【碳纤维复合材料】新能源领域“王者之材” | 先进复合材料技术现状分析
新能源产业作为新时代的朝阳行业，是当下为火热的领域之一，能在很大程度上解决未来的能源问题，其发展潜力无比巨大。
与此同时，近年来，复合材料在各国的发展进程中起到非常重要的作用，不仅在军用领域中具有不可替代的地位，而且在民用领域中也有着广泛的应用。以碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料在风能发电叶片、石油开采和压缩天然气储存等新能源领域中有着重大作用。为响应的“低碳环保”活动，碳纤维复合材料在新能源领域的应用更是值得大力推广。
01 复合材料行业概况 复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
随着新能源汽车、高端制造、军工等行业的快速发展，我国制造业越来越注重轻量化、可塑性强的复合材料。且随着我国“2030年碳达峰、2060年碳中和”目标的提出，传统铝制品和钢制品等材料的污染性受到大家重视，因此，复合材料的发展优先级越来越靠前。多种多样的复合材料仍在研发过程中，作为一类潜力巨大的学科，在“十四五”期间将加速发展。
复合材料产业是鼓励的基础性战略性新兴产业，自2000年至今，密集出台多项产业政策支持复合材料产业的发展。发改委、科技部、工信部等部门均加大了支持力度。
2010年发布的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》中，正式明确了我国七大战略性新兴产业，其中复合材料产业涉及节能环保、新能源、新材料等领域；
2012年发布的《“十二五”战略性新兴产业发展规划》中，明确提出了高性能复合材料的战略地位；
2017年科技部发布了《“十三五”材料领域科技创新专项规划》，明确了要突破复合材料制备及应用的关键共性技术，提升先进结构材料的保障能力和国际竞争力。
2021年石油和化学工业联合会发布的《化工新材料行业“十四五”发展指南》，明确重点发展氟硅材料、特种橡胶及弹性体、高性能纤维及复合材料、功能性膜材料和电子化学品。
2022年，工信部、科学技术部、自然资源部联合发布《“十四五”原材料工业发展规划》明确：“提升先进制造基础零部件用钢、高强铝合金、稀有稀贵金属材料、特种工程塑料、高性能膜材料、纤维新材料、复合材料等综合竞争力。”
02 先进复合材料行业市场格局
复合材料行业产业的技术进步以基础材料技术和产业化装备技术为主。尽管的玻璃纤维产业已经处于的地位，并且不断地进行技术研发和产业升级。但以碳纤维复合材料为代表的先进复合材料研发与生产技术仍落后于国际先进水平。
随着经济的发展与市场的不断开放，复合材料行业的上中下游产业链不断完善，以复合材料为主营业务的民营上市公司不断涌出，并呈现民营企业取代国有企业成为行业发展中坚力量的趋势。数据显示，截至2022年4月底，A、B股共有278家开展新材料业务的上市公司，私营企业的市场份额占据绝对地位。目前，国内复合材料的主要行业产能集中在长三角地区，积聚效应明显，行业产能和产业结构正在被逐步优化，的复合材料的上中下游产业链逐渐趋于完善。
在碳纤维复合材料领域，日本的发展处于亚太区域内的地位，研发型的单位主要有日本国立材料研究所、日本宇宙航空研究开发机构及机械技术研究所，生产型的厂商主要为东丽、帝人与三菱丽阳，并且这三家厂商占据了全大部分碳纤维及其复合材料市场份额，所生产的碳纤维在品种、工艺、产量及质量上都属，其中高模量高强度碳纤维增强复合材料在航空航天领域中占据垄断地位。
在碳纤维复合材料进入民航飞机领域之后，东丽与帝人先后与波音、空客两大飞机制造公司达成合作。此外国际重要的碳纤维厂商还有美国的Cytec、Hexcel，德国的SGL，土耳其的AKSA等企业，呈美、日企业垄断的状态。特别是当前小丝束碳纤维行业标准制定权和定价权牢牢掌握在美国、日本企业手中，并且因其用途的敏感性，国外在小丝束碳纤维出口方面实施严格管制。
“双碳”背景下，风电、储氢瓶及光伏高速发展驱动碳纤维需求高增。从需求结构来看，我国碳纤维下游需求主要来源于风电叶片、体育休闲及汽车工业。从需求增速来看，碳碳复材、风电叶片及压力容器这三个领域的需求增速排在前列。“碳中和”顶层设计政策落地，清洁能源发展力度加码，风电、氢能、光伏均迎来发展机遇，将是我国碳纤维需求高速成长的主要驱动力。
