（報(bào)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(guó)際認(rèn)可的現(xiàn)代高科技領(lǐng)域的戰(zhàn)略新材料，被譽(yù)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(guò)有機(jī)纖維原 絲（先驅(qū)體）在高溫（1000-3000℃）惰性氣體保護(hù)的條件下經(jīng)過(guò)熱解、碳化等一系 列物理化學(xué)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(dá)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(qiáng)度高，是一種高性能的增強(qiáng)纖維，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕、耐 超高溫等特性，同時(shí)還兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可編織性。
碳纖維及其復(fù)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(shì)： （1）通常高模量碳纖維復(fù)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(qiáng)材料，通過(guò)合理的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(yīng)用場(chǎng)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(duì)國(guó)家的國(guó)防、經(jīng)濟(jì)、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(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等優(yōu) 異的綜合性能，同時(shí)還兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是國(guó)際認(rèn)可的現(xiàn)代高科技領(lǐng) 域的戰(zhàn)略新材料，被譽(yù)為“黑色黃金”。由于人類對(duì)于生活質(zhì)量的需求漸高，以及科 技不斷進(jìn)步，尤其是在航空航天、軍工制造等高尖端領(lǐng)域和汽車(chē)工業(yè)、建筑體育等 民用領(lǐng)域?qū)τ谙冗M(jìn)材料的需求，傳統(tǒng)材料及其復(fù)合材料漸漸無(wú)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(jìn)了這些行業(yè)的發(fā)展，同時(shí)，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(xué)性能、絲束規(guī)格、原絲種類等不同維度進(jìn)行分類。碳纖維按照 狀態(tài)可分為長(zhǎng)絲、短纖維、短切纖維，按力學(xué)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(jí)小絲束碳纖維和工業(yè)級(jí)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(zhǎng)，關(guān)鍵控制點(diǎn)多，生產(chǎn)過(guò)程中的每一個(gè)步驟帶來(lái)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(yīng)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(fù)雜工藝制得，每個(gè)過(guò)程均涉及流體力學(xué)、傳熱、傳質(zhì)、結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)等多 個(gè)單元過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，又相互聯(lián)系的過(guò)程，影響因素較為復(fù)雜。
18 世紀(jì)中，英國(guó)人斯旺和美國(guó)人愛(ài)迪生利用竹子和纖維素等經(jīng)過(guò)一系列后處理 制成了最早的碳纖維，將其用作燈絲并申請(qǐng)了專利。20 世紀(jì) 50 年代，美國(guó)開(kāi)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(jìn)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(kāi)始研制生產(chǎn)碳纖 維的優(yōu)質(zhì)原絲，在 1967 年成功開(kāi)發(fā)出 T300 聚丙烯腈基碳纖維。1966 年，英國(guó)皇家 航空研究所的 Watt 等人改進(jìn)技術(shù)，開(kāi)創(chuàng)了生產(chǎn)高強(qiáng)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(guó)聯(lián)合碳化物公司的碳化技術(shù)，生產(chǎn)出高強(qiáng)高模碳纖維。此后，美、法、德也都引進(jìn)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(fù)合材料技術(shù)微信公眾號(hào) 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(hào)，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(guò)程比較繁瑣并涉及諸多復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，要經(jīng)歷聚合、 紡絲、預(yù)氧化、碳化、石墨化、表面處理等多個(gè)步驟，其中，每個(gè)步驟又包含多個(gè) 工藝，每個(gè)工藝參數(shù)都會(huì)對(duì)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(guò)程則 涉及了高分子化學(xué)、高分子物理、物理化學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、高分子加工、自動(dòng)化控制等 不同的學(xué)科、技術(shù)交叉和融合，是一個(gè)復(fù)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(qiáng)烈依賴于每一個(gè)過(guò)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(yīng)中參與物及設(shè)備是核心
聚合是指丙烯腈（AN）單體通過(guò)自由基鏈?zhǔn)骄酆戏磻?yīng)得到長(zhǎng)鏈 PAN 的過(guò)程。聚 合過(guò)程按照工藝流程先后順序大致分為原料準(zhǔn)備、聚合反應(yīng)等。 原料準(zhǔn)備過(guò)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(xué)溶劑，陽(yáng)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(yù)氧化初始階段溫度較高，且會(huì)集中放 熱，從而導(dǎo)致預(yù)氧化過(guò)程工藝難于控制。此外，集中放熱會(huì)導(dǎo)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(shí)際生產(chǎn)中，通常將丙烯腈與共聚單體進(jìn)行共聚，以有效控制預(yù)氧化過(guò) 程中放熱反應(yīng)，共聚單體的總含量一般在 5%左右。對(duì)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(guó)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(jìn)而完成鏈增長(zhǎng)。根據(jù)《聚丙烯腈基碳纖維》 一書(shū)數(shù)據(jù)顯示，使用 AIBN 引發(fā)劑時(shí)，聚合溫度一般控制在 55-65℃內(nèi)，引 發(fā)劑用量相對(duì)單體的質(zhì)量濃度不超過(guò) 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(shí)，采用醇類或者硫醇類作為鏈轉(zhuǎn)移劑，且 加入量相對(duì)單體 AN 的質(zhì)量濃度控制在 0.1%-0.2%之間時(shí)，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(wú)機(jī)和有機(jī)兩類，無(wú)機(jī) 溶劑有硫氰酸鈉、氯化鋅、硝酸等，有機(jī)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(duì)較低，鏈轉(zhuǎn)移常數(shù)較小，且毒 性小且無(wú)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(duì)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(dá)到 10 5級(jí)），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?jǐn)?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(shí)間和聚合攪拌形式等是影響 聚合反應(yīng)的因素。
聚合反應(yīng)中，聚合設(shè)備是實(shí)施聚合反應(yīng)的關(guān)鍵設(shè)備。先進(jìn)、合理的反應(yīng)器對(duì)提 高產(chǎn)品質(zhì)量十分關(guān)鍵。
溶液反應(yīng)，由于所得的聚合液經(jīng)過(guò)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(yīng)釜幾乎都是攪拌釜式反應(yīng)器。此外，聚合反應(yīng)制得 的不同批次原液在混合時(shí)，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(yīng)，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(diǎn)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(guò)紡絲原液制 備、紡絲和后處理等工序制得的化學(xué)纖維。在碳纖維制備過(guò)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(lái)源。 原絲的各級(jí)結(jié)構(gòu)將被有選擇性的遺傳至后續(xù)預(yù)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(jiàn)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(guò)溶劑溶解后方可擠出成絲的高分子聚合物。
濕法紡絲是開(kāi)發(fā)時(shí)間最早、應(yīng)用最廣的一種方法。紡絲過(guò)程是從噴絲孔噴 出的紡絲液進(jìn)入凝固浴，發(fā)生傳質(zhì)、傳熱和相分離等物理變化，從而導(dǎo)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(guò)紡絲得到，溶液紡絲是當(dāng)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(qiáng)，引發(fā) 缺陷的概率越低。
溶劑可分為無(wú)機(jī)和有機(jī)兩類，無(wú)機(jī)溶劑有硫氰酸鈉、氯化鋅、硝酸等，有機(jī) 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(guò)凝固過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維，凝固過(guò)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(xué)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(yù)氧化過(guò)程引入的表面缺陷，從而提升碳纖維的性能。
常見(jiàn)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(guò)溶劑溶解后方可擠出成絲的高分子聚合物。
濕法紡絲是開(kāi)發(fā)時(shí)間最早、應(yīng)用最廣的一種方法。紡絲過(guò)程是從噴絲孔噴 出的紡絲液進(jìn)入凝固浴，發(fā)生傳質(zhì)、傳熱和相分離等物理變化，從而導(dǎo)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(shè)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(shè)備。
紡絲裝置方面，紡絲機(jī)是整條紡絲生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)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(jī)械及電器自動(dòng)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(jī)、凝固浴、計(jì)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(dǎo)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(guò)一系 列的后續(xù)處理，對(duì) PAN 纖維施加一定程度的拉伸過(guò)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(yù)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(jiàn)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(yù)氧化 時(shí)能耐高溫；烘干致密化裝置可消除內(nèi)應(yīng)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(xué)性能；收絲 裝置則將 PAN 原絲打包成輥。
1.2.3 聚丙烯腈預(yù)氧纖維制備：提高預(yù)氧化的效率是降本難點(diǎn)
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(guò)程為預(yù)氧化。
預(yù)氧化過(guò)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(guò)程中能夠耐上千度高溫而不熔不燃的原因。預(yù)氧化 過(guò)程主要發(fā)生環(huán)化、脫氫、氧化和裂解等反應(yīng),以脫除非碳元素。預(yù)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(yù)氧化纖維的含水率、密度及極限氧指數(shù)。在預(yù) 氧化過(guò)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(dāng)會(huì)對(duì)碳纖維力學(xué)性能造成很大的影響,因此,控制好預(yù)氧化過(guò)程對(duì)改善碳纖維的 結(jié)構(gòu)和提高力學(xué)性能意義重大?？刂祁A(yù)氧化階段的參數(shù)有處理時(shí)間、處理溫度以及 牽伸力等。
