新能源產(chǎn)業(yè)作為新時(shí)代的朝陽行業(yè)，是當(dāng)下最為火熱的領(lǐng)域之一，能在很大程度上解決未來國(guó)家的能源問題，其發(fā)展?jié)摿o比巨大。

與此同時(shí)，近年來，復(fù)合材料在世界各國(guó)的發(fā)展進(jìn)程中起到非常重要的作用，不僅在軍用領(lǐng)域中具有不可替代的地位，而且在民用領(lǐng)域中也有著廣泛的應(yīng)用。以碳纖維復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料在風(fēng)能發(fā)電葉片、石油開采和壓縮天然氣儲(chǔ)存等新能源領(lǐng)域中有著重大作用。為響應(yīng)全球的“低碳環(huán)?！被顒?dòng)，碳纖維復(fù)合材料在新能源領(lǐng)域的應(yīng)用更是值得大力推廣。

風(fēng)光氫驅(qū)動(dòng)需求，復(fù)合材料大有可為

01復(fù)合材料行業(yè)概況

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。

圖1?復(fù)合材料的構(gòu)成

隨著新能源汽車、高端制造、軍工等行業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)制造業(yè)越來越注重輕量化、可塑性強(qiáng)的復(fù)合材料。且隨著我國(guó)“2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和”目標(biāo)的提出，傳統(tǒng)鋁制品和鋼制品等材料的污染性受到大家重視，因此，復(fù)合材料的發(fā)展優(yōu)先級(jí)越來越靠前。多種多樣的復(fù)合材料仍在研發(fā)過程中，作為一類潛力巨大的學(xué)科，在“十四五”期間將加速發(fā)展。

1.?復(fù)合材料國(guó)家政策

復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)是國(guó)家鼓勵(lì)的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，自2000年至今，國(guó)家密集出臺(tái)多項(xiàng)產(chǎn)業(yè)政策支持復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。發(fā)改委、科技部、工信部等部門均加大了支持力度。

2010年發(fā)布的《關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》中，正式明確了我國(guó)七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，其中復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)涉及節(jié)能環(huán)保、新能源、新材料等領(lǐng)域；
2012年發(fā)布的《“十二五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，明確提出了高性能復(fù)合材料的戰(zhàn)略地位；
2017年科技部發(fā)布了《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》，明確了要突破復(fù)合材料制備及應(yīng)用的關(guān)鍵共性技術(shù)，提升先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的保障能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
2021年中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布的《化工新材料行業(yè)“十四五”發(fā)展指南》，明確重點(diǎn)發(fā)展氟硅材料、特種橡膠及彈性體、高性能纖維及復(fù)合材料、功能性膜材料和電子化學(xué)品。
2022年，工信部、科學(xué)技術(shù)部、自然資源部聯(lián)合發(fā)布《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確：“提升先進(jìn)制造基礎(chǔ)零部件用鋼、高強(qiáng)鋁合金、稀有稀貴金屬材料、特種工程塑料、高性能膜材料、纖維新材料、復(fù)合材料等綜合競(jìng)爭(zhēng)力?！?/p>

02先進(jìn)復(fù)合材料行業(yè)市場(chǎng)格局

復(fù)合材料行業(yè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步以基礎(chǔ)材料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化裝備技術(shù)為主。盡管中國(guó)的玻璃纖維產(chǎn)業(yè)已經(jīng)處于全球領(lǐng)先的地位，并且不斷地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)。但以碳纖維復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)仍落后于國(guó)際先進(jìn)水平。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與市場(chǎng)的不斷開放，復(fù)合材料行業(yè)的上中下游產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，以復(fù)合材料為主營(yíng)業(yè)務(wù)的民營(yíng)上市公司不斷涌出，并呈現(xiàn)民營(yíng)企業(yè)取代國(guó)有企業(yè)成為行業(yè)發(fā)展中堅(jiān)力量的趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，截至2022年4月底，A、B股共有278家開展新材料業(yè)務(wù)的上市公司，私營(yíng)企業(yè)的市場(chǎng)份額占據(jù)絕對(duì)領(lǐng)先地位。目前，國(guó)內(nèi)復(fù)合材料的主要行業(yè)產(chǎn)能集中在長(zhǎng)三角地區(qū)，積聚效應(yīng)明顯，行業(yè)產(chǎn)能和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正在被逐步優(yōu)化，中國(guó)的復(fù)合材料的上中下游產(chǎn)業(yè)鏈逐漸趨于完善。

在碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，日本的發(fā)展處于亞太區(qū)域內(nèi)最領(lǐng)先的地位，研發(fā)型的單位主要有日本國(guó)立材料研究所、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)及機(jī)械技術(shù)研究所，生產(chǎn)型的廠商主要為東麗、帝人與三菱麗陽，并且這三家廠商占據(jù)了全世界大部分碳纖維及其復(fù)合材料市場(chǎng)份額，所生產(chǎn)的碳纖維在品種、工藝、產(chǎn)量及質(zhì)量上都屬全球領(lǐng)先，其中高模量高強(qiáng)度碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中占據(jù)壟斷地位。

在碳纖維復(fù)合材料進(jìn)入民航飛機(jī)領(lǐng)域之后，東麗與帝人先后與波音、空客兩大飛機(jī)制造公司達(dá)成合作。此外國(guó)際重要的碳纖維廠商還有美國(guó)的Cytec、Hexcel，德國(guó)的SGL，土耳其的AKSA等企業(yè)，呈美、日企業(yè)壟斷的狀態(tài)。特別是當(dāng)前全球小絲束碳纖維行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)和定價(jià)權(quán)牢牢掌握在美國(guó)、日本企業(yè)手中，并且因其用途的敏感性，國(guó)外在小絲束碳纖維出口方面實(shí)施嚴(yán)格管制。

“雙碳”背景下，風(fēng)電、儲(chǔ)氫瓶及光伏高速發(fā)展驅(qū)動(dòng)碳纖維需求高增。從需求結(jié)構(gòu)來看，我國(guó)碳纖維下游需求主要來源于風(fēng)電葉片、體育休閑及汽車工業(yè)。從需求增速來看，碳碳復(fù)材、風(fēng)電葉片及壓力容器這三個(gè)領(lǐng)域的需求增速排在前列?！疤贾泻汀表攲釉O(shè)計(jì)政策落地，清潔能源發(fā)展力度加碼，風(fēng)電、氫能、光伏均迎來發(fā)展機(jī)遇，將是我國(guó)碳纖維需求高速成長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。

03先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展

1. 光伏產(chǎn)業(yè)——復(fù)合材料為光伏設(shè)備帶來新的曙光

光伏作為新能源發(fā)電的最佳選擇之一，是未來最具確定性的產(chǎn)業(yè)賽道。碳纖維在光伏中應(yīng)用在這幾年異軍突起，這得益于光伏領(lǐng)域?qū)Υ蟪叽鐭釄?chǎng)的要求。傳統(tǒng)的石墨材料無法滿足大尺寸坩堝的強(qiáng)度要求，碳碳復(fù)合材料成了主流。

碳-碳復(fù)合材料是碳纖維及其織物增強(qiáng)的碳基體復(fù)合材料。具有低密度(<2.0g/cm3)、高強(qiáng)度、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，是如今在1650℃以上應(yīng)用的少數(shù)備選材料，最高理論溫度更高達(dá)2600℃，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料之一。

光伏產(chǎn)業(yè)中所使用的碳-碳復(fù)合材料主要是用于制造坩堝，作為熔煉多晶硅或單晶硅的器皿，在氫化爐熱場(chǎng)、直拉單晶熱場(chǎng)、多晶鑄錠爐熱場(chǎng)、太陽能電池鍍膜等工藝作為關(guān)鍵設(shè)備。以往此類坩堝主要利用高純石墨制造，但高純石墨為國(guó)外控制，而且隨著拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐生產(chǎn)設(shè)備的大型化，石墨材料難以滿足。碳碳復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性和良好的熱物理性能,和石墨熱場(chǎng)材料相比，具有非常大的優(yōu)勢(shì)。

