纖維增強復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer：FRP） 是由增強纖維材料與基體材料經(jīng)過纏繞、模壓或拉擠等成型工藝而形成的復(fù)合材料，而目前潛力巨大、最受關(guān)注的一類莫過于碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）了。碳纖維材料具備高性能、高壁壘兩個顯著特點，有“黑黃金”之稱，與各種基體經(jīng)過復(fù)合工藝后制成的碳纖維復(fù)合材料，可以應(yīng)用在航空航天、軍事工業(yè)、風(fēng)力發(fā)電葉片、汽車構(gòu)件、體育休閑產(chǎn)品等其他工業(yè)和民用領(lǐng)域，是世界范圍內(nèi)都非常重視的新產(chǎn)業(yè)。

碳纖維增強復(fù)合材料的性能優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)的高性能纖維玻纖、玄武巖纖維等，碳纖維具有重量輕/低密度（密度是鋼的1/5、鋁合金的1/2）、高強度、高模量、耐高溫（2000℃以上強度不降）、耐腐蝕（耐海水及各種酸堿鹽等介質(zhì)腐蝕）、熱膨脹系數(shù)小（急冷急熱下尺寸穩(wěn)定性高）、導(dǎo)熱/導(dǎo)電性能獨特（可用于電加熱及軍工屏蔽防護）等性能優(yōu)勢。

主要高性能材料性能對比

由于綜合性能極強，高性能碳纖維可用于制造導(dǎo)彈、戰(zhàn)機等國防重器，長期以來一直在美國對華的禁運清單中，與原子能、半導(dǎo)體核心技術(shù)等同列，戰(zhàn)略地位極高，其最重要的應(yīng)用，便是結(jié)合基體，制作出相應(yīng)的復(fù)合材料部件，應(yīng)用于各大中高端關(guān)鍵領(lǐng)域。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈

碳纖維增強復(fù)合材料的性能優(yōu)勢主要有以下幾點：

（1）高強度輕量化。碳纖維復(fù)合材料制品最明顯的優(yōu)勢是輕質(zhì)量、高強度，可以替代許多金屬材料制品，能夠在保證強度的情況下實現(xiàn)輕量化需求，這一特性使碳纖維復(fù)合材料在無人機、箱體、汽車、航空航天等領(lǐng)域有著很好地應(yīng)用；

（2） 耐腐蝕。碳纖維復(fù)合材料屬于非金屬復(fù)合材料，其化學(xué)活性極低，基本不與酸堿鹽等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這就使其在一些特殊環(huán)境中有著很好的市場應(yīng)用，比如深海油田、高鐵車廂等；

（3）耐磨損，抗沖擊性能好。碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)的產(chǎn)品耐摩擦系數(shù)小，這導(dǎo)致其產(chǎn)品具有很高的耐磨損性能，大大的提升了產(chǎn)品的整個的壽命，可用于連接件、傳動軸、輥軸等產(chǎn)品制作。優(yōu)秀的抗沖擊性能能吸收更多的傷害，從而起到很好的保護作用，這一性能在賽車、頭盔中有著充分體現(xiàn)；

（4）耐疲勞性能好。碳纖維復(fù)合材料在外力的作用下，可以將力均勻地分布到每根絲束上，擁有非常好的耐疲勞性能，使產(chǎn)品蠕變小，適合用于高精密設(shè)備，可用于機械臂和空間望遠鏡鏡筒的制作，并且碳纖維復(fù)合材料耐高溫，在太空極限的環(huán)境中也絲毫不懼；

（5）X射線透過率大、具有電波屏蔽性。X射線透過率大可使碳纖維復(fù)合材料加工成放射醫(yī)療床板，使人體成像更清晰，并且減少放射劑量對人體的傷害。電磁屏蔽能夠保證裝備的隱蔽性，這一點在軍工產(chǎn)品中體驗地淋漓盡致，比如隱形飛機、軍用運輸箱、方艙等。