預(yù)氧化溫度、預(yù)氧化時(shí)間、預(yù)氧化張力、預(yù)氧化氛圍及預(yù)氧化當(dāng)量時(shí)間等是預(yù) 氧化過(guò)程的主要影響因素。
預(yù)氧化溫度及其梯度是 PAN 原絲預(yù)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(yù)氧化程度及最終碳纖維的性能。在實(shí)際制備過(guò)程中， 對(duì)于 PAN 原絲預(yù)氧化溫度的設(shè)定，可參考 PAN 原絲的掃描量熱差示分析（DSC） 放熱曲線。
預(yù)氧化過(guò)程 PAN 梯形結(jié)構(gòu)的形成是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，與普通化學(xué) 反應(yīng)類似，預(yù)氧化中發(fā)生的環(huán)化、脫氫和氧化反應(yīng)具有很強(qiáng)的時(shí)間效應(yīng)，反 應(yīng)的完成需要有一定的時(shí)間。合理控制預(yù)氧化時(shí)間對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低 生產(chǎn)成本極為重要。
在 PAN 原絲預(yù)氧化過(guò)程中，纖維會(huì)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(yīng)引起的，因而會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力。 在一定的張力作用下進(jìn)行預(yù)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(yù)氧化通常在空氣氛圍中進(jìn)行，但空氣中的濕度會(huì)影響其預(yù)氧 化效果。一方面，空氣濕度可以對(duì)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(duì)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(shè)備方面，送絲裝置及預(yù)氧化裝置是主要的設(shè)備。供絲機(jī)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(shè)計(jì)產(chǎn)能的不同，一條大型碳纖維生產(chǎn)線通常有 6-8 臺(tái)大型預(yù)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(duì)應(yīng)方式
碳化過(guò)程在專門(mén)的碳化爐內(nèi)進(jìn)行并需要惰性氣氛。將預(yù)氧化絲從 400℃逐步加 熱到 1600℃，經(jīng)過(guò)低溫碳化（400-1000℃）和高溫碳化（1100-1600℃）兩個(gè)階段。 在碳化過(guò)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(guò) 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(yù)氧化反應(yīng)以后，形成的預(yù)氧化纖維具有耐高溫的梯形 結(jié)構(gòu)，但此時(shí)纖維內(nèi)依然是有機(jī)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(guò)程的作用就是將纖維中非碳元素脫除，由有機(jī)物向無(wú) 機(jī)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(guò)程中 一般分為兩個(gè)階段，即低溫碳化和高溫碳化，兩個(gè)階段都在惰性氣氛（一般 為高純氮?dú)猓┍Ｗo(hù)下進(jìn)行，防止高溫下與空氣發(fā)生副反應(yīng)。碳化溫度、碳化 時(shí)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(jìn)行熱處 理的過(guò)程。在石墨化過(guò)程中，碳纖維中無(wú)規(guī)結(jié)構(gòu)的碳轉(zhuǎn)化為三維石墨結(jié)構(gòu)， 同時(shí)伴隨著高溫?zé)峤?，在如此高的溫度下，氮?dú)饪梢院吞及l(fā)生反應(yīng)生成氮 化物，因此不能使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)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(zhǎng)率減小，拉伸模量升高，同 時(shí)導(dǎo)電、熱穩(wěn)定和導(dǎo)熱性能進(jìn)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(shí)纖維的模量增 大。模量的增大主要來(lái)源于高溫處理時(shí)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(yīng)性化學(xué)基團(tuán)等增強(qiáng)碳纖維與基體間的結(jié)合。
上漿是碳纖維經(jīng)過(guò)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(duì)碳纖維進(jìn)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(shí)起到保護(hù)作用，減少碳纖維之間的摩擦，使其在后續(xù)收卷、包裝、運(yùn)輸過(guò)程中減少對(duì)纖維的損失。
設(shè)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(shè)備。 碳化工藝和預(yù)氧化工藝一樣，常采用多段碳化和多段牽引工藝，目前國(guó)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(shè)備及高溫?zé)崽幚砑夹g(shù)。目前國(guó)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(shè)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(bǔ) 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(yù)氧化、 碳化或石墨化等工藝過(guò)程，生產(chǎn)出具有彈性模量高、優(yōu)異的導(dǎo)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(duì)原料的預(yù)處理要求不高，所以主要應(yīng)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(dǎo)率和模量，是性能優(yōu)異的熱管理材料被應(yīng)用 于航天、衛(wèi)星、雷達(dá)等軍用領(lǐng)域。
市面上 PAN 基碳纖維的最高抗拉強(qiáng)度為 6500 MPa，拉伸模量范圍從 230 到 300 GPa 為標(biāo)準(zhǔn)類型，高模量型最高可以到 600 GPa。對(duì)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(guò)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(qiáng)度和 剛性，這種晶體結(jié)構(gòu)反映在最終碳纖維的強(qiáng)度和剛性上，此外極低的熱膨脹系數(shù)和 極高的導(dǎo)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(méi)有足夠的結(jié)晶度，所以只能表現(xiàn)出低模量和低導(dǎo)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。可以通過(guò)控制瀝青原料特性以 及紡絲工藝條件，來(lái)控制最終瀝青纖維的性能，來(lái)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(fù)，通過(guò)與其他基質(zhì)的結(jié)合，可以很容易地 實(shí)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(dǎo)熱性和負(fù)熱膨脹系數(shù)的新 應(yīng)用領(lǐng)域，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星的天線反射器和太陽(yáng)能電池板等部件。其高導(dǎo)熱性在 電子設(shè)備領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，如熱接口、高導(dǎo)熱性線路板等。
通用級(jí)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(yù)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(guò)程為瀝青的調(diào)制過(guò)程。瀝青化學(xué)成分 相對(duì)復(fù)雜，因此需要經(jīng)過(guò)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(wú)法有效脫除雜原子、 供氫溶劑成本高昂等問(wèn)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(yīng)過(guò)程中，體系 發(fā)生脫氫、交聯(lián)、縮合等反應(yīng)，除去瀝青中的輕組分，形成高軟化點(diǎn)縮合 物，同時(shí)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(guò)程中，體系發(fā) 生裂解、脫氫、縮合等一系列反應(yīng)，形成相對(duì)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(jìn)行充分過(guò)濾和脫泡，除去一切雜質(zhì)和氣泡，因?yàn)?它們的存在嚴(yán)重影響紡絲和碳纖維的力學(xué)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(huì)導(dǎo)致纖維物理性能的大大降低紡絲速率，對(duì)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(duì)紡絲壓力和紡絲速率進(jìn)行調(diào)控，得到合適直徑的纖維原絲。
瀝青纖維必須通過(guò)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(kāi)始加溫時(shí)就會(huì)粘合在一起，而不能形成單 絲的碳纖維，所以必須先進(jìn)行碳纖維的預(yù)氧化處理。另外預(yù)氧化還可以提高瀝青纖維的力學(xué)性能，增加碳化前的抗拉強(qiáng)度。瀝青纖維在氧化過(guò)程中發(fā)生了十分顯著的 化學(xué)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(yù)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(guò)氧化氫 等溶液。
不熔化后瀝青纖維應(yīng)送到惰性氣氛中進(jìn)行碳化或石墨化處理，以提高最終力學(xué) 性能。碳化是指在1200℃左右進(jìn)行處理，而石墨化則是在接近3000℃的條件下進(jìn)行。 碳化時(shí)，單分子間產(chǎn)生縮聚，同時(shí)伴隨著脫氫、脫甲烷、脫水反應(yīng)，由于非碳原子不 斷被脫除，碳化后的纖維中碳含量可達(dá)到 92％以上，碳的固有特性得到發(fā)展，單絲 的拉伸強(qiáng)度、模量增加。隨著碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，比如說(shuō)將其組裝成鋰離子電 池和超級(jí)電容器，使得對(duì)其性質(zhì)的要求更高，于是進(jìn)一步石墨化便變得不可缺少， 進(jìn)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(guò)預(yù)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(dú)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(dǎo)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(guò)程中因燃燒產(chǎn)生的鈉光弱， 不容易被雷達(dá)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(jī)、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(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，往往會(huì)因 操作條件難以控制，生成左旋葡萄糖等副產(chǎn)物造成實(shí)際碳收率較低，碳纖維強(qiáng)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(guó)阿拉巴馬大 學(xué)開(kāi)發(fā)出一種新型、綠色的可用于針對(duì)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(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(jìn)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(qiáng) 復(fù)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(dòng)機(jī)的碳纖維用量可 達(dá) 35t。
粘膠纖維轉(zhuǎn)化為碳纖維是十分復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),其脫水和熱裂過(guò)程主要可 粗略地劃為四個(gè)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(yīng)區(qū),主要有兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)。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(jìn)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(jìn)行碳四殘鍵的芳構(gòu)化,縮聚為六碳原子的石墨層 片。當(dāng)溫度高于 700℃時(shí),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(qiáng)化脫除羥基是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵。在纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)中有三個(gè)羥基、氧雜環(huán) 中氧原子和苷鍵氧含氧量高達(dá) 49.39%。在實(shí)際轉(zhuǎn)化過(guò)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(huì)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(duì)纖維造成嚴(yán)重污染， 導(dǎo)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(yīng)向低溫側(cè)移動(dòng)，從而緩和了熱解和 脫水反應(yīng)，給生產(chǎn)工藝參數(shù)的控制帶來(lái)許多方便。從這種意義上來(lái)講粘膠纖維的催化脫水劑引入的作用類似 PAN 樹(shù)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(wú)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(yù)氧化和碳化工序就可轉(zhuǎn)化為碳纖維。催化浸漬和預(yù)氧化處理是制造 粘膠基碳纖維的重要工序,是有機(jī)粘膠纖維轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)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(duì)無(wú)機(jī)催化脫水劑的浸漬量 一般為 20％-62％，有機(jī)催化脫水劑的浸漬量一般為 2%-20%。