圖4?光伏產(chǎn)業(yè)中使用的碳碳復(fù)合材料坩堝

在光伏行業(yè)及半導(dǎo)體行業(yè)，由于技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品的快速迭代，硅片向高純度、大尺寸發(fā)展是其基本的趨勢(shì)，因此，高溫?zé)釄?chǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中，碳-碳復(fù)合材料產(chǎn)品向高純度、大尺寸的方向發(fā)展也是必然的趨勢(shì)。

根據(jù)《2020全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，預(yù)計(jì)2025年碳-碳復(fù)材碳纖維需求量將達(dá)到1.86萬噸，2021-2025年復(fù)合年增長(zhǎng)率CAGR為30％。

碳纖維輥可以用于光伏膜的生產(chǎn)、分切中。傳統(tǒng)的金屬輥筒，自身重量大，機(jī)器啟動(dòng)速度慢，慣性大，不僅耗能多、原料損耗大，對(duì)生產(chǎn)效率也產(chǎn)生一定的影響。而碳纖維輥具備輕量化、不易磨損、壓力均勻、易調(diào)節(jié)、高精度等優(yōu)點(diǎn)。

圖5?光伏行業(yè)中的碳纖維刮膠片和用于光伏膜生產(chǎn)的碳纖維輥

2. 風(fēng)電產(chǎn)業(yè)——復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的中流砥柱

作為復(fù)合材料重要的終端市場(chǎng)，風(fēng)電是當(dāng)前碳纖維最大下游需求來源。風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展直接影響復(fù)合材料行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模，進(jìn)而影響企業(yè)收入規(guī)模。

在全球能源結(jié)構(gòu)向低碳化轉(zhuǎn)變、能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化的背景下，可再生能源需求持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)具備確定性。風(fēng)能憑借其資源總量豐富、環(huán)保、運(yùn)行管理自動(dòng)化程度高、度電成本持續(xù)降低等突出的資源稟賦優(yōu)勢(shì)與良好的發(fā)展趨勢(shì)，目前已成為開發(fā)和應(yīng)用最為廣泛的可再生能源之一，是全球可再生能源開發(fā)與利用的重要構(gòu)成，其發(fā)展正逐漸從補(bǔ)充性能源向替代性能源持續(xù)轉(zhuǎn)變，其應(yīng)用是推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能源低碳化的重要驅(qū)動(dòng)力，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”目標(biāo)的主要實(shí)現(xiàn)路徑之一。

風(fēng)電葉片主要由樹脂基體（36%）、增強(qiáng)材料（28%）、芯材（12%）、粘接劑（11%）等組成，樹脂基體主要提供葉片的韌性與耐久度，增強(qiáng)纖維材料則主要提供葉片結(jié)構(gòu)的剛度與強(qiáng)度。增強(qiáng)纖維材料包括玻璃纖維和碳纖維等，近些年，碳纖維正逐步取代玻璃纖維，主要因?yàn)樘祭w維突破了玻璃纖維的性能上限，在風(fēng)電葉片大型化的同時(shí)，還能降低葉片的重量。復(fù)合材料在比強(qiáng)度、比模量上具有技術(shù)材料無可比擬的優(yōu)越性，因此成為目前大型風(fēng)力發(fā)電葉片的首選材料。復(fù)合材料在整個(gè)風(fēng)電葉片中的重量一般占到90%以上。其中承力結(jié)構(gòu)由玻璃纖維或碳纖維復(fù)合材料組成，賦予結(jié)構(gòu)較強(qiáng)的力學(xué)性能。復(fù)合材料葉片一般由根部、外殼和加強(qiáng)筋或梁三部分組成，與同級(jí)別高模玻纖主梁相比，采用碳纖維可實(shí)現(xiàn)減重20-30%。以122m長(zhǎng)葉片為例，葉片重量的減輕可以大幅降低因自重傳遞到主機(jī)上的載荷，進(jìn)而可以減少輪轂、機(jī)艙、塔架和樁基等結(jié)構(gòu)部件15%～20%的重量，有效降低風(fēng)機(jī)10%以上的整體成本。此外，風(fēng)機(jī)的輸出功率也更加平穩(wěn)均衡、運(yùn)行效率更高，由于碳纖維的抗疲勞性較高，因此還可以延長(zhǎng)葉片的生命周期，降低日常維護(hù)費(fèi)用等綜合成本。

