碳纖維各領域應用廣泛

碳纖維是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略物資，廣泛應用于風電葉片、航空航天、體育用品、汽車工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補強、電子電器等領域。2017年，風電葉片依然是碳纖維第一大應用領域，其消費占碳纖維總需求量的23.5%；航空航天是除風電葉片外的碳纖維第二大應用領域，其消費量占碳纖維總量的22.8%；體育休閑、汽車工業(yè)、混配模成型、壓力容器、建筑補強的消費量分別占碳纖維總需求量的15.7%、11.6%、8.2%、6.7%、3.8%。

風電葉片需求持續(xù)回暖

隨著地底礦業(yè)能源的不斷減少和大氣污染情況的日益嚴重，清潔可持續(xù)能源的發(fā)展利用逐漸被國家重視其中對環(huán)境影響很小的風力發(fā)電項目備受矚目。風力發(fā)電中風機葉片是非常關鍵的一個部件，大型風電設備對于葉片的強度、重量、結(jié)構等有著嚴格的要求，傳統(tǒng)材料很難滿足要求，碳纖維這種性能優(yōu)秀的材料進入行業(yè)視線。碳纖維要比玻璃纖維剛度大三倍，制作出來的碳纖維制品要比玻璃鋼性能優(yōu)秀很多。另外在其重量優(yōu)勢也非常明顯，更輕的風葉能夠降低風力發(fā)電的成本，提升葉片的質(zhì)量和整套發(fā)電設備的總體性能。

全球風電葉片對碳纖維的需求在2013年急劇下滑，主要原因是2013年國際新增裝機容量的下降。2014年以來，全球風電葉片對碳纖維的需求持續(xù)回暖，2015年恢復了強勁增長，2017年對碳纖維的需求量達1.98萬噸，同比增長10.0%。

航空航天應用前景廣闊

碳纖維成為航空多部件的主要材料，廣泛應用于機身、發(fā)動機、渦輪等部位。在航天領域上，碳纖維材料的應用更加廣泛，在導彈、火箭等發(fā)射筒以及發(fā)動機、防熱層中都出現(xiàn)碳纖維的身影。大大降低了航天器的質(zhì)量，提升了航天器的運輸能力。2011年以來，全球航空航天領域?qū)τ谔祭w維的需求量不斷增長；2017年，全球航空航天碳纖維需求量為1.92萬噸，同比增長9.1%；預計到2023年，全球航空航天領域?qū)μ祭w維的需求量有望超過3萬噸，航空航天碳纖維應用前景廣闊。

體育休閑需求實現(xiàn)增長

目前，體育領域是全球碳纖維的第三大消費領域，近年來全球體育領域每年消耗碳纖維都超過7千噸，自2014年到2017年之間，體育領域?qū)μ祭w維的需求平均每年保持24.6%的增長速度。碳纖維在體育休閑領域的應用主要集中于高爾夫球桿、釣魚竿竿、自行車、球拍、滑雪桿等體育用品。相對于傳統(tǒng)金屬材料用品，碳纖維材料可減重最高達50%以上。

汽車領域消費不斷增加

汽車領域隨著人們對汽車要求的越來越高，汽車的輕量化與安全化、發(fā)動機效率的高效化已經(jīng)成為當代汽車消費的主要參考因素之一，碳纖維材料則成為了理想的結(jié)構材料。目前碳纖維廣泛應用于汽車發(fā)動機的推桿、連桿、傳動軸等多部件中，另外在汽車加速器、底盤懸置件、車門等多部件也有很大應用。2017年全年，全球汽車行業(yè)對碳纖維材料的需求達到0.98萬噸。

以上數(shù)據(jù)及分析均來自于前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2018-2023年中國碳纖維行業(yè)深度調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》。

碳纖維不僅可以提高動力重量比和加強碰撞保護，還可以讓Polestar 1的底盤達到高性能汽車該有的堅固度。該車引擎蓋、后備箱、側(cè)擋板、門和整個車頂結(jié)構都將采用碳纖維嵌板，Polestar還進一步推出了“蜻蜓”結(jié)構，與四年前蘭博基尼Huracán結(jié)構類似。Polestar表示，蜻蜓形部件從根本上改善了車體結(jié)構關鍵點（即底板中間和前后架構之間）的抗扭剛度。眾所周知，車后部更堅固，操作更好。

總而言之，碳纖維可以減輕Polestar 1汽車500磅以上的重量。與鋼材相比，碳纖維在車頂設計上更具優(yōu)勢。得益于碳結(jié)構更薄更堅固的物理特性，Polestar可以利用玻璃面板延長車頂長度和寬度，從而獲得更低的車頂弧線，并且車內(nèi)的部件不再突出，這意味著乘客可以看到更廣闊的湛藍天空。