預(yù)氧化工序。預(yù)氧化工序主要是在催化劑的作用下進(jìn)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(yù)氧絲，并賦予其阻燃性。預(yù)氧化爐的溫 度分布梯度相當(dāng)重要，要根據(jù)纖維的 TG 和 DTG 譜圖來(lái)確定。分析測(cè)試數(shù)據(jù) 表明由粘膠纖維轉(zhuǎn)化為預(yù)氧絲后抗拉強(qiáng)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(yīng)主要是深度脫水、熱裂和芳構(gòu)化，此時(shí)逸出的廢 氣和產(chǎn)生的焦油相當(dāng)多。因此，如何瞬時(shí)排出廢氣和焦油成為一個(gè)重要的 設(shè)計(jì)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(yīng)用端：極致的性價(jià)比是永恒的目標(biāo)
2.1 性能角度：與其他材料復(fù)合實(shí)現(xiàn)性能互補(bǔ)共振是大趨勢(shì)
復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)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(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)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(fù)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(shù)脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)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(xì)粒等。復(fù)合材料中以纖維增強(qiáng) 材料應(yīng)用最廣、用量最大。其特點(diǎn)是比重小、比強(qiáng)度和比模量大。 碳纖維復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法， 在宏觀上組成具有新性能的材料。碳纖維復(fù)合材料是一種兩相復(fù)合材料，是由有機(jī) 纖維轉(zhuǎn)化而成，其具有優(yōu)異的力學(xué)性能，同時(shí)還具備碳材料的原本特性，屬于一種 新型增強(qiáng)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(fù)合材料統(tǒng)稱為碳纖維聚合物基復(fù)合材料， 也可稱為碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料。按照樹(shù)脂基體材料的性能可將復(fù)合材料分為通用 性樹(shù)脂基復(fù)合材料、耐高溫型樹(shù)脂基復(fù)合材料、耐化學(xué)腐蝕型樹(shù)脂基復(fù)合材料以及阻燃型樹(shù)脂基復(fù)合材料等。按照聚合物材料機(jī)構(gòu)形式劃分可分為熱固性樹(shù)脂基復(fù)合 材料、熱塑性樹(shù)脂基復(fù)合材料及橡膠基復(fù)合材料。 高比強(qiáng)度、高比模量。高強(qiáng)高模碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂的比強(qiáng)度是鋼的 5 倍、鋁 合金的 4 倍。 耐疲勞性能好。樹(shù)脂基復(fù)合材料的疲勞極限可達(dá)其拉伸強(qiáng)度的 70%-80%。 耐燒蝕性能好。樹(shù)脂基復(fù)合材料的界面有很好的阻尼功效，減震能力強(qiáng)。 加工工藝性好。樹(shù)脂基復(fù)合材料可以采用多種成型方法制造，工藝技術(shù)相 對(duì)簡(jiǎn)單。
聚合物基復(fù)合材料的制備、成型工藝與其他材料相比具有鮮明特點(diǎn)。聚合物基 復(fù)合材料的形成與制品的成型是同時(shí)完成的，該材料的制備過(guò)程也就是其制品的生 產(chǎn)過(guò)程，因而可以使得大型的制品一次整體成型，從而簡(jiǎn)化制品結(jié)構(gòu)，減少了組成 零件和連接件的數(shù)量，進(jìn)而減輕制品質(zhì)量并降低工藝消耗。其次，由于樹(shù)脂在固化 前具有一定的流動(dòng)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(shù)脂基復(fù)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(fù)合材料的制造大體包括預(yù)浸料的制造、成型及制件的后處理與機(jī)械 加工。 預(yù)浸料是樹(shù)脂基體（熱固性或熱塑性）在嚴(yán)格控制條件下浸漬連續(xù)纖維或 織物，制成樹(shù)脂基體與增強(qiáng)體的組合物，是制備復(fù)合材料的中間材料，可廣 泛用于手糊成型、自動(dòng)鋪層或纏繞成型等復(fù)合材料制備工藝中。目前世界 上大部分碳纖維都是以預(yù)浸料形式應(yīng)用的，復(fù)合材料制品的力學(xué)及化學(xué)性 質(zhì)在很大程度上取決于預(yù)浸料的質(zhì)量。但預(yù)浸料一般在低溫下儲(chǔ)存以保證 使用時(shí)具有合適的粘度、鋪覆性和凝膠時(shí)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(shù)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(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)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(duì)其進(jìn)行二次加工。現(xiàn)階段已經(jīng)存在多種比較成熟的 CFRP 的加工方式，其中應(yīng)用最為廣泛的就是機(jī)械加工。機(jī)械加工 CFRP 經(jīng)過(guò) 長(zhǎng)時(shí)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(shè)備，基本能夠滿 足使用要求，但隨著應(yīng)用的規(guī)?；呔庸さ男枨笤絹?lái)越多，機(jī)械加工 CFRP 顯現(xiàn)出了一些弊端：加工時(shí)材料本身的結(jié)構(gòu)會(huì)被破壞，造成纖維斷裂， 還伴隨有切削熱損傷問(wèn)題，同時(shí)刀具的嚴(yán)重磨損增加了生產(chǎn)的成本。超聲 振動(dòng)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(kāi)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(qiáng)體，通過(guò)浸滲、固結(jié)工 藝制作而成的復(fù)合材料稱為碳纖維金屬基復(fù)合材料?；w一般在連續(xù)纖維增強(qiáng)金屬 基復(fù)合材料中占據(jù)50%-70%體積，在短纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料中占據(jù)70%以上體積。 典型的碳纖維強(qiáng)化金屬?gòu)?fù)合材料有：碳纖維-銀復(fù)合材料、碳纖維-銅復(fù)合材料、碳 纖維-鉛復(fù)合材料、碳纖維-鋁復(fù)合材料。
樹(shù)脂基復(fù)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(fù)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(fù)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(duì)纖維進(jìn)行表面處理或制作纖維/基體預(yù)制絲。纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制 造較困難，需要考慮增強(qiáng)材料的排布，界面反應(yīng)、經(jīng)濟(jì)性及殘余應(yīng)力等多方面的因 素。為了順利地進(jìn)行最終成型，做出質(zhì)量強(qiáng)度等性能優(yōu)良的纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)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(yù)制帶與金屬基體復(fù)合成型、纖維與基體制成復(fù)合預(yù)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(tuán)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(qiáng)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(fù)合材料中基體與增 強(qiáng)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(xué)惰性 大、表面能低、活性官能團(tuán)（羥基、羰基等極性官能團(tuán)）極少，與復(fù)合材料 中的基體浸潤(rùn)性差，從而降低復(fù)合材料的界面結(jié)合能力，阻礙增強(qiáng)纖維性 能的最大化表現(xiàn)。而經(jīng)表面處理后，碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能（如層間剪 切強(qiáng)度、界面剪切強(qiáng)度）會(huì)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(qiáng)氧化劑）、陽(yáng) 極氧化法（電化學(xué)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(duì)碳纖維進(jìn)行表面處理的復(fù)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(qiáng)體之間的界面反應(yīng)不嚴(yán)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(qiáng)體復(fù)合的制造方 法。液態(tài)法的制造溫度較高，在制造過(guò)程中須嚴(yán)格控制浸漬溫度、液態(tài)基體 與固態(tài)增強(qiáng)體的接觸時(shí)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(qiáng)金屬基復(fù)合材料的主要技術(shù)難點(diǎn)是界面結(jié)合，難以形成穩(wěn)定有 效的界面結(jié)合，導(dǎo)致復(fù)合材料的整體性能下降，限制了碳纖維/金屬基復(fù)合材料的推廣應(yīng)用。
纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的界面類型可分為五類： 簡(jiǎn)單的機(jī)械瑣合：基體與增強(qiáng)體之間無(wú)化學(xué)反應(yīng)，如銅/鎢絲、銅/碳纖維、 鋁/碳化硅等，單純靠機(jī)械連接。這種是單純靠表面粗糙形態(tài)產(chǎn)生的摩擦力 實(shí)現(xiàn)的。 溶解與浸潤(rùn)結(jié)合：液態(tài)金屬浸潤(rùn)增強(qiáng)纖維，發(fā)生擴(kuò)散、溶解、結(jié)合，形成犬 牙交錯(cuò)的溶解擴(kuò)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(jìn)行纖維表面改性，才能互溶增強(qiáng)結(jié)合力。 反應(yīng)結(jié)合：即發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(jí)。 交換反應(yīng)結(jié)合：纖維與金屬基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成化合物，還通過(guò)擴(kuò)散發(fā) 生元素交換。 混合結(jié)合：纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)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(gè)。
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(fù)合材料將整體式陶瓷的耐熱和耐化學(xué)性與碳材料的機(jī)械強(qiáng)度結(jié) 合在一起。陶瓷一類的無(wú)機(jī)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(diǎn)，但是抗機(jī)械沖擊、抗熱震性能較差，“脆性”是致命的弱點(diǎn)。用碳纖 維與陶瓷組成復(fù)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(hù)了碳纖維，使它在高溫下不受氧化，因而具有很高的高溫強(qiáng)度和彈性模 量。如碳纖維增強(qiáng)的氮化硅陶瓷可在 1400℃的溫度下長(zhǎng)期使用，可用作噴氣飛機(jī)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(qiáng)及纖維多 向增強(qiáng)復(fù)合材料。 單向長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)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(yīng)用前景。多向長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在多個(gè)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(qiáng)復(fù)合材料具有一定的各向異性，可制作高性能的復(fù)合材料。