圖7?風(fēng)電碳纖維主梁與葉片長(zhǎng)度的關(guān)系

2021年全球風(fēng)電碳纖維用量約為3.3萬噸，占全球碳纖維總需求比重28%。國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片領(lǐng)域碳纖維需求量為2.25萬噸，占國(guó)內(nèi)碳纖維需求總量的36.1%。

目前海上風(fēng)電的發(fā)展，需要更長(zhǎng)葉片、更大功率的風(fēng)機(jī)，對(duì)碳纖維的需求也就更高，而海上風(fēng)電的特殊性，使碳纖維在海上風(fēng)電中應(yīng)用的潛在機(jī)會(huì)更多。

我國(guó)風(fēng)電連續(xù)多年新增機(jī)居全球首位，全球第一風(fēng)電大國(guó)，也是全球最大的風(fēng)電零部件制造供應(yīng)鏈基地。超大型風(fēng)電光伏基地、海上風(fēng)電和低速風(fēng)電開發(fā)持續(xù)發(fā)展中，伴隨著這些發(fā)展方向，像整套風(fēng)電機(jī)組、海上升壓站、海底電纜、運(yùn)輸?shù)跹b設(shè)備和大型化的葉片、齒輪箱等也會(huì)跟著發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片正朝著大型化方向發(fā)展，最長(zhǎng)的風(fēng)輪葉片已達(dá)到61.5m，一般葉片自重12~18t，這對(duì)材料的比強(qiáng)度、比剛度和耐疲勞性提出了更高的要求。大部分的玻纖復(fù)合材料葉片已無法滿足葉片大型化、輕量化的要求，玻纖復(fù)合材料葉片在苛刻條件下的臨界長(zhǎng)度大約是60m。碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度約為玻纖復(fù)合材料的2倍，比模量約為玻纖復(fù)合材料的3倍，故采用碳纖維復(fù)合材料能夠增加葉片的臨界長(zhǎng)度，適應(yīng)了葉片大型化的要求。此外，碳纖維的密度是玻璃纖維的0.7倍，適應(yīng)了大型葉片輕量化的要求。使用碳纖維復(fù)合材料葉片代替玻纖復(fù)合材料葉片，成本可降低14%，另外，由于碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，故對(duì)碳纖維復(fù)合材料葉片進(jìn)行某些特殊的防護(hù)設(shè)計(jì)，可避免雷擊對(duì)葉片造成的破壞，從而可延長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料葉片的工作壽命。

從工藝上看，碳纖維復(fù)合材料主梁的成型工藝主要有碳纖維織物真空灌注、預(yù)浸料成型、拉擠工藝3種。其中前兩者在葉片中應(yīng)用較早，技術(shù)成熟，但隨著葉片大型化對(duì)重量要求提高，拉擠工藝逐漸成為主流。尤其是疊加Vestas拉擠碳板專利工藝于2022年7月到期，工藝將會(huì)迅速普及，雙重利好打開碳纖維需求成長(zhǎng)空間。

根據(jù)《2020全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，預(yù)計(jì)2025年全球風(fēng)電葉片碳纖維需求量達(dá)到9.3萬噸，2021-2025年復(fù)合年增長(zhǎng)率CAGR為25％。

