摘要：碳纖維技術(shù)能夠極大提升航空設(shè)備的性能，本文介紹碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)價(jià)值及其在航空制造中的應(yīng)用，以及航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的市場(chǎng)需求，分析了碳纖維航空復(fù)合材料的發(fā)展前景。

　　碳纖維是由有機(jī)纖維在高溫環(huán)境裂解碳化形成碳主鏈結(jié)構(gòu)，含碳量在90%以上的無(wú)機(jī)纖維，其外形柔軟，質(zhì)量輕于鋁，強(qiáng)度大于鋼鐵，耐高溫性能居化纖之首，還具有耐摩擦性能。碳纖維根據(jù)原絲、力學(xué)性能以及用途等具有不同的分類，具體見表1。

　　表1 高性能碳纖維分類

　　注：1K表示一個(gè)絲束含1000根碳纖維

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　　碳纖維是一種增強(qiáng)型纖維材料，通常不單獨(dú)使用，而是制成碳纖維復(fù)合材料(CFRP)，完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應(yīng)用的完整制造過程，可以簡(jiǎn)單劃分為原絲生產(chǎn)、氧化碳化、中間材料和復(fù)合材料四個(gè)環(huán)節(jié)（見圖1）。

圖1 碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)疽鈭D

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　　碳纖維下游產(chǎn)品增值幅度大 ，其中航空復(fù)合材料增值最多

　　碳纖維90%的性能取決于原絲，原絲品質(zhì)差(表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等)，很難在后續(xù)工序中消除，從而遺傳給碳纖維，導(dǎo)致產(chǎn)品性能較差，PAN原絲作為目前全球碳纖維的主要原料，是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的技術(shù)關(guān)鍵。原絲也是碳纖維成本的主要組成部分，理論上消耗2kg的PAN原絲能生產(chǎn)出1kg的碳纖維，原絲占PAN基碳纖維成本的51%左右。

　　碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)流程復(fù)雜，技術(shù)難度大，越到下游附加值越高。碳纖維目前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括體育休閑、汽車、風(fēng)電葉片、航空航天等領(lǐng)域，其中應(yīng)用于航空領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料的附加值最大，從40元一公斤的原絲到8000元一公斤的航空復(fù)合材料(見圖2)，價(jià)值增長(zhǎng)至原絲的200倍，對(duì)于碳纖維生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，積極開發(fā)應(yīng)用于航空領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料，能夠大幅提高企業(yè)的盈利能力。

圖2 碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的不同階段產(chǎn)品價(jià)格

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　　飛行器制造的輕量化設(shè)計(jì)已成趨勢(shì)，碳纖維復(fù)合材料不可或缺

　　飛行器制造材料的輕量化設(shè)計(jì)能夠大幅降低油耗，有數(shù)據(jù)表明，民用飛機(jī)減重1kg能夠節(jié)省約3000美元的燃料，并且飛行器的飛行速度加快，它對(duì)于制造材料的強(qiáng)度和抗變形能力有著極高要求，飛行器用的制造材料一直朝著輕量化和高強(qiáng)度的方向發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)量、高強(qiáng)度等特點(diǎn)，作為配件制造材料能夠比相同體積的鋁合金結(jié)構(gòu)減輕30%的重量，因而受到航空制造業(yè)的青睞。

　　表2 碳纖維復(fù)合材料和其航空結(jié)構(gòu)材料性能對(duì)比

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　　在航空制造領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料早已成為了不可或缺的制造材料，且在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料占比越來(lái)越高，目前碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的應(yīng)用部位和用量已經(jīng)成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo)。20世紀(jì)60年代，美國(guó)首次將碳纖維復(fù)合材料用于制造飛機(jī)的一些承力小或者非承力部件，80年代開始發(fā)展使用碳纖維復(fù)合材料制造軍用飛機(jī)的一些次承力部件。隨著技術(shù)進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料在軍機(jī)制造的用量不斷增加，而且已經(jīng)應(yīng)用在機(jī)翼、機(jī)身等主承力結(jié)構(gòu)，見表3。

　　表3 碳纖維復(fù)合材料在軍用飛機(jī)制造的應(yīng)用情況

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　　在民用飛機(jī)領(lǐng)域，具有代表性的波音787最新型大型民用客機(jī)的碳纖維復(fù)合材料用量比例達(dá)50%，空客A350的碳纖維復(fù)合材料占比達(dá)到52%。其他飛機(jī)制造方面，2015年開啟全球飛行之旅的“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”太陽(yáng)能飛機(jī)，碳纖維復(fù)合材料占比已高達(dá)80%。

　　飛機(jī)需求拉動(dòng)，碳纖維的市場(chǎng)前景廣闊

　　2011年以來(lái)，全球航空航天領(lǐng)域?qū)τ谔祭w維的需求量不斷增長(zhǎng)(見圖3)，2017年全球航空航天碳纖維需求量為1.92萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)9.1%。

圖3 2011-2017年全球航空航天碳纖維需求量

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　　飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中碳纖維復(fù)合材料的占比不斷增加以及飛機(jī)訂單的增長(zhǎng)都不斷拉動(dòng)碳纖維的需求增長(zhǎng)。民用飛機(jī)對(duì)安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)型的要求高于軍機(jī)，因此在碳纖維應(yīng)用上更加保守和延后，當(dāng)前民用飛機(jī)的需求是碳纖維市場(chǎng)的一大增量，2016年航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量為1.76萬(wàn)噸 ，其中商用飛機(jī)占比為70.5%（見圖4），是目前航空領(lǐng)域碳纖維最大的應(yīng)用市場(chǎng)。

　　圖4 2016年碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用占比

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　　根據(jù)波音預(yù)測(cè)，2014-2033年全球?qū)⑿略?6770架客機(jī)， 2013-2020年間全球?qū)γ裼每蜋C(jī)的需求量的年復(fù)合增長(zhǎng)率為3.57%。在民用客機(jī)的需求拉動(dòng)下，航天航空用碳纖維將保持穩(wěn)定的增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2023年，全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量有望超過3萬(wàn)噸，碳纖維航空復(fù)合材料的市場(chǎng)前景十分廣闊。

　　結(jié)語(yǔ)

　　碳纖維下游產(chǎn)品眾多，增值幅度大，其中航空復(fù)合材料附加值最高;碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，成為航空領(lǐng)域不可或缺的制造材料，民用飛機(jī)的需求拉動(dòng)碳纖維產(chǎn)量保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，碳纖維航空復(fù)合材料市場(chǎng)前景廣闊。