1. 應用現(xiàn)狀
碳纖維很少直接應用，大多是經(jīng)過深加工制成中間產(chǎn)物或復合材料使用，碳纖維復合材料作為結構件或功能件現(xiàn)已廣泛應用在航空航天、工業(yè)和體育休閑用品三大領域。
碳纖維以其質(zhì)輕、高強度、高模量、耐高低溫和耐腐蝕等特點最早應用于航天及國防領域，如大型飛機、軍用飛機、無人機及導彈、火箭、人造衛(wèi)星和雷達罩等，且航空航天領域用碳纖維的性能等級相對而言是最高的。
在工業(yè)領域，碳纖維廣泛應用在汽車、電纜、風能發(fā)電、壓力容器、海洋產(chǎn)業(yè)、電子器件、工業(yè)器材和土木建筑等。
在體育休閑用品領域，高爾夫球桿和釣魚竿最早獲得應用，近年來，自行車、網(wǎng)球拍、羽毛球拍等體育用品也越來越多的使用碳纖維材料，一般使用T300級碳纖維就可以滿足需求，但為了提升產(chǎn)品性能，部分部件也已開始使用T700級甚至更高性能碳纖維。
從國際市場來看，2014年全球碳纖維需求量約5.4萬噸，2015年達7.4萬噸，2016年8.3萬噸。近8年，碳纖維需求量的復合增長率達8.9%，未來年均增長率將超過10%，2020年需求量將超過13萬噸。
2015年，碳纖維的主要的下游應用是航空航天1.78萬噸/24%、汽車1.11噸/15%、風電葉片1.63萬噸/22%、體育休閑0.89萬噸/12%，合計5.4萬噸，占比73%。未來隨著碳纖維復合材料成型技術的不斷發(fā)展，下游應用領域的不斷開拓，尤其是航空、汽車、風電葉片的強勁增長以及其帶動作用，
2. 航空航天領域
碳纖維復合材料得以在航空航天工業(yè)中大規(guī)模應用，不僅因為它能夠實現(xiàn)減輕飛行器重量、節(jié)約能源、增強巡航能力的目標，還要歸功于它擁有較高的強度和耐腐蝕、抗疲勞等理化特性。
2015年航空航天領域對碳纖維的需求量達到1.78萬噸，其中僅商用飛機的需求即占68%的比例，是目前航空工業(yè)中對碳纖維需求最大的市場。結合全球碳纖維發(fā)展情況和航空航天領域對碳纖維的需求情況，2020年需求量可能達到2.7萬噸。軍用飛機和商用飛機的需求在2011年為7,010噸，到2015年增長至14,100噸，年均復合增長率為16.9%，預計到2020年需求量將增至19,600噸，年均復合增長率為8.4%。
航空航天領域對碳纖維的需求主要來自兩大方面，一是不斷增加的碳纖維復合材料的應用比例，二是新增的飛機訂單，預計2020年，航空航天對碳纖維的需求將達到2.7萬噸。
民用航空方面，碳纖維復合材料自20世紀70年代首次被應用在飛機上的一些二級結構，如整流罩、控制儀表盤和機艙門;近三十年來，碳纖維復合材料的使用逐步進入到機翼、機身等受力大、尺寸大的主承力結構中。
目前世界兩個最大的客機——波音和空客，均采用碳纖維結構，平均可實現(xiàn)重量降低20%、燃油成本降低20%。其中，以波音787和空客A350最為搶眼，波音787全機身55%的重量使用碳纖維增強復合材料CFRP。空客A350全機身53%的重量使用碳纖維增強復合材料CFRP。
軍用航空方面，碳纖維復合材料得到了國內(nèi)外的充分重視。目前復合材料已經(jīng)應用在戰(zhàn)績機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯減重作用。根據(jù)中國材料研究學會的數(shù)據(jù)顯示，采用復合材料的前機身段，可比金屬結構減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%。例如，美國不斷在先進戰(zhàn)機中提升碳纖維復合材料的使用比例，從F-15E的2%，F(xiàn)-18E的19%，到第四代戰(zhàn)斗機F-22中使用24%的碳纖維復合材料。