3. 氫能源產(chǎn)業(yè)——儲(chǔ)氫瓶用碳纖維復(fù)合材料賽道：氫風(fēng)已來，大有可為

氫能自2019年以來，已經(jīng)成為業(yè)界的網(wǎng)紅產(chǎn)業(yè)，也是國(guó)家能源轉(zhuǎn)型和實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重大舉措，關(guān)系著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。目前國(guó)內(nèi)外氫燃料電池汽車主要以高壓氫氣瓶為主要儲(chǔ)氫方式，儲(chǔ)氫這條細(xì)分產(chǎn)業(yè)鏈當(dāng)中，從制氫，儲(chǔ)氫，運(yùn)氫，用氫，氫燃料電池及汽車等，其中有一個(gè)環(huán)節(jié)最為關(guān)鍵，它就是運(yùn)輸儲(chǔ)存過程中的載具容器，也是加氫站的儲(chǔ)存設(shè)備——儲(chǔ)氫瓶，它上連氫氣制造，中承氫氣存儲(chǔ)，下接氫氣應(yīng)用，是氫能產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵（如下圖所示）。

碳纖維技術(shù)在氫能源行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景，其中，碳纖維纏繞復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶被看作氫能儲(chǔ)運(yùn)的重要技術(shù)。碳纖維技術(shù)的提升，將助力氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

圖9 氫能產(chǎn)業(yè)鏈

IV型儲(chǔ)氫瓶性能優(yōu)異，預(yù)計(jì)未來將主導(dǎo)國(guó)內(nèi)車載儲(chǔ)氫市場(chǎng)。目前已商業(yè)化生產(chǎn)的儲(chǔ)氫瓶可分為四種，其中具備長(zhǎng)期發(fā)展?jié)摿Φ囊獙買II型（鋁內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶）和IV型瓶（塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶），兩者都適用于車載移動(dòng)儲(chǔ)氫等移動(dòng)場(chǎng)景，但I(xiàn)V型瓶在輕量化、儲(chǔ)氫密度、容積規(guī)格等方面性能更優(yōu)，預(yù)計(jì)后續(xù)將作為主流瓶型廣泛運(yùn)用。國(guó)外目前已開始商業(yè)化生產(chǎn)和使用70MPaIV型瓶，而我國(guó)現(xiàn)階段仍以35MPa III型瓶的應(yīng)用為主，但隨著技術(shù)進(jìn)步、疊加配套政策體系及基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，國(guó)內(nèi)也將逐步向70MPa IV型瓶過渡。

此外，氫能的發(fā)展可以解決風(fēng)電光伏的消納問題，如果解決了氫能的儲(chǔ)存問題，未來的能源消費(fèi)革命可能有氫能改寫，因?yàn)殡娏π枰娋W(wǎng)支持，而氫能只要一個(gè)小小的儲(chǔ)氫裝置，就可以帶走，無需上網(wǎng)，即插即用，未來可期。當(dāng)然，先進(jìn)復(fù)合材料在氫能的主要應(yīng)用就在于氫能的儲(chǔ)存容器中。碳纖維復(fù)合材料的復(fù)合氣瓶可以達(dá)到70MPa，單位儲(chǔ)氫的能量密度大幅增加，對(duì)于氫能的儲(chǔ)存技術(shù)發(fā)展將帶來顛覆性的突破。同時(shí)，氫能的發(fā)展將極大的帶動(dòng)碳纖維復(fù)合材料在氫能的應(yīng)用市場(chǎng)。

日美歐多國(guó)制定了氫能發(fā)展戰(zhàn)略，日本是氫能產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)先者，三菱、松下、豐田等具有全產(chǎn)業(yè)鏈布局的綜合優(yōu)勢(shì)。我國(guó)在氫能源領(lǐng)域還在起步階段，未來在氫燃料電池的突破和應(yīng)用將成為重點(diǎn)，特別在商用車領(lǐng)域，如重卡、客車。其次像氫能儲(chǔ)能、分布式發(fā)電、氫能船舶等場(chǎng)景也會(huì)發(fā)展和豐富起來。從產(chǎn)業(yè)鏈來看，制氫、儲(chǔ)運(yùn)、加氫和燃料電池以及下游應(yīng)用等企業(yè)較活躍。

我國(guó)各地方政府陸續(xù)出臺(tái)支持氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，氫燃料電池汽車是氫能產(chǎn)業(yè)下游最重要的示范應(yīng)用。隨著國(guó)內(nèi)IV型瓶技術(shù)的突破，將會(huì)被廣泛應(yīng)用于氫燃料電池汽車。在燃料電池汽車示范應(yīng)用政策的推動(dòng)下，我國(guó)氫燃料電池汽車保有量將會(huì)逐步增加，從而帶動(dòng)碳纖維需求的大幅提升。

