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作者|独角兽智库专家
来源|独角兽研究
编辑|独角兽智库
碳纤维复合材料简介
碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位。其出色的力学性能、热性能、耐腐蚀、抗辐射在一般工业领域以及航天航空领域应用越来越广泛。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维
聚丙烯腈基碳纤维以聚丙烯腈基长丝为主要材料，也称为原丝，经过拉伸、预氧化、氧化、高温碳化、石墨化等形成碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维的强度、刚性及其他力学性能均优于钢铁，比强度、比模量性能指标比起钢铁、金属材料更加出色，是高强钢的3-5倍，可充分满足航空航天领域需求。碳纤维不能单独使用，一般以复合材料形式出现。碳纤维经过树脂固化形成新型材料，受力的是碳纤维，树脂起到粘结的作用。类似钢筋混凝土，钢筋承力，混凝土用于传力粘结、保护钢筋。树脂正如混凝土起到的作用。
上世纪40-50年代国外开始研究碳纤维及其复合材料。二战后美、日、德在碳纤维研究领域走在了世界前列。60年代相继开发出了T300系列，70年代开发T400、T700以及相关M系列碳纤维，90年代 T800、T1000系列问世，2012年日本东丽公司宣布T1100研制成功。
碳纤维分类
碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。以T300为例，T300指强度和模量的级别，单丝强度可达到3000MPa，模量230GPa。一般常见钢铁强度仅为200-300MPa。之后的T400、T800、T1100强度和模量呈递增趋势，工艺、原材料开发程度也愈加困难。
我国碳纤维复合材料的研究与运用
我国碳纤维的研制经历了30多年的漫长历程。2008年T300级碳纤维工业化生产全流程关键技术得到突破，已基本实现国产化，产品部分替代进口。目前，T700级碳纤维尚未形成大规模量产，T800进入研究阶段。我国的碳纤维研究、产业应用与国外尚有20-30年差距。碳纤维在航空航天方面尝试应用始于70、80年代，但使用范围极小、用量极少，进入到90年代中期，随着第三代航空装备和载人航天项目开始运用，碳纤维复合材料逐渐崭露头角，但纤维多为实验室级别或严重依赖进口。2008年国家启动大飞机项目，碳纤维复合材料的生产在国内呈现井喷的发展态势。综上，虽然我国碳纤维复合材料在航空航天领域的发展远落后于西方国家，但追赶速度非常快。预计2025-2030年可以与西方国家同台竞技，一较高下。
碳纤维复合材料在航空航天领域应用的结构占比
航空航天是国际碳纤维应用的传统市场。最先开始于航天领域。美国等发达国家先后开发了碳纤维-酚醛防热复合材料、高强高韧碳纤维—环氧复合材料、耐高温碳纤维复合材料等系列产品，主要用于受力部件（火箭发动机外壳）、耐热部件（火箭发动机喷管）、火箭箭体结构等。后发展到航空领域，主要用于军用飞机的非受力部件，如舵面、扰流板、整流罩等。再后来发展至大非承力部件，如整个舵面、水平尾翼、垂直尾翼、机翼、机头、机身等等。
国外碳纤维复合材料在战斗机、直升机、无人机上的用量早已达到或超过机身总重的50%，军事飞机运用碳纤维复合材料用量占比约为30%。波音787“梦幻航线”和空客A350XWB宽体客机上，碳纤维复合材料主、次结构件质量占比也已达到50%，而我国C929仅为10%左右，仍有很大差距，这与我国碳纤维复合材料的研究历史、碳纤维复合材料的成形技术、力学性能、结构设计等有很大关系，从而导致我国碳纤维复合材料在航天器上的应用较少。
航天领域与航空领域有所不同，我国碳纤维复合材料在航天领域运用发展较快。航天器如火箭、卫星等使用周期短，碳纤维复合材料结构比重较大，约为20%左右，与国外水准齐平。
碳纤维生产厂家