陶瓷基復(fù)合材料的制造通常分增強(qiáng)體材料摻入未固結(jié)的基體材料及基體固結(jié)兩 個(gè)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(qiáng)陶瓷基復(fù)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(xué)反應(yīng)法、直接氧化沉積法、先驅(qū)體熱解法、熔融浸熔法和反應(yīng)燒結(jié) 法。短纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)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(yīng)燒 結(jié)、熱等壓燒結(jié)、微波燒結(jié)等。 碳纖維陶瓷基復(fù)合材料具有兩個(gè)主要缺點(diǎn)。其一是，大多數(shù)多晶陶瓷纖維的熱 穩(wěn)定性太低，無(wú)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(fù)合材料的抗氧化性低。針對(duì)第一個(gè)缺點(diǎn)，大多數(shù)從基體類別及工藝 進(jìn)行改進(jìn)，而第二個(gè)缺點(diǎn)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(jìn)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(fù)合材料是一類以碳纖維為增強(qiáng)體骨架、以碳為基體經(jīng)過(guò)液相法或氣相法 制備而成的復(fù)合材料。它不僅具有炭素材料優(yōu)異的耐燒蝕、高溫強(qiáng)度高等特點(diǎn)，而 且具有纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，優(yōu)異的力學(xué)、熱物理和抗熱沖擊性能，是唯 一能夠在 2500℃以上保持較高機(jī)械性能的材料。自 1958 年被首次發(fā)現(xiàn)至今，C/C 復(fù) 合材料以其突出的綜合性能，一直被認(rèn)為航空航天領(lǐng)域首選的高溫?zé)岱雷o(hù)材料，被 廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭端頭、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、航天飛機(jī)鼻錐/前緣、高超聲速飛行器 鼻錐等關(guān)鍵熱端部件。
C/C 復(fù)合材料的制備分為碳纖維選擇、預(yù)制體成型、致密化、石墨化處理等步 驟。
碳纖維選擇方面，應(yīng)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(shè)計(jì)合理的預(yù)制體空間結(jié)構(gòu)制備 C/C 復(fù)合材料，不同種類的碳纖維和不同 結(jié)構(gòu)的預(yù)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(yīng)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(yù)制體成型工藝應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的使用需求確定，比較常見(jiàn)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(yù)制體內(nèi)部的孔隙，常用方法有化學(xué)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(gè)月縮短至幾小時(shí)而 備受關(guān)注。
C/C 復(fù)合材料在 400℃以上開(kāi)始氧化，嚴(yán)重制約了其在高溫有氧環(huán)境下的長(zhǎng)時(shí)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(fù)合材料內(nèi)部添加抗氧化組元，利用“吸氧+阻氧” 熱防護(hù)機(jī)制可以大幅提高 C/C 復(fù)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(guò)在 C/C 復(fù)合材料外表面形成有效的氧化防護(hù)涂層， 將環(huán)境氧與材料隔離，避免材料因氧化燒蝕導(dǎo)致力學(xué)性能下降和外形變化。 由于工藝簡(jiǎn)單、周期短，抗氧化涂層的抗氧化防護(hù)效果、耐溫等級(jí)、自愈合 能力等決定了 C/C 復(fù)合材料所能使用的溫度等級(jí)和環(huán)境。
2.2 價(jià)格角度：工藝設(shè)備革新及回收推動(dòng)成本下降是主旋律
2.2.1 成本端：工藝設(shè)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(lái)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(dá)到 51%，其次是碳化，成本占比約為 23%。按照成本要素來(lái)看， 原材料及燃料成本占比均達(dá)到了 30%。
碳纖維復(fù)合材料制備環(huán)節(jié)，不同階段產(chǎn)品價(jià)格大幅增值，同一品種原絲的售價(jià) 約 40 元/公斤，碳纖維約 180 元/公斤，預(yù)浸料約 600 元/公斤，民用復(fù)合材料約在 1000 元以下/公斤，汽車(chē)復(fù)合材料約 3000 元/公斤，航空復(fù)合材料約 8000 元/公斤， 每一級(jí)的深加工都有大幅度的增值。 從國(guó)內(nèi)上市公司報(bào)表角度，原絲端以主營(yíng)碳纖維原絲的吉林碳谷為例。吉林碳 谷在招股書(shū)中指出公司主要產(chǎn)品碳纖維原絲生產(chǎn)過(guò)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(yíng)碳纖維的中復(fù)神鷹為例。中復(fù)神鷹在招股書(shū)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(shè)備價(jià)值高的特點(diǎn)，導(dǎo)致折舊攤銷(xiāo)費(fèi)用較大，因此主營(yíng)業(yè)務(wù)成本主要由直接材料、制造費(fèi)用構(gòu)成。
碳纖維復(fù)材端以擁有碳纖維復(fù)材的恒神股份為例。恒神股份在招股書(shū)中指出通 過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的成本結(jié)果分析， 最大的成本空間是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì) 和制造工藝上。
從各環(huán)節(jié)來(lái)看，丙烯腈價(jià)格、纖維制造、制品設(shè)計(jì)制造及能耗是主要成本點(diǎn)。 丙烯腈方面，根據(jù)恒神股份招股書(shū)披露，丙烯腈為石油化工產(chǎn)品，采購(gòu)價(jià) 格受?chē)?guó)際石油價(jià)格波動(dòng)影響。石油為大宗商品，其價(jià)格受供需關(guān)系、世界經(jīng) 濟(jì)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(fèi)用方面，根據(jù)中復(fù)神鷹招股說(shuō)明書(shū)披露，制造費(fèi)用高主因在于碳纖 維生產(chǎn)所需設(shè)備價(jià)值較高，折舊金額較大，一般通過(guò)工藝改進(jìn)、規(guī)模效應(yīng)來(lái) 盡可能降低成本。對(duì)于規(guī)模效應(yīng)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(guò)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(guò)程中顯得異常突出。
制品設(shè)計(jì)制造方面，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型與材料成型同時(shí)完成， 下游 產(chǎn)品性能受纖維與樹(shù)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(fù)合材料的全產(chǎn)業(yè)鏈。下游產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，要與碳纖維的研發(fā) 形成一個(gè)良性互動(dòng)的過(guò)程。在“生產(chǎn)→應(yīng)用→改進(jìn)→擴(kuò)大應(yīng)用→提高→穩(wěn) 定”循環(huán)中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，從不穩(wěn)定到逐步穩(wěn)定。一般通過(guò)工藝改進(jìn) 來(lái)降低成本。
能耗方面，生產(chǎn)過(guò)程需要高溫加熱環(huán)節(jié)，因而耗用大量燃料動(dòng)力?？紤]到天 然氣、電力、蒸汽等價(jià)格由政府統(tǒng)一調(diào)控，價(jià)格相對(duì)穩(wěn)定。因而碳纖維企業(yè) 一般通過(guò)工藝改進(jìn)來(lái)進(jìn)行降本。
2.2.2 纖維端：吃透工藝設(shè)備、降低能耗是主切入點(diǎn)
工藝設(shè)備方面，工藝沒(méi)有絕對(duì)的優(yōu)劣之分，吃透工藝原理、設(shè)備才能掌控定價(jià) 主動(dòng)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(shì)， 如何合理的規(guī)避工藝、設(shè)備的缺點(diǎn)成為關(guān)鍵。 以近期上市的中復(fù)神鷹為例，工藝方面，招股書(shū)披露，公司“干噴濕紡千噸級(jí) 高強(qiáng)/百噸級(jí)中模碳纖維產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”成果榮獲 2017 年度國(guó)家科學(xué)技術(shù) 進(jìn)步一等獎(jiǎng)，為國(guó)內(nèi)碳纖維領(lǐng)域唯一獲得該項(xiàng)殊榮的企業(yè)，奠定了公司在國(guó)內(nèi)碳纖 維領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位。
設(shè)備方面，招股書(shū)披露基于保護(hù)公司核心利益等因素的考慮，公司不宜從其他 方采購(gòu)聚合釜、紡絲機(jī)等公司擁有核心工藝技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備，同時(shí)，江蘇鷹游生產(chǎn) 的碳纖維機(jī)器設(shè)備僅向公司銷(xiāo)售。
回顧全球企業(yè)，從專利申請(qǐng)可以看出碳纖維企業(yè)始終專注于工藝設(shè)備革新。1980 年開(kāi)始，國(guó)外碳纖維技術(shù)步入發(fā)展期，每年專利申請(qǐng)量均超過(guò) 60 件，且在 1989 年達(dá)到 341 件之多;20 世紀(jì) 90 年代，日本經(jīng)歷經(jīng)濟(jì)蕭條、美國(guó)遭遇經(jīng)濟(jì)危機(jī)，該領(lǐng)域 的專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)下降趨勢(shì);2000 年之后，國(guó)外碳纖維技術(shù)逐步恢復(fù)發(fā)展，并逐步 進(jìn)入快速發(fā)展階段。中國(guó) 1985 年開(kāi)始建立專利制度，因此在 1985 年之前沒(méi)有專利 申請(qǐng);1985—2000 年，我國(guó)碳纖維專利技術(shù)初入萌芽期，每年專利申請(qǐng)量均不超過(guò) 5 件。2000 年之后，全球碳纖維技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量開(kāi)始呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，尤其是 2010 年之后，我國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量急速增長(zhǎng)，每年專利申請(qǐng)量超過(guò) 300 件，標(biāo)志著我國(guó)碳 纖維技術(shù)邁入快速發(fā)展期。
海外企業(yè)以三菱麗陽(yáng)為例，三菱麗陽(yáng)公司 2007 年以來(lái)的專利申請(qǐng)涉及了制備過(guò) 程中的各個(gè)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(shè)備包括噴絲 /拉絲設(shè)備、熱處理設(shè)備(碳化爐、石墨化爐)、預(yù)氧化爐、包裝設(shè)備等，是實(shí)現(xiàn)碳纖 維生產(chǎn)并進(jìn)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(yù)氧化時(shí)間約占生產(chǎn)總時(shí)間 90%以上。所以預(yù)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(yù)氧化時(shí)間是當(dāng)前難點(diǎn)。 在聚丙烯腈基碳纖維制備過(guò)程中，預(yù)氧化是決定碳纖維各項(xiàng)指標(biāo)的關(guān)鍵步驟之一。 溫度和時(shí)間是預(yù)氧化過(guò)程中 2 個(gè)最為重要的參數(shù)，在工藝制定過(guò)程中，需要綜合考 慮溫度和時(shí)間的影響，預(yù)氧化不僅控制碳纖維的產(chǎn)量，同時(shí)也控制碳纖維的質(zhì)量。
工藝方面，如何縮短預(yù)氧化時(shí)間的同時(shí)降低皮芯結(jié)構(gòu)的生成，對(duì)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(shè)備方面，目前工業(yè)化生產(chǎn)中的預(yù)氧化處理設(shè)備多為熱風(fēng)循環(huán)式預(yù)氧化爐， 通過(guò)熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)能夠多次利用熱風(fēng)，減少熱能量損失。已知為防止預(yù)氧 化處理過(guò)程中單纖維間發(fā)生熔接，會(huì)采取給予前體纖維絲束油劑的方法， 但油劑在預(yù)氧化熱處理過(guò)程中易揮發(fā)，所產(chǎn)生的雜質(zhì)長(zhǎng)期滯留在熱風(fēng)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(dǎo)致在后續(xù)碳化過(guò)程中發(fā)生 起毛、單纖維斷裂。如果不及時(shí)對(duì)預(yù)氧化爐內(nèi)加以清洗，可能會(huì)導(dǎo)致排風(fēng)口 處用于風(fēng)速整流的多孔板發(fā)生堵塞，阻礙熱風(fēng)循環(huán)，輕則引發(fā)斷紗，重則導(dǎo) 致火災(zāi)。但對(duì)預(yù)氧化爐進(jìn)行清洗，需要停止設(shè)備的運(yùn)行，十分影響生產(chǎn)效 率，且清洗費(fèi)用龐大。
2.2.3 制品端：新型工藝及設(shè)計(jì)制造一體化未來(lái)可期
