摘  要：本文介紹了國內(nèi)外高性能碳纖維、碳纖維增強樹脂基復合材料、復合材料制造技術等發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，總結了國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題，分析了國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，提出了碳纖維樹脂基復合材料重點發(fā)展方向。

關鍵詞：碳纖維；樹脂基復合材料；復合材料產(chǎn)業(yè)；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展方向

碳纖維樹脂基復合材料，特別是碳纖維增強樹脂基結構復合材料，是一類涉及航空航天、新能源、車輛及軌道交通、海洋工程等領域發(fā)展的關鍵材料。從“十三五”至2035年，我國碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)正處于從發(fā)展壯大向產(chǎn)業(yè)成熟期過渡，邁向產(chǎn)業(yè)中高端的關鍵時期。在巨大的市場需求牽引下，碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將有廣闊的發(fā)展空間，但同時也面臨嚴峻的國際競爭，環(huán)境保護等方面的壓力，挑戰(zhàn)和機遇共存。

目前國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料制造工藝裝備落后，自動化程度低，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成套工藝與裝備研發(fā)能力不足；碳纖維高端產(chǎn)品缺乏，中低端產(chǎn)品成本居高不下；復合材料設計與應用水平不高，技術發(fā)展缺乏頂層設計，跨學科綜合設計能力不足，這些已成為阻礙國內(nèi)高性能復合材料進步的重要原因。美國以知識產(chǎn)權和國家安全為由制造的中美貿(mào)易摩擦等貿(mào)易保護主義抬頭的大環(huán)境下，碳纖維樹脂基復合材料的發(fā)展不能依靠借鑒國外技術和經(jīng)驗，必須堅持以我為主，重點支持，才能實現(xiàn)自主可控。

1 碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)化技術發(fā)展現(xiàn)狀

1.1碳纖維向高性能和低成本雙向快速發(fā)展，美國、日本等仍然控制碳纖維核心技術和市場

圖1是全球不同碳纖維廠商的生產(chǎn)能力。日本3家企業(yè)，東麗、東邦和三菱麗陽的碳纖維約占全球70%～80%的市場份額，其中東麗公司產(chǎn)能最大，品種規(guī)格最齊全，產(chǎn)品性能最好，是全球最大的碳纖維供應商。

圖1 全球不同碳纖維廠商的生產(chǎn)能力

在碳纖維規(guī)模生產(chǎn)的同時，碳纖維廠商不斷強化提升碳纖維的性能，高性能化進展明顯。2014年日本東麗公司研制成功T1100G碳纖維，拉伸強度達到6.6GPa，彈性模量達到324GPa；2015年美國赫氏公司研制成功拉伸強度達到5.8GPa，彈性模量達到375GPa的碳纖維。2018年日本東麗公司通過嚴格控制納米級石墨晶體結構，進一步將碳纖維拉伸強度和模量同時提高，新推出的TORAYCAM40X碳纖維的抗拉強度較M40J提高了約30％，同時保持與M40J相當?shù)睦炷Ａ?。高性能碳纖維主流生產(chǎn)技術仍處于日美壟斷局面。

圖2 日本東麗公司的碳纖維性能

國內(nèi)高性能碳纖維制備與應用技術取得了重大突破，基本掌握了高性能碳纖維研制和生產(chǎn)的核心技術，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，高品質(zhì)T300/T700級碳纖維滿足國防應用需求，T800、M40、M40J和M55J已突破工程化制備技術，正在進行應用考核驗證。

2019年國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能達到26000噸，產(chǎn)能在3000噸以上有4家公司，產(chǎn)業(yè)集中度在加速，4家千噸級碳纖維企業(yè)的產(chǎn)能已經(jīng)占到全國總產(chǎn)能的75%。2019年國內(nèi)碳纖維總銷量大約是12000噸，銷量/產(chǎn)能比為45%，而國際其他碳纖維廠家的銷量/產(chǎn)能比達到75%以上。雖然國內(nèi)碳纖維銷量/產(chǎn)能比不高，產(chǎn)能得不到充分釋放，但國內(nèi)碳纖維的擴產(chǎn)愿意仍然強烈，擴產(chǎn)規(guī)模大。圖3為國內(nèi)碳纖維的產(chǎn)能分布，不同碳纖維廠商的擴產(chǎn)計劃見圖7。

