聚焦·13位顶尖大咖解读碳纤维在4大新兴领域的应用

herahera 2019-05-17

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有数据显示，我国碳纤维企业数量的全球占比是67%，是数量强国；我国碳纤维需求量的全球占比是27%，是需求大国；我国碳纤维产能的全球占比是17%，是产能小国；我国碳纤维产量的全球占比是7%，是产量弱国。

国产碳纤维产能、产量低是备受业界诟病的问题。

相关资料显示，2017年中国大陆的碳纤维理论产能2.60万吨，实际供应仅7400多吨。

“缺乏市场的牵引，用不起来，导致国产碳纤维产量表现较低。” 国家碳纤维工程技术研究中心主任徐樑华对新材料在线®说。

从下游行业分布来看，据前瞻产业研究院数据显示，2017年我国碳纤维市场需求主要来源于相对低端的体育休闲领域，2017年其消费量占到碳纤维总需求量的51.1%左右；风电叶片领域2017年消费量占比为13.0%；而航空航天领域消费量占比仅3.8% 。

2017年中国碳纤维领域应用结构（按重量）（单位：%）

来源：前瞻产业研究院

“就算是在汽车和风电行业，还是更愿意使用进口碳纤维。”江苏恒神股份有限公司高级顾问沈真对新材料在线®表示。

数据来源：广州奥赛碳纤维技术有限公司

“从碳纤维应用真正辐射的领域来看，国产和国外比较还是有差距的，人家用得多我们用得少。怎样扩大应用领域的问题也非常重要。”中国工程院院士杜善义语重心长地说。

国产碳纤维在哪些新兴应用领域有突破或逆袭机会？新材料在线®根据十几位碳纤维及其复合材料领域顶尖专家的观点，详细分析了碳纤维在轨道交通、汽车、压力容器及其它小众应用等4大备受瞩目的新兴领域的应用机会和挑战。

轨交交通

来源：中车青岛四方股份公司副总工程师丁叁叁

来源：丁叁叁演讲PPT

作为一个轨道交通领域的设计人员，我相信碳纤维在轨交的应用是有前途的。

从大的方面，它是一个人类未来发展的大趋势，新材料技术本身就是趋势。

从行业本身而言，它也有这样的动力，高铁的动力是整个轨道行业的发展牵引，像现在近90条线，近3万公里的高速铁路，在线的车三千多组，这个体量、规模占到世界的三分之二以上，现在作为未来铁路发展的引擎。

在建设四纵四横的网络，向八纵八横发展的大战略下，这个行当是在发展和生机的，目前国内外的市场也都在发展。行业有活力就一定会带来新技术新材料的需求。

高铁作业环境复杂，速度不断提高，在此环境下，面临安全性与服务要求提升的巨大挑战。

传统的金属材料如铝合金发展到现在，其轻量化已经做到很高的水平，逼近极限。

我们需要有综合型的优良材料突破金属材料的局限。碳纤维虽然现在面临很多的困境，我认为它还没有进入到成熟期、工业的成熟期。而一旦跨过这个鸿沟，它一定会很快地有一个爆发期。

轨交给碳纤维带来的市场前景是可观的。中国高速动车3500组车碳纤维复合材料份额若占到30%，将产生50万吨需求，若推广至城轨车辆共约100万吨，即使只有10% 的应用，也有约30万吨。若能良性发展，预计共可形成每年3~5万吨市场规模。

碳纤维复合材料在轨交应用首先要解决必要性和怎么用的问题，接下来评估成本效益是否能接受，如果上述问题都解决了，那需求量会很大，但这个过程需要一段时间。

市场经济下，有新的应用机会企业肯定感兴趣。目前恒神跟中车长春轨道客车做了全碳纤维复合材料车厢，常州的宏发纵横也跟唐山车辆做碳纤维轨交研究。

碳纤维在轨交领域的应用可能会比汽车领域的应用快。

碳纤维在轨交领域的应用，如果只做金属简单替代不可取，这样失去了复合材料的价值。发挥碳纤维及其复合材料最优性能才有使用价值跟经济效益。碳纤维各向异性，性能不综合，是单项冠军而非全能冠军，要发挥其单项冠军的长处，回避软肋。

