一、碳纤维背景
9月8-10日，2017中国汽车产业发展（泰达）国际论坛在天津滨海新区举行。工信部副部长辛国斌在会上表示，全球产业生态正在重构，许多国家纷纷调整发展战略，在新能源、智能网联产业加快产业布局。目前我国工信部也启动了相关研究，制订停止生产销售传统能源汽车的时间表。
一石激起千层浪！国内国外、业内业外，都在热议，都在布局！
全球汽车产业正加速向智能化、电动化的方向转变，为抢占新一轮制高点，把握产业发展趋势和机遇，各国都在研究并制定传统能源车停产停售时间表。
汽车轻量化的要求更为迫切！汽车轻量化的技术更为关注！碳纤维复合材料在汽车中的应用及其技术的开发更为突出！
二、 碳纤维及其复合材料基础知识
碳纤维(carbon fiber，简称CF)是一种含碳量高于90 %，甚至可达95 %以上的高强度、高模量纤维材料，是由有机纤维碳化而得到的，本质上是一种微晶石墨材料，其中含碳量高于99 %的称石墨纤维。
1 碳纤维结构与性能
碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维各层面间的间距约为3.39～3.42 埃，各平行层面间的各个碳原子，排列不如石墨那样规整，层与层之间借范德华力连接在一起。通常也将碳纤维的结构看成由两维有序的结晶和孔洞组成，其中孔洞的含量、大小和分布对碳纤维的性能影响较大。
2. 孔隙率与纤维性能
当孔隙率低于某个临界值时，孔隙率对碳纤维复合材料的层间剪切强度、弯曲强度和拉伸强度无明显的影响。有些研究指出，引起材料力学性能下降的临界孔隙率是1 %～4 %。孔隙体积含量在0-4 %范围内时，孔隙体积含量每增加1 %，层间剪切强度大约降低7 %。
通过对碳纤维环氧树脂和碳纤维双马来亚胺树脂层压板的研究，得知：当孔隙率超过0.9 %时，层间剪切强度开始下降。由试验得知，孔隙主要分布在纤维束之间和层间界面处，并且孔隙含量越高，孔隙的尺寸越大，并显著降低了层合板中层间界面的面积。当材料受力时，易沿层间破坏，这也是层间剪切强度对孔隙相对敏感的原因。另外孔隙处是应力集中区，承载能力弱，当受力时，孔隙扩大形成长裂纹，从而遭到破坏。
碳纤维环氧树脂层压板的试验表明，随着孔隙率的增加，强度和模量均下降。孔隙率对层间剪切强度、弯曲强度、弯曲模量的影响非常大；拉伸强度随着孔隙率的增加下降的相对慢一些；拉伸模量受孔隙率影响较小。
即使两种具有相同孔隙率的层压板(在同一养护周期运用不同的预浸方法和制造方式)，它们也表现出完全不同的力学行为。力学性能随孔隙率的增加而下降的具体数值不同，表现为孔隙率对力学性能的影响离散性大且重复性差。由于包含大量可变因素，孔隙对复合材料层压板力学性能的影响是个很复杂的问题。这些因素包含:孔隙的形状、尺寸、位置；纤维、基体和界面的力学性能；静态或者动态的荷载。
相对于孔隙率和孔隙长宽比，孔隙尺寸、分布对力学性能的影响更大些。并发现大的孔隙(面积>0.03 mm2)对力学性能有不利影响，这归因于孔隙对层间富胶区的裂纹扩展的产生影响。
3. 碳纤维物理性能
碳纤维是一种力学性能优异的新材料。碳纤维拉伸强度约为2～7 GPa，一般在3500 MPa以上，拉伸弹性模量约为200～430 GP，高的可达700 GPa；质量比金属铝轻，不到钢的1/4，密度约为1.5～2.0 g/cm3，这除与原丝结构有关外，主要决定于炭化处理的温度，一般经过高温3000 ℃石墨化处理，密度可达2.0 g/cm3，所以，其比强度高于钢铁，可达20倍，还无蠕变，耐疲劳性好。碳纤维的热膨胀系数与其他纤维不同，它有各向异性的特点。碳纤维的比热容一般为7.12。热导率随温度升高而下降，平行于纤维方向是负值(0.72～0.90)，而垂直于纤维方向是正值(32～22)。碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在25 ℃时，高模量的为775，高强度碳纤维为每厘米1500。这使得碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量。另外，在非氧化环境下，导热及导电性介于非金属和金属之间，电磁屏蔽性好，X射线透过性好，热膨胀系数小且具有各向异性，并且具有耐腐蚀的特性。因此，同钛、钢、铝等金属材料相比，碳纤维在物理性能上具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点，可以称为新材料之王。