此外，近年來無人機(UAV)包括無人作戰(zhàn)機(UCAV)發(fā)展迅速，由于低成本、輕結構、高機動、大過載、高隱身、長航程的技術特點，決定了其對減重的迫切需求，復合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的，美國全球鷹(GlobalHawk)高空長航時無人偵察機共用復合材料達65%，先進無人機復合材料的用量更是不斷提升，X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”上都運用了90%的復合材料。近年來無人機除廣泛用于軍事用途外，在災情巡邏、環(huán)境監(jiān)控、大地測量空中攝影及氣象觀察等民用領域的用途越來越廣，隨著這些飛機逐漸形成批量生產(chǎn)，復合材料在無人機上的用量會繼續(xù)增加。
在航天領域，碳纖維復合材料不僅符合航天技術對結構材料減輕質(zhì)量的要求，還符合對結構材料具有高比模量和高比強度的要求，具有性能和功能的可設計性，被大量應用。此外，航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤，因此，在航空航天工業(yè)中普遍采用先進的碳纖維復合材料。美國、歐洲的衛(wèi)星結構質(zhì)量不到總重量的10%，原因就在于廣泛使用了高性能復合材料。目前衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和各種支撐結構件等已經(jīng)基本做到了復合材料化。在運載火箭和戰(zhàn)略導彈方面，碳纖維復合材料以其優(yōu)異的性能得到了較好的應用與發(fā)展，先后成功用于“飛馬座”、“德爾塔”運載火箭、“三叉戟”Ⅱ(D5)、“侏儒”導彈等型號;美國的戰(zhàn)略導彈MX洲際導彈，俄羅斯戰(zhàn)略導彈“白楊”M導彈均采用先進復合材料發(fā)射筒。
3. 汽車領域
隨著排放標準趨嚴及低碳生活被人們普遍接受，節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)的重要研究課題，在能源革新有限的情況下，輕量化是解決問題的關鍵之一。
2015年全球汽車總銷量為8,910萬輛，相比2014年的8,717萬輛增幅為2.2%，預計2020年產(chǎn)能將達到1億輛。2015年全球碳纖維汽車市場需求量達到了1萬多噸，預計到2020年將超過2萬噸，未來五年年均增速高達21%，將成為增長最快和需求最大的領域之一。
1) 超跑——最先引入碳纖維
汽車行業(yè)引入碳纖維復合材料的原因主要是相比傳統(tǒng)鋼材和鋁材，碳纖維的剛度更強，但重量更輕。但碳纖維材料因為高成本、生產(chǎn)周期長，以及供應鏈不穩(wěn)定等，汽車行業(yè)最先是在低產(chǎn)量、價格昂貴的超級跑車上使用。
1981年麥克拉倫公司最先在其F1賽車MP4/1上使用了一體式碳纖維車架。2000年后法拉利、蘭博基尼等超級跑車制造商也開始在使用碳纖維復合材料造車。其他汽車廠商使用碳纖維材料也大多是在部分車身配件和內(nèi)飾上使用，其目的更多是為了減輕重量、突出高端運動車性能。
2) 減重——碳纖維需求增長驅動力
政府制定嚴格的車輛燃料經(jīng)濟性標準和二氧化碳排放法規(guī)，是汽車選擇碳纖維復合材料的重要推手。車身整體重量的減輕是非常有效的控制尾氣排放的手段。汽車重量每降低100公斤，排放量可下降20g/km，普通車需減重245kg才能達到要求的排放標準，電動車需減重50%以上。在所有輕量化材料中，碳纖維復合材料是唯一能將鋼質(zhì)零部件減重50~60%，并保持同等強度的先進材料。
