（報告出品方/作者：華安證券，鄭小霞、鄧承佯）
1 碳纖維：黑色黃金，高性能纖維之王
1.1 碳纖維是現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略新材料
碳纖維是國際認可的現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略新材料，被譽為“黑色黃金”。碳纖 維（CarbonFiber，CF）是一種含碳量高于 90%的纖維狀碳化產(chǎn)物，通過有機纖維原 絲（先驅(qū)體）在高溫（1000-3000℃）惰性氣體保護的條件下經(jīng)過熱解、碳化等一系 列物理化學變化而制得。從分子結(jié)構(gòu)上看，碳纖維可以看成是由片狀石墨微晶沿纖 維軸向方向排列而成，但真正的碳纖維達不到石墨的理想狀態(tài)，且石墨層平面呈波 浪狀，平面間距明顯大于石墨的 0.335nm。碳纖維具有顯著的各向異性，沿其纖維軸 向模量高，強度高，是一種高性能的增強纖維，具有良好的導電、導熱、耐腐蝕、耐 超高溫等特性，同時還兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可編織性。
碳纖維及其復合材料同其他金屬及合金類材料相比，主要具備以下優(yōu)勢： （1）通常高模量碳纖維復合材料的單向材料比模量比鋁合金大 5-7 倍，所制備的結(jié)構(gòu)件可滿足高剛度需求； （2）以高模量碳纖維為增強材料，通過合理的復合材料結(jié)構(gòu)設計可獲得熱膨脹 系數(shù)幾乎為零的材料，滿足高低溫交變的應用場景中尺寸穩(wěn)定性要求； （3）碳纖維的比重不足鋼材的 1/4，可滿足結(jié)構(gòu)件的輕量化要求。
碳纖維的大力發(fā)展，對國家的國防、經(jīng)濟、民生都起到更加重要的作用。碳纖 維既具有碳材料質(zhì)輕、高強度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、導熱、導電等優(yōu) 異的綜合性能，同時還兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是國際認可的現(xiàn)代高科技領(lǐng) 域的戰(zhàn)略新材料，被譽為“黑色黃金”。由于人類對于生活質(zhì)量的需求漸高，以及科 技不斷進步，尤其是在航空航天、軍工制造等高尖端領(lǐng)域和汽車工業(yè)、建筑體育等 民用領(lǐng)域?qū)τ谙冗M材料的需求，傳統(tǒng)材料及其復合材料漸漸無法滿足，以碳纖維為 代表的新型材料的出現(xiàn)和發(fā)展，促進了這些行業(yè)的發(fā)展，同時，伴隨著能源的日益 緊缺，在新能源領(lǐng)域，輕量化需求中，碳纖維也占據(jù)了一席之地。
PAN 基碳纖維占碳纖維總量的 90%以上，目前碳纖維一般指 PAN 基碳纖維。碳纖 維可以按照狀態(tài)、力學性能、絲束規(guī)格、原絲種類等不同維度進行分類。碳纖維按照 狀態(tài)可分為長絲、短纖維、短切纖維，按力學性能可分為通用型和高性能型，按照絲 束規(guī)格可分為宇航級小絲束碳纖維和工業(yè)級大絲束碳纖維，按照原絲類型可分為聚 丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維。
由于碳纖維的產(chǎn)業(yè)鏈長，關(guān)鍵控制點多，生產(chǎn)過程中的每一個步驟帶來的缺陷 均將傳遞到下一步并影響最終碳纖維的性能。因此，各工序精確調(diào)控及之間的精密 配合是制備出穩(wěn)定的高性能碳纖維的關(guān)鍵，了解并熟悉碳纖維的制備工藝顯得尤其 重要。
1.2 PAN 基碳纖維：應用最為廣泛的一類碳纖維
PAN 基碳纖維是以丙烯腈為前驅(qū)體，經(jīng)聚合、紡絲、氧化穩(wěn)定、碳化和石墨化等 一系列復雜工藝制得，每個過程均涉及流體力學、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)等多 個單元過程同時進行，又相互聯(lián)系的過程，影響因素較為復雜。
18 世紀中，英國人斯旺和美國人愛迪生利用竹子和纖維素等經(jīng)過一系列后處理 制成了最早的碳纖維，將其用作燈絲并申請了專利。20 世紀 50 年代，美國開始研究 粘膠基碳纖維，1959 年生產(chǎn)出品名“Thormei-25”的粘膠基碳纖維。同年日本進藤 昭男首先發(fā)明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維。1962 年日本東麗公司開始研制生產(chǎn)碳纖 維的優(yōu)質(zhì)原絲，在 1967 年成功開發(fā)出 T300 聚丙烯腈基碳纖維。1966 年，英國皇家 航空研究所的 Watt 等人改進技術(shù)，開創(chuàng)了生產(chǎn)高強度、高模量 PAN 基碳纖維的新途 徑。1969 年，日本東麗公司成功研究出用特殊單體共聚而成的聚丙烯腈制備碳纖維 的原絲，結(jié)合美國聯(lián)合碳化物公司的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強高模碳纖維。此后，美、法、德也都引進技術(shù)或自主研發(fā)生產(chǎn) PAN 基原絲及碳纖維，但日本東麗公司的碳纖 維研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)一直保持世界領(lǐng)先水平。 根據(jù)碳纖維及其復合材料技術(shù)微信公眾號 2021 年 8 月 11 日一文可以看出，東 麗 2021 年碳纖維產(chǎn)品已推出了三十余款型號，覆蓋領(lǐng)域已從航空航天延伸至了交通 軌道、海洋、壓力容器、醫(yī)療、土木、電子電力等領(lǐng)域。
PAN基碳纖維生產(chǎn)過程比較繁瑣并涉及諸多復雜的化學反應過程，要經(jīng)歷聚合、 紡絲、預氧化、碳化、石墨化、表面處理等多個步驟，其中，每個步驟又包含多個 工藝，每個工藝參數(shù)都會對最終碳纖維的結(jié)構(gòu)與性能產(chǎn)生一定的影響。生產(chǎn)過程則 涉及了高分子化學、高分子物理、物理化學、無機化學、高分子加工、自動化控制等 不同的學科、技術(shù)交叉和融合，是一個復雜的系統(tǒng)工程，最終所得到的 PAN 基碳纖 維結(jié)構(gòu)和性能強烈依賴于每一個過程中的工藝控制和結(jié)構(gòu)調(diào)控。
1.2.1 聚丙烯腈共聚物制備：聚合反應中參與物及設備是核心
聚合是指丙烯腈（AN）單體通過自由基鏈式聚合反應得到長鏈 PAN 的過程。聚 合過程按照工藝流程先后順序大致分為原料準備、聚合反應等。 原料準備過程，制備 PAN 共聚物的原料包括單體、共聚單體、引發(fā)劑、鏈轉(zhuǎn)移 劑和溶劑等。
單體方面，丙烯腈（AN）是制備 PAN 共聚物的主要單體。由丙烯腈制得聚 丙烯腈纖維即腈綸，其性能極似羊毛，因此也叫合成羊毛。丙烯腈與丁二烯 共聚可制得丁腈橡膠，具有良好的耐油性，耐寒性，耐磨性，和電絕緣性 能，并且在大多數(shù)化學溶劑，陽光和熱作用下，性能比較穩(wěn)定。
共聚單體方面，由于 PAN 均聚物在預氧化初始階段溫度較高，且會集中放 熱，從而導致預氧化過程工藝難于控制。此外，集中放熱會導致原絲中 PAN 分子鏈的斷裂，并形成大孔缺陷結(jié)構(gòu)，影響生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性和碳纖維質(zhì)量。 在實際生產(chǎn)中，通常將丙烯腈與共聚單體進行共聚，以有效控制預氧化過 程中放熱反應，共聚單體的總含量一般在 5%左右。對于制備 PAN 基碳纖維 而言，所采用的共聚單體大多為丙烯酸甲酯（MA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、 甲基丙烯酸（MAA）和衣康酸（IA）。
引發(fā)劑及鏈轉(zhuǎn)移劑方面，國內(nèi)外碳纖維生產(chǎn)廠商多采用偶氮類型的引發(fā)劑， 其中偶氮二異丁腈（AIBN）為常用的引發(fā)劑，其主要作用是提供自由基與 AN 分子作用生成單體自由基進而完成鏈增長。根據(jù)《聚丙烯腈基碳纖維》 一書數(shù)據(jù)顯示，使用 AIBN 引發(fā)劑時，聚合溫度一般控制在 55-65℃內(nèi)，引 發(fā)劑用量相對單體的質(zhì)量濃度不超過 0.5%，最好在 0.3%以下。鏈轉(zhuǎn)移劑又 稱分子量調(diào)節(jié)劑，是一種能夠調(diào)節(jié)和控制聚合物分子量、分子量分布和減 少鏈支化度的物質(zhì)。在 AN 聚合時，采用醇類或者硫醇類作為鏈轉(zhuǎn)移劑，且 加入量相對單體 AN 的質(zhì)量濃度控制在 0.1%-0.2%之間時，可顯著調(diào)控聚合 物 PAN 的分子量、支化度及提高可紡性。
溶劑方面，PAN 基均相溶液聚合可選用的溶劑可分為無機和有機兩類，無機 溶劑有硫氰酸鈉、氯化鋅、硝酸等，有機溶劑有二甲基酰胺、二甲基乙酰胺 及二甲基亞砜。其中二甲基亞砜的腐蝕性相對較低，鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)較小，且毒 性小且無金屬殘留，成為 AN 溶液聚合最常選用的溶劑。
原絲的質(zhì)量對碳纖維的性能至關(guān)重要，而得到適宜的紡絲原液又是制備高性能 原絲的必要條件，因此得到性能優(yōu)異的 PAN 溶液成為影響后續(xù)工藝的源頭。目前合 成 PAN 共聚物的方法主要有溶液聚合（也稱為均相溶液聚合）、水相沉淀聚合（也稱 為非均相溶液聚合）、水相懸浮聚合以及乳液聚合等。
碳纖維用 PAN 聚合產(chǎn)物主要有以下要求： （1） 較高的平均分子量（需達到 10 5級），分子量分布在 2-3 之間并盡可能小 一些； （2） 含有理想的共聚單體，共聚單體的含量合適（摩爾分數(shù)約為 2%）； （3） 含雜質(zhì)盡量少及最少的各層次分子結(jié)構(gòu)缺陷。 因此，單體濃度、引發(fā)劑濃度、聚合溫度、聚合時間和聚合攪拌形式等是影響 聚合反應的因素。
聚合反應中，聚合設備是實施聚合反應的關(guān)鍵設備。先進、合理的反應器對提 高產(chǎn)品質(zhì)量十分關(guān)鍵。
溶液反應，由于所得的聚合液經(jīng)過脫單及脫泡后可直接用于紡絲，故也稱 之為一步法。其聚合反應釜幾乎都是攪拌釜式反應器。此外，聚合反應制得 的不同批次原液在混合時，要混合均勻以減少各批次原液之間的差異、保 證原液質(zhì)量的穩(wěn)定。
相較于溶液聚合反應，由于水相沉淀聚合工藝得到的是粉末狀或者顆粒狀 PAN 聚合物，而非可以直接紡絲的 PAN 原液，因而多了一道“溶解”工藝， 故水相沉淀聚合工藝也被稱之為二步法。目前水相沉淀聚合法得到的腈綸 纖維質(zhì)量好，因而更適合在工業(yè)中操作。
1.2.2 聚丙烯腈原絲制備：有效規(guī)避不同紡絲路線缺點是關(guān)鍵
碳纖維原絲是指用特定的高分子化合物（如丙烯腈）為原料，經(jīng)過紡絲原液制 備、紡絲和后處理等工序制得的化學纖維。在碳纖維制備過程中，PAN 原絲的結(jié)構(gòu)與 其性能有著非常密切的關(guān)系，而且是最終碳纖維結(jié)構(gòu)形成基礎(chǔ)和高性能的根本來源。 原絲的各級結(jié)構(gòu)將被有選擇性的遺傳至后續(xù)預氧化階段直至碳化階段中，因此要獲 得具有優(yōu)異性能的 PAN 基碳纖維就必須控制好原絲的結(jié)構(gòu)。
常見的 PAN 基碳纖維原絲的生產(chǎn)方式包括濕法、干噴濕紡（干濕）法等。濕法、 干噴濕紡（干濕）法主要適用于需要經(jīng)過溶劑溶解后方可擠出成絲的高分子聚合物。
濕法紡絲是開發(fā)時間最早、應用最廣的一種方法。紡絲過程是從噴絲孔噴 出的紡絲液進入凝固浴，發(fā)生傳質(zhì)、傳熱和相分離等物理變化，從而導致 PAN 析出形成凝膠結(jié)構(gòu)的絲條。
干噴濕紡是適用于高濃、高粘的 PAN 溶液，最高可以適用粘度十幾倍于通 常濕法紡絲工藝所使用的 PAN 溶液。
原料方面，主要包括聚丙烯腈紡絲溶液、溶劑、沉淀劑、油劑等四部分。
PAN 原絲是 PAN 溶液通過紡絲得到，溶液紡絲是當今高性能 PAN 基碳纖維 原絲制備的唯一工藝。一般而言，分子量越大，承載外力的能力越強，引發(fā) 缺陷的概率越低。
溶劑可分為無機和有機兩類，無機溶劑有硫氰酸鈉、氯化鋅、硝酸等，有機 溶劑有二甲基酰胺、二甲基乙酰胺及二甲基亞砜。
PAN 溶液通過凝固過程轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維，凝固過程需要沉淀劑，即 PAN 的非溶 劑。常用的沉淀劑一般有水及其他小分子物質(zhì)。