国产能满足航空航天，就能满足轨交，国产化没有问题，对于碳纤维的品质和性能，需要下游用户来提出需求。

如果碳纤维能在轨交领域获得大面积应用，轨交产生的用量会非常大，比目前风电行业还大。到时候拉动中国碳纤维产业的可能会是轨交，但取决于正向设计瓶颈能否突破。

中国的碳纤维复合材料应用市场发展空间很大，目前处于一个瓶颈期，突破复合材料设计与制造技术，将直接影响市场空间的释放程度。

碳纤维一旦实现从装饰到承载结构的应用，国内企业的机会应该很大。

现在碳纤维及其复合材料在轨交车体的应用，现在主要面临许多问题。比如国内这方面基础研究还是比较薄弱一点；又如大型的车企的制造设备，都是引进的，非常贵，比如自己还不能做固化的大型热压罐，很多的车体长达十几米长，如此体积的车体整体放进热压罐，要进口国外的设备来做。

此外，标准体系的建立周期很长，所有的标准都要在摸索中不断地完善，一个标准体系完全建立最快也得十年时间。

碳纤维及其复合材料在轨交的应用有一定的优势，比如它是以可设计性、成型工艺多样而著称，从主承载次承载或者类似件，可以通过各种工艺的选择来满足不同的结构或者功能性的要求，所以在成型工艺这一块的话，肯定是碳纤维复合材料的选择性更多样一些。

碳纤维在轨交车体承重结构应用没有问题，现在的问题就是怎么样从一辆变成批量化的。需要全行业共同努力，从批量制造的能力、成本的降低、然后生命周期、价格的评估，这些的角度来进行综合考虑。我个人看来碳纤维在轨交的应用比较乐观。

成本问题是限制批量化生产的原因之一。

成本问题分两个阶段，第一个阶段，在研发阶段必须将轨道交通碳纤维复合材料整个研制的流程进行低成本手段的评估和研究。

第二个阶段，复合材料的最大的优点是在长期性能具有重要优势，利用这一优势评估如何降低轨交列车生命周期内的运行和维护成本。

现在我们需要开展整个轨交生命周期的评估，包括从制造的价格到运行的价格到维护的价格，可以让我们知道在复合材料使用之后的轻量化带来的运行和维护的成本降低效果。

国内除了军用飞机，其他民用和汽车、风电、体育器材，大量用国外的碳纤维。比如风电叶片、民用飞机都是按国外碳纤维的标准来生产，国产的碳纤维性能肯定有区别。因此需要应用端的设计来决定能不能用国产的碳纤维，我们的设计太弱，设计的知识产权都在国外的手里，如果我们不掌握设计权，应用的标准就被别人决定，而国产碳纤维性能要对标国外是很难的。

轨交是国产碳纤维大批量应用的突破点。国外做碳纤维应用于轨交的比较少，国内比较有机会。

碳纤维及其复合材料在轨交车体结构的批量生产要经历研发、低成本化和批量生产三个阶段，目前国内的研发很多，但如何低成本化做得不够，需要突破。

目前来看，第一轮的研发问题都不大。现在把航空的做法移植到轨交上面，比如标准和准入、设计规范等体系，这样才能保证在轨交的应用不会出现问题。航空在这一块比较有经验，轨交必须结合实际吸收这些东西，一边做一边建立一套标准体系，不断完善它。

汽车市场

前瞻产业研究院数据统计，2016年全球汽车用碳纤维需求量约为9000吨，预计到2020年全球需求将达到11000吨。

2013年，宝马i3的碳纤维轻量化技术路线让国内企业跃跃欲试。

事实上，除了轻量化外，碳纤维还有其他优势，比如大家关注的设计问题，碳纤维具有集成性高、设计自由度高、模具成本低、开发周期短的优势，便于车型的更新换代，这是一个有力的竞争点。

然而好几年过去了进步甚少，制约碳纤维在汽车上大批量应用的关键是生产效率和系统成本！

生产效率方面，采用热固性成型工艺的生产效率一般在5-10分钟，适合小批量产品，但要应用在乘用车上，生产工艺还有待提高，热塑性成型碳纤维可能更适合。

而在系统成本上，材料及传统生产工艺居高不下，占零部件系统成本的50%以上，零部件单位系统成本至少是钢的6倍以上。

理论上，整车减重降低50kg，可以降低2度电，节省1200-1500元电池系统成本。在实施轻量化过程中，可以适当控制成本增加在20-30元/kg，也可实现整车系统成本平衡。