各國近幾年均發(fā)布了二氧化碳的排放標準。美國于2010年4月和2012年8月分別發(fā)布了針對2012-2016(第一階段)和2017-2025(第二階段)的輕型汽車燃料經(jīng)濟性及溫室氣體排放規(guī)定，要求2025年美國輕型汽車的平均燃料經(jīng)濟性達到54.5mpg?！遁p型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(簡稱“國六標準”)于2016年12月23日正式發(fā)布，將從2020年起正式實施。標準要求，我國2015年CO2排放為155g/km，2020年需降至112g/km;2015年平均油耗為6.9L/(100km)，2020年需減至5.0L/(100km)。
3) 規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)一體化整合——寶馬引入碳纖維結構件
目前，世界各主要汽車廠商，包括寶馬、奔馳、奧迪、通用、福特等，都紛紛布局碳纖維產(chǎn)業(yè)，并逐步推出導入碳纖維技術的車型。其中，以寶馬公司最為突出。德國寶馬公司積極購入上游碳纖維工廠股份，與西格里(SGL)成立碳纖維合資公司，聯(lián)合開發(fā)碳纖維增強復合材料，將碳纖維科技大量運用在寶馬量產(chǎn)車款上，不僅保證了供應商的穩(wěn)定，縮短生產(chǎn)周期，同時也將成本降低了30%。
截至2015年，寶馬集團車用碳纖維的年產(chǎn)能達到9000噸。寶馬汽車在中游三十多種零部件使用了碳纖維復合材料，其中隔音板、前端支架和座椅結構占比最高。
2014年寶馬i3全碳纖維車身電動車量產(chǎn)，成為第一個大批量使用碳纖維作為車身材料的整車廠商。寶馬i3整車重量僅為1195公斤，相比傳統(tǒng)電動車減輕250-350公斤，同時具備最高性能的碰撞安全保護，電池容量僅20kwh，續(xù)航里程達160公里，比傳統(tǒng)電動車續(xù)航里程提高52%。此外，寶馬i8將碳纖維應用到車身和內(nèi)飾中，使車身總重控制在1,540公斤。2015年7月1日，全新第六代BMW7系汽車在丁格芬工廠正式投產(chǎn)，這是寶馬核心產(chǎn)品中第一款實現(xiàn)將工業(yè)制造的碳纖維材料、高強度鋼材和鋁材完美組合應用到車身的車型。
4) 總結—碳纖維應用在汽車領域
1) 輕量化。碳纖維應用于汽車后，給汽車制造帶來最明顯的好處就是汽車輕量化，最直接影響的就是節(jié)能、加速、制動性能的提升。一般而言，車重減小10%，油耗降低6%～8%，排放降低5～6%,0-100km/h加速性提升8-10%，制動距離縮短2～7m。
2) 安全性。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運行將更加安全、穩(wěn)定。碳纖維復合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進一步保證了汽車的安全性。
3) 可靠性。碳纖維復合材料具有更高的疲勞強度，鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%，而碳纖維復合材料可達70-80%，因此汽車上應用碳纖維復合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。
4) 減少研發(fā)周期。由于碳纖維復合材料可設計性比金屬強，因此更易于車身開發(fā)的平臺化、模塊化、集成化。這樣碳纖維車身及金屬平臺的混合車身結構對于傳統(tǒng)汽車車身結構而言，可以做到模塊化、集成化，大大減少零件種類，減少工裝投入，縮短開發(fā)周期。
4. 風電葉片領域