碳纖維的表面缺陷是影響其力學性能的重要因素之一，使用油劑的目的是 減少碳纖維原絲及預氧化過程引入的表面缺陷，從而提升碳纖維的性能。
常見的 PAN 基碳纖維原絲的生產(chǎn)方式包括濕法、干噴濕紡（干濕）法等。濕法、 干噴濕紡（干濕）法主要適用于需要經(jīng)過溶劑溶解后方可擠出成絲的高分子聚合物。
濕法紡絲是開發(fā)時間最早、應用最廣的一種方法。紡絲過程是從噴絲孔噴 出的紡絲液進入凝固浴，發(fā)生傳質(zhì)、傳熱和相分離等物理變化，從而導致 PAN 析出形成凝膠結(jié)構(gòu)的絲條。
干噴濕紡是適用于高濃、高粘的 PAN 溶液，最高可以適用粘度十幾倍于通 常濕法紡絲工藝所使用的 PAN 溶液。
設備方面，紡絲裝置、水洗裝置、拉伸裝置及輔助裝置是主要的設備。
紡絲裝置方面，紡絲機是整條紡絲生產(chǎn)線的關(guān)鍵設備，根據(jù)不同的紡絲方 法選擇適合的紡絲系統(tǒng)，其相關(guān)機械及電器自動控制也隨工藝改變而改變。 雖然不同紡絲方法選用不同的紡絲系統(tǒng)，但紡絲機、凝固浴、計量泵及溫度 控制器是必不可少的組成部分。
水洗裝置方面，初生絲中含有一定量的溶劑，如果不把這些溶劑除去，容易 導致纖維手感粗硬、色澤灰暗、發(fā)粘，干燥和熱定型纖維容易發(fā)黃。
拉伸裝置方面，凝固浴中形成的初生纖維凝固還不夠充分，必須經(jīng)過一系 列的后續(xù)處理，對 PAN 纖維施加一定程度的拉伸過程，以消除纖維表面及 內(nèi)部的溶劑，確保纖維質(zhì)量。通常拉伸裝置包括水洗前的預拉伸及之后的 廢水拉伸和蒸汽拉伸裝置。
輔助裝置方面，上油裝置、烘干致密化裝置、熱定型裝置及收絲裝置是較為 常見的輔助裝置，上油裝置主要為了增加纖維的抗靜電能力，并在預氧化 時能耐高溫；烘干致密化裝置可消除內(nèi)應力和纖維內(nèi)存在的缺陷；熱定型 裝置可改善纖維的超分子結(jié)構(gòu)，提高纖維的性狀穩(wěn)定性和力學性能；收絲 裝置則將 PAN 原絲打包成輥。
1.2.3 聚丙烯腈預氧纖維制備：提高預氧化的效率是降本難點
PAN 原絲在 200-300℃的空氣中加熱，線型的 PAN 分子鏈轉(zhuǎn)變?yōu)槟苣透邷氐暮?的梯形結(jié)構(gòu)的過程為預氧化。
預氧化過程中原絲受到牽伸力作用,聚丙烯腈線形分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為耐熱的非塑 性梯型結(jié)構(gòu)，這也是其在碳化過程中能夠耐上千度高溫而不熔不燃的原因。預氧化 過程主要發(fā)生環(huán)化、脫氫、氧化和裂解等反應,以脫除非碳元素。預氧化程度的表征 參量有芳構(gòu)化指數(shù)又稱碳化指數(shù)、預氧化纖維的含水率、密度及極限氧指數(shù)。在預 氧化過程,聚丙烯腈線形分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變十分劇烈,極易產(chǎn)生缺陷,如果工藝參數(shù)控制 不當會對碳纖維力學性能造成很大的影響,因此,控制好預氧化過程對改善碳纖維的 結(jié)構(gòu)和提高力學性能意義重大?？刂祁A氧化階段的參數(shù)有處理時間、處理溫度以及 牽伸力等。
預氧化溫度、預氧化時間、預氧化張力、預氧化氛圍及預氧化當量時間等是預 氧化過程的主要影響因素。
預氧化溫度及其梯度是 PAN 原絲預氧化工藝中最重要的控制因素，在很大 程度上決定了纖維的預氧化程度及最終碳纖維的性能。在實際制備過程中， 對于 PAN 原絲預氧化溫度的設定，可參考 PAN 原絲的掃描量熱差示分析（DSC） 放熱曲線。
預氧化過程 PAN 梯形結(jié)構(gòu)的形成是一個復雜的化學反應過程，與普通化學 反應類似，預氧化中發(fā)生的環(huán)化、脫氫和氧化反應具有很強的時間效應，反 應的完成需要有一定的時間。合理控制預氧化時間對提高生產(chǎn)效率、降低 生產(chǎn)成本極為重要。
在 PAN 原絲預氧化過程中，纖維會產(chǎn)生一定的收縮，這是由于原絲在熱作 用下解取向和聚合物大分子鏈環(huán)化反應引起的，因而會產(chǎn)生相應的應力。 在一定的張力作用下進行預氧化處理是制備高性能碳纖維的必要條件，其 目的在于防止聚合物分子鏈的松弛以保持取向結(jié)構(gòu)。
PAN 原絲的預氧化通常在空氣氛圍中進行，但空氣中的濕度會影響其預氧 化效果。一方面，空氣濕度可以對原絲起到塑化作用，有利于纖維在張力作 用下的擇優(yōu)取向，另一方面，空氣濕度對原絲起到鈍化作用，阻礙大分子鏈 段的構(gòu)象調(diào)整，因此在工業(yè)生產(chǎn)中需要控制氣氛的濕度并保持穩(wěn)定。
設備方面，送絲裝置及預氧化裝置是主要的設備。供絲機具有張力控制裝置以保證絲張力穩(wěn)定，避免造成原絲單絲供絲不均 勻，提高了 PAN 基碳纖維的生產(chǎn)工藝質(zhì)量。 根據(jù)設計產(chǎn)能的不同，一條大型碳纖維生產(chǎn)線通常有 6-8 臺大型預氧化裝 備，以滿足不同絲束的工藝要求。
1.2.4 聚丙烯腈碳纖維制備：依據(jù)下游需求合理選擇對應方式
碳化過程在專門的碳化爐內(nèi)進行并需要惰性氣氛。將預氧化絲從 400℃逐步加 熱到 1600℃，經(jīng)過低溫碳化（400-1000℃）和高溫碳化（1100-1600℃）兩個階段。 在碳化過程中必須施加一定牽伸張力，從而可以優(yōu)化碳分子的結(jié)晶，以生產(chǎn)出含碳 量超過 90％的碳纖維。
該環(huán)節(jié)主要包括碳化、高溫石墨化、表面處理及上漿處理等步驟。 PAN 原絲在經(jīng)歷了預氧化反應以后，形成的預氧化纖維具有耐高溫的梯形 結(jié)構(gòu)，但此時纖維內(nèi)依然是有機物組成，含碳量較低，N、H、O 等雜原子占 據(jù)很大比例，碳化過程的作用就是將纖維中非碳元素脫除，由有機物向無 機物的轉(zhuǎn)變，最終形成六角網(wǎng)狀類石墨結(jié)構(gòu)的 PAN 基碳纖維，在此過程中 一般分為兩個階段，即低溫碳化和高溫碳化，兩個階段都在惰性氣氛（一般 為高純氮氣）保護下進行，防止高溫下與空氣發(fā)生副反應。碳化溫度、碳化 時間及碳化張力是主要影響因素。
碳纖維的石墨化處理是指將碳纖維在 2200–3000℃的氬氣氛圍中進行熱處 理的過程。在石墨化過程中，碳纖維中無規(guī)結(jié)構(gòu)的碳轉(zhuǎn)化為三維石墨結(jié)構(gòu)， 同時伴隨著高溫熱解，在如此高的溫度下，氮氣可以和碳發(fā)生反應生成氮 化物，因此不能使用氮氣作為保護氣體。石墨化得到的碳纖維中碳含量在 99%以上。石墨纖維相比碳纖維密度增加，伸長率減小，拉伸模量升高，同 時導電、熱穩(wěn)定和導熱性能進一步提高。熱處理溫度的升高有利于提高石 墨結(jié)構(gòu)的有序度、厚度和面積，通常表現(xiàn)為石墨晶體結(jié)構(gòu)沿纖維軸向方向 增大，石墨晶體的面間距減小，纖維中微孔的含量增加，同時纖維的模量增 大。模量的增大主要來源于高溫處理時纖維的石墨化程度提高，纖維中形 成更加有序的石墨結(jié)構(gòu)。
表面處理目的是在處理后纖維表面活性增加，從而提高可用于界面纖維/基 體粘結(jié)的表面積，并添加反應性化學基團等增強碳纖維與基體間的結(jié)合。
上漿是碳纖維經(jīng)過表面處理后收繞成卷成為碳纖維成品前的最后一道工藝 工序。其主要作用是對碳纖維進行集束，類似于粘合劑使碳纖維聚集在一 起，改善工藝性能便于加工，同時起到保護作用，減少碳纖維之間的摩擦，使其在后續(xù)收卷、包裝、運輸過程中減少對纖維的損失。
設備方面，碳化裝置、石墨化裝置、表面處理裝置及上漿裝置是主要設備。 碳化工藝和預氧化工藝一樣，常采用多段碳化和多段牽引工藝，目前國內(nèi) 常用的是二段碳化和二段拉伸工藝，低溫碳化爐和高溫碳化爐有一定區(qū)別。影響碳纖維石墨化的關(guān)鍵因素在于石墨化設備及高溫熱處理技術(shù)。目前國內(nèi)外大規(guī)模生產(chǎn)廠商上普遍采用的碳纖維石墨化設備多為高溫管式石墨化 電阻爐。碳纖維表面處理很多，主要有氣相氧化、液相氧化、電解氧化、等離子體處 理及涂層處理等方式。碳纖維的上漿方法主要有轉(zhuǎn)移法、浸漬法和噴涂法等，其中常用的是浸漬 法。
1.3 其他類基體碳纖維：特定領(lǐng)域滿足特定需求
1.3.1 瀝青基碳纖維：彌補 PAN 基碳纖維不能及的高技術(shù)領(lǐng)域
瀝青基碳纖維以石油瀝青或煤焦油瀝青為原料，經(jīng)瀝青精制、紡絲、預氧化、 碳化或石墨化等工藝過程，生產(chǎn)出具有彈性模量高、優(yōu)異的導熱率、遇熱不易膨脹 等性能的瀝青基碳纖維。一般地，瀝青基碳纖維分為通用型和高性能型瀝青基碳纖 維，然而通用型瀝青基碳纖維對原料的預處理要求不高，所以主要應用于體育、吸 附劑等民用方面。高性能型瀝青基碳纖維的原料不同，主要為中間相瀝青，石墨晶 體有序度高，因此具有十分突出的熱導率和模量，是性能優(yōu)異的熱管理材料被應用 于航天、衛(wèi)星、雷達等軍用領(lǐng)域。
市面上 PAN 基碳纖維的最高抗拉強度為 6500 MPa，拉伸模量范圍從 230 到 300 GPa 為標準類型，高模量型最高可以到 600 GPa。對于瀝青基碳纖維，模量可以從 50 GPa 到 900 Gpa 以上。以中間相瀝青為起始材料制備的碳纖維具有定向石墨層纖維 軸，石墨晶體通過位于石墨層內(nèi)方向(稱為“a”方向)的碳碳雙鍵具有極高的強度和 剛性，這種晶體結(jié)構(gòu)反映在最終碳纖維的強度和剛性上，此外極低的熱膨脹系數(shù)和 極高的導熱系數(shù)，也是體現(xiàn)在“a”方向上的特性。相反，各向同性的瀝青，在“a” 方向上，沒有足夠的結(jié)晶度，所以只能表現(xiàn)出低模量和低導熱性能。瀝青基碳纖維 的這些特性，與傳統(tǒng)的 PAN 基碳纖維有很大的區(qū)別?？梢酝ㄟ^控制瀝青原料特性以 及紡絲工藝條件，來控制最終瀝青纖維的性能，來制備規(guī)格多樣化的瀝青纖維。
由于瀝青基碳纖維的熱膨脹系數(shù)為負，通過與其他基質(zhì)的結(jié)合，可以很容易地 實現(xiàn)零熱膨脹系數(shù)的材料。瀝青基碳纖維作為利用其高導熱性和負熱膨脹系數(shù)的新 應用領(lǐng)域，被廣泛應用于衛(wèi)星的天線反射器和太陽能電池板等部件。其高導熱性在 電子設備領(lǐng)域也有廣泛的應用，如熱接口、高導熱性線路板等。
通用級碳纖維是由各向同性瀝青制備而成，高性能碳纖維則是由中間相瀝青制 備而成。其制備工藝與 PAN 基纖維略有不同，主要包括原料調(diào)制、熔融紡絲、預氧 化、碳化、石墨化及表面處理。
在制備流程與 PAN 基碳纖維不同的工藝過程為瀝青的調(diào)制過程。瀝青化學成分 相對復雜，因此需要經(jīng)過一系列的凈化及純化處理，改善其流變性能及調(diào)控分子量 以滿足紡絲要求。其中，供氫溶劑加氫法存在加氫程度不深、無法有效脫除雜原子、 供氫溶劑成本高昂等問題，造成其工業(yè)化規(guī)模極低。
各向同性瀝青的制備方法包括減壓攪拌熱縮聚法、刮膜蒸發(fā)器法、空氣鼓 入氧化法、硫化法等。各向同性瀝青制備的本質(zhì)是在熱解反應過程中，體系 發(fā)生脫氫、交聯(lián)、縮合等反應，除去瀝青中的輕組分，形成高軟化點縮合 物，同時抑制各向異性結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。
高性能瀝青基碳纖維制備的關(guān)鍵就在于可紡性中間相瀝青的制備，要求中 間相瀝青即具有高度各向異性，又具有良好的紡絲性，因此，必須選擇合適 的中間相瀝青制備方法。中間相瀝青制備的本質(zhì)是在熱解過程中，體系發(fā) 生裂解、脫氫、縮合等一系列反應，形成相對分子質(zhì)量在 370-2000 之間的 具有各向異性結(jié)構(gòu)的向列型液晶物質(zhì)。
調(diào)制好的瀝青在紡絲之前要進行充分過濾和脫泡，除去一切雜質(zhì)和氣泡，因為 它們的存在嚴重影響紡絲和碳纖維的力學性能。瀝青紡絲可以采用一般合成纖維工 業(yè)采用中常用的熔融紡絲法，如噴吹法、擠壓式、離心式、渦流式等。
紡絲壓力和紡絲速率也是紡絲工藝中重要的影響參數(shù)。紡絲壓力太小，熔體流 量難以滿足紡絲的連續(xù)性，容易發(fā)生斷絲現(xiàn)象；紡絲壓力太大，所得纖維直徑太粗 又會導致纖維物理性能的大大降低紡絲速率，對纖維的直徑及取向度產(chǎn)生影響；紡 絲速率越大，纖維受到的牽伸力增大，取向度越高。瀝青熔體固化速度很快，且固化 后由于纖維本身的脆性難以再次牽伸，因此為得到性能較高的碳纖維，在紡絲階段 需要對紡絲壓力和紡絲速率進行調(diào)控，得到合適直徑的纖維原絲。
