碳纤维复合材料市场的发展现状与展望
简介
碳纤维复合材料是指以树脂、金属、陶瓷和橡胶等材料为基体，以碳纤维为增强材料，经过复合制成的结构或功能材料。
根据基体材料的不同，碳纤维复合材料可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和橡胶基复合材料。树脂基复合材料是指以聚合物（俗称树脂）作为基体，以碳纤维作为增强材料所制成的复合材料，主要应用于建筑、化学、交通、医疗和航空航天等领域；金属基复合材料是指以金属、合金和金属间化合物作为基体，以碳纤维为增强材料，通过浸泡、固结所制成的复合材料，主要应用于航空、航天、汽车和体育用品等领域；陶瓷基复合材料是指以陶瓷材料为基体，以碳纤维为增强材料所制成的复合材料，主要应用于发动机高温部件等领域；橡胶基复合材料是指以橡胶材料为基体，以碳纤维为增强 材料所制成的复合材料，主要应用于管材、耐磨衬轮和特殊密封件等领域。
其中，碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）是以碳纤维及其制品增强的树脂基复合材料。目前碳纤维复合材料以树脂基复合材料为主，占全部碳纤维复合材料巿场份额的80%以上。
全球市场
自2004年起，碳纤维市场突然紧缺，碳纤维复合材料市场供应紧缺，出现了供不应求局面，价格随之急剧上涨。此后，随着航空航天、体育休闲和工业应用对碳纤维的需求大幅度增加，全球碳纤维复合材料市场规模快速增长。2018年全球碳纤维复合材料市场规模为129.67亿美元，到2022年全球碳纤维复合材料市场规模增长到213.26亿美元，2018~2022年年均增长率为13.24%。
从国际碳纤维复合材料区域的总体分布情况来看，近年来世界碳纤维市场规模最多的地区为亚洲，该地区需求量约占全球总需求量的69.26%；其次是北美和欧洲，市场规模占比分别为16.26%、11.20%。
在碳纤维复合材料主要生产国家或地区当中，2022年日本、中国台湾、美国、墨西哥等对华出口均有不同程度降低，韩国有成倍增长、德国有巨大增长、匈牙利保持平稳小增长。这主要是全球碳纤维紧缺而导致的对华供应减少。韩国的较大增长也有晓星公司的重大贡献；而德国的巨大增长，应该是西格里调整产品应用市场的结果。
国内市场
近年来，在国家的大力扶持下，国内碳纤维产业取得了重大突破，碳纤维及应用领域的技术水平和产业化程度出现了加速发展的势头，进入前所未有的发展新阶段，在国内初步形成了以江苏、山东和吉林等地为主的碳纤维产业聚集地。从市场规模来看，2018~2022年，我国碳纤维复合材料行业的市场规模呈增长的趋势，从282.90亿元增长带845.26亿元，2018~2022年年均增长率达到32.07%。
中国对碳纤维的研究始于20世纪60年代，近五十年来发展速度非常缓慢，主要发展期集中在近十年，尤其是在“十一五”期间，碳纤维复合材料产量才开始出现明显增长。目前，我国碳纤维复合材料产业生产规模仍然较小、产品规格单一，国内市场供不应求。
从供应情况看，近年来我国碳纤维复合材料产量保持较快的增长速度，2018~2022年期间，我国碳纤维复合材料产量从3.31万吨增至6.20万吨，年均增长率为17.45%。预计到2025年我国碳纤维复合材料产量将到达12.25万吨。
从市场需求情况看，近几年我国碳纤维复合材料的需求量呈快速增长态势。主要原因是在全球碳纤维应用领域增加，国家对碳纤维复合材料发展，提出鼓励政策，导致中国碳纤维需求长快速增长。2018~2022年，我国碳纤维复合材料的需求量从4.77万吨增加到7.80万吨。2018~2022年年均增长率为13.27%。
应用现状
碳纤维先进复合材料历经30多年的研究和发展，因其质轻、比强度高、耐高温等独特优异的性能受到航空航天领域的高度青睐，随着碳纤维先进复合材料从材料、设计、制造、试验到验证，逐步走向规范化、标准化和成熟化，将广泛应用于航空航天、兵器工业等军工领域以及石油化工、风力发电、汽车轻量化、体育休闲等民用领域。
（1）航空航天
碳纤维性能优势明显，替代进程步入快车道。小丝束碳纤维在航空航天端的替代使用具有天然优势，作为新型复合材料对比铝合金等传统材料有密度低，硬度高，耐腐蚀，性质稳定等优势。碳纤维复合材料较强的耐蠕变性能和耐高温性能有利于在太空中维持形状，使其得以广泛应用于航天领域，用以制备载人航天器及绕地卫星。碳纤维轻量优势在民用飞机制备过程中得到体现，飞机整体减重可有效降低成本，飞机减重300千克每年可增加1000万美元净收益，运营成本优势进一步推动碳纤维替代进程。航天方面，因碳纤维复合材料质轻可以降低导弹、火箭的质量，提高推重比也得到了广泛应用，如人造地球卫星的质量每减小1kg，火箭质量可减小1000 kg。美国的三叉戟-2型导弹以及战斧式巡航导弹的发动机壳体都采用的是碳纤维复合材料。
2022年全球航空航天领域中，商用飞机对碳纤维的需求量最大，为5800吨，占比为35.3%，其次是无人机以及军用飞机。受疫情影响，全球民用航空市场萎缩，对航空航天领域用碳纤维的需求端造成不利影响。根据国际航空运输协会（IATA），全球航空客运量有望在2023年恢复至疫情前水平，预计2024年以后将迎来明显恢复。基于疫情恢复的节奏以及航空航天认证周期较长本身提渗透率难度较大，因此航空航天需求复苏以平稳为主。