4. 碳纤维的耐热性
在不接触空气和氧化剂时，碳纤维能够耐受3000度以上的高温，具有突出的耐热性能，与其他材料相比，碳纤维要温度高于1500 ℃时强度才开始下降，而且温度越高，纤维强度越大。碳纤维的径向强度不如轴向强度，因而碳纤维忌径向强力(即不能打结)而其他材料的晶须性能也早已大大的下降。另外碳纤维还具有良好的耐低温性能，如在液氮温度下也不脆化。
5. 碳纤维与其他纤维的比较
碳纤维与玻璃纤维相比，杨氏模量(指表征在弹性限度内物质材料拉伸或压缩的物理量)是玻璃纤维的3倍多；与凯夫拉纤维相比，不仅杨氏模量是其的2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。
6. 碳纤维增强复合材料性能
又由于相对密度小，沿纤维轴方向表现出很高的强度，碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。碳纤维树脂复合材料拉伸强度一般都在3500 MPa以上，是钢的7～9倍，拉伸弹性模量为230～430 GPa，也高于钢；因此CFRP的比强度，即材料的强度与其密度之比可达到2000 MPa以上，而A3钢的比强度仅为59 MPa左右，其比模量也比钢高。
7. 碳纤维还具有极好的纤度
碳纤维还具有极好的纤度(纤度的表示法之一是9000米长纤维的克数)，一般仅约为19 g，拉力高达300 kg每微米。几乎没有其他材料像碳纤维那样具有那么多一系列的优异性能， 因此在强度、刚度、重度、疲劳特性等有严格要求的领域。碳纤维“外柔内刚”，除了具有一般碳材料的固有本征特性外，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，可加工成各种织物。
三、分类
碳纤维有许多种类，也有多种分类方法。
按原料来源分
①聚丙烯腈基碳纤维；
②1K 碳纤制作的管沥青基碳纤维；
③沥青基碳纤维；
④黏胶基碳纤维；
⑤酚醛基碳纤维；
⑥气相生长碳纤维等。
碳纤维按性能分
①通用型；
②高强型；
③中模高强型；
④高模型；
⑤超高模型。
按状态分
①长丝；
②短纤维；
③短切纤维。
按力学性能分
①通用型，一般通用型碳纤维强度为1000 MPa、模量为100 GPa左右；
②高性能型，高性能型碳纤维又分为高强型(强度2000 MPa、模量250 GPa)和高模型(模量300 GPa以上)。强度大于4000 MPa，又称为超高强型；模量大于450 GPa称为超高模型。还出现了高强高伸型碳纤维，其延伸率大于2 %。
碳纤维按产品规格划分
①宇航级
②工业级。
宇航级和工业级碳纤维也被称为小丝束和大丝束碳纤维。通常将48 K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括360 K和480 K等。宇航级碳纤维初期以3 K为主，逐渐发展为12 K和24 K，主要应用于国防军工和高技术，以及体育休闲用品，像飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、球杆球拍等。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。
工业化生产碳纤维按原料路线可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶丝基碳纤维酚醛基纤维等几大类，但主要生产是前两种碳纤维。
碳纤维的制造过程包括纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、碳化、石墨化等4个过程。其间伴随的化学变化包括脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。
一、各种方法的优缺点
从黏胶纤维制取高力学性能的碳纤维必须经高温拉伸石墨化，碳化收率低，技术难度大、设备复杂而较少实用，产品主要为耐烧蚀材料及隔热材料所用；由沥青制取碳纤维，原料来源丰富，碳化收率高，但因原料调制复杂、产品性能较低，也未得到大规模发展；由聚丙烯腈纤维原丝可制得高性能的碳纤维，其生产工艺较其他方法简单，力学性能优良，自20世纪60年代后在碳纤维工业中发展较快，产量约占全球碳纤维总产量的90 %以上。