在汽车产品上，碳纤维主要应用于高端车型，多用于车身外覆盖件、车身骨架以及局部补强。碳纤维轻质高强的特性，对整车轻量化具有极大的优势。但碳纤维价格较高，因此受限只能用在高端车型上。

目前，国内针对汽车产品的一级配套商资源较少。而且，针对国内汽车产品的碳纤维铺层设计，还处在起步阶段，多需借助欧洲方面的资源，进行CAE分析，包括汽车碳纤维制件的检测及合理的品质控制标准等。这些对于汽车行业来说，都是需要解决的问题。

的确，很多设计师在车型的前期设计阶段就不会考虑用碳纤维，一方面是推广还不够，另一方面是成本、标准和配套体系不成熟等问题。我们前期也考虑过，后来放弃了。

对于新生造车势力而言，碳纤维是一个比较好的替代方案。

碳纤维应用在汽车上，有几个方向：一是结构增强，如宝马7系的Carbon Core车身构架；二是可以达到设计造型的自由度和漂亮的外观，营造出科技感；三是满足某些特殊功能或集成功能。

话虽如此，但在驱动汽车对碳纤维的需求方面，碳纤维企业与主机厂彼此互不了解，类似鸡同鸭讲。

对于车企，一定要把合适的选材用在合适项目上，用在合适位置上；设计师要懂得产品设计、了解碳纤维，比如要知道圆角半径过小，圆角区域可能发生纤维拉断、架桥和树脂堆积等缺陷。对于碳纤维企业，碳纤维材料及产品的基础研发一定要踏踏实实，切忌急功近利。

确实，懂材料的不懂车，懂车的不懂材料，造成了沟通困难。

碳纤维的优势不用多说，减重效果非常好，能达到50-75%，安全性也提高了很多。但我们接触很多客户，他们总问一个问题：这个材料和钢、铝比起来，便宜吗？如果要这样问的话，思路就歪了。

如果为了便宜，这个材料不好推广，为什么你要用它，除了它本身材料的价格以外，以后随着我们努力可能会整个量产化成本会降下去，除了这一块以外，它的制造和我们的金属材料差距比较大，从车这一块，我很熟，四大工艺：冲压、焊接、油漆、组装，但是这种材料一体化成型的设计会简化一些工艺，从它的生产的综合生产来看，会有降低。

我觉得还有一个特别重要的，我们减重是为了节能，节能为了环保，环保以外还能降成本。我们和东风合作物流车，当时给它算了一笔帐，一辆9米的物流车，整个车厢原来可能一万多块钱，用了碳纤维成本翻倍。但是，减重以后，省油省了多少，高速费省了多少，可以多装货，可以多挣多少钱。最后算下来，一年减少十几万的运营成本，这笔帐很好算。

压力容器

来源：中国复合材料集团有限公司原董事长兼总经理张定金演讲PPT

包括中复神鹰在内的企业看好碳纤维高压储氢罐，但要成为重要市场，还有一些工作要做，常规的压力容器竞争比较大，瞄准氢能源汽车的储氢罐，有赖于设计与制造技术进步。

压力容器是一个值得期待的市场。

但就目前而言，因为压力容器对碳纤维原材料稳定性要求高，且价格低，国产碳纤维在压力容器上的使用还处于验证阶段，因此压力容器的碳纤维应用市场目前大多被进口碳纤维控制。

如果建立健全国产碳纤维在这个行业中的性能指标评价体系，掌控复材设计自主权，伴随着氢燃料电池市场的发展，压力容器将是一个很好的方向。

近年来全球的碳纤维在压力容器市场增长迅速，年均增长10%-15%，发展潜力巨大。

全球碳纤维压力容器年均增长率有望达到22%，增长快速。主要用在天然气车用气瓶、运输天然气的大型瓶、燃料电池车用氢气瓶、呼吸气瓶、和医用氧气瓶等。

其中呼吸气瓶年增长10%，CNG气瓶年增长20%，储氢气瓶年增长25%。

随着新能源的发展，中国成为压力容器的主要市场，预计2020年将占全球市场的40%。

储氢罐要75Mpa，其比能量才能跟动力电池在同一个水平，35Mpa还不够。氢本身密度小，必须压缩，要70Mpa才能压缩，不然比能量到不了。

所以下一步肯定是碳纤维来做，其他材料做不来。碳纤维的罐子轻，抗压强，本身不会爆炸，不像金属罐。