瀝青纖維必須通過碳化，充分除去其中非碳原子，最終發(fā)展碳元素所固有的特 性；但由于瀝青的可溶性和粘性，在剛開始加溫時就會粘合在一起，而不能形成單 絲的碳纖維，所以必須先進行碳纖維的預氧化處理。另外預氧化還可以提高瀝青纖維的力學性能，增加碳化前的抗拉強度。瀝青纖維在氧化過程中發(fā)生了十分顯著的 化學變化和物理變化,其中最主要的變化是分子之間產(chǎn)生了交聯(lián)，使纖維具有不溶解、 不熔融的性能。目前，預氧化有氣相法和液相法兩種，氣相法氧化劑通常采用空氣、 NO2、SO3、臭氧和富氧氣體等；液相法氧化劑采用硝酸、硫酸、高錳酸鉀和過氧化氫 等溶液。
不熔化后瀝青纖維應送到惰性氣氛中進行碳化或石墨化處理，以提高最終力學 性能。碳化是指在1200℃左右進行處理，而石墨化則是在接近3000℃的條件下進行。 碳化時，單分子間產(chǎn)生縮聚，同時伴隨著脫氫、脫甲烷、脫水反應，由于非碳原子不 斷被脫除，碳化后的纖維中碳含量可達到 92％以上，碳的固有特性得到發(fā)展，單絲 的拉伸強度、模量增加。隨著碳纖維應用領(lǐng)域的拓寬，比如說將其組裝成鋰離子電 池和超級電容器，使得對其性質(zhì)的要求更高，于是進一步石墨化便變得不可缺少， 進一步增加碳含量。
1.3.2 粘膠基碳纖維：航天工業(yè)及尖端軍工技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ｓ美w維
粘膠基碳纖維是指以粘膠纖維經(jīng)過預氧化、碳化所制備的碳纖維。粘膠纖維是 一種再生纖維素纖維，又稱人造絲，它是利用天然纖維，如木材、麻和棉花等，經(jīng)制 漿粕、磺化、熟化和紡絲等處理而成。 與聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維相比，粘膠基碳纖維具有獨特的性 能。粘膠基碳纖維密度較低，制造的構(gòu)件更輕。 粘膠基碳纖維石墨化程度較低，導熱系數(shù)小，是理想的隔熱材料。 粘膠基碳纖維堿金屬及堿土金屬含量低，飛行過程中因燃燒產(chǎn)生的鈉光弱， 不容易被雷達發(fā)現(xiàn)。 粘膠基碳纖維生物相容性好，可以用于制造醫(yī)用生物材料，如醫(yī)用電機、韌 帶、骨夾板和假骨等。
但是，粘膠基碳纖維也有一些不足，最主要的就是在實際生產(chǎn)過程中，往往會因 操作條件難以控制，生成左旋葡萄糖等副產(chǎn)物造成實際碳收率較低，碳纖維強度不 理想。因此，該材料目前只用于航空航天非承壓部件及民用領(lǐng)域。美國阿拉巴馬大 學開發(fā)出一種新型、綠色的可用于針對火箭噴嘴處燒蝕和隔熱的碳纖維材料制備方 法，該方法已獲專利授權(quán)。這種全新的“綠色”離子處理工藝是可靠性與失效分析實驗室開發(fā)。為制備固體燃料火箭噴嘴，可在碳化的粘膠基碳纖維層合織物上涂覆瀝 青并進行芯軸纏繞，經(jīng)熱處理使表面的瀝青轉(zhuǎn)變成固體碳，最終得到由碳纖維增強 復合材料制備的噴嘴。用于航天飛行助推器的單型固體火箭發(fā)動機的碳纖維用量可 達 35t。
粘膠纖維轉(zhuǎn)化為碳纖維是十分復雜的物理化學反應,其脫水和熱裂過程主要可 粗略地劃為四個階段：
第一階段(25-150℃):主要脫掉物理吸附的水分。粘膠纖維物理吸附的水分 大約在 10%-14%之間,低溫脫除掉這些水分有利于高溫脫除結(jié)構(gòu)水。
第二階段(150-240℃):主要是分子結(jié)構(gòu)內(nèi)脫水,生成含有羥基、酮基、烯醇 基或羧基的鏈段(片)。
第三階段(240-400℃):為激烈反應區(qū),主要有兩個競爭反應。一是,1,4-苷 鍵熱裂生成脫水環(huán),l,6-鍵脫水生成左旋葡萄糖,并在較高溫下轉(zhuǎn)化為焦油; 二是,脫水纖維素環(huán)進一步深層次地脫水生成脫水纖維素,環(huán)內(nèi)熱穩(wěn)定性差 的 C-C 鍵和 C-O 鍵熱裂生成碳四殘鏈。
第四階段(400-700℃):進行碳四殘鍵的芳構(gòu)化,縮聚為六碳原子的石墨層 片。當溫度高于 700℃時,縮聚層面迅速增大,排列逐步有序化,轉(zhuǎn)化為亂層 石墨結(jié)構(gòu)。
強化脫除羥基是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。在纖維素的化學結(jié)構(gòu)中有三個羥基、氧雜環(huán) 中氧原子和苷鍵氧含氧量高達 49.39%。在實際轉(zhuǎn)化過程中，未脫水部分轉(zhuǎn)化為左旋 葡萄糖及焦油，熱裂而逸走的小分子揮發(fā)產(chǎn)物 CO、CO2、HCOOH、CH4等也會帶走碳原 子。特別是左旋葡萄糖和焦油的生成不僅使碳收率降低，而且對纖維造成嚴重污染， 導致單纖維之間的粘連，碳化后變硬發(fā)脆和斷絲。因此，如何有效地抑制左旋葡萄 糖的生成是一技術(shù)關(guān)鍵。
抑制左旋葡萄糖生成的關(guān)鍵是充分脫水。為使充分脫水，采用催化脫水劑是行 之有效的方法，也是目前生產(chǎn)粘膠基碳纖維普遍采用的方法。引入催化脫水劑的作 用主要是降低熱解熱以及使結(jié)構(gòu)脫水、熱解反應向低溫側(cè)移動，從而緩和了熱解和 脫水反應，給生產(chǎn)工藝參數(shù)的控制帶來許多方便。從這種意義上來講粘膠纖維的催化脫水劑引入的作用類似 PAN 樹脂的共聚引發(fā)單體（如衣康酸等）。
粘膠纖維生產(chǎn)碳纖維的工藝流程與 PAN 基碳纖維的流程相比增加了兩段工序, 即水洗和催化浸漬。無疑,這將增大粘膠基碳纖維的生產(chǎn)成本。粘膠纖維經(jīng)水洗和催 化浸漬后,再經(jīng)預氧化和碳化工序就可轉(zhuǎn)化為碳纖維。催化浸漬和預氧化處理是制造 粘膠基碳纖維的重要工序,是有機粘膠纖維轉(zhuǎn)化為無機碳纖維的關(guān)鍵所在。
催化浸漬。催化浸漬主要是浸漬催化脫水劑。對無機催化脫水劑的浸漬量 一般為 20％-62％，有機催化脫水劑的浸漬量一般為 2%-20%。
預氧化工序。預氧化工序主要是在催化劑的作用下進行脫水、熱裂和結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)化，使白色粘膠纖維轉(zhuǎn)化為黑色預氧絲，并賦予其阻燃性。預氧化爐的溫 度分布梯度相當重要，要根據(jù)纖維的 TG 和 DTG 譜圖來確定。分析測試數(shù)據(jù) 表明由粘膠纖維轉(zhuǎn)化為預氧絲后抗拉強度下降74%-84%，含氧量下降到40%- 50%。這表明結(jié)構(gòu)與性能發(fā)生了本質(zhì)性變化。
低溫碳化工序發(fā)生的反應主要是深度脫水、熱裂和芳構(gòu)化，此時逸出的廢 氣和產(chǎn)生的焦油相當多。因此，如何瞬時排出廢氣和焦油成為一個重要的 設計參數(shù)。
高溫碳化工序產(chǎn)生的廢氣和焦油就少得多，廢氣的主要組成是縮聚、芳構(gòu) 化的小分子揮發(fā)物，如 H2、CH4、C2H6、C2H4以及 CO、CO2等。
2 應用端：極致的性價比是永恒的目標
2.1 性能角度：與其他材料復合實現(xiàn)性能互補共振是大趨勢
復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法組成具 有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的 綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復合材料的基體材料分為金屬和 非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成 樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸 纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。復合材料中以纖維增強 材料應用最廣、用量最大。其特點是比重小、比強度和比模量大。 碳纖維復合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學的方法， 在宏觀上組成具有新性能的材料。碳纖維復合材料是一種兩相復合材料，是由有機 纖維轉(zhuǎn)化而成，其具有優(yōu)異的力學性能，同時還具備碳材料的原本特性，屬于一種 新型增強纖維。
2.1.1 碳纖維+聚合物：中高溫下金屬材料最佳替代者
以各種聚合物材料為基體的碳纖維復合材料統(tǒng)稱為碳纖維聚合物基復合材料， 也可稱為碳纖維樹脂基復合材料。按照樹脂基體材料的性能可將復合材料分為通用 性樹脂基復合材料、耐高溫型樹脂基復合材料、耐化學腐蝕型樹脂基復合材料以及阻燃型樹脂基復合材料等。按照聚合物材料機構(gòu)形式劃分可分為熱固性樹脂基復合 材料、熱塑性樹脂基復合材料及橡膠基復合材料。 高比強度、高比模量。高強高模碳纖維/環(huán)氧樹脂的比強度是鋼的 5 倍、鋁 合金的 4 倍。 耐疲勞性能好。樹脂基復合材料的疲勞極限可達其拉伸強度的 70%-80%。 耐燒蝕性能好。樹脂基復合材料的界面有很好的阻尼功效，減震能力強。 加工工藝性好。樹脂基復合材料可以采用多種成型方法制造，工藝技術(shù)相 對簡單。
聚合物基復合材料的制備、成型工藝與其他材料相比具有鮮明特點。聚合物基 復合材料的形成與制品的成型是同時完成的，該材料的制備過程也就是其制品的生 產(chǎn)過程，因而可以使得大型的制品一次整體成型，從而簡化制品結(jié)構(gòu)，減少了組成 零件和連接件的數(shù)量，進而減輕制品質(zhì)量并降低工藝消耗。其次，由于樹脂在固化 前具有一定的流動性，纖維又很柔軟，依靠模具容易形成要求的形狀和尺寸，因此 樹脂基復合材料的成型較為方便，可制造單件和小批量產(chǎn)品。 聚合物基復合材料的制造大體包括預浸料的制造、成型及制件的后處理與機械 加工。 預浸料是樹脂基體（熱固性或熱塑性）在嚴格控制條件下浸漬連續(xù)纖維或 織物，制成樹脂基體與增強體的組合物，是制備復合材料的中間材料，可廣 泛用于手糊成型、自動鋪層或纏繞成型等復合材料制備工藝中。目前世界 上大部分碳纖維都是以預浸料形式應用的，復合材料制品的力學及化學性 質(zhì)在很大程度上取決于預浸料的質(zhì)量。但預浸料一般在低溫下儲存以保證 使用時具有合適的粘度、鋪覆性和凝膠時間等工藝性能。成型工藝方面，手糊成型、熱壓罐成型、模壓成型、纏繞成型、拉擠成型及 樹脂傳遞成型為使用較為普遍的方式。
加工方面，由于結(jié)構(gòu)的特殊性，碳纖維增強樹脂基復合材料通常直接紡織 成產(chǎn)品形狀，但很多情況下紡織成型的產(chǎn)品并不能很好地滿足精度或者裝 配的要求，因此還需對其進行二次加工?，F(xiàn)階段已經(jīng)存在多種比較成熟的 CFRP 的加工方式，其中應用最為廣泛的就是機械加工。機械加工 CFRP 經(jīng)過 長時間的發(fā)展已經(jīng)具備了成熟的加工工藝和專用的加工設備，基本能夠滿 足使用要求，但隨著應用的規(guī)模化，高精加工的需求越來越多，機械加工 CFRP 顯現(xiàn)出了一些弊端：加工時材料本身的結(jié)構(gòu)會被破壞，造成纖維斷裂， 還伴隨有切削熱損傷問題，同時刀具的嚴重磨損增加了生產(chǎn)的成本。超聲 振動輔助加工、電火花加工、水射流加工及激光加工等方式逐步被開發(fā)利 用。
2.1.2 碳纖維+金屬：可有效改善金屬材料的高溫性能
以金屬、合金和金屬間化合物為基體、以碳纖維為增強體，通過浸滲、固結(jié)工 藝制作而成的復合材料稱為碳纖維金屬基復合材料?；w一般在連續(xù)纖維增強金屬 基復合材料中占據(jù)50%-70%體積，在短纖維增強金屬基復合材料中占據(jù)70%以上體積。 典型的碳纖維強化金屬復合材料有：碳纖維-銀復合材料、碳纖維-銅復合材料、碳 纖維-鉛復合材料、碳纖維-鋁復合材料。
樹脂基復合材料通常只能在 350℃以下的不同溫度范圍內(nèi)使用，金屬基復合材 料則適用于 350℃～1200℃溫度區(qū)間。鋁、鎂及其合金使用溫度在 450℃以下，鈦合 金使用溫度在 450-650℃之間，金屬間化合物、鎳基、鐵基耐熱合金使用溫度在 650- 1200℃之間。 碳纖維/金屬基復合材料的制備方法分為兩大類：固態(tài)法、液態(tài)法，但兩種方法 均需要對纖維進行表面處理或制作纖維/基體預制絲。纖維增強金屬基復合材料的制 造較困難，需要考慮增強材料的排布，界面反應、經(jīng)濟性及殘余應力等多方面的因 素。為了順利地進行最終成型，做出質(zhì)量強度等性能優(yōu)良的纖維增強金屬基復合材 料制品，其成型方法大致有四種路線，分別是纖維直接編織成型、纖維經(jīng)表面處理 成型、纖維制成預制帶與金屬基體復合成型、纖維與基體制成復合預制帶然后成型。