二、PAN基碳纤维
PAN基碳纤维的生产工艺主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程。
原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序，即首先通过丙烯腈聚合和纺纱等一系列工艺加工成被称为“母体”的聚丙烯腈纤维或原丝。
聚合可以均聚或共聚。为了制造出高性能碳纤维并提高生产率，工业上常采用共聚聚丙烯腈纤维为原料。共聚单体有衣康酸、丙烯酸甲醋、甲叉丁二脂等，可二元、三元共聚。共聚生成共聚聚丙烯腈树脂相对分子质量高于 60000～80000。树脂再经溶剂(硫氰酸钠、二甲基亚矾、硝酸和氯化锌等)溶解，形成黏度适宜的纺丝液，经湿法、干法或干湿法进行纺丝，再经水洗、牵伸、干燥和热定型即制成聚丙烯腈纤维。聚丙烯腈原丝主要采用湿法纺丝制备。对原纤的要求是：杂质、缺陷少；细度均匀，并越细越好；强度高，毛丝少；纤维中链状分子沿纤维轴取向度越高越好，通常大于80 %；热转化性能好。
制备高性能聚丙烯腈基碳纤维需采用高纯度、高强度和质量均匀的聚丙烯腈原丝。
由PAN原丝制备碳纤维的工艺流程如下：
PAN原丝→预氧化→碳化→石墨化→表面处理→卷取→碳纤维。
碳化过程主要包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序等，即将原丝放入氧化炉中在200～300 ℃进行氧化，再在碳化炉中，在温度为1000～2000 ℃下进行碳化等工序制成碳纤维。
若将聚丙烯腈纤维直接加热易熔化，不能保持其原来的纤维状态。制备碳纤维时，首先要将聚丙烯腈纤维放在空气中或其他氧化性气氛中进行低温热处理，即预氧化处理。预氧化处理是纤维碳化的预备阶段。一般将纤维在空气下加热至约270 ℃，保温0.5～3 h，聚丙烯腈纤维的颜色由白色逐渐变成黄色、棕色，最后形成黑色的预氧化纤维。这是聚丙烯腈线性高分子受热氧化后，发生氧化、热解、交联、环化等一系列化学反应形成耐热梯型高分子的结果。再将预氧化纤维在氮气中进行高温处理1600 ℃的碳化处理，聚丙烯腈纤维石墨化温度为2500～3000 ℃，则纤维进一步产生交联环化、芳构化及缩聚等反应，并脱除氢、氮、氧原子，最后形成二维碳环平面网状结构和层片粗糙平行的乱层石墨结构的碳纤维。
三、 沥青基碳纤维
制备各向异性的高性能沥青基碳纤维需先将沥青预处理成中间相、预中间相(苯可溶各向异性沥青)和潜在中间相(喹啉可溶各向异性沥青)等。沥青预氧化（不融化），200～400 ℃。沥青基纤维碳化温度1500～1700 ℃，石墨化温度2500～2800 ℃。
美国发明了纺织沥青基碳纤维用的含有金属中间相沥青，原丝经稳定化和碳化后，碳纤维的拉伸强度为3.5 GMa，模量为252 GMa；法国研制了耐热和高导电的中间相沥青基碳纤维；波兰开发了新型金属涂覆碳纤维的方法，例如涂覆铜的沥青基碳纤维是用混合法制成，先用铜盐与各向同性煤沥青混匀，进行离心纺丝，在空气中稳定化并在高温氢气中处理，得到合金铜的碳纤维。世界沥青基碳纤维的生产能力较小，国内沥青基碳纤维的研究和开发较早，但在开发、生产及应用方面与国外相比有较大的差距。
四、 黏胶基碳纤维
作为烧蚀材料用的黏胶基碳纤维，其原丝要求不含碱金属离子。240 ℃热处理黏胶纤维，以得到耐热和不熔的纤维。黏胶纤维碳化温度400～2000 ℃，石墨化温度3000～3200 ℃。
酚醛基碳纤维无预氧化工序。
原丝制备，聚丙烯腈和黏胶原丝主要采用湿法纺丝制得，沥青和酚醛原丝则采用熔体纺丝制得。
碳纤维需要表面处理，有进行气相或液相氧化等方法，以赋予纤维化学活性，以增大对树脂的亲和性。碳纤维还需上浆处理，以防止纤维损伤，提高与树脂母体的亲和性。
所得纤维具有各种不同的断面结构。
五、技术要点
制造高质量碳纤维需要注意的技术要点：
(1)原丝高纯化、高强化、致密化，以及表面光洁无暇。碳纤维系统工程需从原丝的聚合单体开始。原丝质量既决定了碳纤维的性质，又制约其生产成本。优质PAN原丝是制造高性能碳纤维的首要必备条件。
