约90%市场份额。国外主要碳纤维生产企业及产能见图2。

1.3 国内碳纤维市场规模

据统计，我国碳纤维需求量逐年增长，2016年需求量1.96万t，到2021年就增长到6.24万t,5年增长了3倍多。目前国内对高端碳纤维的需求仍然依赖于进口，平均进口依存度60%左右。从需求结构来看，2021年国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片、体育休闲、碳/碳复合材料，分别占比36%、28%、11%，混配模成型、压力容器、建筑、汽车、航空航天等领域需求占比均不到5%[4]。

2016—2021年国内碳纤维产能由2.38万t增长至6.34万t，其中2021年增长较快，同比增长75.14%，中国大陆地区首次超过美国，成为全球最大产能国[5]。国内主要碳纤维生产企业及产能如图3所示。

1.4 国内碳纤维产业存在问题

1.4.1 核心关键技术攻关不足，产品质量稳定性差

近年来，随着国家对碳纤维产业发展的大力支持，加之国内碳纤维需求的爆发式增长，我国碳纤维企业由最初的几家扩增至几十家，产能也随之扩大至数倍，随之带来的问题是，各碳纤维企业只片面注重产能规模扩张，产业集中度低，技术研发被忽视，完整的碳纤维核心关键技术并未攻克，尤其是高性能碳纤维产品，国内个别碳纤维企业虽突破了T800级碳纤维，但并未完全实现产业化，T1000级以上及高强高模系列等仍处于技术攻关阶段。国产碳纤维性能不高、产品稳定性、可靠性与国际碳纤维巨头企业，如日本东丽、美国赫氏等有很大差距。

1.4.2 装备制造能力不足，国产化水平低

碳纤维高质量稳定生产涉及材料、化工、机械等多个学科，生产线由多套工业化设备组成，生产流程长，工艺复杂、技术难度大，具有很强的技术壁垒。碳纤维设备生产技术大多数由国外把控，部分关键设备还受外国政府的严格把控。而国内的机械制造业落后，碳纤维关键设备研发滞后，因此国内大部分碳纤维工程化生产的核心设备(如碳化炉、预氧炉等)国产化水平低，主要从国外进口，价格高昂，售后服务还得不到保证，因此，发展碳纤维必须依靠自主研发。

1.4.3 下游市场需求疲软，应用领域较低端

一方面由于国内碳纤维技术发展缓慢，产品附加值低；另一方面由于碳纤维应用牵引不足，尤其是工业领域对碳纤维的需求不足，制约了碳纤维的市场应用规模。国外碳纤维的应用主要集中在工业领域和航空航天中高端领域，而我国碳纤维应用主要集中在相对低端的体育休闲、风电领域。随着国家相关优惠政策的取消，碳纤维在风电行业的应用发展有待考量。对于航空航天高端领域，一方面需求不足，另一方面该领域对碳纤维的性能要求较高，且需要经过长时间的材料验证和考核，门槛较高，更加需要碳纤维企业突破技术瓶颈，提高产品附加值[4,5]。

2、碳纤维复合材料产业发展现状

近年来，碳纤维复合材料产业发展迅速，主要因为设备及工艺的提升。最初的手糊工艺，通过碳纤维干布和手刷树脂胶工艺，常温固化，产品质量非常不稳定，力学性能差，只能用在低端产品上面。而现在使用碳纤维预浸料，净化间操作，通过全自动下料机，热压罐固化成型后，制件树脂分布均匀，强度高，质量稳定，广泛应用到航空航天等高端领域。随着时代的发展，复合材料成型技术在不断完善，现阶段碳纤维增强树脂基复合材料主要在人造卫星、航空航天、军事、汽车、船舶等方面得到了应用，而在其他领域应用较少，主要原因是其价格较昂贵[6]。

在全球复合材料市场中，将树脂+碳作为基体的复合材料的需求范围最广，2021年度需求占比达到了81%。2021年中国碳纤维复合材料的总量为9.6万t，产值约为699.18亿元，总体来看，行业规模较大。