據(jù)預(yù)測(cè)，IV型高壓儲(chǔ)氫瓶的增長(zhǎng)將十分巨大。例如，全球IV型高壓儲(chǔ)氫瓶的領(lǐng)軍企業(yè)挪威Hexagon復(fù)合材料公司，今年1月分拆出Hexagon Purus公司，專注于氫能、氫電池電力系統(tǒng)和存儲(chǔ)。據(jù)估計(jì)，從2025年到2030年，該公司儲(chǔ)氫瓶收入將增長(zhǎng)630%。然而，IV型高壓儲(chǔ)氫瓶也面臨著嚴(yán)重的問題。最值得注意的是，碳纖維成本居高不下令儲(chǔ)氫瓶非常昂貴。盡管氫氣提供的能量是等質(zhì)量汽油提供能量的3倍，但氫氣單位體積能量很低，這就需要大氣瓶來容納儲(chǔ)存足夠燃料所需的高壓。當(dāng)應(yīng)用于汽車等移動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，碳纖維IV型高壓儲(chǔ)氫瓶的重量較輕，推動(dòng)了其對(duì)金屬材料的替代。

根據(jù)《2020全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，預(yù)計(jì)2025年全球壓力容器碳纖維需求量將達(dá)到2.19萬噸，2021-2025年復(fù)合增長(zhǎng)率CAGR為20％。

雖然碳纖維是儲(chǔ)氫瓶制造的關(guān)鍵原材料，但是其成本和性能對(duì)儲(chǔ)氫瓶的成本和使用性能影響重大。根據(jù)美國(guó)能源局（DOE）的研究成果，碳纖維復(fù)合材料的成本占到儲(chǔ)氫瓶成本的60%以上。此外，儲(chǔ)氫瓶的制造成本還包括閥門、調(diào)節(jié)器、組裝檢查、氫氣等要素成本。

我國(guó)成為全球最大的碳纖維產(chǎn)能國(guó)。根據(jù)《2021全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，2021年全球碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能約為20.76萬噸，從區(qū)域角度來看，中國(guó)首次超過美國(guó)，成為全球最大產(chǎn)能國(guó)，運(yùn)行產(chǎn)能達(dá)6.34萬噸，占2021年全球碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能的30.5%；美國(guó)位居第二，運(yùn)行產(chǎn)能為4.87萬噸，占比為23.5%；日本位列第三，運(yùn)行產(chǎn)能為2.5萬噸，占比為12%。

從生產(chǎn)商角度來看，位居首位的依然日本東麗，我國(guó)位居第二。雖然我國(guó)運(yùn)行產(chǎn)能占比最大，但由于較多國(guó)產(chǎn)碳纖維企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破，核心設(shè)備也多是進(jìn)口且適配性不強(qiáng)，生產(chǎn)線運(yùn)行及產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，產(chǎn)能利用率不足50%，長(zhǎng)期存在高產(chǎn)能、低產(chǎn)量的現(xiàn)象，與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在相當(dāng)大的差距。2021年進(jìn)口量為3.3萬噸，超過國(guó)產(chǎn)數(shù)量，而國(guó)產(chǎn)碳纖維出口寥寥無幾，說明無論在性能、質(zhì)量水平及成本水平上，進(jìn)口碳纖維依然有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。所以我國(guó)碳纖維行業(yè)面臨的難題是：加強(qiáng)自主創(chuàng)新，突破技術(shù)瓶頸，形成與國(guó)際水平匹配的高性能碳纖維產(chǎn)業(yè)化。國(guó)產(chǎn)替代加速，未來空間巨大。