目前世界碳纤维产量达到4万吨／年，日本东丽、东邦人造丝、三菱人造丝，美国的HEXCEL、ZOLTEK、ALDILA，以及德国SGL西格里集团、韩国泰光产业、我国台湾的台塑集团等少数单位掌握了碳纤维生产的核心技术，民用用品较多，且有规模化大生产能力。其中日本东丽公司占全球碳纤维产量超过50%，以公司标准定级，引领世界碳纤维发展。
我国主要有吉化、中复神鹰、江苏恒神、威海拓展、金发科技等，从产量和性能稳定性、性能水平与国外厂家都有很大差距。
国产碳纤维突破路径
我们能否依赖进口？答案是否定的。一则是航空航天属于敏感领域，高端技术涉密，限制严格，国外不可能允许核心机密外泄。二则是成本原因，07-08年我国T300系列碳纤维研制成功后，日本东丽公司的T300系列碳纤维价格从最高8000-9000人民币/公斤迅速下降至几百块/公斤，碳纤维复合材料不仅仅是国家战略需要，也具有广阔市场前景需求，国内碳纤维厂家亟待掌握核心技术，拥有更多市场话语权。
碳纤维复合材料应用领域
碳纤维按用途可分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝束和大丝束。通常把48K及以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防工业和高技术及体育休闲用品（如：飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等）。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。其中，航空航天应用量占25-30%，一般工业领域占40-50%。其中，运用于航空航天领域的碳纤维复合材料的产值最大，其复合材料属于最新、最高端、性能最稳定的产品，一般工业领域如道路、桥梁等属于中低端产品，价格较低、材料性能较差。
国内碳纤维复合材料研究集中于航空航天领域，机构以高校研究所为主，北航、南航、哈工大、西工大、飞机设计所、航天火箭研究院等主导碳纤维研究应用工作。产业化做的比较好的如中航复材，公司借壳南通科技，现名为中航高科。另外还有航天一院703所、洛阳725所在碳纤维复合材料应用研究方面成绩显赫。随着航空航天产业日新月异的发展，国家战略需求的不断增加，相关民营企业也陆续介入碳纤维复合材料的研究生产，如江苏恒神、四川新万兴等，相信民企的介入与推动、市场的激烈竞争，将使得碳纤维复合材料在航空航天领域得到更为广泛的运用。
民用航空
碳纤维复合材料不仅限于军用领域。随着低空领域的开放，通用航空、民用航空对碳纤维复合材料需求激增。大飞机项目启动以来，民航领域对国内碳纤维复合材料需求越来越旺盛，我国即将研发的二代大型C929碳纤维复合材料应用会再上台阶，民航对于大飞机的需求量每年保持200-300架需求。
通用航空
私人飞机、探空气球等航空器价格较低、产量大，拉动碳纤维材料的使用量贡献最大，属于最有利于降低材料成本的应用领域。
无人机
碳纤维复合材料在军用无人机、民用无人机领域开始崭露头角。以大疆无人机为例，由于碳纤维复合材料成本较高，多采用金属或塑料材料制造，随着碳纤维材料成本逐步降低，将大力推动无人机市场对碳纤维的运用，从而形成产业良性循环，有利于碳纤维材料技术进步、应用水平提高。
Q&A
Q1：周总，这个复合碳纤维可以代替合金钢，比如合金钻头用钢吗？A1：在某些领域代替合金钢，钻头的合金钢硬度非常大，复合材料硬度有限，耐切削性能没有高级合金钢好，不易制成钻头。除了成本高之外，碳纤维的缺点还包括横向耐冲力较差、耐磨性一般、高温抗氧化性能较差，需要和其它材质配套使用。
Q2：请问，国内上市企业，你最看好那家？谢谢A2：原材料方面，恒神股份，博云新材，中钢国际技术实力及产业化还可以。最新的还有金发科技、时代新材。目前投资尚早，中长期投资更为适宜，不是最热的时候，不适宜短期炒作。
Q3：请教一下，国外已经用碳纤维做轮毂了，这个技术国内还有多大差距A3：技术方面不存在难题，主要是成本问题，目前高端自行车品牌运用相对较多。碳纤维汽车轮毂要求较高，国内外经验积累较少，研究不深入，处于刚起步阶段，极少部分有产量化，应用范围也不是很广。
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