当前我国生产的碳纤维复合材料具备种类多、应用广的特点。根据《2021全球碳纤维复合材料市场报告》，以树脂基碳纤维复合材料为例进行分析，碳纤维复合材料的主要应用领域为风电叶片，占比高达36.1%；体育休闲次之，占比为28.1%，如图4所示。

2.1 树脂基复合材料

2.1.1 性能

碳纤维增强树脂基材料相比传统金属材料，减重效果显著，制作成本较高，如表2所示。碳纤维复合材料使用寿命更长，后期维修成本低，性价比高，是目前现有结构材料中综合性能最优，更为理想的复合材料，因此被称作21世纪最具潜力、最有前景的先进成型材料[7]。

树脂基复合材料中的树脂基体包括热塑性和热固性两类，其中相比于热塑性树脂，热固性树脂产生及应用要早很多，但是近年来热塑性复合材料的发展速度却大幅度超过了热固性复合材料[8]，成了复合材料研究应用的主要方向。主要原因是热塑性树脂基复合材料生产周期短，可以回收再利用，生产成本低，且力学性能优异。

碳纤维增强树脂基复合材料按照基体种类不同可以分为碳纤维增强热塑性复合材料、碳纤维增强热固性复合材料；按照增强体的不同结构可以分为碳纤维平面增强复合材料、碳纤维三维编织增强复合材料、针刺增强复合材料；按照碳纤维形态不同又可以分为短纤维增强树脂基复合材料和连续纤维增强树脂基复合材料，在选择材料的过程中我们可以根据所需要的性能要求选择合适的复合材料[9]。

2.1.2 国内市场规模

受益于下游市场强劲的需求增长，尤其国内风电叶片市场及国防军工市场爆发性增长，国内碳纤维树脂基复合材料市场规模近400亿元。市场规模呈现出高速增长的态势，并在未来3～5 a将持续保持24.1%的年复合增长率。

2.2 碳/碳复合材料

2.2.1 性能

碳/碳复合材料是碳纤维预制体材料通过化学气相沉积制成，除了具有高比强、高比模量、耐高温性能非常突出，常用于抗烧蚀的热端部件，例如火箭发动机喷管、喉衬、弹头端头帽等。另外，因其低密度、摩擦性能优异而被应用在刹车盘、制动盘上，它不仅可以减小质量(达40%)，还可以利用自身吸收能量较大的优势提高汽车或者飞机在制动过程中的高温摩擦稳定性能，不产生其他变形、断裂等问题，降低后期维修成本，增加刹车制动盘的使用寿命。因其在高温下呈现优异的承载能力，可以应用于高温热防护构件、高温紧固件和高温加热元件[10]。

目前，碳/碳复合材料已用于航天战略导弹端头、机翼前缘、空天飞行器头锥、热结构舱段，导弹发动机燃烧室、扩张段、喉衬以烧蚀环、防热/隔热部件、飞机制动盘、兵器火箭弹喉衬、喷管等，还应用在高温炉发热体、生长单晶炉坩埚、高温紧固件等航空、航天、兵器及民用领域[11]。

2.2.2 国内市场规模

2022年全球碳/碳复合材料市场需求是149.31亿元，国内碳/碳复合材料市场需求是46.61亿元，中国在全球占比31.2%，中国市场用量占主要地位。

2.3 陶瓷基复合材料

2.3.1 性能

陶瓷基复合材料是由碳纤维和陶瓷复合而成，具有耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗氧化等特点，多用在高精尖武器上面，在世界各国的国防军工产业中具有极其重要的战略地位，是先进材料的前沿性材料之一。陶瓷基复合材料可应用在航空发动机、飞行器防热结构、太空轻质结构、刹车制动、核能等多个领域[12]。

2.3.2 市场规模

2021年，全球陶瓷基复合材料市场的需求约为57.373 9亿美元，按照近年来年增长率5.48%推算，预计2026年市场规模将进一步扩大至95.1975亿美元。

3、碳纤维复合材料行业的应用现状

碳纤维先进复合材料历经30多年的研究和发展，因其质轻、比强度高、耐高温等独特优异的性能受到航空航天领域的高度青睐，随着碳纤维先进复合材料从材料、设计、制造、试验到验证，逐步走向规范化、标准化和成熟化，将广泛应用于航空航天、兵器工业等军工领域以及石油化工、风力发电、汽车轻量化、体育休闲等民用领域。