4. 新能源汽車行業(yè)—新能源汽車“王者之材”：碳纖維復(fù)合材料

汽車工業(yè)是復(fù)合材料應(yīng)用量最大的領(lǐng)域之一，同時(shí)汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)又直接影響復(fù)合材料的研究方向。2020年10月20日，我國(guó)印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，明確提出“實(shí)施新能源汽車基礎(chǔ)技術(shù)提升工程……開展高性能鋁鎂合金、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、低成本稀土永磁材料等關(guān)鍵材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用”。2021年7月30日，我國(guó)要求：“挖掘國(guó)內(nèi)市場(chǎng)潛力，支持新能源汽車加快發(fā)展”。

根據(jù)全球汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)來看，安全、低碳和環(huán)保的汽車已成為21世紀(jì)汽車發(fā)展的主流，而汽車輕量化則是解決這個(gè)問題的核心。由于碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕性和抗沖擊性強(qiáng)等特點(diǎn)，與鋼材、鋁材及其他金屬合金相比，其設(shè)計(jì)自由度更大、成型更加容易，因而碳纖維復(fù)合材料正日益成為汽車輕量化的首選材料。

1）復(fù)合材料用于汽車有以下5大優(yōu)點(diǎn)：

• 制件的比強(qiáng)度、比疲勞強(qiáng)度和比剛度高。

• 減輕汽車質(zhì)量,提高經(jīng)濟(jì)性。復(fù)合材料一般能減輕質(zhì)量35% ,從而有助于節(jié)約能源；

圖14 復(fù)合材料車身（左：BMW i3，右：馬自達(dá)2）

• 加工速度快，能在生產(chǎn)中節(jié)省成本。在初級(jí)階段，由于原材料成本和制造成本均很高，加之生產(chǎn)效率低、質(zhì)量穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，汽車復(fù)合材料并不被汽車工業(yè)所看好，因此一般只被用于小批量的、質(zhì)量要求不高的非結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品。隨著復(fù)合材料技術(shù)的不斷進(jìn)步以及生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，復(fù)合材料零部件的產(chǎn)量呈增長(zhǎng)之勢(shì)。

• 零部件一體化。結(jié)構(gòu)整體性好，可用模具。一次成型法來制造各種構(gòu)件，從而減少了零部件的數(shù)量及接頭等緊固件，可節(jié)省原材料、工時(shí)和模具費(fèi)用，降低制造成本，縮短開發(fā)周期。

• 可設(shè)計(jì)性強(qiáng)。復(fù)合材料是一種“可設(shè)計(jì)”的材料，即通過改變纖維或基體，可以在極大范圍內(nèi)設(shè)計(jì)材料的性能。但是，以往用復(fù)合材料制造汽車零部件的過程卻經(jīng)常使好的設(shè)計(jì)無法實(shí)現(xiàn)，或不能以合理的成本制造出來。例如，纖維在樹脂基體中得不到準(zhǔn)確排列或均勻分散，以及材料的局部力學(xué)性能和化學(xué)環(huán)境不能有效控制，造成制品的材料特性呈分散性大的缺點(diǎn)等，這些都是汽車工業(yè)所不能容忍的。

近年來，隨著一些相關(guān)的設(shè)計(jì)和開發(fā)軟件技術(shù)的進(jìn)步，汽車復(fù)合材料的設(shè)計(jì)和制造變得更具科學(xué)性。通過汽車復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件、仿真模擬軟件和有限元分析軟件等，對(duì)提高汽車復(fù)合材料產(chǎn)品的質(zhì)量、縮短成型周期以及降低生產(chǎn)成本等發(fā)揮了重要作用。目前，PAM-RTM成型工藝計(jì)算機(jī)模擬分析軟件己得到了廣泛應(yīng)用，它能夠?qū)TM生產(chǎn)過程中樹脂的流峰、溫度、壓力場(chǎng)以及固化過程進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，從而幫助獲得合理的注射方案并縮短生產(chǎn)周期。