圖3 2019年國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能分布

1.2 航空航天復合材料技術進入成熟期，風電和交通領域應用為碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)注入了新的活力

碳纖維復合材料是復合材料產(chǎn)業(yè)的技術和價值核心，2019年世界碳纖維復合材料年用量約16萬噸，市場總價值約170億美元。碳纖維復合材料用量排名前四的分別是風電（約26%）、航空航天(約23%)、體育休閑（約14%）和汽車（約11%）。碳纖維復合材料銷售收入排名前四的分別為航空航天（約63%）、體育休閑（約15%）、汽車（約6%）和風電（約4%）。

圖4 2019年全球不同領域碳纖維復合材料用量及銷售收入

在全球航空航天碳纖維復合材料市場中，大型商用飛機應用占據(jù)了67%，支線飛機12%，直升飛機約6%，軍機12%。大型商用飛機的高產(chǎn)量和復合材料高使用比例，使其復合材料的需求量占絕大多數(shù)市場份額，隨著大量采用復合材料的B787和A350飛機的批量生產(chǎn)，以及Boeing和Airbus系列飛機的改進改型復合材料用量的提高，這一比例將進一步達到航空碳纖維復合材料總用量的80%以上。

圖5 航空航天碳纖維復合材料的分布情況

風電和汽車應用為碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)注入了新的活力，推動碳纖維復合材料發(fā)展跨入到以工業(yè)應用為主的新階段。以Vestas為代表的風電碳纖維復合材料市場規(guī)模接近39000噸，以BMWi3為代表的汽車復合材料目前市場規(guī)模超過18000噸，但由于相對較高的原材料成本及制造成本，碳纖維復合材料尚難大比例替代傳統(tǒng)結構材料。

國內(nèi)碳纖維復合材料在航空航天、新能源，汽車和軌道交通，體育休閑，建筑和基礎設施等領域也得到大量應用，產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速擴大。國內(nèi)四代機復合材料用量達到27%，大型運輸機復合材料用量達到9%左右，直升機復合材料用量達到42%，C919大型客機復合材料用量10%左右。2016年開始，國內(nèi)民用復合材料生產(chǎn)量已超過德國、日本和美國，2019年碳纖維復合材料產(chǎn)量達到5.8萬噸，占世界復合材料產(chǎn)量的38%。由于這些應用主要為風電葉片和體育休閑，大部分處于中低端，其產(chǎn)值僅為世界復合材料產(chǎn)值的23%左右。

1.3 碳纖維復合材料自動化制造技術日趨普遍，美國、日本、法國、德國等發(fā)達國家成為航空航天復合材料的制造強國和大國

隨著碳纖維樹脂基復合材料在航空領域的廣泛應用，復合材料制造工藝向多元化和自動化快速發(fā)展，復合材料成型工藝從初期的手糊和手工鋪貼工藝發(fā)展到廣泛應用自動鋪放技術。2016年復合材料構件自動化制造比例達到50%。以勞動強度大、過程可控性差、污染嚴重為特點的手糊工藝已經(jīng)基本消失，以勞動力密集為特點的手工鋪貼工藝也已經(jīng)減少至30%。

圖6 復合材料成型工藝方法的發(fā)展過程

20年前由于勞動力成本因素，以勞動密集為特點的復合材料制造業(yè)曾有向中國、馬來西亞等發(fā)展中國家轉移的趨勢已經(jīng)不復存在，美國、日本、法國、德國等發(fā)達國家承擔了80%左右航空航天復合材料構件的制造，繼續(xù)保持航空航天復合材料的制造大國和強國地位。

國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料經(jīng)過30多年的發(fā)展，建立了復合材料研發(fā)平臺和制造基地，研制的環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺等復合材料滿足航空航天領域的應用需求，發(fā)展了熱熔預浸料和熱壓罐成型、纖維纏繞成型、樹脂傳遞模塑（ResinTransferMolding，RTM）成型工藝技術，自動鋪帶和自動鋪絲、預浸料自動拉擠等先進高效的工藝技術也開始得到應用。

