二、碳纖維樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用領(lǐng)域
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有很高的比強(qiáng)度和比模量，重量輕而強(qiáng)度和剛度大。隨著技術(shù)的提高，現(xiàn)代飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機(jī)體結(jié)構(gòu)正逐漸擴(kuò)大使用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的比例。同時(shí)隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也逐步延伸，從最初的航空航天與國(guó)防軍工產(chǎn)業(yè)逐漸向更注重經(jīng)濟(jì)效益的民用工業(yè)擴(kuò)展，如今在體育休閑、汽車、軌道交通等民用產(chǎn)品領(lǐng)域也得到愈加廣泛的應(yīng)用。 由于高比強(qiáng)度、輕質(zhì)量帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，國(guó)際主要民航飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾材料對(duì)復(fù)合材料的使用比例逐漸升高，如波音的787與空中客車的A350，碳纖維復(fù)合材料使用比例均超過(guò)50%。與國(guó)際碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)中航空航天與國(guó)防軍工領(lǐng)域占據(jù)市場(chǎng)最大份額的情況不同，中國(guó)航空航天產(chǎn)業(yè)對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用還在成長(zhǎng)階段。而中國(guó)國(guó)產(chǎn)航空裝備產(chǎn)業(yè)在“十三五”以來(lái)得到良好發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為整個(gè)機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、艙門等重要結(jié)構(gòu)部分或內(nèi)飾的材料，綜合性能優(yōu)勢(shì)明顯，市場(chǎng)需求將更加強(qiáng)勁。盡管由于C919等國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)化速度不如預(yù)期，2021年來(lái)自國(guó)內(nèi)民用航空裝備市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)速度落后于國(guó)防軍工和航天產(chǎn)業(yè)，但該領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的市場(chǎng)規(guī)模在未來(lái)仍將保持超過(guò)26.41%的增長(zhǎng)速度。
圖3 中國(guó)民用航空領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模（億元）
2、航天
由于優(yōu)異的耐高溫、耐摩擦性能，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在火箭的整流罩、級(jí)間段、儀器艙、誘餌艙、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、燃燒室和排氣錐體等部位，火箭、航天器的質(zhì)量能夠顯著降低，艙體質(zhì)量的降低將提升火箭的有效載荷，讓單次發(fā)射承擔(dān)更多任務(wù)。因此中國(guó)已在多種型號(hào)的運(yùn)載火箭中采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，從非承力零部件、裝飾部件到次承力件，進(jìn)而到大型部件、復(fù)雜部件和主承力結(jié)構(gòu)件。 僅以長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭為例，其每完成“百次發(fā)射”的時(shí)間間隔分別為37年、7年多、4年多、2年9個(gè)月，是中國(guó)航天高密度發(fā)射常態(tài)化的標(biāo)志之一?！笆濉币詠?lái)，中國(guó)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2021年，中國(guó)火箭年發(fā)射次數(shù)首次超過(guò)50次。圖4 中國(guó)歷年火箭發(fā)射次數(shù)（次） 與此同時(shí)，由于美國(guó)商用火箭產(chǎn)業(yè)的快速成長(zhǎng)帶來(lái)的示范作用，我國(guó)商用火箭產(chǎn)業(yè)也在快速追趕，國(guó)內(nèi)航天發(fā)射主管部門對(duì)民營(yíng)航天持開放支持態(tài)度，航天科工火箭技術(shù)有限公司的“快舟”系列、星級(jí)榮耀的“雙曲線”系列等國(guó)產(chǎn)商用火箭皆成功發(fā)射。 除火箭外，航天器、空間光學(xué)相機(jī)由于輕量化和強(qiáng)度要求，在結(jié)構(gòu)件等眾多部位采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為主要材料。以空間光學(xué)相機(jī)為例，碳纖維復(fù)合材料和金屬預(yù)埋件互嵌整體成型的設(shè)計(jì)能夠優(yōu)化基體的筋格形式和厚度，滿足空間相機(jī)的高動(dòng)態(tài)剛度、輕質(zhì)量、高安裝精度要求，具有傳統(tǒng)材料無(wú)可比擬的綜合性能優(yōu)勢(shì)。因此航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴祭w維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的需求將持續(xù)高漲，保持27.39%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。圖5 中國(guó)航天領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模（億元）
除了在軍用飛機(jī)上的運(yùn)用外，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料也因其高比強(qiáng)度、耐高溫、耐摩擦的特性，成為導(dǎo)彈殼體的主要材料。如中國(guó)新一代洲際彈道導(dǎo)彈東風(fēng)-41和巨浪-2的導(dǎo)彈殼體都采用了碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，以減輕單體自身重量，提高載荷進(jìn)、而強(qiáng)化戰(zhàn)斗部或推進(jìn)系統(tǒng)。2020年中國(guó)國(guó)防開支占GDP比重僅1.7%，遠(yuǎn)低于同期美國(guó)的3.7%、英國(guó)的2.2%、法國(guó)的2.1%與俄羅斯的4.3%，還有進(jìn)一步提升空間。而十九大以來(lái)，國(guó)家著眼國(guó)家安全環(huán)境新變化和強(qiáng)國(guó)強(qiáng)軍新要求，對(duì)“堅(jiān)持走中國(guó)特色強(qiáng)軍之路，全面推進(jìn)國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化”做出了新的戰(zhàn)略籌劃和全面布局，對(duì)國(guó)防軍工的現(xiàn)代化提出了更高的要求，將對(duì)武器裝備的性能和材料要求提到了新的高度。據(jù)瑞典斯德哥爾摩國(guó)際和平研究所數(shù)據(jù)，中國(guó)多年來(lái)持續(xù)注重國(guó)防現(xiàn)代建設(shè)投入，軍費(fèi)逐年提升。武器裝備的快速現(xiàn)代化需求，為高端碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)的未來(lái)增長(zhǎng)帶來(lái)了穩(wěn)定的需求來(lái)源。