輕量化材料作為新能源汽車材料中的關(guān)鍵材料，能夠有效提升汽車的整體性能，實(shí)現(xiàn)新能源汽車的技術(shù)突破。在新能源汽車的研發(fā)上，能量消耗是目前面臨的主要技術(shù)問題，通過車體重量降低、儲(chǔ)能容量擴(kuò)大等方式可以有效降低能耗，但是目前新能源車主要使用電池材料，該材料的能量?jī)?chǔ)存性較低、儲(chǔ)存時(shí)間短，技術(shù)上的難題在短時(shí)間無法突破。為此，輕量化材料的誕生，使得新能源車可以通過降低自身重量來實(shí)現(xiàn)性能的提升。這一材料的應(yīng)用不僅能夠節(jié)能減排，而且對(duì)于汽車的穩(wěn)定安全性也十分有利，同時(shí)目前可以利用的輕量材料類型較多。所以，從新能源汽車發(fā)展趨勢(shì)來看，輕量化復(fù)合材料是重點(diǎn)研究對(duì)象。

2）先進(jìn)復(fù)合材料是新能源汽車輕量化的必然選擇：

• 先進(jìn)復(fù)合材料與鋼車身經(jīng)濟(jì)規(guī)模選擇；

• 先進(jìn)復(fù)合材料投資成本、制造成本和維護(hù)成本最低；

• 先進(jìn)復(fù)合材料性能最佳，減重效果最好；

• 先進(jìn)復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性、可制造性和工藝多樣化是金屬材料所無法比擬的。

3）新能源汽車先進(jìn)復(fù)合材料輕量化前景光輝燦爛：

• 由于高燃油效率和低碳排放量的規(guī)定，全球汽車行業(yè)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料取代金屬的需求正在日益增長(zhǎng)；

• 碳纖維和先進(jìn)復(fù)合材料成本大幅下降已指日可待；

• 先進(jìn)的大批量汽車先進(jìn)復(fù)合材料零部件生產(chǎn)工藝技術(shù)和生產(chǎn)線裝備陸續(xù)開發(fā)成功并投入生產(chǎn)；

• “雙積分”政策和“雙?！睍r(shí)間表的制定將推動(dòng)我國(guó)新能源汽車的大發(fā)展，汽車先進(jìn)復(fù)合材料輕量化前景光輝燦爛。
  

5. 其他可再生能源行業(yè)—清潔、經(jīng)濟(jì)又高效

可再生能源行業(yè)也采用復(fù)合材料。例如，一種有前途的海洋能源技術(shù)是波浪能轉(zhuǎn)換器（wave energy converters，WEC），它可以利用海浪運(yùn)動(dòng)來發(fā)電。2021，瑞典CorPower Ocean公司建造了第一個(gè)全尺寸的纖維纏繞玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（GFRP）浮標(biāo)狀WEC的原型，該公司希望到2025年將其擴(kuò)大為工業(yè)規(guī)模的海洋能源農(nóng)場(chǎng)。截至2022年10月，該公司已成功對(duì)許多系統(tǒng)部件進(jìn)行了干態(tài)測(cè)試，并于2022年11月前將其第一個(gè)原型安裝在海上進(jìn)行水中測(cè)試。

美國(guó)ORPC公司就為偏遠(yuǎn)的阿拉斯加村莊建造并運(yùn)營(yíng)了潮汐電力系統(tǒng)。隨著技術(shù)進(jìn)步，愛爾蘭領(lǐng)先的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試公司éireComposites宣布，他們與ORPC公司聯(lián)合開發(fā)出了最先進(jìn)的船用流體動(dòng)力學(xué)渦輪機(jī)（MHK），這個(gè)渦輪機(jī)在潮汐電力系統(tǒng)方面非常有潛力。當(dāng)其在運(yùn)行時(shí)，這種創(chuàng)新的電力系統(tǒng)可以在降低的成本的同時(shí)并生產(chǎn)出清潔的能源，而且還能提高電力輸出的可靠性。值得一提的是，MHK渦輪機(jī)的葉片是采用了碳纖維復(fù)合材料（CFRP）制造，用它制成的渦輪機(jī)葉片，剛度高，重量輕。而且還能減少阻力，使其在強(qiáng)大的氣壓下正常運(yùn)作。據(jù)估計(jì)，潮汐流，洋流和河川流每年提供615MWh的可收獲能源，這直接影響了海洋可再生能源的發(fā)展，并使其替代化石燃料成為可能。來源：前沿材料

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