中国热点化工产品市场分析334
碳纤维复合材料 三大应用领域各有千秋
□ 中化信高性能复合材料研究部 刘丛丛
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、减震等优异性能，近年正从航空航天和体育休闲领
域进一步扩大到工业生产领域。从中国化工信息中心最近召开的 “2011高性能纤维复合材料技术创新与应用发
展研讨会”上了解到，近年来碳纤维在工业应用领域的消费量持续增长，航空航天领域基本保持平衡，而体育用
品的比例则持续下降。2010年碳纤维的消费结构中工业领域占了50%，宇航领域占25%，其他占25%；预计到2020
年工业领域将占到75%以上，宇航领域在20%左右。同时，各种新型碳纤维复合材料不断问世，近年继T800、T1000
之后，Zylon、HS、M65J、M5等聚丙烯腈基(PAN)高强、高模碳纤维以及无机（陶瓷、金属等）、有机（PBO、芳纶
等）纤维得到了充分发展。
一、航空航天及军用 平稳增长
航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，2010年航空航天领域对碳纤维复合材料的需求量为7250t，同比增
长16.9%，预计未来几年该需求仍将以年均16%的速度增长，2014年将达到13000t。在整个碳纤维需求比例上，
基本上保持不变或略有下降。
碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、减震等优异性能，在大飞机、无人战斗机、载人航
天飞行器、卫星导弹、航空发动机、海军舰艇及陆基武器装备中发挥着越来越重要的作用。2010年4月、2011
年3月美国两次发射的无人太空战机X-37B引起广泛关注，其中先进复合材料功不可没。X-37B首次采用了C/Si/C
复合材料热结构并将碳纤维/双马来酰亚胺复合材料作为主结构材料。无人机在情报、监视、侦查等信息化作战
中具重要价值，超轻超大复合材料结构技术是提高其持续能力、生存能力、可靠性和有效载荷能力革命性跃升的
关键。美国“全球鹰”无人机是首架大量采用复合材料的飞机，而“全球观察者”无人机则全部采用复合材料。
现代信息化海战对船舰的高隐身、高机动和长寿命提出更高要求，复合材料船舰结构技术将为提升其生存能力做
出重要贡献，美国朱姆沃尔特驱逐舰舰体和舱室使用了碳纤维夹层复合材料，隐身性能提高；美国新概念海军船
舰M80主要结构采用了碳纤维复合材料，时速可达92km/h。
二、体育休闲 日渐成熟
体育休闲用品领域的是一个开发较早，现仍有稳定需求的领域，但目前已有渐趋饱和的态势。2010年碳纤维
在该领域的用量为10800t，同比增长13.7%，预测2014年将达到17000t。
在体育休闲领域，碳纤维复合材料主要用于制造高尔夫球具、各种球拍（网球拍、曲棍球拍、羽毛球拍等）、
钓鱼杆、自行车、赛艇、赛车、弓箭、滑雪板及杆、滑板等。目前，全球的自行车中，高级自行车和特别用途登
山车约占5%，成为碳纤维增强复合材料民用的一个重要方面。高级自行车的车构架、前叉部件、车轮、曲轴以及
座位支架等均可使用碳纤维增强复合材料，比例高达30%～40%。碳纤维增强复合材料赋予了车体良好的刚性和减
震性能，同时可实现轻质化。美国Trek公司全新的Madone系列公路自行车采用了最新的碳纤维技术OCLV HexSL，
与之前的碳纤维相比，OCLV HexSL碳纤维技术强度增加了4倍，可伸展性增加了2倍，减轻了100g的车架重量
同时保持了同样的特性。法国Salomen SA 采用100% CFRP材料加工自行车轮，生产周期短，制造成本低。表1
为日本东丽公司对全球自行车领域的碳纤维用量统计与预测。
碳纤维复合材料是可大幅度减重的结构材料，又兼有高耐腐蚀的特点，因此在舰船制造业具有广泛的应用前
景，在救生艇、巡逻艇、休闲游艇、竞技赛艇、帆船、舰艇以至潜水艇等方面吸引了众多消费者的注意。其应用
的部位包括船体、甲板、舱室结构、风帆桅杆、船舵和其他关键部件等。一艘用铝作为结构材料、质量为18t的