2 國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)化技術發(fā)展存在的問題

2.1碳纖維研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)技術積累不夠，碳纖維高端產(chǎn)品缺乏，中低端產(chǎn)品成本居高不下，缺乏國際競爭力

國產(chǎn)碳纖維發(fā)展以跟蹤仿制模式為主，自主創(chuàng)新能力不足。國產(chǎn)碳纖維高端產(chǎn)品缺乏，目前國內(nèi)只有國產(chǎn)T800級碳纖維進入工程化應用驗證階段，更高性能的T1100G碳纖維、TORAYCAM40X碳纖維還處于跟蹤研發(fā)階段；中低端產(chǎn)品成本居高不下，宇航級T300、T700級國產(chǎn)碳纖維價格國外在1000元人民幣/kg以內(nèi)，國內(nèi)在3000-4000元人民幣/kg，缺乏國際競爭力。一方面國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)能難以達標，另一方面由于性價比低的原因，國內(nèi)樹脂基復合材料用碳纖維仍需大量進口。涉足碳纖維研制生產(chǎn)的單位數(shù)量多，低水平無序擴張愈演愈烈，產(chǎn)業(yè)陷入投入依賴陷阱，真正具有競爭力和可持續(xù)健康發(fā)展的碳纖維龍頭產(chǎn)業(yè)尚未形成。圖7為國內(nèi)近期碳纖維企業(yè)的擴產(chǎn)計劃。

圖7 不同碳纖維廠商的擴產(chǎn)計劃

2.2 碳纖維樹脂基復合材料制造工藝裝備落后，自動化程度低，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成套工藝與裝備研發(fā)能力不足

國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料結構應用以跟蹤替代為主，自主設計應用能力較弱，自動化成型工藝的應用比例不足20%。復合材料設計和工藝技術落后使復合材料性能離散大、減重效率和成品率低、成本高，已經(jīng)成為制約復合材料應用的突出問題。

國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料關鍵制造裝備總體處于以引進為主，研仿為輔的狀況，部分裝備如熱熔預浸機、纏繞機、熱壓罐、熱壓機的設計制造取得了一定突破，基本能夠滿足復合材料制造的要求。復合材料自動鋪放設備、預浸料自動拉擠設備的研制也取得了重要進展，但在科研和生產(chǎn)中發(fā)揮主要作用的還是進口裝備。

2.3 碳纖維樹脂基復合材料設計與應用水平不高，高端領域應用前景不明

國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料應用水平與發(fā)達國家存在明顯的差距。國外研制的B787、A350等大型客機復合材料用量達到了50%以上。國內(nèi)研制的ARJ21支線客機復合材料用量不足2%，正在研制的C919復合材料用量僅達10%左右，且大部分構件主要直接從國外進口預浸料制造生產(chǎn)。樹脂基復合材料在大型客機等民用航空領域難以形成規(guī)模。

雖然國內(nèi)民用樹脂基復合材料生產(chǎn)量已超過德國、日本和美國，2019年占世界復合材料產(chǎn)量的38%，但這些應用主要處于中低端，附加值低。碳纖維樹脂基復合材料缺乏高端民用領域的牽引，高端復合材料產(chǎn)業(yè)前景不明。

3 國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的發(fā)展機遇

3.1 國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料發(fā)展需求

國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料已經(jīng)初具規(guī)模，2019年國內(nèi)碳纖維復合材料生產(chǎn)量達到58000噸，體育休閑領域碳纖維復合材料生產(chǎn)量達到21000噸左右，建筑、壓力容器、汽車、電子電氣等領域碳纖維復合材料生產(chǎn)量達到10000噸以上，未來這些領域碳纖維復合材料的用量將保持3%～10%的速度繼續(xù)增長。

航空航天領域是碳纖維樹脂基復合材料高端應用的重要領域。我國正在研制的CR929寬體客機不但尾翼級次承載結構應用碳纖維增強復合材料，機翼、機身都將采用復合材料，用量超過50%。商用航空發(fā)動機的風扇葉片、包容機匣、發(fā)動機短艙都需要采用高韌性碳纖維復合材料制造，以提高發(fā)動機的推重比。新一代重型運載火箭、可重復使用運載器和新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)等研制急需T800級和T1000級碳纖維復合材料，以及高強高模M55J級碳纖維復合材料。航空航天領域碳纖維復合材料的應用規(guī)模將有明顯的增長。

