碳纤维树脂基复合材料产业发展现状、问题与重点方向

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、迈向产业中较高水平的关键时期。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空间，但同时也面临国际竞争和环境保护等方面的压力，挑战与机遇共存。

目前国内碳纤维树脂基复合材料制造工艺装备相对落后，自动化程度偏低，大规模工业化生产成套工艺与装备研发能力不足；碳纤维高性能产品缺乏，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，这些已成为制约国内高性能复合材料进步的重要因素。在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，必须坚持自主发展。

在产业化技术发展现状方面，碳纤维正向高性能和低成本双向快速发展。日本东丽、东邦和三菱丽阳三家企业的碳纤维约占全球70%至80%的市场份额，其中东丽公司产能较大，品种规格齐全。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5.8GPa、弹性模量375GPa的碳纤维。2018年东丽公司新推出的TORAYCAM40X碳纤维抗拉强度较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主导局面。

国内高性能碳纤维制备与应用技术取得了突破，基本掌握了高性能碳纤维研制和生产的核心技术，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。2019年国内碳纤维产能达到26000吨，产能在3000吨以上的有4家公司，产业集中度在加速，4家千吨级企业的产能已占到全国总产能的75%。2019年国内碳纤维总销量约12000吨，销量与产能比为45%，而国际其他厂家这一比例达到75%以上。

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活力。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。用量排名前四的领域分别是风电约26%、航空航天约23%、体育休闲约14%和汽车约11%。销售收入排名前四的为航空航天约63%、体育休闲约15%、汽车约6%和风电约4%。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67%，支线飞机12%，直升机约6%，军机12%。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约9%，直升机复合材料用量达到42%，C919大型客机复合材料用量约10%。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%。

碳纤维复合材料自动化制造技术日趋普遍。2016年复合材料构件自动化制造比例达到50%，手糊工艺已基本消失，手工铺贴工艺减少至30%。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。国内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（RTM）成型工艺技术，自动铺带和自动铺丝、预浸料自动拉挤等工艺技术也开始得到应用。

在国内产业化技术发展存在的问题方面，碳纤维研发和生产企业技术积累不够，高性能产品缺乏。国产碳纤维发展以跟踪仿制为主，自主创新能力不足，目前国内只有T800级碳纤维进入工程化应用验证阶段。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至4000元人民币/kg，缺乏国际竞争力。

制造工艺装备落后，自动化程度低，国内自动化成型工艺应用比例不足20%。关键制造装备总体处于以引进为主的状况，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，但在科研和生产中发挥主要作用的还是进口装备。

设计与应用水平不高，国外大型客机复合材料用量达到50%以上，国内ARJ21支线客机复合材料用量不足2%，C919复合材料用量仅约10%，且大部分构件主要从国外进口预浸料制造。

在发展机遇方面，2019年国内碳纤维复合材料生产量达到58000吨，体育休闲领域约21000吨，建筑、压力容器、汽车、电子电气等领域超过10000吨，未来这些领域用量将保持3%至10%的速度增长。航空航天领域是重要方向，CR929宽体客机复合材料用量将超过50%。风电领域随着低风速风场和海上风电大型叶片发展，碳纤维用量将持续高速增长。国内轨道交通发展处于国际先进水平，更高速度的高速列车对轻量化要求迫切，如果3500组高速列车复合材料使用率达到30%，将产生每年数万吨的市场规模。

在发展重点上，碳纤维技术方面需创新开展高性能碳纤维研发，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%的国际标准。复合材料技术方面需全面突破自动铺放装备和制造技术，大型构件自动化制备应用比例提高到60%以上，发展高压RTM、快速热压、快速固化等低成本工艺，以及碳纤维复合材料高效回收技术。

碳纤维复合材料产业的持续健康发展，需要大量专业人才支撑。依托高校完善学科设置，加强机械、纺织、高分子、材料等专业融合，在重点企业建立技术中心和重点实验室等高水平研究平台，建立有效的激励机制与合理有序的人才流动机制，满足产业持续发展对人才的需求。

针对此类高温烧结场景，真空烧结炉配合气氛与温场管控，有助于稳定提升制品致密度与批次一致性。

此类工艺可依托真空管式炉完成，在气氛控制与温场均匀性方面优势较为明显。

选型时建议重点关注设备温场均匀性，它直接影响制品的一致性与成品率。

真空度稳定性直接影响界面结合质量与缺陷率，是设备选型的核心指标之一。

提升制品致密度需要工艺参数与设备能力协同，二者缺一不可。

保障批次一致性需要稳定的工艺曲线与设备温场，两者共同决定量产良率。

良率与工艺稳定性直接相关，装备选型时应统筹产能与质量。

工艺参数的合理设定直接影响热处理效果，需结合材料特性反复验证。

升温速率的合理设置有助于控制温度梯度，降低内应力开裂风险。

热导率是散热材料的核心指标，制备工艺应围绕其上限持续优化。