Polestar首席執(zhí)行官兼沃爾沃前設計主管Thomas Ingenlath說：“Polestar 1開起來跟看起來一樣好，請注意，它加上好的配置絕對值155,000美元?！?/p>

來源：余秋云 蓋世汽車

碳纖維布的特性

碳纖維布加固法能夠受到廣泛地認同，與其優(yōu)異的性能離不開關聯(lián)。從力學性能上看，碳纖維布的抗拉強度能夠達到普通鋼筋的8-10倍，而重量卻遠低于鋼筋，加固時對混凝土結(jié)構自重的增加基本可以忽略。同時碳纖維布的抗腐蝕性、耐久性要遠優(yōu)于混凝土結(jié)構，能夠有效提高結(jié)構耐腐蝕性與耐久性，避免出現(xiàn)傳統(tǒng)方法修復后，混凝土腐蝕、耐久性降低再次出現(xiàn)的情況。

在施工方面，碳纖維布加固同樣存在較大的優(yōu)勢。碳纖維布質(zhì)軟，能適用于不同的結(jié)構類型與形狀，加固后可以最大限度的保證構件的原有外觀不變。碳纖維布施工無需濕作業(yè)與大型施工機械，可在不影響工廠正常生產(chǎn)的情況下施工，避免長期停工引起經(jīng)濟損失。與傳統(tǒng)工藝相比碳纖維布加固法操作簡單，施工效率高工期短，且質(zhì)量容易保證，已成為較成熟的施工工藝。

碳纖維布的運用

碳纖維布加固法能夠針對不同構件，起到不同的加固作用。首先，碳纖維布較高的抗拉強度可由于受彎構件的加固中，例如梁、板，通過將碳纖維布粘貼至底部受拉區(qū)，可有效代替或補充鋼筋的受拉性能，提高受彎構件的承載力。另外在樓板開洞中，若洞口對板受力影響小時，還可在洞口周邊粘貼碳纖維布作為后加補償筋進行加固。

另一方面，碳纖維布也可起到類似箍筋的作用，對混凝土構件進行抗剪加固。抗剪加固可以通過粘貼碳纖維布U型箍對梁加固，也可通過粘貼與軸線方向垂直的碳纖維布環(huán)形箍對柱加固。在抗剪加固中需要注意不同構件的構造措施須滿足要求，同時梁與方型柱的棱角必須打磨成圓弧狀，防止出現(xiàn)應力集中影響碳纖維布受力性能。

碳纖維布還可通過環(huán)向圍束或沿軸線粘貼至受拉邊緣的方式分別對軸心受壓與大偏心受壓構件起到加固效果，當鋼筋混凝土延性不足需要抗震加固時，也可采用碳纖維布環(huán)向圍束的方式加固。而對小偏心受壓構件以及墻體來說，碳纖維布僅能承受拉應力而無法承受壓力，因此對二者的抗壓加固是起不到作用的。

需要注意的是，碳纖維布加固，是通過浸漬膠的粘接作用令碳纖維布與混凝土基材形成整體共同受力，以起到加固效果。也就是說，浸漬膠對最終加固效果有直觀的影響。不同種類的浸漬膠可能會影響到加固系統(tǒng)的使用年限，以及復雜環(huán)境下加固系統(tǒng)的耐久性。因此，涉及結(jié)構安全的加固中，碳纖維布與配套浸漬膠的選擇應當慎重。

但是隨著強度更高、重量更輕的碳纖維材料被發(fā)明出來，鋁合金的地位明顯降低，尤其是在超跑領域，碳纖維大有取代鋁合金之勢。

全新奧迪R8便是很好的例子，之前老款奧迪R8引以為傲的便是車架應用大量鋁合金材料，如今全新奧迪R8已經(jīng)將車架中大量應用碳纖維材料作為宣傳亮點。

除了在車架這些我們看不到的地方應用碳纖維外，車身外飾件、內(nèi)飾件也越來越多的使用碳纖維材質(zhì)。在一些超級跑車上，輪圈甚至都是由碳纖維打造而來。鋁合金材質(zhì)的地位正逐步被取代。

碳纖維復合材料特性

汽車車身的輕量化主要從車身結(jié)構設計和材料的選擇與替代兩個方面著手。在材料輕量化方面，目前仍以高強度鋼、鎂、鋁和塑料作為主要汽車材料組合，其中尤其以碳纖維最為出色，其優(yōu)越性幾乎可以完全替代鋼材料。其中以樹脂和金屬為基體的復合材料在車身上的應用較為成熟，具有應用于車身制造的諸多優(yōu)勢。