當(dāng)前復(fù)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(jiǎn)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(shè) 計(jì)制造一體化技術(shù)等，其中快速固化成型技術(shù)是當(dāng)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(yīng)用價(jià)值。據(jù)估算復(fù)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(zhǎng)、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(jī)復(fù)材結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用》一文披露，對(duì)于采 用熱壓罐固化的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，材料成本占總成本約 15%左右，設(shè)計(jì)成本僅占總 成本的 5%，其余成本大部分為復(fù)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(fù)合材料制件總成本的 70-80%。美國(guó)飛機(jī)制造商統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在復(fù)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(fù)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(jiǎn)稱 OOA)技術(shù)方面，在復(fù)合材料構(gòu)件快 速發(fā)展應(yīng)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(fù)合材料領(lǐng)域的核心問(wèn)題。而在眾多非熱壓罐成型技術(shù)中，非熱壓罐-預(yù)浸料技術(shù)的 鋪貼和包覆過(guò)程與熱壓罐工藝相近，只是將固化場(chǎng)所轉(zhuǎn)移到造價(jià)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(diǎn)，被認(rèn)為是最有可能大 規(guī)模實(shí)現(xiàn)的非熱壓罐成型技術(shù)。
OOA 樹(shù)脂相比于熱壓罐成型樹(shù)脂自身?yè)]發(fā)物含量應(yīng)該更低、流變行為更精 細(xì)可控。因此在樹(shù)脂制備過(guò)程中，盡量采用真空條件制備，盡可能除去樹(shù)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(yù)浸料在浸漬程度和室溫儲(chǔ)存期兩方面應(yīng)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(yù)浸料應(yīng)具備更長(zhǎng)的室溫儲(chǔ)存期，目前主流 OOA 預(yù)浸料室 溫儲(chǔ)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(yù)浸料鋪 覆時(shí)盡量減少夾雜、包裹氣體，國(guó)際上常用的做法是長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)壓實(shí)過(guò)程， 每鋪覆幾層，即抽一次真空壓實(shí)一定時(shí)間，盡可能多地排除鋪層中夾裹的 氣體。但預(yù)壓實(shí)過(guò)程并非必需步驟，可以用較低溫度的短時(shí)恒溫來(lái)替代漫 長(zhǎng)的預(yù)壓實(shí)過(guò)程。
液體成型工藝（Liquid Composite Molding，LCM）是將液態(tài)樹(shù)脂（或加熱熔化預(yù)置的樹(shù)脂膜）注入鋪在模具上的纖維預(yù)成型體，樹(shù)脂在流動(dòng)的同時(shí)完成纖維的浸 潤(rùn)并經(jīng)固化成為制品，可以省略預(yù)浸料加工、預(yù)浸料低溫儲(chǔ)存和使用昂貴的熱壓罐 3 道工藝過(guò)程。LCM 工藝主要包括三大類：即樹(shù)脂傳遞模塑成型（Resin Transfer Molded，RTM）、真空輔助樹(shù)脂滲透成型（Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI） 和樹(shù)脂膜滲透成型（Resin Film Infusion，RFI）。RTM 的特點(diǎn)是采用閉合模具；VARI 的特點(diǎn)是僅有單側(cè)開(kāi)放模具，并僅需真空袋壓；RFI 的特點(diǎn)是樹(shù)脂以薄膜形式鋪放在 干預(yù)制體的層間，只有單側(cè)開(kāi)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(yīng)用，如美國(guó) Lockheed Martin（洛克希德·馬?。┕居靡后w成型工藝制造出 UGM－133A 三叉戟－2 彈道導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件，使原 來(lái)的 61 個(gè)部件減少到了 1 個(gè)，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(yù)制體制造導(dǎo)彈機(jī)翼等部件，其成本僅為連續(xù)纖維纏繞工藝的 30%左 右。我國(guó)航天材料及工藝研究所已將此工藝應(yīng)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(fù)合材料貯運(yùn)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(shù)脂體系在室溫下有一 定儲(chǔ)存穩(wěn)定性，當(dāng)升高至特定溫度時(shí)快速反應(yīng)固化，溫度越高固化速率越快，一般 固化時(shí)間不足 20min，最快約 2min 可實(shí)現(xiàn)固化。采用快速固化成型復(fù)合材料技術(shù)在 降低成本和提高效率方面已達(dá)成共識(shí)，世界上幾家大的復(fù)合材料制造廠商都分別發(fā) 展了各自的快速固化預(yù)浸料體系，主要有美國(guó) Hexcel 公司的 M77 可實(shí)現(xiàn) 150℃下 2min 固化，固瑞特公司的 VelinoxTM100 可實(shí)現(xiàn) 130℃下 10min 固化，日本 Toray 公 司的 P3831C 可實(shí)現(xiàn) 150℃下 10min 固化。2021 年 5 月 10 日，日本三菱化學(xué)公司宣 布開(kāi)發(fā)出 60s 快速固化碳纖維預(yù)浸料產(chǎn)品，并已正式開(kāi)始銷(xiāo)售。
考慮到預(yù)浸料需要冷藏運(yùn)輸，具有潛伏性的快速固化環(huán)氧樹(shù)脂體系也逐步成為 趨勢(shì)。環(huán)氧樹(shù)脂固化劑同樣有很多種類，按照與樹(shù)脂混合后，在常溫常態(tài)下的儲(chǔ)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(shù)脂，因此在使用 之前必須與環(huán)氧樹(shù)脂分開(kāi)儲(chǔ)存，并且在配制時(shí)因?yàn)榱鲃?dòng)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(wèn)題。潛伏性固化劑在常溫常態(tài)下 保持與環(huán)氧樹(shù)脂體系的反應(yīng)惰性，當(dāng)達(dá)到特定條件時(shí)，才會(huì)大規(guī)模地引發(fā)環(huán)氧基團(tuán) 反應(yīng)，因此，其與環(huán)氧樹(shù)脂混合體系具有較長(zhǎng)的儲(chǔ)存期。
在產(chǎn)品應(yīng)用方面，快速固化預(yù)浸料主要應(yīng)用于汽車(chē)、體育、通用航空等領(lǐng)域，尤 其是適于汽車(chē)制造領(lǐng)域?？焖俟袒A(yù)浸料/復(fù)合材料正得到快速推廣應(yīng)用。如 HEXCEL 的快速固化復(fù)合材料體系正在汽車(chē)和體育用品領(lǐng)域大規(guī)模推廣應(yīng)用，GURIT 快速固 化預(yù)浸料/復(fù)合材料產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用于汽車(chē)引擎蓋、前后保險(xiǎn)杠等，日本三菱人造絲公 司的碳纖維快速固化預(yù)浸料 R02 用于生產(chǎn)斯巴魯翼豹（impreza）汽車(chē)的引擎蓋，使 用后比原來(lái)鋼制引擎蓋輕 63%，減質(zhì)量 9.2kg；東邦公司與豐田（TOYOTA）汽車(chē)公司 合作，使用其 10min 內(nèi)快速固化碳纖維預(yù)浸料生產(chǎn) LEA 跑車(chē)。其他掌握快速固化預(yù) 浸料技術(shù)的企業(yè)如三菱也都把快速固化預(yù)浸料技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)作為一項(xiàng)重要的研發(fā) 推廣內(nèi)容，充分認(rèn)識(shí)到該技術(shù)將對(duì)復(fù)合材料在汽車(chē)等工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用，正 在積極推廣應(yīng)用。
在國(guó)內(nèi)，中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司推出的 ACTECH? 1201 快速固化復(fù)合材料已經(jīng)在電動(dòng)大巴車(chē)主承力結(jié)構(gòu)上得到驗(yàn)證和應(yīng)用，并與國(guó)內(nèi)多家碳纖維廠商及汽車(chē)廠 商合作聯(lián)手推動(dòng)碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)零部件領(lǐng)域的應(yīng)用。快速固化預(yù)浸料在某電 動(dòng)汽車(chē)電池箱、某新能源汽車(chē)引擎蓋、某無(wú)人機(jī)螺旋槳等汽車(chē)及民用航空領(lǐng)域獲得 考核應(yīng)用，獲得用戶的高度評(píng)價(jià)：“ACTECH 1201 系列預(yù)浸料可實(shí)現(xiàn)快速固化成型， 可在 130℃-150℃、3-15 分鐘完成固化，該預(yù)浸料鋪覆性好，室溫儲(chǔ)存期長(zhǎng)，耐熱 性良好（Tg≥140℃），復(fù)合材料生產(chǎn)周期可由原來(lái)的 360 分鐘縮短到 50 分鐘。通過(guò) 改造模具和固化工藝可進(jìn)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(shù)脂復(fù)合材料制造大多采用預(yù)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(fù)材的內(nèi)應(yīng)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(zhǎng)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(yīng)力，大幅度降 低復(fù)合材料制造成本。
低溫固化復(fù)合材料具有固化溫度低，固化過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力小，制備成本較 低等優(yōu)勢(shì)，并可通過(guò)脫模后的自由高溫后處理工藝來(lái)提升復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐 熱性，是復(fù)合材料低成本制造技術(shù)的重要發(fā)展方向之一。常見(jiàn)的低溫固化復(fù)合材料 多見(jiàn)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(shù)脂體系適用期一 般為幾個(gè)小時(shí)。采用預(yù)浸料形式來(lái)制備低溫固化復(fù)合材料并不多見(jiàn)，主要是由于一 般的低溫固化樹(shù)脂體系適用期只有幾個(gè)小時(shí)，做成預(yù)浸料后很快就會(huì)發(fā)生固化，無(wú) 法滿足某些零部件采用預(yù)浸料制造時(shí)預(yù)浸、裁切、鋪疊等工序的時(shí)間要求。因此低 溫固化預(yù)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(shù)脂體系滿足固 化溫度低，室溫適用期長(zhǎng)等要求，同時(shí)低溫預(yù)浸料的制備尤其是采用熱熔法工藝制備時(shí)還要滿足預(yù)浸料的制備工藝要求，即在低溫下能夠制備樹(shù)脂膠膜和進(jìn)行膠膜與 纖維的預(yù)浸。因此，市面上見(jiàn)諸報(bào)道的熱熔法制備的低溫預(yù)浸料非常少。
材料-制造一體化的快速固化工藝方面，為適應(yīng)汽車(chē)制造工業(yè)的特點(diǎn)和需要，必 須實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的低成本快速成型。為降低材料和制造成本，汽車(chē)用復(fù)合材料零部 件的生產(chǎn)需要實(shí)現(xiàn)材料-制造的一體化自動(dòng)化低成本制造。
模壓工藝、高壓 RTM 工藝（HP-RTM）等工藝目前應(yīng)用最為廣泛。樹(shù)脂方面， 聚氨酯、環(huán)氧等具備快速固化性質(zhì)的樹(shù)脂是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，環(huán)氧樹(shù)脂適合于預(yù)浸料模壓及 HP-RTM 等多種工藝世界生產(chǎn) HP-RTM 設(shè)備的廠商包括 DIEFFENBACHER、SCHULER、TECNALIA 等企業(yè)。
GIM（Gap Impregnation System）工藝是由德國(guó) BREYER 公司與亞琛工業(yè)大 學(xué)聯(lián)合針對(duì)汽車(chē)復(fù)合材料零件快速成型開(kāi)發(fā)的工藝。將纖維編織物垂直放 置于模具上，樹(shù)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(diǎn)是產(chǎn)品固化時(shí)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(chē)型的引擎蓋得到 應(yīng)用。
與傳統(tǒng)的工藝相比，3D 打印技術(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。3D 打印 可以更簡(jiǎn)單方便地制造出傳統(tǒng)工藝難以加工制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 空間更廣的同時(shí)也具備結(jié)構(gòu)可定制化的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造一體 化流程，每個(gè)人都可以設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)突出，但在材料方面，主流的聚合物 3D 打印材料 無(wú)法滿足模型在力學(xué)性能上的要求，而纖維增強(qiáng) 3D 打印復(fù)合材料可以彌補(bǔ) 3D 打印技術(shù)在力學(xué)性能上的不足。
常用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 3D 打印成型工藝根據(jù)實(shí)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(shí)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(yīng)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(diǎn)，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(shù)脂線材代替純 樹(shù)脂線材，打印制備短纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料。而連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料 的 FFF 制備工藝則相對(duì)復(fù)雜，一般分為實(shí)時(shí)浸漬法和預(yù)浸絲法兩類。目前主流的纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料打印設(shè)備都是基于此方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的。