隨著低風速風場和海上風電大型葉片的發(fā)展，碳纖維復合材料在風電領域的用量將持續(xù)高速增長。國內(nèi)主要的葉片制造商：洛陽雙瑞科技、中材科技、重通葉片、明陽風電、中復連眾、時代新材等均在積極推進碳纖維應用。2018年雙瑞科技83.6米的中國最長海上風電葉片下線，由于超長風電葉片承載要求，必須采用了碳纖維大梁，標志著國內(nèi)風電領域開始應用碳纖維復合材料。2019年風電領域碳纖維復合材料生產(chǎn)量達到

21000噸左右，未來風電領域碳纖維復合材料的產(chǎn)量將進一步快速提升。

國內(nèi)軌道交通發(fā)展處于國際領先水平。更高速度的高速列車、磁懸浮列車對輕量化的要求非常迫切，大量應用碳纖維復合材料是未來減輕列車結構重量的重要發(fā)展方向。中國高速列車3500組車如果復合材料使用率達到30%，將產(chǎn)生每年數(shù)萬噸的市場規(guī)模。

3.2 國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點

（1）國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料的發(fā)展目標碳纖維

建立符合我國應用需要的碳纖維技術與產(chǎn)品系列，碳纖維性能和價格具有國際競爭

力。突破碳纖維原絲生產(chǎn)技術，形成多元化技術體系；自主研發(fā)碳化、石墨化等關鍵設備，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)業(yè)化水平。高性能碳纖維力學性能達到或超過TORAYCAMX相當水平，滿足國防、國家大飛機、載人航天等重大工程的需求。低成本碳纖維符合拉伸強度2.8GPa、拉伸模量280GPa和斷裂伸長率1%的國際標準，支撐建筑、交通、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在“十四五”末期，碳纖維銷量達到50000噸/年，銷量/產(chǎn)能比達到60%以上。

碳纖維樹脂基復合材料：建立完整的碳纖維樹脂基復合材料自動化制造技術體系，實現(xiàn)復合材料自動鋪放裝備的自主制造，大型復合材料構件自動化制備技術應用比例提高到60%以上；實現(xiàn)T800級碳纖維及其復合材料在武器裝備、大型寬體客機、載人航天等領域的批量穩(wěn)定應用，主結構應用減重效率達到30%以上，綜合性能具備國際競爭力；研發(fā)新一代高強高模高韌碳纖維復合材料，實現(xiàn)在裝備應用的考核驗證。

面向新能源和交通領域的應用需求，全面突破高壓RTM、快速熱壓、快速固化等系列低成本工藝關鍵技術，突破低成本碳纖維復合材料在風電、交通等領域規(guī)模應用關鍵技術，構建集碳纖維研制生產(chǎn)、復合材料研制生產(chǎn)、裝備國產(chǎn)化研制、復合材料設計和應用的完整產(chǎn)業(yè)鏈條，實現(xiàn)低成本碳纖維復合材料在風電、交通等領域規(guī)模應用。在“十四五”末期，碳纖維復合材料在民用領域應用達到80000噸/年以上。

（2）國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料技術發(fā)展重點

a.碳纖維技術發(fā)展重點：

1）創(chuàng)新開展高性能碳纖維的研發(fā)，建立具有中國特色的高性能碳纖維技術與產(chǎn)品體系，實現(xiàn)碳纖維性能達到或超過TORAYCAMX系列，實現(xiàn)從跟蹤到超越的跨越。

2）突破低成本碳纖維制備關鍵設備和工藝技術，建立千噸乃至萬噸級低成本碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能符合拉伸強度2.8GPa、拉伸模量280GPa和斷裂伸長率1%國際標準，產(chǎn)品價格具有國際競爭力，支撐碳纖維復合材料在軌道交通、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的應用。