碳纖維的表面性能取決于其粗糙度的大小、活性官能團的種類和數(shù)量的多 少、微晶結(jié)構(gòu)尺寸的大小以及酸堿相互作用的強弱等。從碳纖維表面形貌 上看,其表面有很多微孔、異物、晶體等，這些是影響復合材料中基體與增 強體之間的結(jié)合性能的重要因素。未經(jīng)處理的碳纖維表面光滑、化學惰性 大、表面能低、活性官能團（羥基、羰基等極性官能團）極少，與復合材料 中的基體浸潤性差，從而降低復合材料的界面結(jié)合能力，阻礙增強纖維性 能的最大化表現(xiàn)。而經(jīng)表面處理后，碳纖維增強材料的力學性能（如層間剪 切強度、界面剪切強度）會提高，目前常用的表面處理方法有：氣相氧化法（空氣、臭氧、惰性氣體）、液相氧化法（濃硝酸、混合酸和強氧化劑）、陽 極氧化法（電化學氧化）、等離子體氧化法（等離子體氧、等離子體氨）、表 面涂層改性法以及采用兩種或兩種以上方法對碳纖維進行表面處理的復合 表面處理法。
固態(tài)法是指基體金屬基本上處于固態(tài)。由于固態(tài)法的制造溫度低，所以金 屬基體與增強體之間的界面反應不嚴重。常用的方法有粉末合金、固態(tài)熱 壓法、熱等靜壓法、軋制法、熱擠壓法、熱拉拔法和爆炸焊接法等。
液態(tài)法是指基體金屬基本上處于熔融狀態(tài)下與固態(tài)的增強體復合的制造方 法。液態(tài)法的制造溫度較高，在制造過程中須嚴格控制浸漬溫度、液態(tài)基體 與固態(tài)增強體的接觸時間等工藝參數(shù)。液態(tài)法包括真空壓力浸漬法、擠壓 鑄造法、攪拌鑄造法、液態(tài)金屬浸漬法、共噴沉積法、熱噴涂法等。
制造碳纖維增強金屬基復合材料的主要技術(shù)難點是界面結(jié)合，難以形成穩(wěn)定有 效的界面結(jié)合，導致復合材料的整體性能下降，限制了碳纖維/金屬基復合材料的推廣應用。
纖維增強金屬基復合材料的界面類型可分為五類： 簡單的機械瑣合：基體與增強體之間無化學反應，如銅/鎢絲、銅/碳纖維、 鋁/碳化硅等，單純靠機械連接。這種是單純靠表面粗糙形態(tài)產(chǎn)生的摩擦力 實現(xiàn)的。 溶解與浸潤結(jié)合：液態(tài)金屬浸潤增強纖維，發(fā)生擴散、溶解、結(jié)合，形成犬 牙交錯的溶解擴散型界面。比如鎳/碳纖維等。但纖維表面常常有氧化物膜， 往往需要進行纖維表面改性，才能互溶增強結(jié)合力。 反應結(jié)合：即發(fā)生化學反應，在界面上生成化合物。這類界面結(jié)合層往往不 是一種化合物，厚度一般為亞微米級。 交換反應結(jié)合：纖維與金屬基體發(fā)生化學反應，生成化合物，還通過擴散發(fā) 生元素交換。 混合結(jié)合：纖維增強金屬基復合材料的結(jié)合往往不是單一的一種結(jié)合方式， 而是以上四種的幾個。
2.1.3 碳纖維+陶瓷：理想的高溫結(jié)構(gòu)材料及摩擦材料
碳纖維陶瓷基復合材料將整體式陶瓷的耐熱和耐化學性與碳材料的機械強度結(jié) 合在一起。陶瓷一類的無機材料在耐熱、抗氧化、耐磨、耐腐蝕、電性能等方面有很 多突出的優(yōu)點，但是抗機械沖擊、抗熱震性能較差，“脆性”是致命的弱點。用碳纖 維與陶瓷組成復合材料能大幅度地提高斷裂功和抗熱震性能，改善陶瓷的脆性。而 陶瓷又保護了碳纖維，使它在高溫下不受氧化，因而具有很高的高溫強度和彈性模 量。如碳纖維增強的氮化硅陶瓷可在 1400℃的溫度下長期使用，可用作噴氣飛機的 渦輪葉片。
按照纖維在陶瓷基體中的排布方式的不同，可將其分為纖維單向增強及纖維多 向增強復合材料。 單向長纖維增強復合材料具有各向異性，一般具有良好的抗熱震性能，因 而在航天器放熱部位有著廣泛的應用前景。多向長纖維增強復合材料在多個維度上具備均有較高的性能，可用于平板 構(gòu)件或者曲率半徑較大的殼體構(gòu)件。 短纖維增強復合材料具有一定的各向異性，可制作高性能的復合材料。
陶瓷基復合材料的制造通常分增強體材料摻入未固結(jié)的基體材料及基體固結(jié)兩 個步驟，普遍采用的技術(shù)是料漿浸漬工藝后再熱壓燒結(jié)。 連續(xù)纖維增強陶瓷基復合材料的主要制造方法有料漿浸漬及熱壓燒結(jié)、原 位化學反應法、直接氧化沉積法、先驅(qū)體熱解法、熔融浸熔法和反應燒結(jié) 法。短纖維增強陶瓷基復合材料的制作流程可以包括為：短纖維分散→纖維與 基體材料混合→成型→燒結(jié)→制品。成型方法常采用加壓滲透法、反應燒 結(jié)、熱等壓燒結(jié)、微波燒結(jié)等。 碳纖維陶瓷基復合材料具有兩個主要缺點。其一是，大多數(shù)多晶陶瓷纖維的熱 穩(wěn)定性太低，無法在高于 1200℃的溫度下使用；其二是，用碳纖維或碳間相制成的 碳纖維陶瓷基復合材料的抗氧化性低。針對第一個缺點，大多數(shù)從基體類別及工藝 進行改進，而第二個缺點則可從碳纖維的改性、基體的抗氧化、界面層的抗氧化和 表面涂層切入進行改善。
2.1.4 碳纖維+碳材料：超高溫下結(jié)構(gòu)-功能一體化材料
C/C 復合材料是一類以碳纖維為增強體骨架、以碳為基體經(jīng)過液相法或氣相法 制備而成的復合材料。它不僅具有炭素材料優(yōu)異的耐燒蝕、高溫強度高等特點，而 且具有纖維增強復合材料可設計性強，優(yōu)異的力學、熱物理和抗熱沖擊性能，是唯 一能夠在 2500℃以上保持較高機械性能的材料。自 1958 年被首次發(fā)現(xiàn)至今，C/C 復 合材料以其突出的綜合性能，一直被認為航空航天領(lǐng)域首選的高溫熱防護材料，被 廣泛應用于戰(zhàn)略導彈彈頭端頭、發(fā)動機噴管、航天飛機鼻錐/前緣、高超聲速飛行器 鼻錐等關(guān)鍵熱端部件。
C/C 復合材料的制備分為碳纖維選擇、預制體成型、致密化、石墨化處理等步 驟。
碳纖維選擇方面，應根據(jù)材料的服役環(huán)境、用途等使用需求選擇合適的 CF、 設計合理的預制體空間結(jié)構(gòu)制備 C/C 復合材料，不同種類的碳纖維和不同 結(jié)構(gòu)的預制體（纖維束的取向、纖維的體積含量等），材料的性能表現(xiàn)具有 顯著的差異。故應該保證所選擇的碳纖維能夠滿足其特殊使用要求，如需 滿足不同需求，也可將不同類型的碳纖維束交叉混用。
預制體成型工藝應根據(jù)產(chǎn)品的使用需求確定，比較常見的成型工藝包括： 短纖維模壓、織物疊層、三維編織、Novoltex 技術(shù)等。
致密化即將基體碳填入到預制體內(nèi)部的孔隙，常用方法有化學氣相沉積法、 高壓液相法。其中高壓液相法因可將致密化周期由幾個月縮短至幾小時而 備受關(guān)注。
C/C 復合材料在 400℃以上開始氧化，嚴重制約了其在高溫有氧環(huán)境下的長時間 可靠使用，目前常用的方式有基體改性技術(shù)及抗氧化涂層技術(shù)。 基體改性技術(shù)，在 C/C 復合材料內(nèi)部添加抗氧化組元，利用“吸氧+阻氧” 熱防護機制可以大幅提高 C/C 復合材料的抗氧化性能與抗燒蝕性能。 抗氧化涂層技術(shù)即通過在 C/C 復合材料外表面形成有效的氧化防護涂層， 將環(huán)境氧與材料隔離，避免材料因氧化燒蝕導致力學性能下降和外形變化。 由于工藝簡單、周期短，抗氧化涂層的抗氧化防護效果、耐溫等級、自愈合 能力等決定了 C/C 復合材料所能使用的溫度等級和環(huán)境。
2.2 價格角度：工藝設備革新及回收推動成本下降是主旋律
2.2.1 成本端：工藝設備及規(guī)模是其成本控制的核心
碳纖維產(chǎn)品制備環(huán)節(jié)，按照生產(chǎn)流程來看，根據(jù)產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)數(shù)據(jù)，原絲制備環(huán) 節(jié)成本占比最高，達到 51%，其次是碳化，成本占比約為 23%。按照成本要素來看， 原材料及燃料成本占比均達到了 30%。
碳纖維復合材料制備環(huán)節(jié)，不同階段產(chǎn)品價格大幅增值，同一品種原絲的售價 約 40 元/公斤，碳纖維約 180 元/公斤，預浸料約 600 元/公斤，民用復合材料約在 1000 元以下/公斤，汽車復合材料約 3000 元/公斤，航空復合材料約 8000 元/公斤， 每一級的深加工都有大幅度的增值。 從國內(nèi)上市公司報表角度，原絲端以主營碳纖維原絲的吉林碳谷為例。吉林碳 谷在招股書中指出公司主要產(chǎn)品碳纖維原絲生產(chǎn)過程中直接材料占比最大，材料中 以丙烯腈及油劑為主，丙烯腈及油劑成本占總材料成本的 90%左右。
碳纖維端以主營碳纖維的中復神鷹為例。中復神鷹在招股書中指出碳纖維生產(chǎn) 所需的原材料和能源消耗較多，且具有占地面積大、設備價值高的特點，導致折舊攤銷費用較大，因此主營業(yè)務成本主要由直接材料、制造費用構(gòu)成。
碳纖維復材端以擁有碳纖維復材的恒神股份為例。恒神股份在招股書中指出通 過對碳纖維復合材料的成本結(jié)果分析， 最大的成本空間是在復合材料結(jié)構(gòu)件的設計 和制造工藝上。
從各環(huán)節(jié)來看，丙烯腈價格、纖維制造、制品設計制造及能耗是主要成本點。 丙烯腈方面，根據(jù)恒神股份招股書披露，丙烯腈為石油化工產(chǎn)品，采購價 格受國際石油價格波動影響。石油為大宗商品，其價格受供需關(guān)系、世界經(jīng) 濟政治環(huán)境等多重因素影響。故丙烯腈成本碳纖維企業(yè)難以自我控制。
制造費用方面，根據(jù)中復神鷹招股說明書披露，制造費用高主因在于碳纖 維生產(chǎn)所需設備價值較高，折舊金額較大，一般通過工藝改進、規(guī)模效應來 盡可能降低成本。對于規(guī)模效應而言，生產(chǎn) 1kg 碳纖維需要消耗 2.2kg PAN 原絲，即生產(chǎn) 500t 碳纖維需配備 1100tPAN 原絲生產(chǎn)能力。在碳纖維生產(chǎn) 制備過程中，即使規(guī)模很小，其輔助工程、生產(chǎn)裝備也必須齊全，因而規(guī)模 效益在碳纖維生產(chǎn)制備過程中顯得異常突出。
制品設計制造方面，碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)成型與材料成型同時完成， 下游 產(chǎn)品性能受纖維與樹脂匹配性、工藝性等影響較大，因此必須發(fā)展由原絲 到碳纖維再到復合材料的全產(chǎn)業(yè)鏈。下游產(chǎn)品的開發(fā)，要與碳纖維的研發(fā) 形成一個良性互動的過程。在“生產(chǎn)→應用→改進→擴大應用→提高→穩(wěn) 定”循環(huán)中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，從不穩(wěn)定到逐步穩(wěn)定。一般通過工藝改進 來降低成本。
能耗方面，生產(chǎn)過程需要高溫加熱環(huán)節(jié)，因而耗用大量燃料動力。考慮到天 然氣、電力、蒸汽等價格由政府統(tǒng)一調(diào)控，價格相對穩(wěn)定。因而碳纖維企業(yè) 一般通過工藝改進來進行降本。
2.2.2 纖維端：吃透工藝設備、降低能耗是主切入點
工藝設備方面，工藝沒有絕對的優(yōu)劣之分，吃透工藝原理、設備才能掌控定價 主動權(quán)。碳纖維原絲制備及碳纖維制備方法多種多樣，每一種工藝均存在優(yōu)劣勢， 如何合理的規(guī)避工藝、設備的缺點成為關(guān)鍵。 以近期上市的中復神鷹為例，工藝方面，招股書披露，公司“干噴濕紡千噸級 高強/百噸級中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應用”成果榮獲 2017 年度國家科學技術(shù) 進步一等獎，為國內(nèi)碳纖維領(lǐng)域唯一獲得該項殊榮的企業(yè)，奠定了公司在國內(nèi)碳纖 維領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位。
設備方面，招股書披露基于保護公司核心利益等因素的考慮，公司不宜從其他 方采購聚合釜、紡絲機等公司擁有核心工藝技術(shù)的關(guān)鍵設備，同時，江蘇鷹游生產(chǎn) 的碳纖維機器設備僅向公司銷售。