圖6 中國(guó)歷年軍費(fèi)開支（億美元） 由于國(guó)防現(xiàn)代化戰(zhàn)略以及裝備費(fèi)用在國(guó)防開支中比例的逐步提升超過(guò)40%，國(guó)防軍工領(lǐng)域的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到25.90%的高年復(fù)合增長(zhǎng)率。圖7 中國(guó)國(guó)防軍工領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模（億元） 在球桿、球拍、自行車、滑雪板、釣魚竿等傳統(tǒng)由木質(zhì)或金屬材質(zhì)構(gòu)成的體育器械領(lǐng)域，復(fù)合材料由于其輕量化、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，逐漸成為器材材料的主要替代選擇，體育休閑領(lǐng)域曾長(zhǎng)期是我國(guó)碳纖維復(fù)合材料最大的終端市場(chǎng)。根據(jù)中國(guó)文教體育用品協(xié)會(huì)釣具專業(yè)委員會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019年我國(guó)戶外用品市場(chǎng)營(yíng)收規(guī)模為1,591.00億元，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)到1,693.27億元，未來(lái)繼續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2025年將增長(zhǎng)至2,409.60億元，2021年至2025年間的復(fù)合增長(zhǎng)率為7.10%。圖8 中國(guó)戶外運(yùn)動(dòng)用品市場(chǎng)規(guī)模（億元） 在中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中，受制于原材料與工藝相對(duì)落后，國(guó)內(nèi)的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能與收入多集中在低端領(lǐng)域，體育休閑產(chǎn)業(yè)曾長(zhǎng)期是最大下游市場(chǎng)。圖9 中國(guó)體育休閑領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模（億元） 由于輕量化特點(diǎn)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為風(fēng)電葉片的主要組成材料，一直在新能源領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。而隨著風(fēng)電葉片的大型化發(fā)展趨勢(shì)，尤其是單個(gè)葉片長(zhǎng)度達(dá)到百米以上時(shí)，傳統(tǒng)玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料已逐漸難以滿足風(fēng)電葉片對(duì)材料強(qiáng)度和性能的要求，在大型風(fēng)電葉片的制造工藝中，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料對(duì)傳統(tǒng)玻纖復(fù)合材料的替代大勢(shì)愈加明顯。 據(jù)世界風(fēng)能理事會(huì)（GWEC）發(fā)布的《Global Wind Report 2021》數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)在2020年全年新增風(fēng)電裝機(jī)量約52GW，占全球總新增裝機(jī)量的56%，連續(xù)多年成為世界最大的新增風(fēng)電裝機(jī)市場(chǎng)。隨著碳中和概念在世界和中國(guó)全社會(huì)范圍內(nèi)的推廣與認(rèn)可，風(fēng)電設(shè)備裝機(jī)量逐年攀高，這一市場(chǎng)將成為碳纖維復(fù)合材料需求的主要推動(dòng)力量來(lái)源之一。
由于國(guó)際國(guó)內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)、國(guó)際市場(chǎng)產(chǎn)能受疫情影響，加之國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級(jí)等諸多因素影響，2020年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)取代體育休閑產(chǎn)業(yè)，成為中國(guó)碳纖維纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料最大的下游應(yīng)用市場(chǎng)，并以13.02%的年復(fù)合材增長(zhǎng)率在未來(lái)數(shù)年長(zhǎng)期保持這一地位。
圖10 中國(guó)風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模（億元）
2020年9月中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，對(duì)于交通運(yùn)輸業(yè)而言，輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于降低能耗、進(jìn)而達(dá)到行業(yè)整體節(jié)能減排的目標(biāo)至關(guān)重要。因此，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在軌道交通、汽車等眾多交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用也在推廣與加深。
在汽車領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)熱固性樹脂復(fù)合材料逐漸替代傳統(tǒng)材料，作為主要的汽車承力結(jié)構(gòu)材料，如車身面板、車輪、傳動(dòng)軸、結(jié)構(gòu)件、懸架結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵部位。而擋泥板、車身內(nèi)飾、座椅等非承力結(jié)構(gòu)，也會(huì)因輕量化設(shè)計(jì)需求而采用碳纖維材料。在面臨電池技術(shù)發(fā)展瓶頸的新能源汽車行業(yè)，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用所帶來(lái)的車體質(zhì)量降低、續(xù)航能力提升尤為關(guān)鍵。此外，新能源汽車的燃料電池與儲(chǔ)氫罐也廣泛采用碳纖維復(fù)合材料。中國(guó)高速增長(zhǎng)的新能源汽車產(chǎn)業(yè)，將成為碳纖維復(fù)合材料重要的下游應(yīng)用領(lǐng)域之一。
圖11 中國(guó)新能源汽車保有量（萬(wàn)輛） 此外，中國(guó)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)汽車制造業(yè)的規(guī)模結(jié)合新能源汽車產(chǎn)業(yè)的興起，使得盡管材料單價(jià)較低，汽車產(chǎn)業(yè)仍是國(guó)內(nèi)碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)的一個(gè)重要下游市場(chǎng)，預(yù)計(jì)在未來(lái)5年將保持25.71%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。
圖12 中國(guó)汽車領(lǐng)域碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模（億元） 除上述重點(diǎn)領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料還在建筑增強(qiáng)、電子電氣、軌道交通、工業(yè)機(jī)械、醫(yī)療等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用得到拓展，不斷滿足各類性能需求，提升自身在各下游行業(yè)的滲透率。
本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)綜編，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)。