1. 具有較高的強度。碳纖維復合材料具有目前常用材料中最高的比模量和比強度，用其制成與高強度鋼具有同等強度和剛度的構件時，重量可減輕70%左右。
2. 具有良好的抗疲勞性。碳纖維復合材料的抗疲勞性能極佳。由于在疲勞載荷作用下的斷裂是材料內(nèi)部裂紋擴展的結(jié)果，碳纖維復合材料中碳纖維與基體間的界面能有效阻止疲勞裂紋擴展，而外加載荷由增強纖維承擔，因而疲勞強度極限比金屬材料和其他非金屬材料高很多。
3. 碰撞吸能性好。碳纖維復合材料是汽車金屬材料最理想的替代材料，在碰撞中對能量的吸收率是鋁和鋼的4～5倍，減輕車身質(zhì)量的同時還能保證不損失強度或剛度，保持防撞性能，極大地降低了輕量化帶來的汽車安全系數(shù)降低的風險。
4. 制造工藝性好。碳纖維復合材料的工藝性和可設計性好，通過調(diào)整CFRP材料的形狀、排布、含量，可滿足構件的強度、剛度等性能要求，能用模具制造的構件可一次成型，減少緊固件和接頭數(shù)目，可以大大提高材料利用率。

車身輕量化對續(xù)駛里程的影響

目前汽車車身重量的3/4是鋼材，輕量化空間很大。研究表明，碳纖維增強復合材料車身質(zhì)量僅172kg，而鋼制車身為367.9kg，碳纖維增強復合材料輕量化效果達53%以上。

由于純電動汽車受安裝的動力電池的容量限制，其一次充電后的續(xù)駛里程過短，成為影響純電動汽車推廣使用的一個重要因素。如果用碳纖維復合材料來制造車身，將車身減輕的質(zhì)量用于增加電池數(shù)量，在保持整車質(zhì)量不變的情況下，可以大大提高續(xù)駛里程。

應用碳纖維復合材料可以極大地實現(xiàn)電動汽車輕量化來平衡電池組的重量，增加純電動汽車的續(xù)駛里程。當然，蓄電池組的安裝需要合適的空間，在不減小乘用空間的基礎上，合理控制碳纖維復合材料輕量化程度，可增加蓄電池組容量，既保證一定的續(xù)駛里程，同時也避免過分CFRP化帶來的的高成本問題。

碳纖維復合材料車身大規(guī)模應用前景

制約碳纖維復合材料大范圍應用的主要因素包括性價比、供應商的結(jié)構和能力、汽車發(fā)展和產(chǎn)品環(huán)境等影響。同時它的生產(chǎn)和加工技術還不夠成熟，應用和研發(fā)成本較高，相關部門缺乏一定的長遠發(fā)展規(guī)劃等。

電動汽車，尤其是純電動汽車，對整車輕量化的迫切性比傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車更強烈。整車輕量化可以車身輕量化為突破口。迄今為止的研究表明，碳纖維復合材料是最理想的車身輕量化材料。將碳纖維車身用在純電動汽車上，可以在一定程度上抵消目前動力蓄電池比能量不夠的問題。

汽車行業(yè)碳纖維使用現(xiàn)狀

在包括汽車在內(nèi)的其他行業(yè)，近幾年對碳纖維需求量增長非常迅速，預計2020年將增長至每年14萬噸。碳纖維在機動車行業(yè)使用壽命為15年，在航空領域是20到25年，并且目前的飛機機身碳纖維占比為40%，所以在未來10年到20年，市場上會有大量的碳纖維材料需要去回收，中國2017年4月份出臺了《循環(huán)發(fā)展引領行動》，10月份推出《產(chǎn)業(yè)關鍵共性技術發(fā)展指南》，里面都提到碳纖維復合材料的回收再利用。

如今除了寶馬I3碳纖維復合材料占比達50%，大部分燃油車依然是使用鋼材或者合金車身，新能源車之前多采用全鋁車身和碳纖維車身，隨著動力的增強，為了削減成本也開始使用鋼鐵以及合金，比如特斯拉Model S采用全鋁車身，現(xiàn)在新款Model 3換成了鋼、鋁混合車身，寶馬I3將換成鋼、鋁、碳混合車身，國產(chǎn)新能源汽車更多是小型車，多采用低成本全鋁合金框架，整體汽車行業(yè)碳纖維使用率較低，難以實現(xiàn)極致的輕量化，碳纖維的回收勢在必行。

