摘要：本⽂介绍了国内外⾼性能碳纤维、碳纤维增强树脂基复合材料、复合材料制造技术等发展现状及未来发展趋势，总结了国内碳纤维树脂基复合材料产业发展存在的问题，分析了国内碳纤维树脂基复合材料产业发展的需求，提出了碳纤维树脂基复合材料重点发展⽅向。
关键词：碳纤维；树脂基复合材料；复合材料产业；发展现状；发展⽅向
碳纤维树脂基复合材料，特别是碳纤维增强树脂基结构复合材料，是⼀类涉及航空航天、新能源、车辆及轨道交通、海洋⼯程等领域发展的关键材料。从“⼗三五”⾄2035年，我国碳纤维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，碳纤维树脂基复合材料产业的发展将有⼴阔的发展空间，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。
⽬前国内碳纤维树脂基复合材料制造⼯艺装备落后，⾃动化程度低，⼤规模⼯业化⽣产成套⼯艺与装备研发能⼒不⾜；碳纤维⾼端产品缺乏，中低端产品成本居⾼不下；复合材料设计与应⽤⽔平不⾼，技术发展缺乏顶层设计，跨学科综合设计能⼒不⾜，这些已成为阻碍国内⾼性能复合材料进步的重要原因。美国以知识产权和国家安全为由制造的中美贸易摩擦等贸易保护主义抬头的⼤环境下，碳纤维树脂基复合材料的发展不能依靠借鉴国外技术和经验，必须坚持以我为主，重点⽀持，才能实现⾃主可控。
1 碳纤维树脂基复合材料产业化技术发展现状
1.1碳纤维向⾼性能和低成本双向快速发展，美国、⽇本等仍然控制碳纤维核⼼技术和市场
图1是全球不同碳纤维⼚商的⽣产能⼒。⽇本3家企业，东丽、东邦和三菱丽阳的碳纤维约占全球70%～80%的市场份额，其中东丽公司产能最⼤，品种规格最齐全，产品性能最好，是全球最⼤的碳纤维供应商。
图1 全球不同碳纤维⼚商的⽣产能⼒
在碳纤维规模⽣产的同时，碳纤维⼚商不断强化提升碳纤维的性能，⾼性能化进展明显。2014年⽇本东丽公司研制成功T1100G碳纤维，拉伸强度达到6.6GPa，弹性模量达到324GPa；2015年美国赫⽒公司研制成功拉伸强度达到
5.8GPa，弹性模量达到375GPa的碳纤维。2018年⽇本东丽公司通过严格控制纳⽶级⽯墨晶体结构，进⼀步将碳纤维拉伸强度和模量同时提⾼，新推出的TORAYCAM40X碳纤维的抗拉强度较M40J提⾼了约30％，同时保持与M40J相当的拉伸模量。⾼性能碳纤维主流⽣产技术仍处于⽇美垄断局⾯。
图2 ⽇本东丽公司的碳纤维性能
国内⾼性能碳纤维制备与应⽤技术取得了重⼤突破，基本掌握了⾼性能碳纤维研制和⽣产的核⼼技术，产品质量不断提⾼，⾼品质T300/T700级碳纤维满⾜国防应⽤需求，T800、M40、M40J和M55J已突破⼯程化制备技术，正在进⾏应⽤考核验证。
2019年国内碳纤维产能达到26000吨，产能在3000吨以上有4家公司，产业集中度在加速，4家千吨级碳纤维企业的产能已经占到全国总产能的75%。2019年国内碳纤维总销量⼤约是12000吨，销量/产能⽐为45%，⽽国际其他碳纤维⼚家的销量/产能⽐达到75%以上。虽然国内碳纤维销量/产能⽐不⾼，产能得不到充分释放，但国内碳纤维的扩产愿意仍然强烈，扩产规模⼤。图3为国内碳纤维的产能分布，不同碳纤维⼚商的扩产计划见图7。
图3 2019年国内碳纤维产能分布
1.2 航空航天复合材料技术进⼊成熟期，风电和交通领域应⽤为碳纤维复合材料产业注⼊了新的活⼒