3.1 航空航天

碳纤维复合材料以其轻质高强的优势，在航天航空领域，是大量取代金属材料，降低制造成本，提高性能的关键。如今，一个飞行器上采用了多少复合材料已经成为衡量该飞行器先进程度的直观标志。近年来碳纤维复合材料在商用飞机上应用的比重逐步提高，空客A350飞机的复合材料占比已经达到52%，波音B787占比已达到50%，相比传统金属机身，质量减小将近20%，油量损耗也大幅降低。

航天方面，因其质轻可以降低导弹、火箭的质量，提高推重比也得到了广泛应用，如人造地球卫星的质量每减小1 kg，火箭质量可减小1 000 kg。美国的三叉戟-2型导弹以及战斧式巡航导弹的发动机壳体都采用的是碳纤维复合材料。我国在某型海防导弹上也成功应用了碳纤维先进复合材料，大大增加了导弹的射程；还有发射的“天宫一号”采用了哈尔滨玻璃钢研究院研制的碳纤维复合材料相机支架组件[13]。

3.2 汽车工业

在节能环保需求的促进下，新能源汽车呈现快速发展趋势。同时新能源汽车更需要轻量化，以缓解“电动化”带来的车重增加，解决里程焦虑，整车耐久性问题。碳纤维复合材料成为轻量化的重要途径。2013年量产的Alfa Romeo 4C，采用碳纤维复合材料座舱，车身质量为168 kg，复合材料占比38%。2014年量产的BMW7er，车身关键结构部位应用复合材料，与铝合金、钢材料形成多材料混合车身，车身质量323 kg，复合材料占比3%。2017年量产的奥迪新A8，将跑车R8中的碳纤维技术用于乘用车(A8)，打造了多材料(钢、铝、镁、碳)混合车身。碳纤维后围结构实现质量减小50%。

从轻量化技术发展路线来看，国际领先技术水平的企业从单一轻量化车身技术向多材料混合车身技术方向发展，在量产车型中，碳纤维复合材料逐步成为多材料混合车身体系的一部分。

3.3 轨道交通

轨道车辆方面，国外已初步完成碳纤维复合材料主承载结构的研制及工程化应用，国内尚处于起步阶段。日本1999年，E4碳纤维司机室，质量减小30%。韩国2010年TTX摆式列车碳纤维车体，质量减小40%。国内碳纤维复合材料在轨道领域的应用起步较晚，但发展迅速，主要应用于内饰及次承载的结构，如头罩、设备舱和低速车体等，碳纤维复合材料结构以其轻量化、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等性能优势，解决了高速列车面临的诸多技术问题，从材料、工艺、结构设计、标准及验证各环节大量尝试，积累经验，为其在高铁应用奠定了基础。随着我国高速列车的飞速发展，碳纤维复合材料刹车片也有着广阔的发展空间[14]。

3.4 通信器材

在通信器材领域，碳纤维复合材料可以替代原来的金属天线面，质量更小、强度更高，并且天线面可以做成分瓣式的，具有快拆快装功能，非常便携，适合单兵作战携带。另外，用碳纤维复合材料制成的天线面长时间在恶劣的外界环境中性能稳定、不变形，这是因为其热膨胀系数更低，而金属铝面极易受热受冷出现热胀冷缩变形，所以碳纤维复合材料制成的天线面精度更高，最终天线的增益和信号更好。

3.5 海洋船舶

碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性能，它能抵抗海水的冲刷侵蚀，能很好地应用在海洋船舶领域。另外，复合材料的可设计性以及整体成型优势更进一步推动了多种复合材料船舶产品的开发。碳纤维复合材料的应用不仅降低了制造和维修成本，改善外观，还可以减轻船舶吨位，提高安全性[15]。