(2)碳纤维杂质缺陷最少。这是提高碳纤维拉伸强度的根本措施，也是科技工作者研究的热门课题。在某种意义上说，提高强度的过程实质上就是减少、减小缺陷的过程。
(3)缩短预氧化时间。预氧化过程，在保证均质化的前提下，尽可能缩短预氧化时间。这是降低生产成本的方向性课题。
(4)改进高温技术和高温设备以及相关的重要构件。高温炭化温度一般在1300～1800 ℃，石墨化一般在2500～3000 ℃。在如此高的温度下操作，既要连续运行、又要提高设备的使用寿命，所以研究新一代高温技术和高温设备就显得格外重要。如在惰性气体保护、无氧状态下进行的微波、等离子和感应加热等技术。
碳纤维已成为先进复合材料最重要的增强材料。碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸等，用于各种材料的增强材料。高性能碳纤维是制造先进树脂复合材料最重要的增强材料。由于树脂基碳纤维复合材料具有轻而强、轻而刚、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等特点，已在航空航天、国防军工、汽车构件、体育用品、风力发电叶片、压力容器、医疗器械、新能源、建筑加固材料、增强塑料、海洋开发、钻井平台，以及防静电、电磁波防护（如X射线仪器）等各个领域得到广泛应用。
下面就跟小编一起来看看碳纤维的具体应用吧~~
一、 航空航天应用市场
碳纤维是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船等尖端武器装备必不可少的战略基础材料。采用碳纤维复合材料用于卫星、火箭等宇宙飞行器，噪音小，而且因质量小而动力消耗少，可节约大量燃料。据报道，航天飞行器的质量每减少1 kg，就可使运载火箭减轻500 kg。
图1 导弹
将碳纤维复合材料应用在战略导弹的弹体和发动机壳体上，可大大减轻重量，提高导弹的射程和突击能力，如美国80年代研制的洲际导弹三级壳体全都采用碳纤维和环氧树脂复合材料。碳纤维复合材料在新一代战斗机上也开始得到大量使用，如美国第四代战斗机F22采用了约为24 %的碳纤维复合材料，从而使该战斗机具有超高音速巡航、超视距作战、高机动性和隐身等特性。美国波音推出新一代高速宽体客机的音速巡洋舰，约60 %的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成，其中包括机翼。
图2 战斗机
碳纤维还是让大型民用飞机、汽车、高速列车等现代交通工具实现“轻量化”的完美材料。航空应用中对碳纤维的需求正在不断增多，新一代大型民用客机空客A380和波音787使用了约为50%的碳纤维复合材料。波音777飞机利用碳纤维做结构材料，包括水平和垂直的横尾翼和横梁称为重要结构材料，所以对其质量要求极其苛刻。商用飞机对碳纤维需求驱动是巨大的，前两年受益于波音787为代表机群的机身采用碳纤维，并使飞机飞得更快，油耗更低，同时能增加客舱湿度，让乘客更舒适。空客也在他们的飞机上使用了大量的碳纤维，碳纤维将被大量应用在新型客机A380上。这使飞机机体的结构重量减轻了20 %，比同类飞机可节省20 %的燃油，从而大幅降低了运行成本、减少二氧化碳排放。2015年开始，空客A350又成为碳纤维需求的重要引擎。中国商飞的C929也正对碳纤维复合材料应用进行试验，希望看到成功的结果。
图3 民用飞机
中国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件性能达到了国际水平，所制备的国产刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757型民航飞机上使用，在其他机型上的使用也在实验考核中，并将向坦克、高速列车、高级轿车、赛车等推广使用。
航空航天市场，从碳纤维诞生开始至今，无疑是碳纤维产业核心驱动引擎，航空航天是当代工业的“皇冠”，但这个引擎也有其“封闭保守”的一面，繁杂、漫长与昂贵的“试航认证”体系，当碳纤维被真正用上时，基本是10-20年前技术的碳纤维了。
航空航天市场的分市场份额（金额）见图4；市场的发展趋势（碳纤维需求数量）见图5。
图4 航空航天市场的分市场份额（金额）
图5 市场的发展趋势（碳纤维需求数量）