2014 年 Local Motors 3D 打印汽車(chē)公司在國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)現(xiàn)場(chǎng)利用碳纖維 3D 打印技術(shù)打印了一輛汽車(chē)，該 3D 打印設(shè)備可以以每小時(shí) 40 磅碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材 料的打印速度進(jìn)行 3D 打印。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的 3D 打印汽車(chē)擁有較高的強(qiáng)度質(zhì) 量比和剛度，可降低打印過(guò)程中的扭曲變形。2016 年 Local Motors 公司，制造了一 輛 3D 打印自動(dòng)駕駛電動(dòng)公交車(chē) Olli，該車(chē)的部分材料是可回收的碳纖維增強(qiáng)塑料。
2.2.4 回收端：環(huán)保及降本或推動(dòng)回收行業(yè)登上舞臺(tái)
節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)是碳纖維回收的主要推力。
在碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料中，樹(shù)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(wú)法自然降解。如果不進(jìn)行回收處理，將會(huì)造成 環(huán)境污染，并且隨著碳纖維用量增加，污染將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)重。
碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料在制造過(guò)程中預(yù)計(jì)產(chǎn)生 40%的邊角廢料，每 100kg 碳纖維復(fù)合材料廢棄物中，約有 60-70kg 碳纖維，如果按 200 元/kg 計(jì)算，廢棄碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料中碳纖維價(jià)值將有望突破百億元。 此外，英國(guó)再生材料 ELG 碳纖維公司總經(jīng)理 Frazer Barnes 認(rèn)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(jī)械力來(lái)粉碎 CFRP 廢棄物，破壞碳纖維與樹(shù)脂基體之間界面粘合力，從而使得碳纖維從樹(shù)脂 基體中剝離，隨后通過(guò)篩分得到富含樹(shù)脂基體細(xì)粉末及短切碳纖維回收料。 物理回收法簡(jiǎn)單易行、成本低，回收過(guò)程不產(chǎn)生新的污染，是一種高效綠色 回收方法。機(jī)械回收法降解回收 CFRP 廢棄物可以產(chǎn)生一些新的材料進(jìn)行應(yīng) 用，例如，煉鐵的還原劑、公路鋪設(shè)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(shù)脂殘留，纖維性能損傷較大，回收產(chǎn)物價(jià)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(fù)合材料所用 基體樹(shù)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(fù)合材料的主要方法， 也是目前回收樹(shù)脂基聚合物的主要商業(yè)化方法。熱分解法根據(jù)反應(yīng)氣氛、 反應(yīng)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(xué)溶劑將已固化樹(shù)脂基體或可溶性物質(zhì)分解，對(duì) 余下的碳纖維進(jìn)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(jìn)行回收是針對(duì)采用一種回收方法無(wú)法處理的廢棄復(fù)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(xué)性能及電磁性能。對(duì)廢料進(jìn)行分離回收處理可以獲得高價(jià)值的碳纖維， 但所需投入較大，短時(shí)間內(nèi)實(shí)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(jí)再利用方式，主要應(yīng)用于 次級(jí)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(shù)脂的增強(qiáng)材料制備復(fù)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(fù)合材料的回收與再利用技術(shù)》一文指出，樹(shù)脂基碳纖維在汽車(chē)、航 天、風(fēng)電等行業(yè)的應(yīng)用愈加廣泛，其廢棄物回收再利用將成為必要面臨的問(wèn)題，歐 美和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此已取得相關(guān)研究成果。我國(guó)近年相繼發(fā)布一系列政策文件 支持碳纖維復(fù)合材料的回收再利用，但整體與外國(guó)仍存在一定差距，在實(shí)際應(yīng)用中， 面臨諸多問(wèn)題： 目前廢棄物部件回收比較困難，尚未形成完整供應(yīng)鏈條，保障廢料來(lái)源，應(yīng) 加強(qiáng)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(xiǎn) 性，需要進(jìn)一步研究改進(jìn)提高回收再利用技術(shù)的安全性與穩(wěn)定性； 國(guó)內(nèi)缺乏相關(guān)行業(yè)回收標(biāo)準(zhǔn)，尚未制定廢棄物分類標(biāo)準(zhǔn)和回收分類標(biāo)準(zhǔn)。
3 市場(chǎng)端：需求旺盛，國(guó)內(nèi)企業(yè)逐步發(fā)力
根據(jù)碳纖維國(guó)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(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，全球碳纖維市場(chǎng)需求保持增長(zhǎng)的主力是風(fēng)電、 體育器材、碳碳復(fù)材及壓力容器。
2021 年中國(guó)碳纖維的總需求為 62,379 噸，對(duì)比 2020 年的 48,851 噸，同比增 長(zhǎng)了 27.7%，其中，進(jìn)口量為 33,129 噸（占總需求的 53.1%，比 2020 增長(zhǎng)了 9.2%），國(guó)產(chǎn)纖維供應(yīng)量為 29,250 噸（占總需求的 46.9%，比 2020 年增長(zhǎng)了 58.1%）。2021 年的中國(guó)市場(chǎng)的總體情況是：供不應(yīng)求，無(wú)論是進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)纖維。價(jià)格方面，2021 年，由于整個(gè)碳纖維市場(chǎng)的緊缺，價(jià)格行情在 2020 年基礎(chǔ)上持續(xù)走高。進(jìn)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(guó)產(chǎn)碳纖維“毫 不示弱”，價(jià)格增加幅度不輸進(jìn)口產(chǎn)品，大絲束市場(chǎng)，也同樣面臨緊缺。價(jià)格稍微提 升，在 13.5-14.5 美元/公斤的水平上。這個(gè)價(jià)位是大批量的采購(gòu)價(jià)格，對(duì)于小批量 的用戶，這些廠家經(jīng)常報(bào)出 17-18 美元/公斤價(jià)格。
3.1 需求端：替換傳統(tǒng)材料創(chuàng)造萬(wàn)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(qiáng)腐蝕介質(zhì)）、交變載荷和交變溫度聯(lián)合作用下，飛行器 機(jī)體材料的設(shè)計(jì)選材的重要決定因素是輕質(zhì)高強(qiáng)、耐超高溫和耐腐蝕性。
飛機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)：減重是不變的追求
根據(jù)國(guó)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(guó)內(nèi)部分航空公 司，燃油成本甚至要占到 40%。機(jī)體結(jié)構(gòu)材料每減輕一磅，便可帶來(lái)近百萬(wàn)美元的經(jīng) 濟(jì)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(zhǎng)期在 大氣層或者外層空間運(yùn)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(shè)計(jì)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(jià)，高 比強(qiáng)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(qiáng)度的碳纖維復(fù)合材料是當(dāng)下最優(yōu)選擇。 其在軍用飛機(jī)和民用飛機(jī)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(qiáng)復(fù)合材料是航空工業(yè)應(yīng)用比較廣泛的復(fù)合材料之一,由于其密度僅 為鋁合金的 60%,在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大量使用可以使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少 20-25%。飛機(jī)上最 常用的是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)。軍用飛機(jī)方面，碳纖維增 強(qiáng)復(fù)合材料主要應(yīng)用于飛機(jī)的非承力部件上,如飛機(jī)雷達(dá)罩、艙門(mén)、整流罩、飛機(jī)尾 翼的垂直尾翼、水平尾翼及方向舵等,例如法國(guó)幻影 2000 戰(zhàn)斗機(jī)尾翼的設(shè)計(jì)采用了 復(fù)合材料。民用飛機(jī)方面，波音公司生產(chǎn) B787 客機(jī)中碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)材料已占全機(jī)結(jié)構(gòu)重量的 50%,可節(jié)省燃油 20%。
與傳統(tǒng)固定翼飛機(jī)相比,直升機(jī)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(duì)直升機(jī)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(guó) CH-53E 重型多功能直升機(jī)使用的復(fù)合材料僅約 占 5%,而它的接替者 V-22 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)的機(jī)身和尾翼采用的是 AS4/3501-6 復(fù)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(hào)合格證的 H-160 直升機(jī)則成為了世界上第一款全復(fù)合材料民用 直升機(jī),其槳轂中央件采用碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮樹(shù)脂基熱塑性復(fù)合材料設(shè)計(jì)制備。
無(wú)人機(jī)的輕量化需求促使其機(jī)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(fù)合材料成為無(wú)人機(jī)的“主力”材料，可以說(shuō)，以碳纖維復(fù)合材料為核心的無(wú)人機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)成為無(wú)人機(jī)發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)。美國(guó) 先進(jìn) RQ-4 全球鷹無(wú)人偵察機(jī)的機(jī)翼、尾翼、發(fā)動(dòng)機(jī)短艙、后機(jī)身都是由碳纖維增強(qiáng) 復(fù)合材料制造的。AAI 公司影子無(wú)人機(jī)的機(jī)身使用的是碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材 料,尾翼使用的是碳纖維或芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料,機(jī)翼則是由碳纖維增強(qiáng) 環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造的。
火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星：耐高溫、輕質(zhì)高強(qiáng)是堅(jiān)定的目標(biāo)
航天裝備如火箭、導(dǎo)彈等一般飛行速度較高，根據(jù)資料顯示，當(dāng)導(dǎo)彈飛行速度達(dá) 4-10 馬赫時(shí)，表面溫度范圍可達(dá) 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(duì)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(xué)性能的碳纖維復(fù)合材料無(wú)疑是未來(lái)最佳選擇。 在大型運(yùn)載火箭上，碳纖維應(yīng)用多用于整流罩、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等結(jié)構(gòu)中，特別是上 面級(jí)結(jié)構(gòu)中廣泛采用碳纖維，有效地減輕了上面級(jí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對(duì)提高運(yùn)載火箭發(fā)射 有效載荷的能力具有十分明顯的效果。美國(guó)的“大力神”火箭采用碳纖維作為整流 罩、級(jí)間段艙體和錐形尾艙承載結(jié)構(gòu)材料，級(jí)間段蒙皮和錐形尾艙殼體采用的是 IM7 /8552 復(fù)合材料。另外美國(guó)、日本、法國(guó)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用碳纖維，如美國(guó)“三叉戟”－2 導(dǎo)彈、“戰(zhàn)斧”式巡航導(dǎo)彈、“大力神”－4 火箭、法國(guó)的“阿里安娜 2”型火箭、日本的 M－5 火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國(guó)赫氏公司生 產(chǎn)的 IM －7 中模高強(qiáng)碳纖維，抗拉強(qiáng)度為 5.3GPa。