03 先进复合材料的应用与发展 1. 光伏产业——复合材料为光伏设备带来新的曙光
光伏作为新能源发电的佳选择之一，是未来具确定性的产业赛道。碳纤维在光伏中应用在这几年异军突起，这得益于光伏领域对大尺寸热场的要求。传统的石墨材料无法满足大尺寸坩埚的强度要求，碳碳复合材料成了主流。
碳-碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度(<2.0g/cm³)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是如今在1650℃以上应用的少数备选材料，高理论温度更高达2600℃，因此被认为是有发展前途的高温材料之一。
光伏产业中所使用的碳-碳复合材料主要是用于制造坩埚，作为熔炼多晶硅或单晶硅的器皿，在氢化炉热场、直拉单晶热场、多晶铸锭炉热场、太阳能电池镀膜等工艺作为关键设备。以往此类坩埚主要利用高纯石墨制造，但高纯石墨为国外控制，而且随着拉硅单晶炉和多晶铸锭炉生产设备的大型化，石墨材料难以满足。碳碳复合材料具有可设计性和良好的热物理性能,和石墨热场材料相比，具有非常大的优势。
在光伏行业及半导体行业，由于技术的发展及产品的快速迭代，硅片向高纯度、大尺寸发展是其基本的趋势，因此，高温热场系统应用中，碳-碳复合材料产品向高纯度、大尺寸的方向发展也是必然的趋势。
根据《2020碳纤维复合材料市场报告》，预计2025年碳-碳复材碳纤维需求量将达到1.86万吨，2021-2025年复合年增长率CAGR为30％。
碳纤维辊可以用于光伏膜的生产、分切中。传统的金属辊筒，自身重量大，机器启动速度慢，惯性大，不仅耗能多、原料损耗大，对生产效率也产生一定的影响。而碳纤维辊具备轻量化、不易磨损、压力均匀、易调节、高精度等优点。
2. 风电产业——复合材料产业的中流砥柱
作为复合材料重要的终端市场，风电是当前碳纤维大下游需求来源。风力发电产业的发展直接影响复合材料行业的市场规模，进而影响企业收入规模。
在能源结构向低碳化转变、能源消费结构不断优化的背景下，可再生能源需求持续增长的趋势具备确定性。风能凭借其资源总量丰富、环保、运行管理自动化程度高、度电成本持续降低等突出的资源禀赋优势与良好的发展趋势，目前已成为开发和应用为广泛的可再生能源之一，是可再生能源开发与利用的重要构成，其发展正逐渐从补充性能源向替代性能源持续转变，其应用是推动能源结构优化、能源低碳化的重要驱动力，是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的主要实现路径之一。
风电叶片主要由树脂基体（36%）、增强材料（28%）、芯材（12%）、粘接剂（11%）等组成，树脂基体主要提供叶片的韧性与耐久度，增强纤维材料则主要提供叶片结构的刚度与强度。增强纤维材料包括玻璃纤维和碳纤维等，近些年，碳纤维正逐步取代玻璃纤维，主要因为碳纤维突破了玻璃纤维的性能上限，在风电叶片大型化的同时，还能降低叶片的重量。复合材料在比强度、比模量上具有技术材料无可比拟的优越性，因此成为目前大型风力发电叶片的选材料。复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90%以上。其中承力结构由玻璃纤维或碳纤维复合材料组成，赋予结构较强的力学性能。复合材料叶片一般由根部、外壳和加强筋或梁三部分组成，与同级别高模玻纤主梁相比，采用碳纤维可实现减重20-30%。以122m长叶片为例，叶片重量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上的载荷，进而可以减少轮毂、机舱、塔架和桩基等结构部件15%～20%的重量，有效降低风机10%以上的整体成本。此外，风机的输出功率也更加平稳均衡、运行效率更高，由于碳纤维的抗疲劳性较高，因此还可以延长叶片的生命周期，降低日常维护费用等综合成本。 目前海上风电的发展，需要更长叶片、更大功率的风机，对碳纤维的需求也就更高，而海上风电的特殊性，使碳纤维在海上风电中应用的潜在机会更多。