3.6 风力发电

随着风力发电领域的不断快速发展，风力发电叶片的性能需求也越来越高，风力发电叶片目前是全球碳纤维材料用量最大的领域。在未来风力发电叶片制造中，碳纤维代替部分玻璃纤维应用于叶片、且用量逐步增加是高性能碳纤维复合材料发展的必然结果[16]。

3.7 体育用品

体育休闲领域是碳纤维最早应用的领域之一，像国内光威集团十多年前就成为了全球最大的碳纤维鱼竿生产企业，另外还包括高尔夫球杆、网球拍、滑雪板、自行车架、冰球拍、船桨、赛艇等，都已形成了成熟的市场[17]。

4、碳纤维复合材料产业链整体分析

4.1 产业链整体

碳纤维复合材料产业链是国家重点产业链之一，它的特点是链条长、涉及专业领域多，上游是原材料，包括碳纤维以及碳纤维制品增强体(即各种结构的预制体)，树脂、金属、陶瓷等各种基体材料；中游是碳纤维增强复合材料，包括树脂基、碳基、陶瓷基、金属基等各种复合材料；下游主要为应用，包括航空航天领域、风力发电叶片领域、轨道交通领域等，其中以风力发电叶片领域需求最大。

4.2 上游端：技术及成本

碳纤维被誉为“材料之王”，具有其他材料不可比拟的优异性能，被广泛应用在各个领域。国外早于中国开展碳纤维的研究，碳纤维的工业化生产能力以及碳纤维的品种、性能都远超中国，因此中国在碳纤维的应用方面大多依靠进口。随着国际局势日益紧张，国外采取了限制对华出口的政策。为了扭转大量进口的局面，我国投入了大量的人力、物力，大力发展碳纤维产业，在2020年国产化碳纤维已达到37.8%，但是在小丝束碳纤维尤其是1K碳纤维以及高性能碳纤维方面，国产纤维质量、批次稳定性以及成本控制方面均与国外有较大差距，还需要在原丝制备、成型工艺、成型设备等方面进行大量的技术攻关。

4.3 中游端：设备与技术

对于碳纤维的应用，一般需要与基体材料复合在一起作为碳纤维复合材料，再加工成产品应用到各个领域。目前，由于碳纤维复合材料大部分都应用航空航天、兵器工业等特殊领域，国外在碳纤维复合材料成型技术及核心设备等方面对外实行技术封锁，国内在碳纤维复合材料的设计、制造、试验到验证还没有趋于标准化、成熟化，制约着碳纤维复合材料产业的发展，还需要进一步探索。

4.4 下游端：民用市场助力

随着国家政策的大力扶持，碳纤维复合材料产业呈迅猛发展之势，2022年国内众多碳纤维及复合材料企业都在大力扩增产能，如中材科技建设年产2.5万t的大丝束碳纤维产能；吉林化纤投产了多条原丝线，碳纤维产能达4.9万t，复合材料制品产能达到1.5万t；还有上海石化、中复神鹰等知名碳纤维企业都在扩增产能。相信随着碳纤维及其复合材料制品技术的不断攻克、产能扩增，碳纤维及其复合材料制品的成本会大幅降低，会更进一步刺激民用市场领域的应用欲望，尤其是在国内风电领域、轻量化汽车领域以及轨道交通领域等。

5、结论与展望

由于国内碳纤维研究起步较晚，目前，国内碳纤维的应用主要还是依靠进口，但随着国内碳纤维技术水平的不断提升，国产化碳纤维将加速替代进口碳纤维。国内碳纤维行业的爆发式增长，产能不断扩增，成本大幅下降，也将进一步推动碳纤维复合材料在下游的应用。反之，下游需求量不断上涨将推动产业发展。受制于价格高昂，碳纤维复合材料主要应用在航空航天等高端领域，随着碳纤维产能扩增，碳纤维复合材料技术趋于成熟，成本下降，需求领域将会进一步扩展。随着民用风电领域、汽车制造领域、土木建筑、轨道交通等领域对碳纤维复合材料的需求的不断增加，将进一步带动整个碳纤维复合材料产业发展。

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文章来源:荆云娟,崔博,马军,张泾龙.碳纤维复合材料产业链发展现状[J].合成纤维,2023,52(10):37-42.