碳纖維大量使用可以減輕導(dǎo)彈的質(zhì)量,增加導(dǎo)彈的射程,提高落點(diǎn)的精度,因此 碳纖維復(fù)合材料常應(yīng)用于導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等結(jié)構(gòu)中。俄羅斯圓錘潛艇發(fā)射導(dǎo)彈、 白楊-M 型導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管及大面積防熱層均使用粘膠基碳纖維增強(qiáng)的酚醛復(fù)合 材料。美國(guó)的 PAC-3 發(fā)動(dòng)機(jī)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(dǎo)彈采用了高強(qiáng)中模碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料作為發(fā)動(dòng)機(jī)殼體材料,并在 其攔截器艙體結(jié)構(gòu)中使用了高模高強(qiáng)碳纖維。法國(guó) M51 彈道導(dǎo)彈使用由碳纖維復(fù)合 材料編織而成的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼。高模量碳纖維增強(qiáng)碳復(fù)合材料常用于人造衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體、太陽(yáng)能電池板和天線中。
發(fā)動(dòng)機(jī)：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(dòng)機(jī)的研制焦點(diǎn)。當(dāng)前最先進(jìn)的 F119 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口溫度已高達(dá)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(shè)計(jì)最先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)才能 滿足先進(jìn)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(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
市場(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，2021 年航 空航天市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求量為 16450 噸，預(yù)計(jì) 2025 年需求量將攀升至 20635 噸。
3.1.2 風(fēng)電領(lǐng)域：可替換部分纖維及金屬
風(fēng)能作為清潔、可再生能源中的一員，具有單機(jī)容量大、占地面積小以及技術(shù)相 對(duì)成熟的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。相對(duì)核能，風(fēng)能具有更高的安全性；相對(duì)水能，風(fēng)能具有更大的 發(fā)展?jié)摿?；相?duì)太陽(yáng)能，風(fēng)能具有更低的開(kāi)發(fā)成本。
風(fēng)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(qiáng)等一系列顯著的優(yōu)點(diǎn)，所以目前已經(jīng)成為最具有開(kāi)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(jìn)入 21 世紀(jì)，由于全球多個(gè)國(guó)家達(dá)成共識(shí)并積極采取行動(dòng)，使得風(fēng)力發(fā)電技術(shù)得以快速 發(fā)展，風(fēng)電裝機(jī)容量也在高速擴(kuò)增，這進(jìn)一步促使風(fēng)力發(fā)電在世界范圍內(nèi)日益成為 一個(gè)迅速增長(zhǎng)的新興產(chǎn)業(yè)。 風(fēng)電的原理便是風(fēng)力機(jī)將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。當(dāng)來(lái)流接近風(fēng)輪后， 速度逐漸降低，流動(dòng)面積逐漸增加，空氣壓力逐漸增加，將動(dòng)能轉(zhuǎn)變成壓力能；當(dāng)氣 流經(jīng)過(guò)風(fēng)輪后，壓力能轉(zhuǎn)變成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能后，壓力下降，氣流速度減小，面積增加， 同時(shí)由于尾流損失的存在使部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化成壓力能使壓力與遠(yuǎn)處大氣壓相等。
根據(jù)風(fēng)能密度公式，風(fēng)機(jī)功率與葉片長(zhǎng)度關(guān)系式為 P=1/2ρπr 2 V 3 Cp（ρ-空氣密 度；V-風(fēng)速；Cp-風(fēng)能利用系數(shù)；r-葉片長(zhǎng)度），即葉片長(zhǎng)度與功率呈正比關(guān)系。
風(fēng)電葉片的形狀一直沒(méi)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(guò)程大致經(jīng)過(guò)了三個(gè)階段：木質(zhì)葉片階段、金屬葉片階段和復(fù)合材 料階段。不管是陸上風(fēng)電還是海上風(fēng)電葉片都向著更長(zhǎng)更大的方向發(fā)展，伴隨而來(lái) 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(guò)程其實(shí)是 材料的輕量化、高性能化和低成本化的發(fā)展過(guò)程。
早期使用木質(zhì)葉片主要出于兩個(gè)原因：第一，當(dāng)時(shí)的技術(shù)制造出來(lái)的風(fēng)力 發(fā)電機(jī)組的容量很小，所以葉片的尺寸不能太大，相對(duì)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(diǎn)是難以加工成型，且強(qiáng)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(jī)組的容量相匹配，木質(zhì)葉片逐步被金屬葉片所取代。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大使得金屬葉片逐步被開(kāi)出來(lái)。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(jìn)一步增加，使金屬葉片—度被認(rèn)為是風(fēng)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(diǎn)，如不耐腐蝕、密度較大 等。在金屬葉片之后，由于葉片材料沒(méi)有得到發(fā)展，葉片在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi) 沒(méi)有得到進(jìn)一步的發(fā)展。
二十世紀(jì)五十年代左右伴隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的出現(xiàn)，開(kāi)始使用復(fù)合材 料替代金屬材料制造葉片，風(fēng)力發(fā)電才開(kāi)始大規(guī)模投產(chǎn)。復(fù)合材料葉片幾 乎沒(méi)有木質(zhì)葉片和金屬葉片的缺點(diǎn)。首先，復(fù)合材料的密度小，不管是使用 玻璃纖維還是碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的密度都要顯著小于金屬。其次，雖 然復(fù)合材料的模量比金屬的模量稍低。第三，復(fù)合材料比金屬耐腐蝕，使用 壽命更長(zhǎng)。第四，復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。
風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維成型方法主要是拉擠法。目前復(fù)合材料主梁的成型工藝主要有 三種：預(yù)浸料工藝、灌注工藝和拉擠工藝，利用拉擠工藝來(lái)生產(chǎn)主梁是近年新發(fā)展 出來(lái)的。由于葉片長(zhǎng)度達(dá)幾十米到上百米，其中的主梁的長(zhǎng)度與葉片差不多，采用 預(yù)浸料工藝生產(chǎn)主梁時(shí)，由于能耗及設(shè)備制約，只能使用低溫固化的預(yù)浸料，生產(chǎn)工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低。另外，預(yù)浸料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程都需要在低溫下進(jìn)行。相 較前述兩種方法，拉擠工藝制備的復(fù)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(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，2021 年風(fēng) 電對(duì)碳纖維的需求量為 33000 噸，預(yù)計(jì) 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(qiáng)度鋼材
環(huán)保壓力及能源戰(zhàn)略安全逐步推動(dòng)氫能的發(fā)展。 自 1970 年以來(lái)，全球平均氣溫以每世紀(jì) 1.7°C 的速度上升，而在過(guò)去 7000 年中，全球平均氣溫以每世紀(jì) 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(lái)，已從 280ppm 增至 380ppm。溫室氣體對(duì)地球?qū)⑿纬蔀?zāi)難性的后果，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(lái)了大量極端災(zāi)害事件，特別在北半球高緯度氣度。目前各國(guó)已 經(jīng)達(dá)成了共識(shí)，并于 2015 年 12 月簽訂了《巴黎協(xié)定》，主要目標(biāo)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(lái)能源架構(gòu)的重要組成部分。
部分金屬礦產(chǎn)我國(guó)產(chǎn)量低，未來(lái)或?qū)o(wú)法滿足部分可再生能源的大規(guī)模應(yīng) 用,而氫能所依賴的金屬礦產(chǎn)均可回收，有望成為未來(lái)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(guò)燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物只有水，沒(méi)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(fù)循環(huán)使用，真正實(shí)現(xiàn)低碳甚至零碳排放，有效緩解溫室效應(yīng)和環(huán)境污染。
目前，碳纖維在氫能領(lǐng)域的應(yīng)用主要在于儲(chǔ)氫罐及燃料電池氣體擴(kuò)散層。
高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫具有充放氫速度快、容器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維纏繞高壓 氫瓶技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫由固定式應(yīng)用向車(chē)載應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。
在燃料電池中，氣體擴(kuò)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(jī)械強(qiáng)度好、質(zhì)量輕、孔隙率高、 透氣性優(yōu)，以及優(yōu)良的導(dǎo)電性、耐高溫性、抗氧化性、耐腐蝕性等特點(diǎn)。
市場(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，2021 年儲(chǔ)氫氣瓶用量約為 1900 噸，2022 年中國(guó)預(yù)計(jì)將至少新增 10000 輛氫能源車(chē)，主要在物 流車(chē)、重卡和大巴領(lǐng)域，其中重卡為 6000 臺(tái)。重卡儲(chǔ)氫氣瓶為 210L-385L，單個(gè)瓶 子碳纖維用量在 40-45 公斤之間，單車(chē)一般配置 6-8 個(gè)瓶組，重卡領(lǐng)域碳纖維用量 大約 1700-1900 噸，加上其他物流車(chē)、客車(chē)領(lǐng)域的用量，氫燃料電池汽車(chē)用碳纖維 預(yù)計(jì)總量能到使用到 2500 噸以上。
3.1.4 汽車(chē)領(lǐng)域：可替換部分塑料及金屬
美國(guó)能源部門(mén)和機(jī)構(gòu)對(duì)汽車(chē)輕量化進(jìn)行研究的數(shù)據(jù)中顯示，汽車(chē)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(chē)輕量化 是當(dāng)前減少油量消耗及保護(hù)環(huán)境的有效途徑。碳纖維復(fù)合材料憑借自身多種優(yōu)勢(shì)， 被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域，該材料在汽車(chē)中的潛在應(yīng)用比例為:車(chē)身結(jié)構(gòu) 35%、底 盤(pán)部件 20%、轉(zhuǎn)向及懸掛系統(tǒng) 17%、覆蓋件 10%、內(nèi)飾件 18%。
汽車(chē)中運(yùn)用碳纖維復(fù)合材料最多的地方應(yīng)是車(chē)身構(gòu)件。車(chē)身構(gòu)件主要包括 引擎蓋、車(chē)架、車(chē)頂框架以及 A/B/C/D 立柱等部分，各部分均將碳纖維復(fù) 合材料作為核心制造材料。將碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬材料進(jìn)行對(duì)比可 知，復(fù)合材料的比強(qiáng)度及比剛度明顯高于普通金屬材料。在相同結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 條件下，采用碳纖維復(fù)合材料制作汽車(chē)零部件，其質(zhì)量可減輕 50%，對(duì)于汽 車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能具有重要提升作用。
輪轂是維持汽車(chē)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部件之一，可承受汽車(chē)的整體質(zhì)量以及載 重。因此，為保證汽車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)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(fù)合材料可有效滿足輪轂的實(shí)際需求，有利 于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。英國(guó) Kahm 公司利用碳纖維復(fù)合材料制成的 RX-X 型高 級(jí)汽車(chē)專用輪轂，可充分體現(xiàn)該材料的優(yōu)勢(shì)，其質(zhì)量?jī)H 6kg，具有高速行駛 以及降低車(chē)輪徑向慣性力的作用。
為保證汽車(chē)的穩(wěn)定運(yùn)行，要求傳動(dòng)軸應(yīng)具有良好的傳動(dòng)能力、耐疲勞性等 優(yōu)勢(shì)。而碳纖維復(fù)合材料獨(dú)特的各向異性、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，將該材料應(yīng)用 于傳動(dòng)軸中，可將傳動(dòng)軸的質(zhì)量減至原來(lái)的一半以上。在各項(xiàng)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(dá)到鋼材的 170% 以 上。并且碳纖維復(fù)合材料的使用，可使汽車(chē)傳動(dòng)軸的耐久性以及耐疲勞性 得到顯著提升。