二、 汽车应用市场
对于碳纤维在汽车的应用，从国际上，汽车大厂已经从之前“碳纤维是否应该用在汽车上”的争论，转移到了产业布局与实施。
采用碳纤维复合材料做的汽车部件，最大的优点是质量轻、强度大，质量仅相当于钢材的20 %～30 %，硬度却是钢材的10倍以上。比普通钢材的汽车重量能减少60 %，在同样用油情况下，每小时可以多开50 km。碳纤维材料在汽车内外装饰中已经开始采用。
汽车碳纤维复合材料，一般采用环氧树脂基材，如宝马公司，制得的复合材料具有碳纤维较强的比强度、比模量、耐疲劳强度，抗冲性更高，以及吸能抗震性等一系列优点，同时具有环氧树脂配方设计灵活多样、应用针对性强等特点。与铝合金结构件相比，碳纤维复合材料减重效果可达到20 ％～40 ％，与钢类金属件相比，碳纤维复合材料的减重效果甚至可达到60 ％～80 ％。BMW完成了I3，I8纯碳车身之后，正在研发另一款I系列车型，同时，用“carbon-core”与铝合金、高强钢混合使用，进入7系列车型，后面势必延伸到6系，5系车型。
图6 宝马系列汽车
福特、通用则从重要零部件的开发与使用，积累对碳纤维复合材料的经验。其中重要的部件是轮毂。
韩国现代2014年展出的概念车INTRODO氢能源汽车，被业界认为是宝马之后的又一一批量碳纤维车身车型。
国内某电动客车厂发布了一款碳纤维材料纯电动客车，车长12 m，碳纤维复合材料用于顶棚、左右侧围和底板所构成的车架，客车所使用碳纤维材料的部件重量约为1.8 t，相比于使用钢材料的车身可以减重约23 %，使整车质量控制在8.5 t以内，车辆的续驶里程可以达到500 km以上。从生产成本上看，使用了碳纤维复合材料的客车比传统钢材料的同级别客车补贴前成本高出20万左右，占了整车生产成本中一个很大的比例，使得整车成本增加，但整车质量提升与续驶里程增长可延长车辆的使用寿命，可以比同级别车型略有所长。
图7 客车
碳纤维复合材料的使用，不仅减轻了整车的重量，更为汽车制造的工艺带来了深层次的影响和改变。
冲压、焊接、涂装、总装作为汽车的四大工艺，随着碳纤维复合材料的加入以及比例增加，将发生变化。例如，冲压会被复合材料成型中的模压所替代；未来整车也不再需要那么多的焊接，除了热塑性复合材料会用超声波做一些焊接外，焊接基本上会被胶接、铆接这样的工艺所替代；由于复合材料没有耐腐蚀性要求，一些车型可能不需要涂装，而且即使涂装温度也会很低，像某些注塑件，涂装温度只有85 ℃；复合材料成型、整车模块化以后，其总装生产线长度要求会大幅度减少，因为整车只有几十个模块，车的组装节奏将会变得非常快。这对于总装线的投入成本会大幅度下降。
动力电池重量的减轻与成本的降低，也将弥补碳纤维材料使用带来的高成本不足。
对于新能源车来说，动力电池是其核心组成部分，作为动力电池的承载件，动力电池箱体一般安装在车体下部，主要用于保护动力电池在受到外界碰撞、挤压时不被损坏。无锡威盛新材料科技有限公司为国内多家新能源汽车提供碳纤维动力电池箱体及其他碳纤维汽车结构件，其市场部负责人曾在碳纤维应用成本方面做过相关计算，碳纤维动力电池箱体，用碳纤维复合材料制作的箱体重量仅为2.7 kg，与传统钢结构材料制作的电池箱体相比大约能减重80 ％，在强度和荷载力上同样能达到相关的技术要求，更重要的是，因为车体下方的运行环境恶劣，碳纤维电池箱具有抗腐蚀、防水、阻燃、使用寿命长等性能，能满足这些要求。
图8 汽车钢架
从成本上看，使用碳纤维复合材料动力电池箱比钢结构电池箱要多付出一千多元，但是10 kg的减重，按照每减重100 kg将降低能耗20 ％计算，一个碳纤维动力电池箱可减少2％的能耗，加上，耐腐蚀性能和超长的使用寿命，从整体上衡量，碳纤维复合材料而带来的一部分成本升高可以抵消。
燃料电池的低成本突破，将会对新能源汽车的技术路线图，做出根本的改变，出现电动汽车与燃料电池汽车并行的市场局面。2015年下半年，丰田推出的燃料电池车MIRAI，得到市场的热捧。其他公司燃料电池汽车也将在2016-17陆续推出。这对高压氢气瓶将带来强劲需求，对高品级碳纤维将有巨大的拉动。
CNG拖车大气瓶的需求，在Hexagon Lincoln的推动下，其最新款TITAN XL（40尺柜，15000标准立方米）2015年在拉美试运行，2016年7月获得美国交通部上路许可。国内中材科技也在积极推动这个项目。