回顧全球企業(yè)，從專利申請可以看出碳纖維企業(yè)始終專注于工藝設備革新。1980 年開始，國外碳纖維技術(shù)步入發(fā)展期，每年專利申請量均超過 60 件，且在 1989 年達到 341 件之多;20 世紀 90 年代，日本經(jīng)歷經(jīng)濟蕭條、美國遭遇經(jīng)濟危機，該領(lǐng)域 的專利申請數(shù)量出現(xiàn)下降趨勢;2000 年之后，國外碳纖維技術(shù)逐步恢復發(fā)展，并逐步 進入快速發(fā)展階段。中國 1985 年開始建立專利制度，因此在 1985 年之前沒有專利 申請;1985—2000 年，我國碳纖維專利技術(shù)初入萌芽期，每年專利申請量均不超過 5 件。2000 年之后，全球碳纖維技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩块_始呈現(xiàn)增長態(tài)勢，尤其是 2010 年之后，我國專利申請數(shù)量急速增長，每年專利申請量超過 300 件，標志著我國碳 纖維技術(shù)邁入快速發(fā)展期。
海外企業(yè)以三菱麗陽為例，三菱麗陽公司 2007 年以來的專利申請涉及了制備過 程中的各個環(huán)節(jié)，其中控制原絲質(zhì)量、碳纖維質(zhì)量占比非常大;碳纖維設備包括噴絲 /拉絲設備、熱處理設備(碳化爐、石墨化爐)、預氧化爐、包裝設備等，是實現(xiàn)碳纖 維生產(chǎn)并進一步提高碳纖維質(zhì)量的關(guān)鍵要素;隨著聚合工藝的發(fā)展，與原液可紡性相 關(guān)的研究例如共聚單體改性、聚合體系中引發(fā)劑的選擇、共混改性、聚合工藝參數(shù) 的選擇、聚丙烯腈產(chǎn)物的分子量/PDI 的控制、聚合溶劑的選擇、聚合具體工藝等逐 漸趨于成熟，但仍有部分專利涉及相關(guān)工藝的完善。
能耗方面，預氧化時間約占生產(chǎn)總時間 90%以上。所以預氧化工序是控制產(chǎn)量 和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵。因此在保證質(zhì)量的前提下，如何縮短預氧化時間是當前難點。 在聚丙烯腈基碳纖維制備過程中，預氧化是決定碳纖維各項指標的關(guān)鍵步驟之一。 溫度和時間是預氧化過程中 2 個最為重要的參數(shù)，在工藝制定過程中，需要綜合考 慮溫度和時間的影響，預氧化不僅控制碳纖維的產(chǎn)量，同時也控制碳纖維的質(zhì)量。
工藝方面，如何縮短預氧化時間的同時降低皮芯結(jié)構(gòu)的生成，對碳纖維生產(chǎn)成本的降低以及性能的提高具有十分重要的意義。
設備方面，目前工業(yè)化生產(chǎn)中的預氧化處理設備多為熱風循環(huán)式預氧化爐， 通過熱風循環(huán)系統(tǒng)能夠多次利用熱風，減少熱能量損失。已知為防止預氧 化處理過程中單纖維間發(fā)生熔接，會采取給予前體纖維絲束油劑的方法， 但油劑在預氧化熱處理過程中易揮發(fā)，所產(chǎn)生的雜質(zhì)長期滯留在熱風循環(huán) 系統(tǒng)內(nèi)難以排出，很容易粘附在纖維絲上從而導致在后續(xù)碳化過程中發(fā)生 起毛、單纖維斷裂。如果不及時對預氧化爐內(nèi)加以清洗，可能會導致排風口 處用于風速整流的多孔板發(fā)生堵塞，阻礙熱風循環(huán)，輕則引發(fā)斷紗，重則導 致火災。但對預氧化爐進行清洗，需要停止設備的運行，十分影響生產(chǎn)效 率，且清洗費用龐大。
2.2.3 制品端：新型工藝及設計制造一體化未來可期
當前復合材料低成本化技術(shù)發(fā)展方向主要有非熱壓罐成型工藝(Out-ofautoclave，簡稱 OOA)、液體成型工藝、快速固化成型技術(shù)、低溫固化成型技術(shù)及設 計制造一體化技術(shù)等，其中快速固化成型技術(shù)是當前發(fā)展的有效降低成本、提高效 率的成型技術(shù)，具有非常重要的工程應用價值。據(jù)估算復合材料制造成本占總成本 50%以上，成本高的主要原因是原料貴、成型周期長、能耗大、生產(chǎn)效率低、工藝輔 料昂貴等。根據(jù)《低成本非熱壓罐工藝在飛機復材結(jié)構(gòu)上的應用》一文披露，對于采 用熱壓罐固化的先進復合材料結(jié)構(gòu)，材料成本占總成本約 15%左右，設計成本僅占總 成本的 5%，其余成本大部分為復合材料鋪貼、固化、修切和裝配等制造成本，制造 成本通常占復合材料制件總成本的 70-80%。美國飛機制造商統(tǒng)計結(jié)果表明，在復合 材料產(chǎn)品成本比例中，鋪層占 25%、裝配占 45%、固化占 10%，可以看出，復合材料 產(chǎn)品成本集中于與人工密切相關(guān)的部分。
非熱壓罐成型工藝(Out-of-autoclave，簡稱 OOA)技術(shù)方面，在復合材料構(gòu)件快 速發(fā)展應用及低成本、超大型的制造需求下，低成本的非熱壓罐成型技術(shù)已經(jīng)成為 復合材料領(lǐng)域的核心問題。而在眾多非熱壓罐成型技術(shù)中，非熱壓罐-預浸料技術(shù)的 鋪貼和包覆過程與熱壓罐工藝相近，只是將固化場所轉(zhuǎn)移到造價更便宜、尺寸受限 更小的烘箱或固化爐中，基本繼承了熱壓罐成型工藝的優(yōu)點，被認為是最有可能大 規(guī)模實現(xiàn)的非熱壓罐成型技術(shù)。
OOA 樹脂相比于熱壓罐成型樹脂自身揮發(fā)物含量應該更低、流變行為更精 細可控。因此在樹脂制備過程中，盡量采用真空條件制備，盡可能除去樹脂 體系中夾雜的空氣、水汽和易揮發(fā)物，如果需要保存，則注意密封。
OOA 預浸料在浸漬程度和室溫儲存期兩方面應具備更高的要求。此外，另外， OOA 成型技術(shù)突破了熱壓罐尺寸限制，適合于制造大型和超大型結(jié)構(gòu)件，考 慮到制造工期，預浸料應具備更長的室溫儲存期，目前主流 OOA 預浸料室 溫儲存期一般都不少于 30d。
真空固化成型工藝步驟基本與熱壓罐固化工藝步驟相同，但需在預浸料鋪 覆時盡量減少夾雜、包裹氣體，國際上常用的做法是長時間的預壓實過程， 每鋪覆幾層，即抽一次真空壓實一定時間，盡可能多地排除鋪層中夾裹的 氣體。但預壓實過程并非必需步驟，可以用較低溫度的短時恒溫來替代漫 長的預壓實過程。
液體成型工藝（Liquid Composite Molding，LCM）是將液態(tài)樹脂（或加熱熔化預置的樹脂膜）注入鋪在模具上的纖維預成型體，樹脂在流動的同時完成纖維的浸 潤并經(jīng)固化成為制品，可以省略預浸料加工、預浸料低溫儲存和使用昂貴的熱壓罐 3 道工藝過程。LCM 工藝主要包括三大類：即樹脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molded，RTM）、真空輔助樹脂滲透成型（Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI） 和樹脂膜滲透成型（Resin Film Infusion，RFI）。RTM 的特點是采用閉合模具；VARI 的特點是僅有單側(cè)開放模具，并僅需真空袋壓；RFI 的特點是樹脂以薄膜形式鋪放在 干預制體的層間，只有單側(cè)開放模具，僅需真空袋壓（也有部分采用熱壓罐固化）。
液體成型工藝在航天結(jié)構(gòu)中也得到了應用，如美國 Lockheed Martin（洛克希德·馬丁）公司用液體成型工藝制造出 UGM－133A 三叉戟－2 彈道導彈結(jié)構(gòu)件，使原 來的 61 個部件減少到了 1 個，大大降低了制造成本；Hercules 公司使用玻璃纖維與 碳纖維混編的預制體制造導彈機翼等部件，其成本僅為連續(xù)纖維纏繞工藝的 30%左 右。我國航天材料及工藝研究所已將此工藝應用于帽形件、筒體、電纜罩和天線罩 等部件的加工，采用 VARI 工藝制備了滿足要求的大型復合材料貯運發(fā)射箱。
快速固化成型技術(shù)方面，快速固化成型的關(guān)鍵技術(shù)是指樹脂體系在室溫下有一 定儲存穩(wěn)定性，當升高至特定溫度時快速反應固化，溫度越高固化速率越快，一般 固化時間不足 20min，最快約 2min 可實現(xiàn)固化。采用快速固化成型復合材料技術(shù)在 降低成本和提高效率方面已達成共識，世界上幾家大的復合材料制造廠商都分別發(fā) 展了各自的快速固化預浸料體系，主要有美國 Hexcel 公司的 M77 可實現(xiàn) 150℃下 2min 固化，固瑞特公司的 VelinoxTM100 可實現(xiàn) 130℃下 10min 固化，日本 Toray 公 司的 P3831C 可實現(xiàn) 150℃下 10min 固化。2021 年 5 月 10 日，日本三菱化學公司宣 布開發(fā)出 60s 快速固化碳纖維預浸料產(chǎn)品，并已正式開始銷售。
考慮到預浸料需要冷藏運輸，具有潛伏性的快速固化環(huán)氧樹脂體系也逐步成為 趨勢。環(huán)氧樹脂固化劑同樣有很多種類，按照與樹脂混合后，在常溫常態(tài)下的儲存 穩(wěn)定性可以分為兩種：普通固化劑和潛伏性固化劑。普通固化劑主要包括：咪唑類、 硫醇類、脂肪族多胺和脂環(huán)族多胺等。其室溫下就可以固化環(huán)氧樹脂，因此在使用 之前必須與環(huán)氧樹脂分開儲存，并且在配制時因為流動性差，非常容易發(fā)生混合不 均勻的現(xiàn)象。而潛伏性固化劑則能有效解決以上問題。潛伏性固化劑在常溫常態(tài)下 保持與環(huán)氧樹脂體系的反應惰性，當達到特定條件時，才會大規(guī)模地引發(fā)環(huán)氧基團 反應，因此，其與環(huán)氧樹脂混合體系具有較長的儲存期。
在產(chǎn)品應用方面，快速固化預浸料主要應用于汽車、體育、通用航空等領(lǐng)域，尤 其是適于汽車制造領(lǐng)域?？焖俟袒A浸料/復合材料正得到快速推廣應用。如 HEXCEL 的快速固化復合材料體系正在汽車和體育用品領(lǐng)域大規(guī)模推廣應用，GURIT 快速固 化預浸料/復合材料產(chǎn)品已經(jīng)應用于汽車引擎蓋、前后保險杠等，日本三菱人造絲公 司的碳纖維快速固化預浸料 R02 用于生產(chǎn)斯巴魯翼豹（impreza）汽車的引擎蓋，使 用后比原來鋼制引擎蓋輕 63%，減質(zhì)量 9.2kg；東邦公司與豐田（TOYOTA）汽車公司 合作，使用其 10min 內(nèi)快速固化碳纖維預浸料生產(chǎn) LEA 跑車。其他掌握快速固化預 浸料技術(shù)的企業(yè)如三菱也都把快速固化預浸料技術(shù)應用于汽車作為一項重要的研發(fā) 推廣內(nèi)容，充分認識到該技術(shù)將對復合材料在汽車等工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，正 在積極推廣應用。
在國內(nèi)，中航復合材料有限責任公司推出的 ACTECH? 1201 快速固化復合材料已經(jīng)在電動大巴車主承力結(jié)構(gòu)上得到驗證和應用，并與國內(nèi)多家碳纖維廠商及汽車廠 商合作聯(lián)手推動碳纖維復合材料在汽車零部件領(lǐng)域的應用。快速固化預浸料在某電 動汽車電池箱、某新能源汽車引擎蓋、某無人機螺旋槳等汽車及民用航空領(lǐng)域獲得 考核應用，獲得用戶的高度評價：“ACTECH 1201 系列預浸料可實現(xiàn)快速固化成型， 可在 130℃-150℃、3-15 分鐘完成固化，該預浸料鋪覆性好，室溫儲存期長，耐熱 性良好（Tg≥140℃），復合材料生產(chǎn)周期可由原來的 360 分鐘縮短到 50 分鐘。通過 改造模具和固化工藝可進一步縮短成型周期，以滿足大批量、快節(jié)奏生產(chǎn)的需要。” 低溫固化成型技術(shù)方面，目前高性能環(huán)氧樹脂復合材料制造大多采用預浸料形 式，在中高溫固化（120-180℃）成型。較高的固化溫度不但增加了復材的內(nèi)應力， 影響制件的尺寸精度，而且還使得制造成本較高，即使小批量制造，成本也在 60%- 70%，其中的高能耗、長成型周期、耐溫工裝模具和輔料都提高了制造成本。中低溫 固化一般是在 70-90℃固化，可以采用非熱壓罐固化，有效降低固化應力，大幅度降 低復合材料制造成本。
低溫固化復合材料具有固化溫度低，固化過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力小，制備成本較 低等優(yōu)勢，并可通過脫模后的自由高溫后處理工藝來提升復合材料的力學性能和耐 熱性，是復合材料低成本制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。常見的低溫固化復合材料 多見于濕法纏繞工藝及 RTM 工藝和真空灌注工藝制備，其采用的樹脂體系適用期一 般為幾個小時。采用預浸料形式來制備低溫固化復合材料并不多見，主要是由于一 般的低溫固化樹脂體系適用期只有幾個小時，做成預浸料后很快就會發(fā)生固化，無 法滿足某些零部件采用預浸料制造時預浸、裁切、鋪疊等工序的時間要求。因此低 溫固化預浸料需要解決低溫固化和室溫適用期之間的矛盾，即要求樹脂體系滿足固 化溫度低，室溫適用期長等要求，同時低溫預浸料的制備尤其是采用熱熔法工藝制備時還要滿足預浸料的制備工藝要求，即在低溫下能夠制備樹脂膠膜和進行膠膜與 纖維的預浸。因此，市面上見諸報道的熱熔法制備的低溫預浸料非常少。