我国风电连续多年新增机居位，风电大国，也是大的风电零部件制造供应链基地。超大型风电光伏基地、海上风电和低速风电开发持续发展中，伴随着这些发展方向，像整套风电机组、海上升压站、海底电缆、运输吊装设备和大型化的叶片、齿轮箱等也会跟着发展。风力发电机叶片正朝着大型化方向发展，长的风轮叶片已达到61.5m，一般叶片自重12~18t，这对材料的比强度、比刚度和耐疲劳性提出了更高的要求。大部分的玻纤复合材料叶片已无法满足叶片大型化、轻量化的要求，玻纤复合材料叶片在苛刻条件下的临界长度大约是60m。碳纤维复合材料的比强度约为玻纤复合材料的2倍，比模量约为玻纤复合材料的3倍，故采用碳纤维复合材料能够增加叶片的临界长度，适应了叶片大型化的要求。此外，碳纤维的密度是玻璃纤维的0.7倍，适应了大型叶片轻量化的要求。使用碳纤维复合材料叶片代替玻纤复合材料叶片，成本可降低14%，另外，由于碳纤维具有优异的导电性能，故对碳纤维复合材料叶片进行某些特殊的防护设计，可避免雷击对叶片造成的破坏，从而可延长碳纤维复合材料叶片的工作寿命。
从工艺上看，碳纤维复合材料主梁的成型工艺主要有碳纤维织物真空灌注、预浸料成型、拉挤工艺3种。其中前两者在叶片中应用较早，技术成熟，但随着叶片大型化对重量要求提高，拉挤工艺逐渐成为主流。尤其是叠加Vestas拉挤碳板工艺于2022年7月到期，工艺将会迅速普及，双重利好打开碳纤维需求成长空间。
根据《2020碳纤维复合材料市场报告》，预计2025年风电叶片碳纤维需求量达到9.3万吨，2021-2025年复合年增长率CAGR为25％。
3. 氢能源产业——储氢瓶用碳纤维复合材料赛道：氢风已来，大有可为
氢能自2019年以来，已经成为业界的网红产业，也是能源转型和实现碳达峰碳中和目标的重大举措，关系着我国能源结构转型。目前国内外氢燃料电池汽车主要以高压氢气瓶为主要储氢方式，储氢这条细分产业链当中，从制氢，储氢，运氢，用氢，氢燃料电池及汽车等，其中有一个环节为关键，它就是运输储存过程中的载具容器，也是加氢站的储存设备——储氢瓶，它上连氢气制造，中承氢气存储，下接氢气应用，是氢能产业的关键（如下图所示）。
碳纤维技术在氢能源行业有着广泛的应用前景，其中，碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶被看作氢能储运的重要技术。碳纤维技术的提升，将助力氢能产业发展。
我国各地方政府陆续出台支持氢能产业发展的政策，氢燃料电池汽车是氢能产业下游重要的示范应用。随着国内IV型瓶技术的突破，将会被广泛应用于氢燃料电池汽车。在燃料电池汽车示范应用政策的推动下，我国氢燃料电池汽车保有量将会逐步增加，从而带动碳纤维需求的大幅提升。
据预测，IV型高压储氢瓶的增长将十分巨大。例如，IV型高压储氢瓶的领军企业挪威Hexagon复合材料公司，今年1月分拆出Hexagon Purus公司，专注于氢能、氢电池电力系统和存储。据估计，从2025年到2030年，该公司储氢瓶收入将增长630%。然而，IV型高压储氢瓶也面临着严重的问题。值得注意的是，碳纤维成本居高不下令储氢瓶非常昂贵。尽管氢气提供的能量是等质量汽油提供能量的3倍，但氢气单位体积能量很低，这就需要大气瓶来容纳储存足够燃料所需的高压。当应用于汽车等移动应用场景时，碳纤维IV型高压储氢瓶的重量较轻，推动了其对金属材料的替代。
根据《2020碳纤维复合材料市场报告》，预计2025年压力容器碳纤维需求量将达到2.19万吨，2021-2025年复合增长率CAGR为20％。
我国成为大的碳纤维产能国。根据《2021碳纤维复合材料市场报告》，2021年碳纤维运行产能约为20.76万吨，从区域角度来看，次超过美国，成为大产能国，运行产能达6.34万吨，占2021年碳纤维运行产能的30.5%；美国位居第二，运行产能为4.87万吨，占比为23.5%；日本位列第三，运行产能为2.5万吨，占比为12%。
从生产商角度来看，位居位的依然日本东丽，我国位居第二。虽然我国运行产能占比大，但由于较多国产碳纤维企业尚未实现关键技术的突破，核心设备也多是进口且适配性不强，生产线运行及产品质量不稳定，产能利用率不足50%，长期存在高产能、低产量的现象，与发达还存在相当大的差距。2021年进口量为3.3万吨，超过国产数量，而国产碳纤维出口寥寥无几，说明无论在性能、质量水平及成本水平上，进口碳纤维依然有强大的优势。所以我国碳纤维行业面临的难题是：加强自主创新，突破技术瓶颈，形成与国际水平匹配的高性能碳纤维产业化。国产替代加速，未来空间巨大。