我国在某型海防导弹上也成功应用了碳纤维先进复合材料，大大增加了导弹的射程；还有发射的“天宫一号”采用了哈尔滨玻璃钢研究院研制的碳纤维复合材料相机支架组件。2022年我国航空航天用碳纤维复合材料市场规模达到266.26亿元。
（2）风电叶片
碳纤维作为优质的轻量化材料，在风电叶片中有广泛应用。大丝束碳纤维增强的复合材料与玻璃纤维材料相比有着密度较小，耐腐蚀，强度高等优势，主要用于主梁帽，叶片根部及蒙皮等部位，可有效提升叶片刚度及疲劳强度。碳纤维的轻量优势在叶片制备中得到体现，采用高模玻璃纤维灌注主梁的重量为3.6吨，而采用碳纤维拉挤主梁的重量仅为1.4吨，整支叶片重量从13.5吨降低至11.8吨，减重比例达12.59%，有望降低后续发电成本。
风力作为一种清洁能源，先于光伏发电受到全球各国的青睐，近十几年以来经历了全球化的高速增长。当前，随着风力发电机率增大，特别是在海上风机的需求刺激下，全球风机大型化的趋势日益明显。根据全球风能理事会预测，未来五年全球风电新增装机将超过300GW。其中，随着全球化的推进，海上风电正进入加速发展阶段，预计在未来五年会有40GW的新增装机。风力发电行业及风电叶片用碳纤维的需求前景可观。
（3）体育休闲
2022年全球体育休闲领域钓鱼竿对碳纤维需求量最高，占比35.14%，其次是高尔夫和自行车，分别占比22.16%和19.46%。运动健康理念的普及，以及人均消费能力的提升，将驱动体育休闲市场长期平稳增长。
得益于欧洲体育产品特别是自行车补贴政策的推动，以及其他体育用品制造国的生产能力原因，2022年我国体育休闲领域碳纤维的需求火爆。2022年我国体育休闲用碳纤维复合材料市场规模达到309.37亿元。
海外疫情影响减弱，未来体育休闲领域需求有望持续增长。2020年受全球疫情肆虐影响，户外体育运动受限导致全球范围体育休闲器材需求增量放缓。2021~2022年伴随海外疫情管控措施放宽，疫情影响进一步减弱，带动全球范围体育器材需求量上升。由于疫情的逐步放松，且民品碳纤维产能释放价格下降，预计未来我国体育休闲领域碳纤维复合材料需求量将继续增长。
（4）汽车工业
在节能环保需求的促进下，新能源汽车呈现快速发展趋势。同时新能源汽车更需要轻量化，以缓解“电动化”带来的车重增加，解决里程焦虑，整车耐久性问题。碳纤维复合材料成为轻量化的重要途径。2013年量产的Alfa Romeo 4C，采用碳纤维复合材料座舱，车身质量为168 kg，复合材料占比38%。2014年量产的BMW7er，车身关键结构部位应用复合材料，与铝合金、钢材料形成多材料混合车身，车身质量323 kg，复合材料占比3%。2017年量产的奥迪新A8，将跑车R8中的碳纤维技术用于乘用车（A8），打造了多材料（钢、铝、镁、碳）混合车身。碳纤维后围结构实现质量减小50%。
从轻量化技术发展路线来看，国际领先技术水平的企业从单一轻量化车身技术向多材料混合车身技术方向发展，在量产车型中，碳纤维复合材料逐步成为多材料混合车身体系的一部分。
（5）轨道交通
轨道车辆方面，国外已初步完成碳纤维复合材料主承载结构的研制及工程化应用，国内尚处于起步阶段。日本1999年，E4碳纤维司机室，质量减小30%。韩国2010年TTX摆式列车碳纤维车体，质量减小40%。国内碳纤维复合材料在轨道领域的应用起步较晚，但发展迅速，主要应用于内饰及次承载的结构，如头罩、设备舱和低速车体等，碳纤维复合材料结构以其轻量化、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等性能优势，解决了高速列车面临的诸多技术问题，从材料、工艺、结构设计、标准及验证各环节大量尝试，积累经验，为其在高铁应用奠定了基础。随着我国高速列车的飞速发展，碳纤维复合材料刹车片也有着广阔的发展空间。
（6）通信器材
在通信器材领域，碳纤维复合材料可以替代原来的金属天线面，质量更小、强度更高，并且天线面可以做成分瓣式的，具有快拆快装功能，非常便携，适合单兵作战携带。另外，用碳纤维复合材料制成的天线面长时间在恶劣的外界环境中性能稳定、不变形，这是因为其热膨胀系数更低，而金属铝面极易受热受冷出现热胀冷缩变形，所以碳纤维复合材料制成的天线面精度更高，最终天线的增益和信号更好。
（7）海洋船舶
碳纤维复合材料具有优异的耐腐蚀性能，它能抵抗海水的冲刷侵蚀，能很好地应用在海洋船舶领域。另外，复合材料的可设计性以及整体成型优势更进一步推动了多种复合材料船舶产品的开发。碳纤维复合材料的应用不仅降低了制造和维修成本，改善外观，还可以减轻船舶吨位，提高安全性。
结语
未来，我国碳纤维复合材料的技术水平将不断提高，产品的性能和成本都将得到进一步优化，推动产业的可持续发展。随着碳纤维复合材料技术的不断进步和应用领域的不断拓展，其市场需求将继续保持高速增长。尤其是在新能源、新能源汽车等领域，碳纤维复合材料的应用前景广阔。因此，企业需要抓住市场机遇，加强技术研发和产品创新，提高自身的市场竞争力。同时，政府也需要加强对市场的监管，推动产业的健康发展，为经济的可持续发展贡献力量。