材料-制造一體化的快速固化工藝方面，為適應汽車制造工業(yè)的特點和需要，必 須實現(xiàn)復合材料的低成本快速成型。為降低材料和制造成本，汽車用復合材料零部 件的生產(chǎn)需要實現(xiàn)材料-制造的一體化自動化低成本制造。
模壓工藝、高壓 RTM 工藝（HP-RTM）等工藝目前應用最為廣泛。樹脂方面， 聚氨酯、環(huán)氧等具備快速固化性質(zhì)的樹脂是當前的研究熱點，環(huán)氧樹脂適合于預浸料模壓及 HP-RTM 等多種工藝世界生產(chǎn) HP-RTM 設備的廠商包括 DIEFFENBACHER、SCHULER、TECNALIA 等企業(yè)。
GIM（Gap Impregnation System）工藝是由德國 BREYER 公司與亞琛工業(yè)大 學聯(lián)合針對汽車復合材料零件快速成型開發(fā)的工藝。將纖維編織物垂直放 置于模具上，樹脂在真空下注射，兩端模具和模固化。該成型工藝的主要特 點是產(chǎn)品固化時間短（ 5-15 min）、注射壓力低（＜1MPa）、可做夾芯結(jié)構(gòu) （芯材為閉孔泡沫）。目前 GIM 成型生產(chǎn)線已經(jīng)在福特某車型的引擎蓋得到 應用。
與傳統(tǒng)的工藝相比，3D 打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)設計方面具有很大的優(yōu)勢。3D 打印 可以更簡單方便地制造出傳統(tǒng)工藝難以加工制造復雜結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)的設計 空間更廣的同時也具備結(jié)構(gòu)可定制化的優(yōu)勢，通過結(jié)構(gòu)的設計和制造一體 化流程，每個人都可以設計并制造出自己需要的結(jié)構(gòu)。雖然 3D 打印技術(shù)在 結(jié)構(gòu)設計方面的優(yōu)勢表現(xiàn)突出，但在材料方面，主流的聚合物 3D 打印材料 無法滿足模型在力學性能上的要求，而纖維增強 3D 打印復合材料可以彌補 3D 打印技術(shù)在力學性能上的不足。
常用的纖維增強復合材料 3D 打印成型工藝根據(jù)實現(xiàn)方法不同，主要分為材料擠 出成型、液態(tài)沉積成型、光固化成型、粉末燒結(jié)成型和分層實體制造成型等。
材料擠出成型是采用噴嘴擠出熔融線材的一種成型方法，又稱為熔融沉積成型 或熔融線材制造(FFF)成型方法。FFF 是目前應用最為廣泛的 3D 打印方法，具有成本 低、打印速度快、材料選擇范圍廣等優(yōu)點，但其成型的尺寸穩(wěn)定性一般偏低、打印制 品的層間性能偏弱。利用 FFF 方法可直接采用含有短纖維的熱塑性樹脂線材代替純 樹脂線材，打印制備短纖維增強熱塑性復合材料。而連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料 的 FFF 制備工藝則相對復雜，一般分為實時浸漬法和預浸絲法兩類。目前主流的纖 維增強復合材料打印設備都是基于此方法進行設計的。
2014 年 Local Motors 3D 打印汽車公司在國際制造技術(shù)展覽會現(xiàn)場利用碳纖維 3D 打印技術(shù)打印了一輛汽車，該 3D 打印設備可以以每小時 40 磅碳纖維增強復合材 料的打印速度進行 3D 打印。碳纖維增強復合材料的 3D 打印汽車擁有較高的強度質(zhì) 量比和剛度，可降低打印過程中的扭曲變形。2016 年 Local Motors 公司，制造了一 輛 3D 打印自動駕駛電動公交車 Olli，該車的部分材料是可回收的碳纖維增強塑料。
2.2.4 回收端：環(huán)保及降本或推動回收行業(yè)登上舞臺
節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟效應是碳纖維回收的主要推力。
在碳纖維增強熱固性復合材料中，樹脂基體固化后形成三維交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 常規(guī)條件下不溶于溶劑，也無法自然降解。如果不進行回收處理，將會造成 環(huán)境污染，并且隨著碳纖維用量增加，污染將會越來越嚴重。
碳纖維增強聚合物基復合材料在制造過程中預計產(chǎn)生 40%的邊角廢料，每 100kg 碳纖維復合材料廢棄物中，約有 60-70kg 碳纖維，如果按 200 元/kg 計算，廢棄碳纖維增強聚合物基復合材料中碳纖維價值將有望突破百億元。 此外，英國再生材料 ELG 碳纖維公司總經(jīng)理 Frazer Barnes 認為使用可回 收的碳纖維有可能將纖維的成本降低 40%左右。
碳纖維廢棄物的回收方法主要分為熱分解法、物理回收法、溶劑分解法及組合 回收法。
物理回收法又稱二次回收，是指利用切割、碾壓、研磨等機械力來粉碎 CFRP 廢棄物，破壞碳纖維與樹脂基體之間界面粘合力，從而使得碳纖維從樹脂 基體中剝離，隨后通過篩分得到富含樹脂基體細粉末及短切碳纖維回收料。 物理回收法簡單易行、成本低，回收過程不產(chǎn)生新的污染，是一種高效綠色 回收方法。機械回收法降解回收 CFRP 廢棄物可以產(chǎn)生一些新的材料進行應 用，例如，煉鐵的還原劑、公路鋪設的原材料等。但是，該方法只能得到短 切碳纖維，且表面仍然有樹脂殘留，纖維性能損傷較大，回收產(chǎn)物價值顯著 減小。
熱分解是指在高溫加熱條件下使聚合物斷鏈分解。聚合物基復合材料所用 基體樹脂種類很多，還包括各類附屬組成，這些物質(zhì)均可以在加熱條件下 分解成小分子化合物，因而熱分解法是目前聚合物復合材料的主要方法， 也是目前回收樹脂基聚合物的主要商業(yè)化方法。熱分解法根據(jù)反應氣氛、 反應器和加熱方式的不同分為熱裂解、流化床、真空裂解及微波裂解等。
溶劑分解法是利用各種化學溶劑將已固化樹脂基體或可溶性物質(zhì)分解，對 余下的碳纖維進行回收，也稱為溶劑法。根據(jù)溶劑的使用狀態(tài)，分為普通溶 劑法、超臨界流體法和亞臨界流體法等。
組合工藝進行回收是針對采用一種回收方法無法處理的廢棄復合材料的極 佳選擇。
回收的碳纖維其形態(tài)上都是去漿、雜亂分布的蓬松短纖維，但仍保留了原始纖 維優(yōu)異的力學性能及電磁性能。對廢料進行分離回收處理可以獲得高價值的碳纖維， 但所需投入較大，短時間內(nèi)實現(xiàn)工業(yè)化尚有難度，需要成本更低、耗能更少的環(huán)境 友好型材料再利用技術(shù)。目前回收的纖維一般均采用降級再利用方式，主要應用于 次級結(jié)構(gòu)或低端領(lǐng)域。
回收碳纖維的用途與普通商業(yè)碳纖維一樣，可用作樹脂的增強材料制備復合材 料。目前回收碳纖維的處理主要包括直接成型和碳纖維處理后成型兩種技術(shù)。 《碳纖維復合材料的回收與再利用技術(shù)》一文指出，樹脂基碳纖維在汽車、航 天、風電等行業(yè)的應用愈加廣泛，其廢棄物回收再利用將成為必要面臨的問題，歐 美和日本等發(fā)達國家對此已取得相關(guān)研究成果。我國近年相繼發(fā)布一系列政策文件 支持碳纖維復合材料的回收再利用，但整體與外國仍存在一定差距，在實際應用中， 面臨諸多問題： 目前廢棄物部件回收比較困難，尚未形成完整供應鏈條，保障廢料來源，應 加強研發(fā)者、生產(chǎn)商與回收者之間的相互協(xié)作關(guān)系； 目前回收再利用技術(shù)大多需要高壓、高溫、高腐蝕性條件，存在一定危險 性，需要進一步研究改進提高回收再利用技術(shù)的安全性與穩(wěn)定性； 國內(nèi)缺乏相關(guān)行業(yè)回收標準，尚未制定廢棄物分類標準和回收分類標準。
3 市場端：需求旺盛，國內(nèi)企業(yè)逐步發(fā)力
根據(jù)碳纖維國內(nèi)知名企業(yè)廣州賽奧碳纖維技術(shù)股份有限公司發(fā)布的《2021 年全 球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，全球碳纖維市場需求保持增長的主力是風電、 體育器材、碳碳復材及壓力容器。
2021 年中國碳纖維的總需求為 62,379 噸，對比 2020 年的 48,851 噸，同比增 長了 27.7%，其中，進口量為 33,129 噸（占總需求的 53.1%，比 2020 增長了 9.2%），國產(chǎn)纖維供應量為 29,250 噸（占總需求的 46.9%，比 2020 年增長了 58.1%）。2021 年的中國市場的總體情況是：供不應求，無論是進口還是國產(chǎn)纖維。價格方面，2021 年，由于整個碳纖維市場的緊缺，價格行情在 2020 年基礎(chǔ)上持續(xù)走高。進口碳纖維 及其制品，數(shù)量同比僅僅增加了 9.15%，而金額同比增加了 26.02%，國產(chǎn)碳纖維“毫 不示弱”，價格增加幅度不輸進口產(chǎn)品，大絲束市場，也同樣面臨緊缺。價格稍微提 升，在 13.5-14.5 美元/公斤的水平上。這個價位是大批量的采購價格，對于小批量 的用戶，這些廠家經(jīng)常報出 17-18 美元/公斤價格。
3.1 需求端：替換傳統(tǒng)材料創(chuàng)造萬噸需求
3.1.1 航空航天：可替換部分金屬及合金
在極端環(huán)境（高真空、強腐蝕介質(zhì)）、交變載荷和交變溫度聯(lián)合作用下，飛行器 機體材料的設計選材的重要決定因素是輕質(zhì)高強、耐超高溫和耐腐蝕性。
飛機機體結(jié)構(gòu)：減重是不變的追求
根據(jù)國際航協(xié)的數(shù)據(jù)，燃油成本大約占航空總成本的 26%，而在國內(nèi)部分航空公 司，燃油成本甚至要占到 40%。機體結(jié)構(gòu)材料每減輕一磅，便可帶來近百萬美元的經(jīng) 濟效率，因此低密度就成為飛行器結(jié)構(gòu)材料選材的重要原則。此外，飛行器長期在 大氣層或者外層空間運行，在極端環(huán)境服役還要求具有極高可靠性及優(yōu)良的飛行性 能，因而飛行器的設計需要盡可能提高結(jié)構(gòu)效率，且避免付出更多的重量代價，高 比強度、高比模量等特性便成為選材的考量關(guān)鍵因素。 綜合比較下，低密度、高比模量及高比強度的碳纖維復合材料是當下最優(yōu)選擇。 其在軍用飛機和民用飛機中的占比也逐年大幅提升，已替代原有結(jié)構(gòu)鋼及鋁材，成 為飛行器結(jié)構(gòu)材料的首選。
碳纖維增強復合材料是航空工業(yè)應用比較廣泛的復合材料之一,由于其密度僅 為鋁合金的 60%,在飛機結(jié)構(gòu)設計中大量使用可以使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少 20-25%。飛機上最 常用的是碳纖維增強復合材料是樹脂基復合材料(CFRP)。軍用飛機方面，碳纖維增 強復合材料主要應用于飛機的非承力部件上,如飛機雷達罩、艙門、整流罩、飛機尾 翼的垂直尾翼、水平尾翼及方向舵等,例如法國幻影 2000 戰(zhàn)斗機尾翼的設計采用了 復合材料。民用飛機方面，波音公司生產(chǎn) B787 客機中碳纖維增強復合材料和玻璃纖維增強材料已占全機結(jié)構(gòu)重量的 50%,可節(jié)省燃油 20%。
與傳統(tǒng)固定翼飛機相比,直升機的飛行速度慢、飛行高度較低,并且在濕熱、干 旱、沙塵等惡劣環(huán)境條件下工作的情況較多,這對直升機結(jié)構(gòu)的耐候性、耐蝕性提出 了更高的要求。1974 年首飛的美國 CH-53E 重型多功能直升機使用的復合材料僅約 占 5%,而它的接替者 V-22 傾轉(zhuǎn)旋翼機的機身和尾翼采用的是 AS4/3501-6 復合材料, 使用量占比為 41%,使整體減重 13%,零件數(shù)減少 35%,成本降低 22%。2020 年獲得歐 洲航空安全局的型號合格證的 H-160 直升機則成為了世界上第一款全復合材料民用 直升機,其槳轂中央件采用碳纖維增強聚醚醚酮樹脂基熱塑性復合材料設計制備。
無人機的輕量化需求促使其機體材料不斷地更新?lián)Q代，繼鋁合金、鈦合金等輕 質(zhì)化金屬材料之后，碳纖維復合材料成為無人機的“主力”材料，可以說，以碳纖維復合材料為核心的無人機結(jié)構(gòu)設計、制造技術(shù)成為無人機發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。美國 先進 RQ-4 全球鷹無人偵察機的機翼、尾翼、發(fā)動機短艙、后機身都是由碳纖維增強 復合材料制造的。AAI 公司影子無人機的機身使用的是碳纖維增強環(huán)氧樹脂復合材 料,尾翼使用的是碳纖維或芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料,機翼則是由碳纖維增強 環(huán)氧樹脂復合材料面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造的。