3）高強中模高韌碳纖維（T800級）復合材料通過在武器裝備和國產(chǎn)大型客機等的應用考核驗證，實現(xiàn)T800級碳纖維復合材料在航空裝備等批量應用。

b.復合材料技術發(fā)展重點：

1）全面突破復合材料自動鋪放裝備和制造技術，建立完整的先進復合材料自動化制造技術體系，實現(xiàn)復合材料自動鋪放裝備的自主制造，大型復合材料構件自動化制備技術應用比例提高到60%以上。

2）突破高性能熱塑性復合材料預浸料和原位固結成型技術、熱塑性復合材料原位反應成型技術，實現(xiàn)高性能熱塑性復合材料在航空裝備和車輛的批量應用。

3）發(fā)展真空狀態(tài)下模具直接加熱的新型非熱壓罐固化工藝，實現(xiàn)固化能耗和固化工藝成本降低50%以上，改善復合材料零件的固化均勻性和固化變形，開啟高效低成本樹脂基復合材料時代。

4）重點發(fā)展1～5min快速固化、高壓RTM、快速熱壓等低成本復合材料制備單元工藝技術，建立基于紡織級腈綸原絲低成本碳纖維復合材料快速制造技術，實現(xiàn)在汽車、風電等領域規(guī)模應用的產(chǎn)業(yè)集群。

5）發(fā)展碳纖維復合材料高效回收技術和回收碳纖維再利用技術，建立碳纖維復合材料回收再利用專用裝備，實現(xiàn)碳纖維復合材料規(guī)模化回收利用，支撐碳纖維復合材料在新能源和交通等領域規(guī)模應用和綠色發(fā)展。

（3）國內(nèi)碳纖維樹脂基復合材料發(fā)展戰(zhàn)略重點

1）形成碳纖維龍頭生產(chǎn)企業(yè)，具有規(guī)模生產(chǎn)系列高性能碳纖維和低成本碳纖維的能力。高性能碳纖維性能達到或超過TORAYCAMX系列，實現(xiàn)從跟蹤到領先的跨越；低成本碳纖維性能達到國際標準，價格具有國際競爭力。分別建立高性能碳纖維和低成本碳纖維千噸級和萬噸級生產(chǎn)線，成為國際碳纖維最主要供應商之一。

2）建立碳纖維復合材料聯(lián)合研發(fā)中心，發(fā)展碳纖維復合材料新型成型技術和工藝裝備，高性能結構復合材料和結構功能一體化復合材料，引領未來復合材料技術的發(fā)展。

3）建立碳纖維復合材料應用產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，實現(xiàn)航空航天復合材料，風電復合材料，車輛和軌道交通復合材料，海洋工程復合材料的研發(fā)與規(guī)模生產(chǎn)，形成航空航天復合材料市場規(guī)模3000噸/年，風電和軌道交通等復合材料市場規(guī)模30000噸/年，成為全球復合材料最主要生產(chǎn)基地。

4 結束語

碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)的快速、規(guī)?；l(fā)展，需要先進完整的復合材料產(chǎn)業(yè)技術體系和工藝裝備的支撐。應重點發(fā)展碳纖維大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)成套工藝與裝備技術，突破碳纖維性能提升和成本控制技術，實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，滿足國內(nèi)復合材料發(fā)展對碳纖維的需求并參與國際競爭。發(fā)展復合材料自動化制造和成套裝備技術，提升復合材料技術和裝備實力，建立先進完整的復合材料產(chǎn)業(yè)技術體系。

重點突破風電，車輛和軌道交通等碳纖維復合材料規(guī)?；统杀緫眉夹g，實現(xiàn)碳纖維復合材料在高端民用領域的規(guī)模化應用，真正把碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)做強做大。

碳纖維復合材料產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、健康發(fā)展，需要有大量的專業(yè)人才支撐。依托相關高校完善學科設置，適當加強機械、紡織、高分子、材料等專業(yè)融合，加強跨專業(yè)復合型人才培養(yǎng)，在重點企業(yè)建立企業(yè)技術中心和重點實驗室等高水平開放研究平臺，建立有效的激勵機制與合理有序的人才流動機制，促進人才的快速成長，滿足復合材料產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展對人才的需求。

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文章來源于《復合材料學報》 

作者：邢麗英、馮志海、包建文、禮嵩明

關鍵詞：碳纖維基復合材料 復合材料 碳纖維