高效率回收仍面臨技術難關

首先熱固性的聚合物不能直接加熱重新塑型，并且而且回收材料往往摻雜污染物，如金屬以及塑料的碎屑，如果想要讓目前的回收技術走出實驗室，進行工業(yè)生產(chǎn)，就必須要解決成本問題，在2018車用材料（西青）國際論壇中來自諾丁漢大學的孟凡然教授帶來了他們的實驗成果。

目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機械法、化學法以及熱解法，機械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復合材料的回收，且化學法回收仍然局限于實驗室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復合材料回收技術。

目前的碳纖維回收工藝主要分為三種，機械法、化學法以及熱解法，機械回收方法并不適用于汽車用碳纖維復合材料的回收，且化學法回收仍然局限于實驗室階段，距離工業(yè)化生產(chǎn)還有較大差距，因此目前熱解法是目前唯一實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的碳纖維復合材料回收技術。

實驗所采用的是熱解法中流化床的回收工藝，首先將廢料裝填進流化床，流化床經(jīng)過500度以上的高溫，回收的聚合物通過氧化清除之后，剩下的就是碳纖維。碳纖維再經(jīng)過回收流程予以收集，剩下的廢氣可以進行循環(huán)，整個流程可以回收廢物當中的碳纖維，有效的分離污染物和碳纖維，包括其中的雜質(zhì)。并且利用廢氣的循環(huán)降低整個流程的耗能，實現(xiàn)了能量回流，擁有良好的市場前景。

不過回收的碳纖維和傳統(tǒng)材料是不一樣的，不能直接用于最終產(chǎn)品的制造，要用回收的碳纖維去進行中間的處理，包括纖維的分布、懸浮、熱干燥等過程，最后還需要將得到的碳纖維進行排列，利用旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)箍可以對纖維的方向進行校正和統(tǒng)一，最后得到經(jīng)過調(diào)整和排列的碳纖維材料，用來生成高強度的碳纖維復合材料。

從回收料分解到后面復合物生產(chǎn)以及機動車零部件生產(chǎn)，很多的變量都影響著回收的成本，包括輸送廢料的速度以及廢料的品質(zhì)，送料較快時能量消耗明顯減少。

同時，如果從全生命周期來看，再生碳纖生產(chǎn)的整車燃油經(jīng)濟性為20%到60%不等，回收的復合物可以降低溫室氣體排放，在進行排列之后能夠帶來更高的強度，再生碳纖維的性能相較傳統(tǒng)材料，依然有明顯的優(yōu)勢。

來源：第一電動網(wǎng)? 作者： 王寧

據(jù)報道在汽車工業(yè)中使用的碳纖維材料越來越多，這是驅(qū)動汽車市場發(fā)展的因素之一?，F(xiàn)在，汽車行業(yè)更傾向于使用節(jié)能、剛性和輕質(zhì)材料，以減少對環(huán)境的破壞，但加劇了原型設備制造商（OEM）和汽車制造商之間的競爭，這可能會使碳纖維、鋁和鎂在內(nèi)的許多先進材料更多的應用在汽車上。

不過，該報告還指出影響這個市場的一個挑戰(zhàn)，即碳纖維的高價格和昂貴的研發(fā)費用。樹脂和碳纖維等原材料價格的上漲增加了供應商的采購成本，使得碳纖維的平均價格高達每磅40美元至50美元。增加的采購成本有一小部分是由碳纖維供應商負擔，而主要份額則造成了客戶購買的高價，這可能是汽車市場未來的挑戰(zhàn)。

來源：中國粉末冶金商務網(wǎng)

據(jù)了解，輕質(zhì)高強的碳纖維復合材料在日常生活中具有廣泛的應用，尤其是在航空、航天、汽車以及運動器材等領域。然而，碳纖維復合材料在制備和使用時存在諸多缺點：合成碳纖維需要高溫（超過2500攝氏度）石墨化，成本較高；由于較弱的界面作用，碳纖維與聚合物基體之間容易發(fā)生分層；碳纖維復合材料的電學性能較低，不能滿足特殊應用需求。而新材料可在45攝氏度以下的室溫進行制備，強度與碳纖維復合材料相當，成本更加低廉，易實現(xiàn)商業(yè)規(guī)模化制備。此外，這種薄膜材料的拉伸斷裂強度是普通石墨烯薄膜的4.5倍，韌性是后者的7.9倍。

程群峰介紹，該研究通過原位拉曼表征，從分子尺度揭示了π—π共軛鍵和共價鍵有序界面交聯(lián)作用的強韌機制，為制備高性能石墨烯納米復合材料提供了重要理論指導。同時，這種小分子有序交聯(lián)的石墨烯復合薄膜還具有高導電性能、高電磁屏蔽性能，以及優(yōu)異的抗腐蝕性能和耐疲勞性能。

來源：《人民日報》 （2018年05月11日 01 版）