二、碳纖維樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用領(lǐng)域
碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料具有很高的比強度和比模量，重量輕而強度和剛度大。隨著技術(shù)的提高，現(xiàn)代飛機、導(dǎo)彈和衛(wèi)星等機體結(jié)構(gòu)正逐漸擴大使用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的比例。同時隨著產(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防軍工產(chǎn)業(yè)逐漸向更注重經(jīng)濟效益的民用工業(yè)擴展，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。 由于高比強度、輕質(zhì)量帶來的經(jīng)濟效益，國際主要民航飛機的結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾材料對復(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50%。與國際碳纖維復(fù)合材料市場中航空航天與國防軍工領(lǐng)域占據(jù)市場最大份額的情況不同，中國航空航天產(chǎn)業(yè)對碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用還在成長階段。而中國國產(chǎn)航空裝備產(chǎn)業(yè)在“十三五”以來得到良好發(fā)展，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料作為整個機身、機翼、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)勢明顯，市場需求將更加強勁。盡管由于C919等國產(chǎn)大飛機產(chǎn)業(yè)化速度不如預(yù)期，2021年來自國內(nèi)民用航空裝備市場的需求增長速度落后于國防軍工和航天產(chǎn)業(yè)，但該領(lǐng)域碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料的市場規(guī)模在未來仍將保持超過26.41%的增長速度。
圖3 中國民用航空領(lǐng)域碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模（億元）
2、航天
由于優(yōu)異的耐高溫、耐摩擦性能，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料廣泛應(yīng)用在火箭的整流罩、級間段、儀器艙、誘餌艙、發(fā)動機噴管、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)。因此中國已在多種型號的運載火箭中采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，從非承力零部件、裝飾部件到次承力件，進而到大型部件、復(fù)雜部件和主承力結(jié)構(gòu)件。 僅以長征系列運載火箭為例，其每完成“百次發(fā)射”的時間間隔分別為37年、7年多、4年多、2年9個月，是中國航天高密度發(fā)射常態(tài)化的標(biāo)志之一。“十三五”以來，中國航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，2021年，中國火箭年發(fā)射次數(shù)首次超過50次。圖4 中國歷年火箭發(fā)射次數(shù)（次） 與此同時，由于美國商用火箭產(chǎn)業(yè)的快速成長帶來的示范作用，我國商用火箭產(chǎn)業(yè)也在快速追趕，國內(nèi)航天發(fā)射主管部門對民營航天持開放支持態(tài)度，航天科工火箭技術(shù)有限公司的“快舟”系列、星級榮耀的“雙曲線”系列等國產(chǎn)商用火箭皆成功發(fā)射。 除火箭外，航天器、空間光學(xué)相機由于輕量化和強度要求，在結(jié)構(gòu)件等眾多部位采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料作為主要材料。以空間光學(xué)相機為例，碳纖維復(fù)合材料和金屬預(yù)埋件互嵌整體成型的設(shè)計能夠優(yōu)化基體的筋格形式和厚度，滿足空間相機的高動態(tài)剛度、輕質(zhì)量、高安裝精度要求，具有傳統(tǒng)材料無可比擬的綜合性能優(yōu)勢。因此航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芴祭w維增強樹脂基復(fù)合材料的需求將持續(xù)高漲，保持27.39%的年復(fù)合增長率。圖5 中國航天領(lǐng)域碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模（億元）
除了在軍用飛機上的運用外，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料也因其高比強度、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樹脂基復(fù)合材料，以減輕單體自身重量，提高載荷進、而強化戰(zhàn)斗部或推進系統(tǒng)。2020年中國國防開支占GDP比重僅1.7%，遠低于同期美國的3.7%、英國的2.2%、法國的2.1%與俄羅斯的4.3%，還有進一步提升空間。而十九大以來，國家著眼國家安全環(huán)境新變化和強國強軍新要求，對“堅持走中國特色強軍之路，全面推進國防和軍隊現(xiàn)代化”做出了新的戰(zhàn)略籌劃和全面布局，對國防軍工的現(xiàn)代化提出了更高的要求，將對武器裝備的性能和材料要求提到了新的高度。據(jù)瑞典斯德哥爾摩國際和平研究所數(shù)據(jù)，中國多年來持續(xù)注重國防現(xiàn)代建設(shè)投入，軍費逐年提升。