汽车市场碳纤维需求发展趋势见图9。
图9 汽车市场的发展趋势（碳纤维需求数量）
对于碳纤维复合材料是否会在汽车领域大批量使用的问题，有如下观点：
①从技术角度，毫无疑问，从现有材料技术看：碳纤维复合材料是汽车轻量化的最佳选择，从F1赛车，豪华车多年的使用已经证明。
②目前，复合材料的成型工艺成本远远大于碳纤维本身，庞大而实力强劲的汽车行业的加入，会极大地促进复合材料制造工艺的创新、效率和自动化，从而实现全寿命周期、综合评定的低成本（考虑排放因素）。
③早在90年代，碳纤维与汽车行业有一个比较普遍的共识，就是5 USD/磅低成本碳纤维是汽车批量使用的基本条件。碳纤维产业会因为汽车的需求驱动，将发生一次深刻的工业革命。这场革命的特征是：从封闭到开放工业新生态，技术创新，去掉“高能耗”帽子，从小众贵族到大众材料。
国内众多汽车行业已经在纷纷尝试碳纤维复合材料在企业的应用，但到真正应用还需时日。
三、 体育休闲应用市场
碳纤维复合材料在运动休闲领域，像球杆、钓鱼竿、网球拍羽毛球拍、自行车、滑雪杖、滑雪板、冰球棍、划船、赛艇、帆板桅杆、航海船体等运动用品的应用比较普及，其中，重要应用为球棒、钓鱼竿和球拍框架。据估计全球每年球棒的产量为3400万副，40 %是由碳纤维制成的；全世界碳纤维钓鱼杆的产量约为每年2000万副；网球拍框架的市场容量约为每年600万副。
体育休闲市场的分市场组成，以及十年来的需求发展情况如图10，市场的发展趋势（碳纤维需求数量）见图11。
图10 需求发展情况
图11 体育休闲市场需求量的发展趋势
体育休闲市场的特点是：国际品牌，大中华（以台资为主）加工制造。制造工艺相对传统，劳动力密集。国际品牌的经营能力是国人的短板，而极少欧美碳纤维复合材料企业的参与，又使得这个领域的工艺创新乏力。期盼大陆更多有实力的企业参与到这个市场，以材料的多形态与自动化工艺推动这个市场的多元化发展。
四、 风力发电机叶片应用市场
碳纤维在风能、核能和太阳能等新能源领域也具有广阔的应用前景。当风力发电机功率超过3MW，叶片长度超过40米时，传统玻璃纤维复合材料的性能已经趋于极限，采用碳纤维复合材料制造叶片是必要的选择。只有碳纤维才能既减轻叶片的重量，又能满足强度和刚度的要求。
图12 风力发电机叶片
世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大，与其相适应的风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形，在主承力件，如轴承和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。中国“十五”期间的风机装机总容量已达到1.5 GW，因而碳纤维在风力发电机叶片上的应用前景看好。
国际主要采用碳纤维制造风电叶片的企业有VESTAS、GEMESA-SIEMENS、Nortex和GE，重要的碳纤维叶片制造商还有LM、TPI和巴西的Tecsis；我国主要叶片制造商有中材科技、中复连众、中航惠腾等，均在积极研究碳纤维在叶片梁的应用。
风电叶片对碳纤维的需求在2013年急剧下滑，主要原因是2013年国际新增装机容量的下降。2014年，风电对碳纤维的需求持续回暖，2015年恢复了强劲增长，风电市场抵御了低迷石油价格冲击后，预测风电行业将会持续强劲增长。
从叶片发展看，碳纤维如何在“分段式”叶片发挥作用，是我们应重点关注的方向；成型工艺方面，由于风电叶片对成本的高要求，复合材料经典的缠绕与拉挤工艺，必然会成为叶片梁的最重要的工艺。
风电叶片市场的发展趋势（碳纤维需求数量）见图12。
图12 风电叶片市场的发展趋势
五、 压力容器应用市场
压力容器采用碳纤维复合材料制作，主要用在汽车的压缩天然气罐上，而且还用在救火队员的固定式呼吸器上。CNG罐源于美国和欧洲国家，日本和其他的亚洲国家也对这项应用表现出了极大的兴趣。
图13 压力容器
压力容器对碳纤维的性能稳定性要求极高，源于压力容器非常严格的安全要求。碳纤维企业需要向客户证明：从第一天到第365天，生产的碳纤维的品质是稳定的。“维稳”无疑是碳纤维产业最为核心的因素。而压力容器的进入，无疑是对碳纤维企业的一枚荣耀的“勋章”。