4. 新能源汽车行业—新能源汽车“王者之材”：碳纤维复合材料
汽车工业是复合材料应用量大的领域之一，同时汽车工业的发展趋势又直接影响复合材料的研究方向。2020年10月20日，我国印发《新能源汽车产业发展规划（2021-2035年）》，明确提出“实施新能源汽车基础技术提升工程……开展高性能铝镁合金、纤维增强复合材料、低成本稀土永磁材料等关键材料产业化应用”。2021年7月30日，我国要求：“挖掘国内市场潜力，支持新能源汽车加快发展”。
根据汽车工业发展的趋势来看，安全、低碳和环保的汽车已成为21世纪汽车发展的主流，而汽车轻量化则是解决这个问题的核心。由于碳纤维复合材料具有轻质高强、耐腐蚀性和抗冲击性强等特点，与钢材、铝材及其他金属合金相比，其设计自由度更大、成型更加容易，因而碳纤维复合材料正日益成为汽车轻量化的选材料。
1）复合材料用于汽车有以下5大优点：
近年来，随着一些相关的设计和开发软件技术的进步，汽车复合材料的设计和制造变得更具科学性。通过汽车复合材料产品设计软件、仿真模拟软件和有限元分析软件等，对提高汽车复合材料产品的质量、缩短成型周期以及降低生产成本等发挥了重要作用。目前，PAM-RTM成型工艺计算机模拟分析软件己得到了广泛应用，它能够对RTM生产过程中树脂的流峰、温度、压力场以及固化过程进行模拟预测，从而帮助获得合理的注射方案并缩短生产周期。
轻量化材料作为新能源汽车材料中的关键材料，能够有效提升汽车的整体性能，实现新能源汽车的技术突破。在新能源汽车的研发上，能量消耗是目前面临的主要技术问题，通过车体重量降低、储能容量扩大等方式可以有效降低能耗，但是目前新能源车主要使用电池材料，该材料的能量储存性较低、储存时间短，技术上的难题在短时间无法突破。为此，轻量化材料的诞生，使得新能源车可以通过降低自身重量来实现性能的提升。这一材料的应用不仅能够节能减排，而且对于汽车的稳定安全性也十分有利，同时目前可以利用的轻量材料类型较多。所以，从新能源汽车发展趋势来看，轻量化复合材料是重点研究对象。 2）先进复合材料是新能源汽车轻量化的必然选择：
3）新能源汽车先进复合材料轻量化前景光辉灿烂：
1. 复合材料政策
复合材料行业产业的技术进步以基础材料技术和产业化装备技术为主。尽管的玻璃纤维产业已经处于的地位，并且不断地进行技术研发和产业升级。但以碳纤维复合材料为代表的先进复合材料研发与生产技术仍落后于国际先进水平。
制件的比强度、比疲劳强度和比刚度高。 减轻汽车质量,提高经济性。复合材料一般能减轻质量35% ,从而有助于节约能源；
加工速度快，能在生产中节省成本。在初级阶段，由于原材料成本和制造成本均很高，加之生产效率低、质量稳定性差等缺点，汽车复合材料并不被汽车工业所看好，因此一般只被用于小批量的、质量要求不高的非结构件产品。随着复合材料技术的不断进步以及生产自动化程度的不断提高，复合材料零部件的产量呈增长之势。
零部件一体化。结构整体性好，可用模具。一次成型法来制造各种构件，从而减少了零部件的数量及接头等紧固件，可节省原材料、工时和模具费用，降低制造成本，缩短开发周期。
可设计性强。复合材料是一种“可设计”的材料，即通过改变纤维或基体，可以在极大范围内设计材料的性能。但是，以往用复合材料制造汽车零部件的过程却经常使好的设计无法实现，或不能以合理的成本制造出来。例如，纤维在树脂基体中得不到准确排列或均匀分散，以及材料的局部力学性能和化学环境不能有效控制，造成制品的材料特性呈分散性大的缺点等，这些都是汽车工业所不能容忍的。
先进复合材料与钢车身经济规模选择； 先进复合材料投资成本、制造成本和维护成本低； 先进复合材料性能佳，减重效果好； 先进复合材料可设计性、可制造性和工艺多样化是金属材料所无法比拟的。
由于高燃油效率和低碳排放量的规定，汽车行业对先进复合材料取代金属的需求正在日益增长； 碳纤维和先进复合材料成本大幅下降已指日可待； 先进的大批量汽车先进复合材料零部件生产工艺技术和生产线装备陆续开发成功并投入生产； “双积分”政策和“双停”时间表的制定将推动我国新能源汽车的大发展，汽车先进复合材料轻量化前景光辉灿烂。