武器裝備的快速現(xiàn)代化需求，為高端碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場的未來增長帶來了穩(wěn)定的需求來源。 由于國防現(xiàn)代化戰(zhàn)略以及裝備費用在國防開支中比例的逐步提升超過40%，國防軍工領(lǐng)域的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模預(yù)計將達到25.90%的高年復(fù)合增長率。圖7 中國國防軍工領(lǐng)域碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場規(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、比強度高等特點，逐漸成為器材材料的主要替代選擇，體育休閑領(lǐng)域曾長期是我國碳纖維復(fù)合材料最大的終端市場。根據(jù)中國文教體育用品協(xié)會釣具專業(yè)委員會發(fā)布的數(shù)據(jù)，2019年我國戶外用品市場營收規(guī)模為1,591.00億元，預(yù)計2020年將達到1,693.27億元，未來繼續(xù)保持增長趨勢，到2025年將增長至2,409.60億元，2021年至2025年間的復(fù)合增長率為7.10%。 在中國國內(nèi)市場中，受制于原材料與工藝相對落后，國內(nèi)的碳纖維增強樹脂基復(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)曾長期是最大下游市場。圖9 中國體育休閑領(lǐng)域碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模（億元） 由于輕量化特點，纖維增強復(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，尤其是單個葉片長度達到百米以上時，傳統(tǒng)玻璃纖維增強樹脂基復(fù)合材料已逐漸難以滿足風(fēng)電葉片對材料強度和性能的要求，在大型風(fēng)電葉片的制造工藝中，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料對傳統(tǒng)玻纖復(fù)合材料的替代大勢愈加明顯。 據(jù)世界風(fēng)能理事會（GWEC）發(fā)布的《Global Wind Report 2021》數(shù)據(jù)顯示，中國在2020年全年新增風(fēng)電裝機量約52GW，占全球總新增裝機量的56%，連續(xù)多年成為世界最大的新增風(fēng)電裝機市場。隨著碳中和概念在世界和中國全社會范圍內(nèi)的推廣與認(rèn)可，風(fēng)電設(shè)備裝機量逐年攀高，這一市場將成為碳纖維復(fù)合材料需求的主要推動力量來源之一。
由于國際國內(nèi)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的增長、國際市場產(chǎn)能受疫情影響，加之國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料的技術(shù)產(chǎn)業(yè)升級等諸多因素影響，2020年風(fēng)電產(chǎn)業(yè)取代體育休閑產(chǎn)業(yè)，成為中國碳纖維纖維增強樹脂基復(fù)合材料最大的下游應(yīng)用市場，并以13.02%的年復(fù)合材增長率在未來數(shù)年長期保持這一地位。
圖10 中國風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模（億元）
2020年9月中國明確提出2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)，對于交通運輸業(yè)而言，輕量化設(shè)計對于降低能耗、進而達到行業(yè)整體節(jié)能減排的目標(biāo)至關(guān)重要。因此，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在軌道交通、汽車等眾多交通運輸領(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)，也會因輕量化設(shè)計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)，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料應(yīng)用所帶來的車體質(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氫罐也廣泛采用碳纖維復(fù)合材料。中國高速增長的新能源汽車產(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。
此外，中國國內(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，使得盡管材料單價較低，汽車產(chǎn)業(yè)仍是國內(nèi)碳纖維復(fù)合材料市場的一個重要下游市場，預(yù)計在未來5年將保持25.71%的年復(fù)合增長率。
圖12 中國汽車領(lǐng)域碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模（億元） 除上述重點領(lǐng)域，碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料還在建筑增強、電子電氣、軌道交通、工業(yè)機械、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。
本文由中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會綜編，文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請注明來自中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會。
