碳纤维复合材料产业化发展和应用

张定金

（中国建材股份有限公司，北京 100000）

1 全球碳纤维发展情况

1.1 全球碳纤维产能及布局（图1）

图1 全球碳纤维产能及布局

1.2 应用分布及市场需求

（1）全球碳纤维应用主要集中航空航天、风电叶片、体育休闲和汽车领域，2017年需求量为8.42万t（图2）。

图2 2017全球碳纤维需求-应用（kt）

（2）航空航天虽然用量占22%，但采购额占到了50%。

（3）近年来风电叶片和压力容器市场增长迅猛，发展潜力巨大。

主要碳纤维厂商的产能（2018年）：

日本东丽总产能4.9万t；

德国西格里总产能1.3万t（2017年卖给三菱0.2 万 t）；

美国 Hexcel总产能 1.0万 t（表 1）。

表1 三家厂商2016和2017碳纤维及复合材料主要销售收入和利润情况

（4）商业航空机体需求提升；环境能源用量扩大；压力容器应用增加，年均增长10%～15%（表2）。

表2 全球碳纤维应用分布

（5）国内碳纤维产品向稳定性、高端化方向发展，2017年需求量为2.35万t，国产化率约为30%（图3）。

（6）国内应用体育占48%，航空航天仅2%，高端领域有待拓展。

（7）近年来在C/C复合材料、压力容器、碳芯电缆等领域快速增长。

图3 2017中国碳纤维需求-应用（t）

（8）随着飞机制造、能源交通、压力容器等产业对轻质高强材料的需求，未来3～5年碳纤维需求增长迅猛（图 4，5）。

图4 全球碳纤维每年需求量（万t）

图5 国内碳纤维每年需求量（万t）

2 我国碳纤维产业化情况

2.1 我国碳纤维产业化基本情况

通过十几年的快速发展，国内碳纤维产业化势头良好并趋于成熟，但差距依然存在（图6）。

（1）湿法纺丝工艺成熟，纺速达到50～100 m/min。（2）干喷湿纺技术得以突破，纺速达到200～500 m/min。

（3）掌握了T700、T800以及更高级别碳纤维核心技术。

（4）关键装备实现了自主化。

（5）大丝束技术基本突破。

（6）高性能碳纤维和通用级碳纤维还有一定的差距，主要体现在性能、规模、成本和市场等方面。

图6 我国碳纤维产业化情况

2.2 主要产能分布（图7）

图7 我国碳纤维主要产能分布

2.3 产能情况

国外对我国的总产能预期（威胁程度）小于我们自己的统计数据。应理性看待国内的碳纤维产能（图8）。

图8 全球主要碳纤维企业产能（t/y）

3 碳纤维应用情况

3.1 航空领域

（1）主要用于制备机翼、中央翼盒、垂尾、机身筒体等部件。

（2）民用航空领域以干喷湿纺的高强中模型碳纤维为主。

（3）2017年全球航空用碳纤维需求约为1.7万t，预计会有10%的增长。

（4）国产碳纤维在部分军机有一定程度应用，但在民用航空领域才刚开始（图9）。

图9 碳纤维在航空领域的应用情况

（5）航空在全球客运、货运增加和提高燃油效率的新型飞机的置换等需求的支持下，碳纤维应用量继续扩大。

（6）2015年以后，新订单量虽略有下降，但波音和空客的交付数量一直保持在每年700架以上的数量。

（7）1981年，B767碳纤维首次使用在飞机上，用于二次结构件。

1985年，A320碳纤维首次使用于垂尾一次结构件（图 10）。

图10 碳纤维在飞机上的应用

（8）在航空基地周边布局，以预浸料进行配套，是国外的主要形式（图11）。

图11 碳纤维在国外航空领域的应用情况

（9）主要用于制备导弹、火箭的发射壳体、椎体等回转体部件以及卫星等。

（10）航天应用一般以发挥纤维强度为主——干喷湿纺碳纤维优势明显。

（11）目前国产碳纤维在航天领域已实现了小批量的应用。