碳纤维复合材料是复合材料产业的技术和价值核⼼，2019年世界碳纤维复合材料年⽤量约16万吨，市场总价值约170亿美元。碳纤维复合材料⽤量排名前四的分别是风电（约26%）、航空航天(约23%)、体育休闲（约14%）和汽车（约11%）。碳纤维复合材料销售收⼊排名前四的分别为航空航天（约63%）、体育休闲（约15%）、汽车（约6%）和风电（约4%）。
图4 2019年全球不同领域碳纤维复合材料⽤量及销售收⼊
在全球航空航天碳纤维复合材料市场中，⼤型商⽤飞机应⽤占据了67%，⽀线飞机12%，直升飞机约6%，军机12%。
在全球航空航天碳纤维复合材料市场中，⼤型商⽤飞机应⽤占据了67%，⽀线飞机12%，直升飞机约6%，军机12%。⼤型商⽤飞机的⾼产量和复合材料⾼使⽤⽐例，使其复合材料的需求量占绝⼤多数市场份额，随着⼤量采⽤复合材料的B787和A350飞机的批量⽣产，以及Boeing和Airbus系列飞机的改进改型复合材料⽤量的提⾼，这⼀⽐例将进⼀步达到航空碳纤维复合材料总⽤量的80%以上。
图5 航空航天碳纤维复合材料的分布情况
风电和汽车应⽤为碳纤维复合材料产业注⼊了新的活⼒，推动碳纤维复合材料发展跨⼊到以⼯业应⽤为主的新阶段。以Vestas为代表的风电碳纤维复合材料市场规模接近39000吨，以BMWi3为代表的汽车复合材料⽬前市场规模超过18000吨，但由于相对较⾼的原材料成本及制造成本，碳纤维复合材料尚难⼤⽐例替代传统结构材料。
国内碳纤维复合材料在航空航天、新能源，汽车和轨道交通，体育休闲，建筑和基础设施等领域也得到⼤量应⽤，产业规模迅速扩⼤。国内四代机复合材料⽤量达到27%，⼤型运输机复合材料⽤量达到9%左右，直升机复合材料⽤量达到42%，C919⼤型客机复合材料⽤量10%左右。2016年开始，国内民⽤复合材料⽣产量已超过德国、⽇本和美国，2019年碳纤维复合材料产量达到5.8万吨，占世界复合
材料产量的38%。由于这些应⽤主要为风电叶⽚和体育休闲，⼤部分处于中低端，其产值仅为世界复合材料产值的23%左右。
1.3 碳纤维复合材料⾃动化制造技术⽇趋普遍，美国、⽇本、法国、德国等发达国家成为航空航天复合材料的制造强国和⼤国
随着碳纤维树脂基复合材料在航空领域的⼴泛应⽤，复合材料制造⼯艺向多元化和⾃动化快速发展，复合材料成型⼯艺从初期的⼿糊和⼿⼯铺贴⼯艺发展到⼴泛应⽤⾃动铺放技术。2016年复合材料构件⾃动化制造⽐例达到50%。以劳动强度⼤、过程可控性差、污染严重为特点的⼿糊⼯艺已经基本消失，以劳动⼒密集为特点的⼿⼯铺贴⼯艺也已经减少⾄30%。
图6 复合材料成型⼯艺⽅法的发展过程
20年前由于劳动⼒成本因素，以劳动密集为特点的复合材料制造业曾有向中国、马来西亚等发展中国家转移的趋势已经不复存在，美国、⽇本、法国、德国等发达国家承担了80%左右航空航天复合材料构件的制造，继续保持航空航天复合材料的制造⼤国和强国地位。
国内碳纤维树脂基复合材料经过30多年的发展，建⽴了复合材料研发平台和制造基地，研制的环氧、双马和聚酰亚胺等复合材料满⾜航空航天领域的应⽤需求，发展了热熔预浸料和热压罐成型、纤维缠
绕成型、树脂传递模塑（ResinTransferMolding，RTM）成型⼯艺技术，⾃动铺带和⾃动铺丝、预浸料⾃动拉挤等先进⾼效的⼯艺技术也开始得到应⽤。
2 国内碳纤维树脂基复合材料产业化技术发展存在的问题
