通过一代碳纤维人的不懈努力，我国碳纤维行业不断壮大，技术水平突飞猛进，但在产量与质量上与世界强国仍有差距，碳纤维复合材料应用也尚有许多问题待解决。怎样推动碳纤维复合材料在航空、汽车、风电等领域更好更多地应用？近日在浙江嘉兴召开的2020（第九届）全国碳纤维产业发展大会上，与会专家就如何突破碳纤维复合材料产业化的障碍，以及航空用碳纤维复材的关注领域等展开了深入探讨。
下游应用：风电迎机遇，航空存短板
中国化工信息中心主任揭玉斌在致辞中表示，风电和航空航天对碳纤维复合材料的需求分别占总需求量的25%和23%，是其排名前位的应用领域。而我国碳纤维需求近两年来的超高增长也得益于风电叶片市场的快速成长，2019年我国碳纤维的总需求量为3.78万吨，其中风电消耗1.38万吨，较上一年大幅增长72.5%。
值得一提的是，2019年我国国产碳纤维用于风电的大约有1000吨，而2018年全部依赖进口获得。碳纤维在风电叶片领域应用的日趋成熟，为国内碳纤维企业带来了难得的发展机遇。而航空航天领域国产碳纤维的应用，当前仍然是我国的短板，2019年我国碳纤维复合材料在航空航天领域的用量仅为2154吨，仅占国内总用量的4%，与国际平均水平还有很大的一段距离。
航空应用未来关注四大方向
中航复合材料有限责任公司副总经理李宏运指出，先进树脂基复合材料在航空装备中得到广泛应用，成为衡量航空装备先进性的重要标志。经过长期的技术积累，国内航空复合材料进入扩大应用阶段，歼击机复合材料用量达到了30%左右。持续大规模应用研究和集成综合验证，是推动碳纤维复合材料规模化应用的必经之路。
李宏运提出了后T800级航空结构复合材料的问题与挑战：
一是更高强度和模量的高强中模T1100，还是高强高模高延伸率性质M40X；二是如何平衡M40X模量提高带来的复合材料界面恶化问题；三是如何提高基体模量和强度，提高复合材料的抗压缩和抗剪切载荷能力；四是如何把纤维的高性能转化为高的设计值及结构效率。
亚太材料科学院院士、国际先进材料与工艺技术学会（SAMPE）全球伦值主席、宁波诺丁汉大学教授益小苏介绍了航空复合材料技术的挑战与创新。益小苏认为，复合材料的使用既要关注性能，又要关注成本，二者缺一不可。复合材料制造中的铺层、装配和紧固件成本几乎占总成本的一半，材料本身成本占比仅有10%左右，因此整体化技术必然是低成本技术的主流。未来航空复合材料的发展趋势主要有：材料高性能化、材料与制造技术低成本化、材多用与多功能化、材料与制造技术的资源与环境友好化。
中国工程院院士、中国商用飞机公司原副总经理吴光辉指出，从飞机的角度看，包括碳纤维复材在内的复合材料要实现量体裁衣，还有一段路要走。一代材料支撑一代飞机，同时，一代飞机也牵引着材料向前走，两者相辅相成。真正的碳纤维复材实现减重，仅从力学角度来讲可以到30%，但如果加上飞机材料的其他要求，比如防雷电等，减重效果就大打折扣了。衡量一架飞机的先进性，不是看用了多少复材，而是要“因材施用”，选材一定要综合考虑成本、重量和可行性等因素。
风电叶片用量快速增长带来机遇
风电已成为全球主要电能之一，预计到2030年，年均复合增长率达12%；2050年全球超过25%的发电量将来自风电。中国已成为全球最大风电市场，前不久发布的“北京宣言”提出，中国到2030年风电至少达到8亿千瓦，年均复合增长率达12%。
中材科技风电叶片股份有限公司技术副总监李成良认为，风电行业发展正呈现新的趋势：风电机组朝着大功率化，陆上向海上发展；风电叶片面临叶片开发大型化、持续降本增效的新挑战。碳纤维具有刚度大、强度高、密度低优势，是实现大型叶片轻质高强要求的理想材料选择。然而，当前我国碳纤维叶片应用落后于欧美，国内碳纤维约50%依赖进口，材料成本高；碳纤维复合材料对制造精度要求高，缺陷检验难度大，碳纤维叶片雷电防护方案成熟度较低。不过也应看到，近几年风电叶片用量快速增长给国内碳纤维企业带来了发展机遇，国产化进程加速。碳纤维产能的逐步释放，将缓解国内供需矛盾，更会为低成本碳纤维时代奠定基础。
交通运输领域是国产化的关键
俄罗斯工程院外籍院士，浙江清华长三角军民协同创新研究院院长荣毅超指出，碳纤维复材在航空航天领域用量相对较小，新材料一定要用于国民经济主战场才能实现规模化推广。交通运载工具轻量化是节能减排的重要手段，汽车每减重10%，会节油6%；大力发展汽车轻量化技术，是保障国家能源战略安全、减轻环境压力、实现新能源汽车产业高质量发展的关键技术。
每年10万辆的订单为新材料应用提供了巨大的市场空间。真正国产碳纤维的产业化，必须实现在交通运输领域的推广，但难题是降成本。这包括材料低成本（碳纤维低成本以及碳纤/玻纤混编）、设计低成本（计算机优化设计、虚拟设计制造、多部件一体化设计）和工艺低成本（改型RTM工艺、常温快速固化工艺）。
让碳纤维复合材料用得起
当前，国内碳纤维产业发展迅速，湿喷湿纺T300级、T700级、T800级，以及干喷湿纺T700级与T800级已基本实现产业化大规模生产；T1000级、M40J级已研发成功，开始批量化生产；大丝束碳纤维已研发成功。但国产碳纤维材料在应用方面仍有较大提升空间。
江苏恒神股份有限公司材料开发部负责人郭聪聪认为，在复合材料快速发展之际，发展低成本化技术至关重要，可能会直接影响复合材料能否在更广泛的领域应用。
长三角先进材料研究院碳纤维复合材料事业部首席专家沈真表示，降低成本是先进复合材料扩大应用的驱动力。1996年由美国先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民用运输机用的新材料》中指出：“虽然复合材料的市场销量增长缓慢往往会归因于原材料的高成本，但材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8%~10%。事实上，工艺制造成本是总成本中最高的单项成本。过去性能因素推动着复合材料在航空航天中的应用研究，但近年来成本则起到了更大的作用。这样，开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。”
风电叶片制造成本中，主材成本占72%。可以通过以下途径降低碳纤维复合材料的成本：
大量使用低成本（13USD/kg）的大丝束（48k以上）Zoltek碳纤维，代替成本较高（23USD/kg）的小丝束（24k）碳纤维；充分利用高模量（130GPa）的单向带，代替模量较低（55GPa）的织物；充分利用高刚度的夹层结构代替实心的层压结构，减少材料（碳纤维用量）成本和重量；利用经济高效的拉挤工艺，代替真空袋成型与真空灌注成型；利用整体组装标准件，实现主梁制造代替主梁整体成型。
沈真表示，除航空航天行业外，多数碳纤维复合材料制造厂商产品属于来料加工，设计与制造工艺多数来源于国外，缺少复合材料结构设计与制造工艺独立自主开发团队。无论是高端用户的等同替换，还是可产业化新产品的开发，都需要一支紧密配合、经验丰富的复合材料结构设计与制造技术团队。