風力作為清潔能源的代表之一，先于光伏發(fā)電受到全球各國的青睞。自20世紀80年代商業(yè)化發(fā)展以來，經(jīng)歷了全球化的高速增長。截至2015年底，全球累計裝機容量達到432.42GW，累計年增長率17%，根據(jù)GWEC的預測，全球風電累計裝機容量將從2014年的369.6GW增加至2019年的666.1GW，復合增速高達12.5%。風電未來的發(fā)展方向，除了向新興地區(qū)，如拉美、非洲等地開拓市場之外，低速風機和海上風機將逐漸成為行業(yè)熱點。
2015年碳纖維在風能上的應用為16300噸，預計2020年達到30000噸，年均復合增長率為8.1%。
風力發(fā)電是世界可再生能源增長最快的領域，風力發(fā)電葉片被普遍認為是高性能碳纖維最重要的增長市場，特別是制造超大型風電機組所需葉片(2.5MW風電機組葉片長度達到40m，5MW的風電機組的葉片長度在60m以上)，必須使用輕而強、剛而硬的高性能碳纖維復合材料，保證結構強度的同時避免葉片在風載作用下發(fā)生大變形甚至撞擊風車支柱。
出于經(jīng)濟性考慮，當前主流的葉片為玻璃鋼材質(zhì)(GFRP)。風電機組的大型化和海上化都將極大地拉動對碳纖維葉片的需求增長。海上化的風力發(fā)電在要求葉片長度增加的同時，還要求葉片具有良好的抗腐蝕性與抗疲勞性，這些都是碳纖維葉片的獨特優(yōu)勢。由此觀之，高速擴張的大型風機市場將為碳纖維風力葉片的發(fā)展提供廣闊的增長空間。根據(jù)測算，40米以上的風電葉片中關鍵結構如梁帽、主梁使用碳纖維復合材料一方面可使葉片自重減少38%，成本降低14%;另一方面提高葉片抗疲勞性能，提高輸出功率，以碳纖維為材質(zhì)可更容易生產(chǎn)出大直徑和自適應的風電葉片。
5. 體育休閑領域
2015年年底，全球體育休閑市場碳纖維的用量為0.89萬噸，約占總需求的12%，預計到2020年將到達1.7萬噸，到2024年將超過1.9萬噸，年均復合增長率為2.3%，整體來看產(chǎn)業(yè)規(guī)模較為穩(wěn)定，市場趨于飽和，暫時不會具有拉動碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模爆發(fā)式增長的動力。
碳纖維在體育休閑市場中，主要使用在高爾夫球桿、曲棍球棍、網(wǎng)球拍、釣魚竿、自行車架、滑雪板、賽艇等高端休閑體育市場。
6. 壓力容器領域
采用碳纖維復合材料纏繞而成的氣瓶，有質(zhì)量輕、承載能力強、抗爆性能好、制造成本低等優(yōu)點。目前，大多數(shù)常用的壓力容器為鋼制，在力學性能方面有較大局限性;對于高壓容器來說，只能靠增加壁厚來提高承載性能。而新型碳纖維復合材料壓力容器，采用很薄的金屬或非金屬內(nèi)膽，采用比強度較高的碳纖維纏繞而成，在提高壓力氣瓶承載能力的同時，重量可比同容積的金屬氣瓶減輕50%。在安全性能上，由多層纖維纏繞而成的壓力氣瓶即使在內(nèi)膽出現(xiàn)泄露的情況下，纖維層仍可保證氣瓶的安全運行，有足夠的時間進行應急處理。在制作程序上，相對鋼制容器的復雜工藝，碳纖維氣瓶制造工藝要簡單得多，通常采用專用數(shù)控纏繞機在鋁內(nèi)膽外層纏繞碳纖維，精度很高，節(jié)約成本。
碳纖維纏繞氣瓶的應用主要包括車用壓縮天然氣氣瓶、航空航天動力系統(tǒng)用輕量化壓力容器和氣體運輸用高壓容器。近年來，市場對壓力容器需求量的增長愈發(fā)樂觀。原因之一是燃料電池的低成本突破，如豐田公司燃料電池車MIRAI的量產(chǎn)，會帶來對高壓氫氣瓶的強勁需求。其二是歐美興起的頁巖氣收集產(chǎn)業(yè)，頁巖氣的運輸、貯藏都需要安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的高壓氣瓶，由此對碳纖維壓力容器的需求產(chǎn)生推動作用。盡管目前壓力容器的市場不大，但卻有著較大的增長空間。
資料來源：中塑在線

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