2.1碳纤维研发和⽣产企业技术积累不够，碳纤维⾼端产品缺乏，中低端产品成本居⾼不下，缺乏国际竞争⼒
国产碳纤维发展以跟踪仿制模式为主，⾃主创新能⼒不⾜。国产碳纤维⾼端产品缺乏，⽬前国内只有国产T800级碳纤维进⼊⼯程化应⽤验证阶段，更⾼性能的T1100G碳纤维、TORAYCAM40X碳纤维还处于跟踪研发阶段；中低端产品成本居⾼不下，宇航级T300、T700级国产碳纤维价格国外在1000元⼈民币/kg以内，国内在3000-4000元⼈民币/kg，缺乏国际竞争⼒。⼀⽅⾯国产碳纤维产能难以达标，另⼀⽅⾯由于性价⽐低的原因，国内树脂基复合材料⽤碳纤维仍需⼤量进⼝。涉⾜碳纤维研制⽣产的单位数量多，低⽔平⽆序扩张愈演愈烈，产业陷⼊投⼊依赖陷阱，真正具有竞争⼒和可持续健康发展的碳纤维龙头产业尚未形成。图7为国内近期碳纤维企业的扩产计划。
图7 不同碳纤维⼚商的扩产计划
2.2 碳纤维树脂基复合材料制造⼯艺装备落后，⾃动化程度低，⼤规模⼯业化⽣产成套⼯艺与装备研发能⼒不⾜
国内碳纤维树脂基复合材料结构应⽤以跟踪替代为主，⾃主设计应⽤能⼒较弱，⾃动化成型⼯艺的应⽤⽐例不⾜20%。复合材料设计和⼯艺技术落后使复合材料性能离散⼤、减重效率和成品率低、成本⾼，已经成为制约复合材料应⽤的突出问题。
国内碳纤维树脂基复合材料关键制造装备总体处于以引进为主，研仿为辅的状况，部分装备如热熔预浸机、缠绕机、热压罐、热压机的设计制造取得了⼀定突破，基本能够满⾜复合材料制造的要求。复合材料⾃动铺放设备、预浸料⾃动拉挤设备的研制也取得了重要进展，但在科研和⽣产中发挥主要作⽤的还是进⼝装备。
挤设备的研制也取得了重要进展，但在科研和⽣产中发挥主要作⽤的还是进⼝装备。
2.3 碳纤维树脂基复合材料设计与应⽤⽔平不⾼，⾼端领域应⽤前景不明
国内碳纤维树脂基复合材料应⽤⽔平与发达国家存在明显的差距。国外研制的B787、A350等⼤型客机复合材料⽤量达到了50%以上。国内研制的ARJ21⽀线客机复合材料⽤量不⾜2%，正在研制的C919复合材料⽤量仅达10%左右，且⼤部分构件主要直接从国外进⼝预浸料制造⽣产。树脂基复合材料在⼤型客机等民⽤航空领域难以形成规模。
虽然国内民⽤树脂基复合材料⽣产量已超过德国、⽇本和美国，2019年占世界复合材料产量的38%，
但这些应⽤主要处于中低端，附加值低。碳纤维树脂基复合材料缺乏⾼端民⽤领域的牵引，⾼端复合材料产业前景不明。
3 国内碳纤维树脂基复合材料产业发展⾯临的发展机遇
3.1 国内碳纤维树脂基复合材料发展需求
国内碳纤维树脂基复合材料已经初具规模，2019年国内碳纤维复合材料⽣产量达到58000吨，体育休闲领域碳纤维复合材料⽣产量达到21000吨左右，建筑、压⼒容器、汽车、电⼦电⽓等领域碳纤维复合材料⽣产量达到10000吨以上，未来这些领域碳纤维复合材料的⽤量将保持3%～10%的速度继续增长。
航空航天领域是碳纤维树脂基复合材料⾼端应⽤的重要领域。我国正在研制的CR929宽体客机不但尾翼级次承载结构应⽤碳纤维增强复合材料，机翼、机⾝都将采⽤复合材料，⽤量超过50%。商⽤航空发动机的风扇叶⽚、包容机匣、发动机短舱都需要采⽤⾼韧性碳纤维复合材料制造，以提⾼发动机的推重⽐。新⼀代重型运载⽕箭、可重复使⽤运载器和新⼀代卫星导航系统等研制急需T800级和T1000级碳纤维复合材料，以及⾼强⾼模M55J级碳纤维复合材料。航空航天领域碳纤维复合材料的应⽤规模将有明显的增长。