2021年碳纖維及樹脂基復(fù)合材料需求應(yīng)用分布概況

（來源：中國復(fù)合材料學(xué)會）

碳纖維增強復(fù)合材料的幾種重點應(yīng)用

從全球需求來看，碳纖維下游相對分散，風(fēng)電葉片（主梁、梁帽）、航空航天（飛機構(gòu)件）、體育休閑（球拍/釣具等）、壓力容器（氫氣瓶）為主要應(yīng)用領(lǐng)域。

在這些應(yīng)用中，體育需求占據(jù)著我國下游應(yīng)用的30%，需求量保持穩(wěn)步增長；航空航天雖然用量不高，但單價遠超出其他領(lǐng)域，未來隨著軍工開支有望穩(wěn)步增長；近年來碳纖維因其良好的性能廣泛應(yīng)用于風(fēng)電葉片、光伏硅晶熱場材料（碳碳復(fù)材）、纏繞復(fù)合材料儲氫氣瓶等，顯著受益于新能源行業(yè)增長。

1.風(fēng)電新能源：風(fēng)電機葉片的應(yīng)用

風(fēng)電機葉片是一個復(fù)合材料制成的薄殼結(jié)構(gòu)，一般由葉片大梁、腹板、外蒙皮組成，復(fù)合材料在整個風(fēng)電葉片中的重量一般占到90 %以上?，F(xiàn)階段玻纖增強復(fù)合材料仍為葉片制造主流選項。

碳纖維主要用作風(fēng)電葉片的主梁或分段葉片連接區(qū)域，承擔(dān)主要荷載作為結(jié)構(gòu)材料；其次是用在塔架前緣，通過加熱除冰，作為功能材料，但用量少。事實上當(dāng)葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片反而比玻纖葉片便宜，因為材料用量、勞動力、運輸和安裝成本等都下降。

風(fēng)機大容量、大葉片已成為趨勢，隨著我國風(fēng)電建設(shè)進程的快速推進，風(fēng)電也一躍成長為當(dāng)前碳纖維下游領(lǐng)域應(yīng)用規(guī)模中最大的部分，碳纖維復(fù)合材料比玻璃纖維復(fù)合材料具有更低的密度，更高的強度，其突破了玻璃纖維復(fù)合材料的性能極限，而且可以保證風(fēng)電葉片在增加長度的同時，重量大大降低。在當(dāng)前風(fēng)機持續(xù)大型化的趨勢下，碳纖維滲透率將持續(xù)提升。

風(fēng)電機葉片

2.光伏新能源：光伏熱場材料的應(yīng)用

碳/碳復(fù)合材料指以碳纖維為增強體，以碳或碳化硅等為基體，通過加工處理和碳化處理制成的全碳質(zhì)復(fù)合材料，憑借質(zhì)量輕、耐燒灼、抗熱沖擊、高溫強度高、損傷容限高、可設(shè)計性強等優(yōu)良性能逐步成為主流熱場材料。

以往主流的等靜壓石墨作為由石墨顆粒壓制成型的脆性材料，已經(jīng)在安全性方面不能適應(yīng)大熱場的使用要求，在經(jīng)濟性方面也已經(jīng)落后于碳基復(fù)合材料。隨著國內(nèi)先進碳基復(fù)合材料制備技術(shù)的發(fā)展，先進碳基復(fù)合材料成為降低硅晶體制備成本、提高硅晶體質(zhì)量的最優(yōu)選擇，正逐步形成在晶硅制造熱場系統(tǒng)中對石墨材料部件的升級換代，主要應(yīng)用于單晶拉制爐和多晶鑄錠爐的熱場材料。目前碳/碳復(fù)合材料在熱場應(yīng)用領(lǐng)域具有較高的滲透率，且不斷向大直徑、高強度、長壽命發(fā)展，以滿足單晶硅的發(fā)展需要。