船艇，改用碳纤维复合材料可减轻9t，再加上动力系统质量的减轻，与铝材相比整体可减重11t，大大提高了航
海项目的安全性和可操作性。大型港口内的业务运营中，选择使用碳纤维复合材料巡逻艇可降低船体重量，提高
船的可操作性。Baltic公司制造的大多数游艇主要采用碳纤维，有时也使用芳纶纤维和S玻纤，在应力非常高的
大型船艇中碳纤维是主流材料。
表1 全球自行车领域的碳纤维用量统计与预测 t
年份 2006年 2007年 2008年 2009年 2010年 2011年 2012年 2015年
预测用量 755 859 966 1077 1183 1297 1408 1686
实际用量 691 819 - - - - - -
三、工业领域 最具活力和前景
近年碳纤维在工业领域的用量不断提高，2010年达到23200t，同比增长20.8%，预计2014年将提高到44500t，
在整个碳纤维消费结构中所占比重也将不断上升。在碳纤维及其复合材料应用三大领域中，工业应用无论绝对数
量和所占比重都位居第一，是最有活力、最有前景的应用领域。
碳纤维复合材料具有耐腐蚀、结构轻巧、耐久性好、制造和施工便捷等特点，其在基础设施及土木建筑中的
应用较早，目前该领域每年约消费碳纤维1000t左右、碳纤维布约300万～400万m2、碳纤维板约100万m2。另
外，对桥梁、大型建筑物及广场进行修复、更新、加固也已成为碳纤维复合材料重要的应用领域，采用碳纤维复
合材料修复加固碳足迹低，对环境影响小。
风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。全球风能理事会和绿色和平组织在北京发布
《全球风能展望2010》报告预计，全球风能装机容量2020年将达到10亿kW，届时中国风能装机容量将达到现
在的10倍，对风机叶片的需求量将近7万片，风机叶片市场对碳纤维的新增需求量将达11万t以上。
碳纤维复合材料应用在汽车上对减轻车重、减少油耗和提高车辆性能作用重大。世界几大碳纤维生产商已开
始与汽车厂家合作，日本东丽公司与德国戴姆勒公司联合开发碳纤维复合材料在汽车上批量应用；日本东邦公司
与丰田公司联合成立“复合材料创新中心”，研究开发汽车应用快速复合材料部件制备技术，生产LEA跑车用的
复合材料部件；德国SGL公司与德国宝马公司合作建设3000t/a大丝束碳纤维厂，用于生产电动汽车。
在包括动车组在内的现代铁道车辆中，玻璃钢、碳纤维等复合材料以及蜂窝夹层结构复合材料正在得到了广
泛地应用。碳纤维是承载能力最强的复合材料，也是当前惟一能够代替金属材料而成为结构材料使用的非金属复
合材料。通过与铁道车辆常用的部分金属材料比较发现，碳纤维在某些性能指标上具有一定的优势，但还有不足，
尤其是各向异性和耐冲击性能差。至今为止，国内仅在早期试制的动力集中型动车组样车中应用过碳纤维材料，
制造的产品是流线型车头中的前端车钩头盖。据悉，国外正在研究应用碳纤维材料制造车体结构的承载构件，但
还没有达到实用阶段。
四、提高制备能力 加强应用研究
碳纤维复合材料以其优异的性能正得到越来越广泛的关注，市场需求也越来越强烈。但我国生产的碳纤维制
品与国外产品相比还有一定差距，产品性能稳定性较差，品种单一，目前只能生产T300级产品，且与进口材料
相比价格过高。为此，专家建议：①要进一步加强T300级国产碳纤维工程应用研究，加强T800、T1000级等中
高端国产碳纤维的研究开发，重要装备高性能纤维的发展必须立足于国产碳纤维。②从长远发展来看，应在国家
层面上继续推动新装备、新工艺的重大研究计划，提高我国复合材料的制备能力。③进一步加强设计、分析、检
测和评价技术研究，提高复合材料应用技术成熟度；准确把握我国复合材料技术现状和趋势，“用好”材料，而
不是简单用“好材料”；设计理念上要从全寿命周期考虑性能和成本问题，发挥一体化设计优势。④重视和加强
新型复合材料与技术的研发进程，推动建立“概念验证-技术突破-验证转化”的良好机制和发展策略，与国外同
步发展有潜力的新兴技术；进一步加大基础研究支持范围和力度，包括一些有潜力但暂时还不能产生明显效益的
技术。