随着低风速风场和海上风电⼤型叶⽚的发展，碳纤维复合材料在风电领域的⽤量将持续⾼速增长。国内主要的叶⽚制造商：洛阳双瑞科技、中材科技、重通叶⽚、明阳风电、中复连众、时代新材等均在积极推进碳纤维应⽤。2018年双瑞科技83.6⽶的中国最长海上风电叶⽚下线，由于超长风电叶⽚承载要求，必须采⽤了碳纤维⼤梁，标志着国内风电领域开始应⽤碳纤维复合材料。2019年风电领域碳纤维复合材料⽣产量达到
21000吨左右，未来风电领域碳纤维复合材料的产量将进⼀步快速提升。
国内轨道交通发展处于国际领先⽔平。更⾼速度的⾼速列车、磁悬浮列车对轻量化的要求⾮常迫切，⼤量应⽤碳纤维复合材料是未来减轻列车结构重量的重要发展⽅向。中国⾼速列车3500组车如果复合材料使⽤率达到30%，将产⽣每年数万吨的市场规模。
3.2 国内碳纤维树脂基复合材料产业发展重点
（1）国内碳纤维树脂基复合材料的发展⽬标碳纤维
建⽴符合我国应⽤需要的碳纤维技术与产品系列，碳纤维性能和价格具有国际竞争
⼒。突破碳纤维原丝⽣产技术，形成多元化技术体系；⾃主研发碳化、⽯墨化等关键设备，降低⽣产成本，提⾼产业化⽔平。⾼性能碳纤维⼒学性能达到或超过TORAYCAMX相当⽔平，满⾜国防、国家
汽车碳纤维⼤飞机、载⼈航天等重⼤⼯程的需求。低成本碳纤维符合拉伸强度2.8GPa、拉伸模量280GPa和断裂伸长率1%的国际标准，⽀撑建筑、交通、新能源等战略性新兴产业的发展。在“⼗四五”末期，碳纤维销量达到50000吨/年，销量/产能⽐达到60%以上。
碳纤维树脂基复合材料：建⽴完整的碳纤维树脂基复合材料⾃动化制造技术体系，实现复合材料⾃动铺放装备的⾃主制造，⼤型复合材料构件⾃动化制备技术应⽤⽐例提⾼到60%以上；实现T800级碳纤维及其复合材料在武器装备、⼤型宽体客机、载⼈航天等领域的批量稳定应⽤，主结构应⽤减重效率达到30%以上，综合性能具备国际竞争⼒；研发新⼀代⾼强⾼模⾼韧碳纤维复合材料，实现在装备应⽤的考核验证。
⾯向新能源和交通领域的应⽤需求，全⾯突破⾼压RTM、快速热压、快速固化等系列低成本⼯艺关键技术，突破低成本碳纤维复合材料在风电、交通等领域规模应⽤关键技术，构建集碳纤维研制⽣产、复合材料研制⽣产、装备国产化研制、复合材料设计和应⽤的完整产业链条，实现低成本碳纤维复合材料在风电、交通等领域规模应⽤。在“⼗四五”末期，碳纤维复合材料在民⽤领域应⽤达到80000吨/年以上。
（2）国内碳纤维树脂基复合材料技术发展重点
（2）国内碳纤维树脂基复合材料技术发展重点
a.碳纤维技术发展重点：
1）创新开展⾼性能碳纤维的研发，建⽴具有中国特⾊的⾼性能碳纤维技术与产品体系，实现碳纤维性能达到或超过TORAYCAMX系列，实现从跟踪到超越的跨越。
2）突破低成本碳纤维制备关键设备和⼯艺技术，建⽴千吨乃⾄万吨级低成本碳纤维⽣产线，产品性能符合拉伸强度2.8GPa、拉伸模量280GPa和断裂伸长率1%国际标准，产品价格具有国际竞争⼒，⽀撑碳纤维复合材料在轨道交通、新能源等战略性新兴产业的应⽤。
3）⾼强中模⾼韧碳纤维（T800级）复合材料通过在武器装备和国产⼤型客机等的应⽤考核验证，实现T800级碳纤维复合材料在航空装备等批量应⽤。
b.复合材料技术发展重点：
1）全⾯突破复合材料⾃动铺放装备和制造技术，建⽴完整的先进复合材料⾃动化制造技术体系，实现复合材料⾃动铺放装备的⾃主制造，⼤型复合材料构件⾃动化制备技术应⽤⽐例提⾼到60%以上。