火箭、導彈、衛(wèi)星：耐高溫、輕質(zhì)高強是堅定的目標
航天裝備如火箭、導彈等一般飛行速度較高，根據(jù)資料顯示，當導彈飛行速度達 4-10 馬赫時，表面溫度范圍可達 445-3173℃，普通的鋁合金甚至鈦合金都難以滿足 要求。綜合考量對比下，密度僅有高溫合金的 1/4-1/3 且能在高溫下依然保持優(yōu)異 力學性能的碳纖維復合材料無疑是未來最佳選擇。 在大型運載火箭上，碳纖維應用多用于整流罩、發(fā)動機殼體等結(jié)構(gòu)中，特別是上 面級結(jié)構(gòu)中廣泛采用碳纖維，有效地減輕了上面級結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對提高運載火箭發(fā)射 有效載荷的能力具有十分明顯的效果。美國的“大力神”火箭采用碳纖維作為整流 罩、級間段艙體和錐形尾艙承載結(jié)構(gòu)材料，級間段蒙皮和錐形尾艙殼體采用的是 IM7 /8552 復合材料。另外美國、日本、法國的固體發(fā)動機殼體主要采用碳纖維，如美國“三叉戟”－2 導彈、“戰(zhàn)斧”式巡航導彈、“大力神”－4 火箭、法國的“阿里安娜 2”型火箭、日本的 M－5 火箭等發(fā)動機殼體，其中使用量最大的是美國赫氏公司生 產(chǎn)的 IM －7 中模高強碳纖維，抗拉強度為 5.3GPa。
碳纖維大量使用可以減輕導彈的質(zhì)量,增加導彈的射程,提高落點的精度,因此 碳纖維復合材料常應用于導彈殼體、發(fā)射筒等結(jié)構(gòu)中。俄羅斯圓錘潛艇發(fā)射導彈、 白楊-M 型導彈的發(fā)動機噴管及大面積防熱層均使用粘膠基碳纖維增強的酚醛復合 材料。美國的 PAC-3 發(fā)動機殼體使用 IM-7 碳纖維、戰(zhàn)斗部殼體使用 T300 碳纖維。 THAAD 薩德導彈采用了高強中模碳纖維樹脂基復合材料作為發(fā)動機殼體材料,并在 其攔截器艙體結(jié)構(gòu)中使用了高模高強碳纖維。法國 M51 彈道導彈使用由碳纖維復合 材料編織而成的發(fā)動機外殼。高模量碳纖維增強碳復合材料常用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中。
發(fā)動機：減重兼顧耐高溫
提高推重比、降低服役成本一直是軍用發(fā)動機的研制焦點。當前最先進的 F119 渦輪發(fā)動機進氣口溫度已高達到 1700℃左右，目前耐熱性能最好的鎳基高溫合金材 料工作溫度在 1100℃左右，因而必須采用隔熱涂層以及設計最先進的冷卻結(jié)構(gòu)才能 滿足先進航發(fā)的熱結(jié)構(gòu)用材需求，尋找下一代耐高溫性能優(yōu)異的材料便成為了航空 發(fā)動機設計的關(guān)鍵。
市場規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年航 空航天市場對碳纖維的需求量為 16450 噸，預計 2025 年需求量將攀升至 20635 噸。
3.1.2 風電領(lǐng)域：可替換部分纖維及金屬
風能作為清潔、可再生能源中的一員，具有單機容量大、占地面積小以及技術(shù)相 對成熟的獨特優(yōu)勢。相對核能，風能具有更高的安全性；相對水能，風能具有更大的 發(fā)展?jié)摿?；相對太陽能，風能具有更低的開發(fā)成本。
風力發(fā)電具有發(fā)展速度快、成本低、污染小、可持續(xù)發(fā)展強等一系列顯著的優(yōu)點，所以目前已經(jīng)成為最具有開發(fā)規(guī)模和商業(yè)發(fā)展前景的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)之一。進入 21 世紀，由于全球多個國家達成共識并積極采取行動，使得風力發(fā)電技術(shù)得以快速 發(fā)展，風電裝機容量也在高速擴增，這進一步促使風力發(fā)電在世界范圍內(nèi)日益成為 一個迅速增長的新興產(chǎn)業(yè)。 風電的原理便是風力機將空氣的動能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)機械能。當來流接近風輪后， 速度逐漸降低，流動面積逐漸增加，空氣壓力逐漸增加，將動能轉(zhuǎn)變成壓力能；當氣 流經(jīng)過風輪后，壓力能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)機械能后，壓力下降，氣流速度減小，面積增加， 同時由于尾流損失的存在使部分動能轉(zhuǎn)化成壓力能使壓力與遠處大氣壓相等。
根據(jù)風能密度公式，風機功率與葉片長度關(guān)系式為 P=1/2ρπr 2 V 3 Cp（ρ-空氣密 度；V-風速；Cp-風能利用系數(shù)；r-葉片長度），即葉片長度與功率呈正比關(guān)系。
風電葉片的形狀一直沒有發(fā)生太大的變化，但是葉片的材料卻發(fā)生了質(zhì)的變化，葉片材料的發(fā)展過程大致經(jīng)過了三個階段：木質(zhì)葉片階段、金屬葉片階段和復合材 料階段。不管是陸上風電還是海上風電葉片都向著更長更大的方向發(fā)展，伴隨而來 的則是要求葉片的質(zhì)量不能增加太多，且模量要更高，材料就是其中的關(guān)鍵因素。 葉片材料要滿足密度－性能－成本三方面的平衡關(guān)系，葉片材料的發(fā)展過程其實是 材料的輕量化、高性能化和低成本化的發(fā)展過程。
早期使用木質(zhì)葉片主要出于兩個原因：第一，當時的技術(shù)制造出來的風力 發(fā)電機組的容量很小，所以葉片的尺寸不能太大，相對于金屬，選用木材制 備葉片更合適。第二，木材的密度顯然要小于金屬，所以使用木材制備的葉 片更加輕便。但是木質(zhì)葉片的主要缺點是難以加工成型，且強度較低，受自 然環(huán)境的影響很大。伴隨著技術(shù)的發(fā)展，木質(zhì)葉片的尺寸漸漸不能與發(fā)電 機組的容量相匹配，木質(zhì)葉片逐步被金屬葉片所取代。
風力發(fā)電機組容量的增大使得金屬葉片逐步被開出來。金屬葉片相較于木 質(zhì)葉片更容易加工成型，而且采用金屬制備的葉片的尺寸大于采用木村制 備的葉片的尺寸，發(fā)電量進一步增加，使金屬葉片—度被認為是風電葉片 最理想的材料。但是金屬葉片有其固有的內(nèi)在缺點，如不耐腐蝕、密度較大 等。在金屬葉片之后，由于葉片材料沒有得到發(fā)展，葉片在很長一段時間內(nèi) 沒有得到進一步的發(fā)展。
二十世紀五十年代左右伴隨著纖維增強復合材料的出現(xiàn)，開始使用復合材 料替代金屬材料制造葉片，風力發(fā)電才開始大規(guī)模投產(chǎn)。復合材料葉片幾 乎沒有木質(zhì)葉片和金屬葉片的缺點。首先，復合材料的密度小，不管是使用 玻璃纖維還是碳纖維增強的復合材料的密度都要顯著小于金屬。其次，雖 然復合材料的模量比金屬的模量稍低。第三，復合材料比金屬耐腐蝕，使用 壽命更長。第四，復合材料的可設計性強。
風電領(lǐng)域碳纖維成型方法主要是拉擠法。目前復合材料主梁的成型工藝主要有 三種：預浸料工藝、灌注工藝和拉擠工藝，利用拉擠工藝來生產(chǎn)主梁是近年新發(fā)展 出來的。由于葉片長度達幾十米到上百米，其中的主梁的長度與葉片差不多，采用 預浸料工藝生產(chǎn)主梁時，由于能耗及設備制約，只能使用低溫固化的預浸料，生產(chǎn)工藝復雜，生產(chǎn)效率較低。另外，預浸料的運輸和儲存過程都需要在低溫下進行。相 較前述兩種方法，拉擠工藝制備的復合材料制件纖維含量高，質(zhì)量穩(wěn)定，適合大批 量生產(chǎn)。
市場規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年風 電對碳纖維的需求量為 33000 噸，預計 2025 年需求量將攀升至 80566 噸。
3.1.3 氫能領(lǐng)域：可替換部分高強度鋼材
環(huán)保壓力及能源戰(zhàn)略安全逐步推動氫能的發(fā)展。 自 1970 年以來，全球平均氣溫以每世紀 1.7°C 的速度上升，而在過去 7000 年中，全球平均氣溫以每世紀 0.01°C 的速度下降。目前全球每年排放 250 多億噸 CO2，空氣中的 CO2濃度，從工業(yè)化 150 多年以來，已從 280ppm 增至 380ppm。溫室氣體對地球?qū)⑿纬蔀碾y性的后果，全世界都在采取多種措施 減排 CO2。根據(jù) IPPC 及 IEA 數(shù)據(jù)可知，2020 年石油、煤炭及天然氣等排放的二氧化碳占比總?cè)剂先紵偱欧帕糠謩e為 31%、42%及 23%。目前全球變 暖已經(jīng)帶來了大量極端災害事件，特別在北半球高緯度氣度。目前各國已 經(jīng)達成了共識，并于 2015 年 12 月簽訂了《巴黎協(xié)定》，主要目標為將世界 溫度升溫限制在 1.5℃以內(nèi)。
氫能以低依賴資源礦產(chǎn)及零碳排放被視為未來能源架構(gòu)的重要組成部分。
部分金屬礦產(chǎn)我國產(chǎn)量低，未來或?qū)o法滿足部分可再生能源的大規(guī)模應 用,而氫能所依賴的金屬礦產(chǎn)均可回收，有望成為未來能源架構(gòu)搭建的重要 部分。
清潔低碳。不論氫燃燒還是通過燃料電池的電化學反應，產(chǎn)物只有水，沒有 傳統(tǒng)能源利用所產(chǎn)生的污染物及碳排放。此外，生成的水還可繼續(xù)制氫，反 復循環(huán)使用，真正實現(xiàn)低碳甚至零碳排放，有效緩解溫室效應和環(huán)境污染。
目前，碳纖維在氫能領(lǐng)域的應用主要在于儲氫罐及燃料電池氣體擴散層。
高壓氣態(tài)儲氫具有充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。碳纖維纏繞高壓 氫瓶技術(shù)的開發(fā)應用實現(xiàn)了高壓氣態(tài)儲氫由固定式應用向車載應用的轉(zhuǎn)變。
在燃料電池中，氣體擴散層材料主要是碳紙，位于膜電極兩端，其作用一是 支撐質(zhì)子交換膜，二是涂掛催化劑，三是連接膜電極與雙極板。燃料電池碳紙是以短切碳纖維為原料制造而成，具有機械強度好、質(zhì)量輕、孔隙率高、 透氣性優(yōu)，以及優(yōu)良的導電性、耐高溫性、抗氧化性、耐腐蝕性等特點。
市場規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年儲氫氣瓶用量約為 1900 噸，2022 年中國預計將至少新增 10000 輛氫能源車，主要在物 流車、重卡和大巴領(lǐng)域，其中重卡為 6000 臺。重卡儲氫氣瓶為 210L-385L，單個瓶 子碳纖維用量在 40-45 公斤之間，單車一般配置 6-8 個瓶組，重卡領(lǐng)域碳纖維用量 大約 1700-1900 噸，加上其他物流車、客車領(lǐng)域的用量，氫燃料電池汽車用碳纖維 預計總量能到使用到 2500 噸以上。
3.1.4 汽車領(lǐng)域：可替換部分塑料及金屬
美國能源部門和機構(gòu)對汽車輕量化進行研究的數(shù)據(jù)中顯示，汽車整體質(zhì)量每下 降 10%，油量的消耗可下降 6%-8% ，排放可降低 5%-6%。此數(shù)據(jù)可表明，汽車輕量化 是當前減少油量消耗及保護環(huán)境的有效途徑。碳纖維復合材料憑借自身多種優(yōu)勢， 被廣泛應用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，該材料在汽車中的潛在應用比例為:車身結(jié)構(gòu) 35%、底 盤部件 20%、轉(zhuǎn)向及懸掛系統(tǒng) 17%、覆蓋件 10%、內(nèi)飾件 18%。
汽車中運用碳纖維復合材料最多的地方應是車身構(gòu)件。車身構(gòu)件主要包括 引擎蓋、車架、車頂框架以及 A/B/C/D 立柱等部分，各部分均將碳纖維復 合材料作為核心制造材料。將碳纖維復合材料與傳統(tǒng)金屬材料進行對比可 知，復合材料的比強度及比剛度明顯高于普通金屬材料。在相同結(jié)構(gòu)強度 條件下，采用碳纖維復合材料制作汽車零部件，其質(zhì)量可減輕 50%，對于汽 車的動力學性能具有重要提升作用。
輪轂是維持汽車正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件之一，可承受汽車的整體質(zhì)量以及載 重。因此，為保證汽車的穩(wěn)定運行，應使其具備良好的抗沖擊性、耐久性、 耐熱性以及安全性。而碳纖維復合材料可有效滿足輪轂的實際需求，有利 于實現(xiàn)汽車輕量化。英國 Kahm 公司利用碳纖維復合材料制成的 RX-X 型高 級汽車專用輪轂，可充分體現(xiàn)該材料的優(yōu)勢，其質(zhì)量僅 6kg，具有高速行駛 以及降低車輪徑向慣性力的作用。