（12）航天事业迅猛发展——武器装备及商业卫星发射提供了广阔市场。

3.2 风电领域

（1）风电机组的大型化和海上化是碳纤维关键的应用思路（图12）。

发电量每增加1倍，直径增加1.4倍，重量增加2.8倍。

图12 风电机组

（2）2017年风电叶片应用占全球碳纤维量的23%（18 000 t），占据第一位（图 13）。

图13 碳纤维在风电领域的应用

（3）2019 年，VESTAS 预计用量达到 22 000 t。

3.3 汽车轻量化领域

（1）各国汽车CO2排放指标：日本 122 g/km，中国 117 g/km，美国 97 g/km，韩国 97 g/km，欧洲97 g/km。

（2）汽车轻量化对CO2排放降低贡献很大，轻量化是汽车行业共同的课题。

（3）随着汽车抗冲击性、舒适性、电动化和自动化驾驶等的加强，车体重量有增大的趋势。

（4）CFRP在汽车应用的车的种类在扩大，并且从CFRP→Al+CFRP→Fe+Al+CFRP的方向发展（表3）。

表3 碳纤维在汽车领域的应用

（5）汽车重量每减轻10%，油耗降低6%。

（6）CFRP在汽车上的应用应侧重于零部件，而非车身本体。

（7）车企和碳纤维厂家联合的方式：宝马+SGL；戴姆勒+东丽；通用+帝人；福特+陶氏；日产+三菱等。

（8）CFRP汽车用途开发的关键词：

①适材适用——合适的材料用在合适的地方；

②高端最小———最少量使用高端先进的材料；受冲击；

③结构合理———结构设计合理化；

④完全闭合———CFRP 端面完全封闭保护免

⑤连接技术———CFRP 和金属之间的连接。

3.4 压力容器领域

（1）全球碳纤维复合材料压力容器年均增长率有望达到22%，增长快速（图14）。

图14 2018-2020年压力容器市场需求（t）

（2）主要用在天然气车用气瓶、运输天然气的大型瓶、燃料电池车用氢气瓶、呼吸气瓶和医用O2瓶等。

（3）随着新能源的发展，中国成为压力容器的主要市场，预计2020年将占全球市场的40%。

3.5 高压电网领域

（1）CFRP替代金属芯材，为解决架空线弧垂问题开辟了更有效的技术途径。

（2）CFRP芯铝导线的强度是钢芯的2倍、传输的电流容量是其它的2倍，线损比其它降低了25%～40%。

（3）国产碳纤维已基本实现了批量挂网应用（图 15）。

图15 碳纤维在高压电网领域的应用

3.6 碳/碳领域

主要应用于飞机刹车盘、固体火箭发动机喉衬、单晶拉制炉热场系统等，干喷湿纺碳纤维具有灰分低、易编织和针刺成型等特点（图16）。

图16 碳纤维在碳/碳领域的应用

3.7 基建领域

（1）建筑与民用工程是最早将碳纤维用于结构增强的领域（图17）。

图17 碳纤维在基建领域的应用

（2）国产碳纤维在基建工程领域应用占据较大份额，但主要集中中低级补强布，一级布仅少数厂家的碳纤维可以满足。

3.8 体育休闲领域

（1）体育休闲是CFRP最早进入市场化的领域，长期支撑着碳纤维市场的发展（图18）。

图18 碳纤维在体育休闲领域的应用

（2）严格要求高强、高模、高加工性能，培育了碳纤维的技术基础。

（3）电动助力自行车近年在欧洲和亚洲急速成长。

（4）近几年国内体育休闲领域的需求量保持10%的增长，并且国产碳纤维在不断替代进口。

4 结语

（1）经过40多年特别是近10年的发展，国内碳纤维产业势头良好且趋于成熟。

（2）国内碳纤维产能号称虽有26 000 t，但实际有效产能较低，要理性看待国内的碳纤维的生产能力。

（3）碳纤维的应用进入了新时代，高端领域有待拓展，不应一味追求低成本。

（4）产业呼唤标准，标准推动产业。