2）突破⾼性能热塑性复合材料预浸料和原位固结成型技术、热塑性复合材料原位反应成型技术，实现⾼性能热塑性复合材料在航空装备和车辆的批量应⽤。
3）发展真空状态下模具直接加热的新型⾮热压罐固化⼯艺，实现固化能耗和固化⼯艺成本降低50%以上，改善复合材料零件的固化均匀性和固化变形，开启⾼效低成本树脂基复合材料时代。
4）重点发展1～5min快速固化、⾼压RTM、快速热压等低成本复合材料制备单元⼯艺技术，建⽴基于纺织级腈纶原丝低成本碳纤维复合材料快速制造技术，实现在汽车、风电等领域规模应⽤的产业集。
5）发展碳纤维复合材料⾼效回收技术和回收碳纤维再利⽤技术，建⽴碳纤维复合材料回收再利⽤专⽤装备，实现碳纤维复合材料规模化回收利⽤，⽀撑碳纤维复合材料在新能源和交通等领域规模应⽤和绿⾊发展。
（3）国内碳纤维树脂基复合材料发展战略重点
1）形成碳纤维龙头⽣产企业，具有规模⽣产系列⾼性能碳纤维和低成本碳纤维的能⼒。⾼性能碳纤维性能达到或超过TORAYCAMX系列，实现从跟踪到领先的跨越；低成本碳纤维性能达到国际标准，价格具有国际竞争⼒。分别建⽴⾼性能碳纤维和低成本碳纤维千吨级和万吨级⽣产线，成为国际碳纤维最主要供应商之⼀。
2）建⽴碳纤维复合材料联合研发中⼼，发展碳纤维复合材料新型成型技术和⼯艺装备，⾼性能结构复合材料和结构功能⼀体化复合材料，引领未来复合材料技术的发展。
3）建⽴碳纤维复合材料应⽤产业联盟，实现航空航天复合材料，风电复合材料，车辆和轨道交通复合材料，海洋⼯程复合材料的研发与规模⽣产，形成航空航天复合材料市场规模3000吨/年，风电和轨道交通等复合材料市场规模30000吨/年，成为全球复合材料最主要⽣产基地。
4 结束语
碳纤维复合材料产业的快速、规模化发展，需要先进完整的复合材料产业技术体系和⼯艺装备的⽀撑。应重点发展碳纤维⼤规模⼯业化⽣产成套⼯艺与装备技术，突破碳纤维性能提升和成本控制技术，实现规模化⽣产，满⾜国内复合材料发展对碳纤维的需求并参与国际竞争。发展复合材料⾃动化制造和成套装备技术，提升复合材料技术和装备实⼒，建⽴先进完整的复合材料产业技术体系。
重点突破风电，车辆和轨道交通等碳纤维复合材料规模化低成本应⽤技术，实现碳纤维复合材料在⾼端民⽤领域的规模化应⽤，真正把碳纤维复合材料产业做强做⼤。
碳纤维复合材料产业的持续、健康发展，需要有⼤量的专业⼈才⽀撑。依托相关⾼校完善学科设置，适当加强机械、纺织、⾼分⼦、材料等专业融合，加强跨专业复合型⼈才培养，在重点企业建⽴企业技术中⼼和重点实验室等⾼⽔平开放研究平台，建⽴有效的激励机制与合理有序的⼈才流动机制，促进⼈才的快速成长，满⾜复合材料产业持续发展对⼈才
研究平台，建⽴有效的激励机制与合理有序的⼈才流动机制，促进⼈才的快速成长，满⾜复合材料产业持续发展对⼈才的需求。
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⽂章来源于《复合材料学报》
作者：邢丽英、冯志海、包建⽂、礼嵩明
连续式碳化/⽯墨化/活化炉
连续式碳化/⽯墨化/活化炉 | 顶⽴科技研制
连续式碳化/⽯墨化/活化炉主要⽤于各种纤维及其毡体材料在保护性⽓氛下的连续式⾼温碳化处理。
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