压力容器应用发展趋势见图14。压力容器，尽管眼前的市场需求并不大，然而，却有着蓬勃发展空间。
图14 压力容器市场碳纤维需求量的发展趋势
六、 船舶应用市场
目前，船舶领域对碳纤维的需求主要是：竞赛类船舶及附件，超豪华游艇及军事用途的船舶，以及各类船舶的桅杆。
图15 船舶
对于竞赛类船舶，减重的价值相当巨大，据国外同行信息：每减重1 kg价值1万美元。随着我国水上竞技项目的发展以及公众的跟随效应，将对碳纤维形成新的需求。
在舰艇上也有重要的应用价值，可减轻舰艇的结构重量，增加舰艇有效载荷，从而提高运送作战物资的能力，碳纤维不存在腐蚀生锈的问题。由于使用碳纤维材料可以大幅降低结构重量，因而可显著提高燃料效率。各大海军强国加强了对碳纤维复合材料的使用，我国海军也不例外。从小型舰艇到大型舰艇是一个发展趋势，无人化也是一个重要趋势。
船舶应用市场碳纤维需求量的发展趋势见图16。
图16 船舶应用市场碳纤维需求量的发展趋势
七、 土木建筑应用市场
碳纤维复合材料具有密度小、强度高，耐久性好、抗腐蚀能力强、可耐酸碱等化学品腐蚀、柔韧性佳、应变能力强的特点，也应用在工业与民用建筑物、铁路公路桥梁、隧道、烟囱、塔结构等的加固补强等。
在铁路建筑中，大型的顶部系统和隔音墙在未来会有很好的应用，这些也将是碳纤维很有前景的应用方面。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶，比钢材轻50 %左右，使大型结构物达到了实用化的水平，而且施工效率和抗震性能得到了大幅度提高。另外，碳纤维做补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原混凝土结构扰动较小，施工工艺简便。随着建筑与桥梁的老化，碳纤维复合材料用于建筑补强的市场是越来越大。CCeV2014的资料显示：美国有半数桥梁——60万座已经到了该维修的阶段了，欧洲有更多的老桥梁与老建筑。德国政府计划在2030年前花费160亿欧元来维修。
建筑应用市场碳纤维需求量的发展趋势见图17。
图17 建筑应用市场的发展趋势（碳纤维需求数量）
除了建筑补强领域，桥梁的拉索的复合材料化，是日本研发的重点，我国也曾经做过一些研究。对于海上建筑（人工岛屿，海上石油平台），碳纤维复材不光轻（降低运输、工程费用），而且耐腐蚀（可大大提升使用寿命），在成本降低之后，会有更加广阔的应用空间。
军事上，采用轻质刚强的碳纤维复合材料，可以大大提高部队临时架设桥梁的效率，从而大幅度提升作战速度。
碳纤维增强水泥，碳纤维格栅增强混凝土，碳纤维格栅除冰公路，在国际上也有较多的研究，某些项目已经产业化。
由于我国的桥梁建筑的质量问题，其实对碳纤维补强材料有很大的需求潜力，但是，行业鱼龙混杂，以次充好，施工单位的人员操作技能差，工艺流程不规范，工程质量不高，导致市场对碳纤维补强信心不高，这是我们相关部门应充分重视的。形成新的材料与施工标准，从技术层面大大降低不同素质施工人员对工程质量的影响，是个重点。
八、 混配模成型应用市场
混配模塑市场的发展趋势（碳纤维需求数量）见图18。
图18 混配模塑市场的发展趋势（碳纤维需求数量）
混配模成型（Molding & compound）严格讲不是一个应用市场，而是对工艺的描述，但由于这些工艺横跨的应用多，所以，把它归类成一个应用，便于说明。
混配（compound）主要是指非连续碳纤维增强塑料，主要形态有磨粉，短切和长碳纤维增强，与塑料结合，用于提升材料的力学性能、静电性能、电磁屏蔽性能以及热性能。通过双螺杆的混配，形成增强塑料颗粒，在通过注塑或模压工艺，做成零件，广泛应用于电子电气、办公设备、体育器材、交通工具等。
模成型（Molding）主要是指片状模塑料Sheet Molding Compound-SMC，团状模塑料Bulk Molding Compound-BMC,这类材料是纤维与热固性基体混配后形成的，再通过模压工艺完成零件制造。广泛应用于汽车，电子电气，化工装备，船舶等领域，通常是形状比较复杂的零件。
非连续碳纤维复合材料，以对纤维性能的牺牲换取了低成本和高产能。更好地满足了工业领域对性价比的需求。
九、 高速铁路