短切碳纖維制動(dòng)襯片摩擦系數(shù)穩(wěn)定、磨損率低、良好的沖擊強(qiáng)度和硬度、良 好的制動(dòng)無(wú)噪聲，有利于環(huán)境保護(hù)，在剎車(chē)溫度高于 200℃以上時(shí)，不僅可 以無(wú)熱裂解、無(wú)熱膨脹、無(wú)熱衰退現(xiàn)象，反而由于摩擦系數(shù)的增高，使轎車(chē) 在快速行駛中剎車(chē)更具有平穩(wěn)性、安全性、舒適性。
由于復(fù)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(dòng)化裝備的進(jìn) 步，復(fù)合材料汽車(chē)在工藝技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)將進(jìn)一步顯現(xiàn)。四大工藝實(shí)現(xiàn)顛覆式創(chuàng)新， 工藝投資減少，同樣的經(jīng)濟(jì)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(shí)現(xiàn)綠色制造，更容易實(shí)現(xiàn) CKD 制造、零部件集中生產(chǎn)、異地總裝和 開(kāi)拓海外市場(chǎng)。
纖維復(fù)合材料無(wú)論熱固型或熱塑型都可以通過(guò)多種方法進(jìn)行梯度回收再利用，同時(shí)車(chē)身零部件發(fā)生損壞有相應(yīng)的維修措施，滿足綠色經(jīng)濟(jì)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。
市場(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，2021 年汽 車(chē)應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求量為 9500 噸，預(yù)計(jì) 2025 年需求量將攀升至 12645 噸。
3.1.5 其他領(lǐng)域：未來(lái)有望開(kāi)辟出新市場(chǎng)
體育、建筑、電子電氣等領(lǐng)域也是碳纖維未來(lái)極具應(yīng)用前景的領(lǐng)域。
體育領(lǐng)域
傳統(tǒng)的體育設(shè)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工。然而，隨著體育器材設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不斷進(jìn)步以及國(guó)民對(duì)體育設(shè)施要求 的不斷提高，傳統(tǒng)材料由于質(zhì)量過(guò)大、性能落后、不環(huán)保、危險(xiǎn)性較高的問(wèn)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(diǎn)，自 進(jìn)入體育器材領(lǐng)域后獲得了飛速發(fā)展。
此外，競(jìng)技體育項(xiàng)目中，當(dāng)今世界的體育競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上是科學(xué)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，而先 進(jìn)、新穎的材料則是提高體育科學(xué)技術(shù)水平的重要條件之一。如今，在不少運(yùn)動(dòng)項(xiàng) 目中，人的體能和精神的激發(fā)都幾乎達(dá)到了極限，勝敗往往只在毫厘之間，僅靠強(qiáng) 健的肌肉和良好的競(jìng)技狀態(tài)已很難獲勝，運(yùn)動(dòng)員們?cè)絹?lái)越多地要依靠科學(xué)家的智慧， 拼的是裝備。人們期望通過(guò)運(yùn)動(dòng)器材的升級(jí)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)員挑戰(zhàn)極限。
市場(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，2021 年體 育休閑應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求量為 18500 噸，預(yù)計(jì) 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(jī)械、橋梁、隧道及工業(yè)管道等。復(fù)合材料的應(yīng)用主要 在建筑及橋梁結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)、藝術(shù)型建筑的主體結(jié)構(gòu)、建筑機(jī)械、新建大跨/空間結(jié)構(gòu) 及管道補(bǔ)強(qiáng)等五大領(lǐng)域。
市場(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，2021 年建 筑應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求量為 4200 噸，預(yù)計(jì) 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(yīng)用主要分為功能性應(yīng)用及力學(xué)增強(qiáng)性應(yīng)用。功能性 應(yīng)用方面，短切碳纖維增強(qiáng)塑料具有防靜電、電磁屏蔽等功能，可應(yīng)用在復(fù)印機(jī)、打 印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸電纜接頭等產(chǎn)品中。力學(xué)增強(qiáng)應(yīng)用方面，長(zhǎng)碳纖維增強(qiáng)塑 料（LFT）和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料兼顧了成本與性能，可應(yīng)用在筆記本等產(chǎn)品中。
市場(chǎng)規(guī)模方面，根據(jù)《2021 年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)，2021 年電 子電氣應(yīng)用市場(chǎng)對(duì)碳纖維的需求量為2000噸，預(yù)計(jì)2025年需求量將攀升至2928噸。 此外，碳纖維及其制品還可以應(yīng)用在軌道交通、半導(dǎo)體領(lǐng)域的硅單晶熱系統(tǒng)設(shè) 備及氣凝膠領(lǐng)域。
3.2 供給端：國(guó)內(nèi)起步晚，但追趕勢(shì)頭強(qiáng)
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(dāng) 優(yōu)勢(shì)。《2019 全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)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(xiàn)居多，國(guó)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(kù)，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(duì)截至 2020 年 3 月 28 日共計(jì) 17552 條專利進(jìn)行分析可知，中國(guó)在碳纖維技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展明顯晚于國(guó)外，但近年來(lái)，中 國(guó)專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)與全球大致相同。
1980 年開(kāi)始，國(guó)外碳纖維技術(shù)步入發(fā)展期，每年專利申請(qǐng)量均超過(guò) 60 件， 且在 1989 年達(dá)到 341 件之多；20 世紀(jì) 90 年代，日本經(jīng)歷經(jīng)濟(jì)蕭條、美國(guó) 遭遇經(jīng)濟(jì)危機(jī)，該領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量出現(xiàn)下降趨勢(shì)；2000 年之后，國(guó)外 碳纖維技術(shù)逐步恢復(fù)發(fā)展，并逐步進(jìn)入快速發(fā)展階段。
中國(guó) 1985 年開(kāi)始建立專利制度，因此在 1985 年之前沒(méi)有專利申請(qǐng);1985— 2000 年，我國(guó)碳纖維專利技術(shù)初入萌芽期，每年專利申請(qǐng)量均不超過(guò) 5 件。 2000 年之后，全球碳纖維技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量開(kāi)始呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，尤其是 2010 年之后，我國(guó)專利申請(qǐng)數(shù)量急速增長(zhǎng)，每年專利申請(qǐng)量超過(guò) 300 件， 標(biāo)志著我國(guó)碳纖維技術(shù)邁入快速發(fā)展期。
從專利申請(qǐng)數(shù)量前十單位來(lái)看，中國(guó)石油化工股份有限公司、北京化工大學(xué)、東 華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jī)構(gòu)在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始發(fā)力。從專利政策上來(lái)看，我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的 專利質(zhì)量還有待提高，與日本和美國(guó)的專利布局模式還存在一定差距。
因此短期來(lái)看，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍需要努力追趕，主要原因在于國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)起步及 專利制度建設(shè)時(shí)間晚于海外。 從產(chǎn)能的角度來(lái)看，中國(guó)近五年首度成為全球最大碳纖維產(chǎn)能?chē)?guó)。根據(jù)《2021全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)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(tuán)增長(zhǎng)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(fù)神鷹增加 8000 噸，寶旌增加 2000 噸;東邦增加 1900 噸。
國(guó)內(nèi)碳纖維對(duì)外依賴程度逐年降低，未來(lái)相關(guān)企業(yè)擴(kuò)產(chǎn)結(jié)束后將進(jìn)一步增厚競(jìng)爭(zhēng)力。國(guó)產(chǎn)碳纖維 2021 保持著進(jìn)步，市場(chǎng)份額從 2019 年的 47%攀升到 2020 年的 58%。中國(guó)當(dāng)前領(lǐng)先的碳纖維企業(yè)是中石化（上海石化）、中國(guó)建材（中復(fù)神鷹）、中 國(guó)寶武（寶旌碳纖維及太鋼鋼科）、中化集團(tuán)（藍(lán)星）、陜煤（國(guó)企，恒神）、吉林化 纖（國(guó)企）。
截止 2021 年末，國(guó)內(nèi)吉林化纖、中復(fù)神鷹、上海石化等等企業(yè)也宣布了其擴(kuò)產(chǎn) 計(jì)劃：吉林化纖集團(tuán)計(jì)劃在十四五期間完成 20 萬(wàn)噸原絲，6 萬(wàn)噸碳纖維及 1 萬(wàn)噸 復(fù)合材料的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。2021 年完成了 1.6 萬(wàn)噸碳纖維的擴(kuò)產(chǎn)，2022 年預(yù)計(jì) 2.7 萬(wàn)噸新增碳纖維產(chǎn)能； 中復(fù)神鷹實(shí)施其西寧 20000 噸的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃； 寶武旗下的寶旌碳纖維 2022 年初宣布并開(kāi)工了寶萬(wàn)原絲建設(shè)計(jì)劃。 2021 年新創(chuàng)碳谷建設(shè) 1.8 萬(wàn)噸大絲束項(xiàng)目，完成了其中的 6000 噸產(chǎn)能建 設(shè)，2022 年正在加緊安裝調(diào)試另外 1.2 萬(wàn)噸的產(chǎn)能。 上海石化 1.2 萬(wàn)噸大絲束項(xiàng)目正在抓緊建設(shè)，預(yù)計(jì)在 2022 年實(shí)現(xiàn) 6000 噸 產(chǎn)能輸出； 2021 年中簡(jiǎn)科技宣布了定增擴(kuò)產(chǎn)的 18.67 億元的 1500 噸碳纖維及制品計(jì) 劃。
展望未來(lái)，打造全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展模式是重中之重，上下游精誠(chéng)合作才能逐步推動(dòng) 碳纖維行業(yè)長(zhǎng)期健康發(fā)展?！侗本┦刑祭w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(qiáng)國(guó)，形成了以 汽車(chē)為主要應(yīng)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(guó)、 韓國(guó)及中國(guó)等其海外市場(chǎng)，依托其自身完備的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和海外市場(chǎng)的巨大需求，逐 步實(shí)現(xiàn)全球化市場(chǎng)擴(kuò)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(shì)，但歐美以其航空航天產(chǎn)業(yè)需求為牽引，引進(jìn)了日本東麗的先 進(jìn)技術(shù)及產(chǎn)品，帶動(dòng)其國(guó)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(duì)于北京市碳纖維產(chǎn)業(yè)也提出了相應(yīng)的意見(jiàn)，文中認(rèn)為在 碳纖維領(lǐng)域，北京市研發(fā)優(yōu)勢(shì)明顯，相關(guān)技術(shù)在航空航天產(chǎn)業(yè)應(yīng)用突出，但對(duì)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(guò)市內(nèi)外協(xié)同 發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈采取更具深度的水平和垂直分工，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈網(wǎng)絡(luò)的密度和延展 度，有利于增加整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的附加值，同時(shí)充分發(fā)揮北京市在產(chǎn)業(yè)鏈中下端的優(yōu)勢(shì)， 促進(jìn)市內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)更加精細(xì)化、專業(yè)化發(fā)展。
（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關(guān)信息，請(qǐng)參閱報(bào)告原文。）