碳/碳復(fù)合材料作為光伏單晶/多晶爐熱場材料

3.燃料電池汽車領(lǐng)域：高壓儲氫瓶的應(yīng)用

高壓儲氫是目前車用儲氫的主流方式，氫氣作為新型清潔能源已經(jīng)應(yīng)用于燃料電池汽車，其儲氫系統(tǒng)是汽車的重要的組成部分。其中高壓儲氫是應(yīng)用最廣泛的方式，該方式為利用氣瓶作為容器，通過高壓壓縮儲存氣態(tài)氫，具有成本低、能耗小、充放氣速度快等優(yōu)勢，也是當(dāng)前車用儲氫的主流方式。

目前共有4種主流高壓氣態(tài)儲氫方案，其中 I、II 型儲氫瓶重量大、成本低，多用于儲氫站等固定式應(yīng)用場景；III、IV 型儲氫瓶采用碳纖維全纏繞的方式加強罐體，具備輕量化的同時保持良好的力學(xué)性能，實現(xiàn)了高壓氣態(tài)儲氫由固定式應(yīng)用向車載儲氫應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。燃料電池汽車是國家重點發(fā)展方向，作為必不可少的儲氫部件，碳纖維高壓儲氫瓶市場遠景可期。

碳纖維高壓儲氫瓶

4.體育、汽車、航天等領(lǐng)域輕量化的應(yīng)用

日常體育用品比如魚竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等產(chǎn)品的碳纖維化一直是穩(wěn)定的市場，隨著健康生活、綠色出行等理念的流行，體育休閑領(lǐng)域的碳纖維需求有望穩(wěn)定增長。

碳纖維復(fù)合材料在體育休閑領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷進步，如今碳纖維復(fù)合材料在汽車車身、尾翼、汽車底盤、發(fā)動機罩、汽車內(nèi)飾等各個地方。例如寶馬i3大批量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，減重約250-350公斤；寶馬7系轎車碳纖維復(fù)合材料僅占 7 系轎車車體結(jié)構(gòu)的 3%，但貢獻了40kg的減重。

而在航空航天領(lǐng)域，碳纖維的需求僅次于風(fēng)電葉片，用于中央翼盒、整機身段等主承力結(jié)構(gòu)件，可占飛機整機重量的30%左右，部分機型達50%以上。以戰(zhàn)斗機為例，自20世紀70年代至今，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍已從最初的尾翼拓展到機翼、前機身、中機身、整流罩等多個部位。

各類碳纖維結(jié)構(gòu)件

總結(jié)

總而言之，碳纖維增強復(fù)合材料無論是在國家重工產(chǎn)業(yè)，還是工業(yè)發(fā)展以及與我們息息相關(guān)的日常生活里，均發(fā)揮著相當(dāng)舉足輕重的作用。目前我國碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)正處于從發(fā)展壯大向產(chǎn)業(yè)成熟期過渡，邁向產(chǎn)業(yè)中高端的關(guān)鍵時期。在巨大的市場需求牽引下，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將有廣闊發(fā)展空間，但同時也面臨嚴峻的國際競爭、環(huán)境保護等方面的壓力，挑戰(zhàn)和機遇共存。

參考來源：

1. 碳纖維及樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)，邢麗英、馮志海、包建文、禮嵩明（復(fù)合材料學(xué)報）；

2. 先進復(fù)合材料在航空裝備發(fā)展中的地位與作用，邢麗英、李亞鋒、陳祥寶（復(fù)合材料學(xué)報）；

3. 國產(chǎn)高強中模碳纖維及其增強高韌性樹脂基復(fù)合材料研究進展，包建文、鐘翔嶼、張代軍、彭公秋、李偉東、石峰暉、李曄、姚鋒、常海峰（材料工程）；

4. 碳纖維行業(yè)深度研究報告：高性能、高壁壘，創(chuàng)造黑金時代（長江證券）。

粉體圈小吉

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