据国外统计，350 km时速的高铁的单位乘员能源消耗基本与飞机持平，而运送一位乘客，汽车需要297 kg，商用飞机是446 kg，高铁则达到752 kg。高速加超重不光消耗巨大的能源，更大幅度增加了轨道设施的基础建设成本。所以，高铁的轻量化势在必行，高铁是中国工业少有的崛起明星，具备相当的自主研发能力，轻量化技术将是高铁加强与巩固自主研发能力的重要举措，高铁被称之为地面飞行器，减重可以参考航空器的减重思维。
国际上各大高铁技术公司，都在紧锣密鼓地开发高铁列车用碳纤维复合材料，如日本采用碳纤维与芳纶的混杂复合材料做车体下部的裙边；韩国借鉴整体机身的缠绕工艺，开发出碳纤维复合材料整体车身。转型架，车头，地板等等部件，国外均有碳纤维复合材料的研发。
十、其他值得关注的应用市场
对于新兴的应用市场，依然采用了2014年报告的内容，包括：
1. 深海石油平台
人类逐步向深海开发油气资源，传统的金属材料已经无法承受负荷或安装运输成本剧增，这就需要轻质刚强的碳纤维复合材料。目前，欧美在多个深海油田试验了上述产品。已经表现出卓越性能，甚至成本竞争力。我国的海洋石油的开采工作多为国外公司承包，所以，这类产品的开发还基本没有开始。
2. 油气、城市公用管道修补
近几年，油气管道、城市公用工程管道的泄漏给社会带来巨大的生命与财产损失。据报道，国际管道修补的市场大约5 000亿美元。越来越多的管道公司开始采用复合材料作为重要的修补材料。碳纤维复合材料虽然价格贵于玻璃纤维复合材料，但是，在一些高压与特殊环境中，是必不可少的。随着油气公司与政府的充分重视，高品质的碳纤维复合材料必定会在管道修补上得到广泛应用。
3. 抽油杆
有关数据表明，至2008年有8 %到10 %更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代，共需碳纤维320～420 t。预测至2010年如果按15 %的取代量计算，则碳纤维消耗量可达624 t。
4. 电缆应用
1994年至2002年左右，碳纤维制作国家电网电缆的使用案例多处。同时，碳纤维发热产品，碳纤维采暖产品，碳纤维远红外也越来越多的被重视。
碳纤维也在日常用品，像音响、浴霸、取暖器等家用电器，以及手机、笔记本电脑等电子产品中可以看到其身影。
十一、碳纤维未来发展展望
随着创新技术进步，碳纤维生产成本不断降低，
CFRP生产成本也将大幅降低，由目前的基准21.2美元/kg降低至2017年的10.5美元/kg。CFRP成本的降低有利于拓宽其在新领域的应用，不过，航空航天和风力设备仍将是CFRP目前最重要的应用领域。另外CFRP在汽车生产方面的应用也将快速增长。全球汽车CFRP市场2017年将增长至7885 t，2010～2017年的年均增长率高达31.5 %。与此同时，其销售额也将由2010年的1470万美元增长到2017年的9550万美元。目前汽车CFRP仍处于起步阶段。
世界碳纤维产业由于市场需求的变化，已经演变为“大小丝束两个不同世界”：
（1）大小丝束碳纤维本身的技术、生产体系、应用市场是截然不同的，小丝束的核心市场是航空航天，主要追求“高性能”；大丝束的核心市场是以汽车、风电为代表的工业领域，主要追求是“低成本”。中间的典型市场是体育器材、压力容器，大小丝束均可以争夺。
（2）从科技的角度：从普通模量到中模量、高模量纤维，是一个正常的思路，然而从产业引导角度，这个单一的维度，会形成严重的误导！这就如同：顶级豪华车的技术含量通常是高于常规汽车的，但是，大型汽车厂把顶级豪华车作为产业的进步阶梯，就一定会万劫不复。“科技的追求”与“工业的追求”有显著区别。
（3）从2015年，以汽车、风电为代表的工业级碳纤维的持续、强劲增长，世界碳纤维企业均在思考：在大小丝束的不同世界中，企业该做一个如何的定位？同时，这给市场需求带来剧烈的变化，也给碳纤维产业带来新的洗牌机会：未来碳纤维行业该何从何去？
世界碳纤维产业由于市场需求驱动的变化，在2020年前必将完成一场技术产业革命。
（4）碳纤维企业在产业链中，将从封闭走向开放。从60年代发展至今，由于碳纤维材料是一个典型的军民两用物资，所以形成了合理的“封闭”，而高度文明的工业的核心是社会大协作，没有开放，就难以形成协作效率与效益。
随着技术进步，碳纤维及其复合材料的成为大众应用不是梦！
来源：中国塑料加工协会技术协作专委会
