纤维增强复合材料（Fiber Reinforced Polymer：FRP） 是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料，而目前潜力巨大、最受关注的一类莫过于碳纤维增强复合材料（CFRP）了。碳纤维材料具备高性能、高壁垒两个显著特点，有“黑黄金”之称，与各种基体经过复合工艺后制成的碳纤维复合材料，可以应用在航空航天、军事工业、风力发电叶片、汽车构件、体育休闲产品等其他工业和民用领域，是世界范围内都非常重视的新产业。

碳纤维增强复合材料的性能优势

相比于传统的高性能纤维玻纤、玄武岩纤维等，碳纤维具有重量轻/低密度（密度是钢的1/5、铝合金的1/2）、高强度、高模量、耐高温（2000℃以上强度不降）、耐腐蚀（耐海水及各种酸碱盐等介质腐蚀）、热膨胀系数小（急冷急热下尺寸稳定性高）、导热/导电性能独特（可用于电加热及军工屏蔽防护）等性能优势。

主要高性能材料性能对比

由于综合性能极强，高性能碳纤维可用于制造导弹、战机等国防重器，长期以来一直在美国对华的禁运清单中，与原子能、半导体核心技术等同列，战略地位极高，其最重要的应用，便是结合基体，制作出相应的复合材料部件，应用于各大中高端关键领域。

碳纤维产业链

碳纤维增强复合材料的性能优势主要有以下几点：

（1）高强度轻量化。碳纤维复合材料制品最明显的优势是轻质量、高强度，可以替代许多金属材料制品，能够在保证强度的情况下实现轻量化需求，这一特性使碳纤维复合材料在无人机、箱体、汽车、航空航天等领域有着很好地应用；

（2） 耐腐蚀。碳纤维复合材料属于非金属复合材料，其化学活性极低，基本不与酸碱盐等发生化学反应，这就使其在一些特殊环境中有着很好的市场应用，比如深海油田、高铁车厢等；

（3）耐磨损，抗冲击性能好。碳纤维复合材料生产的产品耐摩擦系数小，这导致其产品具有很高的耐磨损性能，大大的提升了产品的整个的寿命，可用于连接件、传动轴、辊轴等产品制作。优秀的抗冲击性能能吸收更多的伤害，从而起到很好的保护作用，这一性能在赛车、头盔中有着充分体现；

（4）耐疲劳性能好。碳纤维复合材料在外力的作用下，可以将力均匀地分布到每根丝束上，拥有非常好的耐疲劳性能，使产品蠕变小，适合用于高精密设备，可用于机械臂和空间望远镜镜筒的制作，并且碳纤维复合材料耐高温，在太空极限的环境中也丝毫不惧；

（5）X射线透过率大、具有电波屏蔽性。X射线透过率大可使碳纤维复合材料加工成放射医疗床板，使人体成像更清晰，并且减少放射剂量对人体的伤害。电磁屏蔽能够保证装备的隐蔽性，这一点在军工产品中体验地淋漓尽致，比如隐形飞机、军用运输箱、方舱等。

2021年碳纤维及树脂基复合材料需求应用分布概况

（来源：中国复合材料学会）

碳纤维增强复合材料的几种重点应用

从全球需求来看，碳纤维下游相对分散，风电叶片（主梁、梁帽）、航空航天（飞机构件）、体育休闲（球拍/钓具等）、压力容器（氢气瓶）为主要应用领域。

在这些应用中，体育需求占据着我国下游应用的30%，需求量保持稳步增长；航空航天虽然用量不高，但单价远超出其他领域，未来随着军工开支有望稳步增长；近年来碳纤维因其良好的性能广泛应用于风电叶片、光伏硅晶热场材料（碳碳复材）、缠绕复合材料储氢气瓶等，显著受益于新能源行业增长。

1.风电新能源：风电机叶片的应用

风电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，一般由叶片大梁、腹板、外蒙皮组成，复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90 %以上。现阶段玻纤增强复合材料仍为叶片制造主流选项。

碳纤维主要用作风电叶片的主梁或分段叶片连接区域，承担主要荷载作为结构材料；其次是用在塔架前缘，通过加热除冰，作为功能材料，但用量少。事实上当叶片超过一定尺寸后，碳纤维叶片反而比玻纤叶片便宜，因为材料用量、劳动力、运输和安装成本等都下降。