為保證汽車的穩(wěn)定運行，要求傳動軸應具有良好的傳動能力、耐疲勞性等 優(yōu)勢。而碳纖維復合材料獨特的各向異性、比強度高等特點，將該材料應用 于傳動軸中，可將傳動軸的質(zhì)量減至原來的一半以上。在各項條件均相同的情況下，將該材料與傳統(tǒng)金屬材料相比，其扭矩力可達到鋼材的 170% 以 上。并且碳纖維復合材料的使用，可使汽車傳動軸的耐久性以及耐疲勞性 得到顯著提升。
短切碳纖維制動襯片摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率低、良好的沖擊強度和硬度、良 好的制動無噪聲，有利于環(huán)境保護，在剎車溫度高于 200℃以上時，不僅可 以無熱裂解、無熱膨脹、無熱衰退現(xiàn)象，反而由于摩擦系數(shù)的增高，使轎車 在快速行駛中剎車更具有平穩(wěn)性、安全性、舒適性。
由于復合材料的可塑性好，模塊化、集成度高，隨著成型技術(shù)和自動化裝備的進 步，復合材料汽車在工藝技術(shù)方面的優(yōu)勢將進一步顯現(xiàn)。四大工藝實現(xiàn)顛覆式創(chuàng)新， 工藝投資減少，同樣的經(jīng)濟規(guī)模，人員較傳統(tǒng)工藝可減少 2/3～4/5。特別是材料的 防腐性高，可實現(xiàn)綠色制造，更容易實現(xiàn) CKD 制造、零部件集中生產(chǎn)、異地總裝和 開拓海外市場。
纖維復合材料無論熱固型或熱塑型都可以通過多種方法進行梯度回收再利用，同時車身零部件發(fā)生損壞有相應的維修措施，滿足綠色經(jīng)濟、循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展要求。
市場規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年汽 車應用市場對碳纖維的需求量為 9500 噸，預計 2025 年需求量將攀升至 12645 噸。
3.1.5 其他領(lǐng)域：未來有望開辟出新市場
體育、建筑、電子電氣等領(lǐng)域也是碳纖維未來極具應用前景的領(lǐng)域。
體育領(lǐng)域
傳統(tǒng)的體育設施及體育器材通常使用金屬、木材等搭配塑料、橡膠等材料來進行設計和加工。然而，隨著體育器材設計領(lǐng)域的不斷進步以及國民對體育設施要求 的不斷提高，傳統(tǒng)材料由于質(zhì)量過大、性能落后、不環(huán)保、危險性較高的問題而飽受 詬病。碳纖維材料由于具備耐高溫、質(zhì)量輕、不易形變、環(huán)保、使用安全的優(yōu)點，自 進入體育器材領(lǐng)域后獲得了飛速發(fā)展。
此外，競技體育項目中，當今世界的體育競爭實質(zhì)上是科學技術(shù)的競爭，而先 進、新穎的材料則是提高體育科學技術(shù)水平的重要條件之一。如今，在不少運動項 目中，人的體能和精神的激發(fā)都幾乎達到了極限，勝敗往往只在毫厘之間，僅靠強 健的肌肉和良好的競技狀態(tài)已很難獲勝，運動員們越來越多地要依靠科學家的智慧， 拼的是裝備。人們期望通過運動器材的升級帶動運動員挑戰(zhàn)極限。
市場規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年體 育休閑應用市場對碳纖維的需求量為 18500 噸，預計 2025 年需求量將攀升至 22487 噸。
建筑領(lǐng)域
建筑領(lǐng)域較大，涵蓋建筑機械、橋梁、隧道及工業(yè)管道等。復合材料的應用主要 在建筑及橋梁結(jié)構(gòu)的補強、藝術(shù)型建筑的主體結(jié)構(gòu)、建筑機械、新建大跨/空間結(jié)構(gòu) 及管道補強等五大領(lǐng)域。
市場規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年建 筑應用市場對碳纖維的需求量為 4200 噸，預計 2025 年需求量將攀升至 6149 噸。
電子電氣領(lǐng)域
碳纖維在電子電氣領(lǐng)域的應用主要分為功能性應用及力學增強性應用。功能性 應用方面，短切碳纖維增強塑料具有防靜電、電磁屏蔽等功能，可應用在復印機、打 印機、數(shù)碼相機、數(shù)據(jù)傳輸電纜接頭等產(chǎn)品中。力學增強應用方面，長碳纖維增強塑 料（LFT）和連續(xù)碳纖維增強材料兼顧了成本與性能，可應用在筆記本等產(chǎn)品中。
市場規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年電 子電氣應用市場對碳纖維的需求量為2000噸，預計2025年需求量將攀升至2928噸。 此外，碳纖維及其制品還可以應用在軌道交通、半導體領(lǐng)域的硅單晶熱系統(tǒng)設 備及氣凝膠領(lǐng)域。
3.2 供給端：國內(nèi)起步晚，但追趕勢頭強
回顧碳纖維發(fā)展歷程及專利布局，碳纖維領(lǐng)域短期內(nèi)仍是海外企業(yè)將占據(jù)相當 優(yōu)勢?！?019 全球碳纖維復合材料市場報告》總結(jié)了碳纖維行業(yè)六十余年的發(fā)展歷 程，可以看出海外企業(yè)為碳纖維做出的貢獻居多，國內(nèi)企業(yè)起步較晚。
《基于專利分析的碳纖維技術(shù)發(fā)展研究》一文基于 Patsnap 數(shù)據(jù)庫，并參考恒 神碳纖維公司技術(shù)專家等人所確立的檢索要素，對截至 2020 年 3 月 28 日共計 17552 條專利進行分析可知，中國在碳纖維技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展明顯晚于國外，但近年來，中 國專利申請量變化趨勢與全球大致相同。
1980 年開始，國外碳纖維技術(shù)步入發(fā)展期，每年專利申請量均超過 60 件， 且在 1989 年達到 341 件之多；20 世紀 90 年代，日本經(jīng)歷經(jīng)濟蕭條、美國 遭遇經(jīng)濟危機，該領(lǐng)域的專利申請數(shù)量出現(xiàn)下降趨勢；2000 年之后，國外 碳纖維技術(shù)逐步恢復發(fā)展，并逐步進入快速發(fā)展階段。
中國 1985 年開始建立專利制度，因此在 1985 年之前沒有專利申請;1985— 2000 年，我國碳纖維專利技術(shù)初入萌芽期，每年專利申請量均不超過 5 件。 2000 年之后，全球碳纖維技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩块_始呈現(xiàn)增長態(tài)勢，尤其是 2010 年之后，我國專利申請數(shù)量急速增長，每年專利申請量超過 300 件， 標志著我國碳纖維技術(shù)邁入快速發(fā)展期。
從專利申請數(shù)量前十單位來看，中國石油化工股份有限公司、北京化工大學、東 華大學和哈爾濱工業(yè)大學分別排在第五位、第七位、第九位和第十位，可以看出，相 關(guān)科研機構(gòu)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開始發(fā)力。從專利政策上來看，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的 專利質(zhì)量還有待提高，與日本和美國的專利布局模式還存在一定差距。
因此短期來看，國內(nèi)企業(yè)仍需要努力追趕，主要原因在于國內(nèi)相關(guān)技術(shù)起步及 專利制度建設時間晚于海外。 從產(chǎn)能的角度來看，中國近五年首度成為全球最大碳纖維產(chǎn)能國。根據(jù)《2021全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，2021 年，全世界主要增加的產(chǎn)能是：吉林化 纖集團增長近 16000 噸；常州新創(chuàng)碳谷新建產(chǎn)能 6000 噸；卓爾泰克增加 3000 噸； 中復神鷹增加 8000 噸，寶旌增加 2000 噸;東邦增加 1900 噸。
國內(nèi)碳纖維對外依賴程度逐年降低，未來相關(guān)企業(yè)擴產(chǎn)結(jié)束后將進一步增厚競爭力。國產(chǎn)碳纖維 2021 保持著進步，市場份額從 2019 年的 47%攀升到 2020 年的 58%。中國當前領(lǐng)先的碳纖維企業(yè)是中石化（上海石化）、中國建材（中復神鷹）、中 國寶武（寶旌碳纖維及太鋼鋼科）、中化集團（藍星）、陜煤（國企，恒神）、吉林化 纖（國企）。
截止 2021 年末，國內(nèi)吉林化纖、中復神鷹、上海石化等等企業(yè)也宣布了其擴產(chǎn) 計劃：吉林化纖集團計劃在十四五期間完成 20 萬噸原絲，6 萬噸碳纖維及 1 萬噸 復合材料的擴產(chǎn)計劃。2021 年完成了 1.6 萬噸碳纖維的擴產(chǎn)，2022 年預計 2.7 萬噸新增碳纖維產(chǎn)能； 中復神鷹實施其西寧 20000 噸的擴產(chǎn)計劃； 寶武旗下的寶旌碳纖維 2022 年初宣布并開工了寶萬原絲建設計劃。 2021 年新創(chuàng)碳谷建設 1.8 萬噸大絲束項目，完成了其中的 6000 噸產(chǎn)能建 設，2022 年正在加緊安裝調(diào)試另外 1.2 萬噸的產(chǎn)能。 上海石化 1.2 萬噸大絲束項目正在抓緊建設，預計在 2022 年實現(xiàn) 6000 噸 產(chǎn)能輸出； 2021 年中簡科技宣布了定增擴產(chǎn)的 18.67 億元的 1500 噸碳纖維及制品計 劃。
展望未來，打造全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式是重中之重，上下游精誠合作才能逐步推動 碳纖維行業(yè)長期健康發(fā)展。《北京市碳纖維產(chǎn)業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式構(gòu)建》一文結(jié)合 檢索得到的專利數(shù)據(jù)以及產(chǎn)業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)，指出日本是碳纖維的傳統(tǒng)強國，形成了以 汽車為主要應用領(lǐng)域的完備產(chǎn)業(yè)鏈條，而且已經(jīng)將碳纖維產(chǎn)業(yè)拓展到歐洲、美國、 韓國及中國等其海外市場，依托其自身完備的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和海外市場的巨大需求，逐 步實現(xiàn)全球化市場擴張的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。歐美在碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，其技術(shù)相較 于日本并不具備優(yōu)勢，但歐美以其航空航天產(chǎn)業(yè)需求為牽引，引進了日本東麗的先 進技術(shù)及產(chǎn)品，帶動其國內(nèi)赫氏、氰特等企業(yè)發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)，逐漸完善形成完整 的碳纖維產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。文中對于北京市碳纖維產(chǎn)業(yè)也提出了相應的意見，文中認為在 碳纖維領(lǐng)域，北京市研發(fā)優(yōu)勢明顯，相關(guān)技術(shù)在航空航天產(chǎn)業(yè)應用突出，但對于碳 纖維制造生產(chǎn)發(fā)展也存在資源供給緊張、環(huán)保壓力加劇等制條件，通過市內(nèi)外協(xié)同 發(fā)展，推動產(chǎn)業(yè)鏈采取更具深度的水平和垂直分工，加強產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡的密度和延展 度，有利于增加整個產(chǎn)業(yè)鏈的附加值，同時充分發(fā)揮北京市在產(chǎn)業(yè)鏈中下端的優(yōu)勢， 促進市內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)更加精細化、專業(yè)化發(fā)展。
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