风机大容量、大叶片已成为趋势，随着我国风电建设进程的快速推进，风电也一跃成长为当前碳纤维下游领域应用规模中最大的部分，碳纤维复合材料比玻璃纤维复合材料具有更低的密度，更高的强度，其突破了玻璃纤维复合材料的性能极限，而且可以保证风电叶片在增加长度的同时，重量大大降低。在当前风机持续大型化的趋势下，碳纤维渗透率将持续提升。

风电机叶片

2.光伏新能源：光伏热场材料的应用

碳/碳复合材料指以碳纤维为增强体，以碳或碳化硅等为基体，通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料，凭借质量轻、耐烧灼、抗热冲击、高温强度高、损伤容限高、可设计性强等优良性能逐步成为主流热场材料。

以往主流的等静压石墨作为由石墨颗粒压制成型的脆性材料，已经在安全性方面不能适应大热场的使用要求，在经济性方面也已经落后于碳基复合材料。随着国内先进碳基复合材料制备技术的发展，先进碳基复合材料成为降低硅晶体制备成本、提高硅晶体质量的最优选择，正逐步形成在晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的升级换代，主要应用于单晶拉制炉和多晶铸锭炉的热场材料。目前碳/碳复合材料在热场应用领域具有较高的渗透率，且不断向大直径、高强度、长寿命发展，以满足单晶硅的发展需要。

碳/碳复合材料作为光伏单晶/多晶炉热场材料

3.燃料电池汽车领域：高压储氢瓶的应用

高压储氢是目前车用储氢的主流方式，氢气作为新型清洁能源已经应用于燃料电池汽车，其储氢系统是汽车的重要的组成部分。其中高压储氢是应用最广泛的方式，该方式为利用气瓶作为容器，通过高压压缩储存气态氢，具有成本低、能耗小、充放气速度快等优势，也是当前车用储氢的主流方式。

目前共有4种主流高压气态储氢方案，其中 I、II 型储氢瓶重量大、成本低，多用于储氢站等固定式应用场景；III、IV 型储氢瓶采用碳纤维全缠绕的方式加强罐体，具备轻量化的同时保持良好的力学性能，实现了高压气态储氢由固定式应用向车载储氢应用的转变。燃料电池汽车是国家重点发展方向，作为必不可少的储氢部件，碳纤维高压储氢瓶市场远景可期。

碳纤维高压储氢瓶

4.体育、汽车、航天等领域轻量化的应用

日常体育用品比如鱼竿、高尔夫球杆、网球拍等产品的碳纤维化一直是稳定的市场，随着健康生活、绿色出行等理念的流行，体育休闲领域的碳纤维需求有望稳定增长。

碳纤维复合材料在体育休闲领域的应用

随着复合材料技术的不断进步，如今碳纤维复合材料在汽车车身、尾翼、汽车底盘、发动机罩、汽车内饰等各个地方。例如宝马i3大批量应用碳纤维复合材料，减重约250-350公斤；宝马7系轿车碳纤维复合材料仅占 7 系轿车车体结构的 3%，但贡献了40kg的减重。

而在航空航天领域，碳纤维的需求仅次于风电叶片，用于中央翼盒、整机身段等主承力结构件，可占飞机整机重量的30%左右，部分机型达50%以上。以战斗机为例，自20世纪70年代至今，复合材料的应用范围已从最初的尾翼拓展到机翼、前机身、中机身、整流罩等多个部位。

各类碳纤维结构件

总结

总而言之，碳纤维增强复合材料无论是在国家重工产业，还是工业发展以及与我们息息相关的日常生活里，均发挥着相当举足轻重的作用。目前我国碳纤维增强树脂基复合材料产业正处于从发展壮大向产业成熟期过渡，迈向产业中高端的关键时期。在巨大的市场需求牵引下，碳纤维增强树脂基复合材料产业的发展将有广阔发展空间，但同时也面临严峻的国际竞争、环境保护等方面的压力，挑战和机遇共存。

参考来源：

1. 碳纤维及树脂基复合材料产业发展面临的机遇与挑战，邢丽英、冯志海、包建文、礼嵩明（复合材料学报）；

2. 先进复合材料在航空装备发展中的地位与作用，邢丽英、李亚锋、陈祥宝（复合材料学报）；

3. 国产高强中模碳纤维及其增强高韧性树脂基复合材料研究进展，包建文、钟翔屿、张代军、彭公秋、李伟东、石峰晖、李晔、姚锋、常海峰（材料工程）；

4. 碳纤维行业深度研究报告：高性能、高壁垒，创造黑金时代（长江证券）。

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