碳纤维复材行业分析：行业进入应用快速放量期

碳纤维复材行业分析：行业进入应用快速放量期

风能是,航拍有风能飞吗,风能产业 杂志　　碳纤维复合材料性能优异，是轻量化的关键材料之一。复合材料是由两种或 两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的 材料。复合材料中不同材料互为基体或增强体，在性能上互相取长补短，产生协 同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。碳纤维复合材料（也称碳纤维 增强复合材料，Carbon Fiber-reinforced Polymer，CFRP）是由碳纤维作为增强 材料的一种高性能复合材料，而在基体材料选择上，以树脂基、碳基使用最多。 据赛奥碳纤维统计，2021 年全球碳纤维复合材料中，树脂基+碳基市场份额超过 80%。碳纤维复合材料具有比强度高、比重小、比模量高、抗疲劳性能及耐腐蚀 性能优异等特点，兼具纺织纤维的柔软可加工性，是轻量化的关键材料，率先应 用于航空航天、风电、高端装备制造等领域。

　　风能是,航拍有风能飞吗,风能产业 杂志预浸料铺放是最成熟的碳纤维复合材料成型工艺，随着应用下游拓宽，缠绕 拉挤、预制体等工艺涌现。概括而言，复合材料成型即指将一维纤维固结成三维 形状的过程，是复合材料工业的发展基础和条件，由于碳纤维复合材料结构成型 与材料成型同时完成，所以碳纤维复合材料有时也直接指碳纤维复合材料部件/制 品。从 2021 年全球树脂基碳纤维复合材料需求的成型工艺来看，预浸料铺放、缠 绕与拉挤、混配模成型、预制体是当前最主流的工艺，按以上成型工艺生产的树 脂基碳纤维复合材料的重量占比分别为 28.8%、36.1%、12.3%、7.2%，合计达 84%，其中：预浸料铺放是最成熟的成型工艺，是航空航天复合材料首选的成型 工艺；缠绕拉挤随着碳纤维复材在风电与气瓶中应用的增长而跃升为占比第一的 工艺；预制体随着光伏热场碳碳复材的应用而成为主流工艺之一。

　　预浸料铺放：实用性最广、应用经验最成熟的材料形态及成型工艺。以预 浸料为材料、以自动铺放或手工铺贴为层合工艺、以热压罐为固结工艺 的航空航天复合材料工艺是基础，其核心优势是“高纤维含量”、“均匀 浸润”与“低孔隙率”。几乎所有应用均会首先采用此工艺，然后在应用 过程中再摸索特点，发现更高效简化工艺，如风电梁帽的开发历史，从预 浸料铺放过渡到厚重织物成型，再到拉挤板材。

　　缠绕拉挤：复合材料的经典成型工艺，主要优点是工艺简洁，主要缺点 是只能制作回转体及型材，不能制造型面复杂的结构。随着风电与气瓶 应用的增长，缠绕与拉挤工艺超越了预浸料铺放工艺，占比上升至第一。

　　预制体：近几年成为主要工艺之一，目前在碳碳复材中发展迅速，主要由光伏炉所需的热场碳碳复材的快速发展而推动的。

　　预浸料是多种成型工艺使用的重要中间材料，碳纤维产业链每一级的加工技 术含量高、附加值高。从碳纤维复合材料的制造流程来看，预浸料是热压罐、模 压、卷制、缠绕等多种工艺中极其重要的中间材料，它的制造方法主要是将连续 整齐平行的碳纤维牵引，通过与树脂基体充分浸润收卷成卷材，相应的碳纤维整 体产业链为“原丝-碳纤维-碳纤维织物-预浸料-复合材料”。据江苏恒神招股书， “同一品种原丝的售价约 40 元/kg，碳纤维约 180 元/kg，预浸料约 600 元/kg， 民用复合材料约在 1000 元以下/kg，汽车复合材料约 3000 元/kg，航空复合材料 约 8000 元/kg。”在碳纤维产业链中，不同阶段产品价格均有较大幅度增值，各 阶段的加工制造技术是关键。

　　碳纤维复合材料结构件的设计和制造环节具有最大的降本空间，是扩大下游 应用的核心环节。1996 年美国先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民 用运输机用的新材料》中提到“材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的 8%~10%，开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。”。 江苏恒神招股书中也指出，“通过对碳纤维复合材料的成本结果分析，最大的成 本空间是在复合材料结构件的设计和制造工艺上”。复合材料制造工艺的低成本 化，应用技术的低成本化，是碳纤维复合材料扩大应用不可或缺的重大环节。本 节将重点介绍碳纤维复材设计及制造环节的关键技术及壁垒。

　　碳纤维复合材料与常规金属材料最显著的不同在于它的力学性能可以通过设 计进行控制改变，因此，它在力学性能方面给设计人员提供了自由度。金属材料 结构设计人员可以直接使用材料部门提供的性能数据和传统的金属结构成型工艺 进行设计，设计、材料和工艺三方面的技术人员可以分别完成各自领域的开发。 而高性能碳纤维复合材料结构的研发必须由设计、材料、工艺三个领域的技术人 员组成紧密配合的团队，相互协作共同努力才能完成。

　　有限元模拟是一种重要的数值模拟方法，能够较好地模拟仿真材料在载荷或 载荷与环境联合作用下的变形、损伤与断裂过程，在碳纤维复合材料的设计及制 造过程中均有重要应用。在设计过程中，采用结构有限元分析的方法，可以对复 合材料制品进行力学分析计算，获得满足设计要求的结构。在加工制造过程中， 以往的复合材料生产工艺参数依靠“试凑法”，要获得有用数据，需要做大量试 验，从而导致大量的人力和物力浪费，增加了产品的成本。高效生产质量稳定的 复合材料结构件的关键技术在于选择合适的工艺参数，制定合理的工艺方案，而 数值模拟为优化工艺参数，深刻理解各种参数对成品质量的影响，提供了有效的 技术手段。总的来说，计算机模拟分析在碳纤维复合材料的设计及制造中，起到 了降低工艺成本、优化设计、缩短设计周期及保证产品质量服务的关键作用。

　　低成本的制造成型技术在部件连接、整体成型、连续化成型、高效率成型等 方面具有很高的技术壁垒。主要包括树脂传递模塑成型（RTM）、树脂膜融化成 型（RFI）、真空灌注成型（VARI）等液体成型技术、共固化液体成型（co-LCM） 技术、以热隔膜成型为代表的预成型技术等。举例来看，业内正积极探索的液体 成型技术，其免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片铺叠成预型件的过程，摆 脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环 境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。

　　碳纤维复材生产工艺线长，单条生产线 个以上，各类参数间 关联度极大，生产线 天以上产品质量才能稳定下来。工艺过程包 括温湿度、浓度、黏度、流量、压力、转速、风速、电流等几千个参数，需要高精 度的自动化监控和调节，其中一个环节出现问题，就会严重影响碳纤维复材产品 的性能和质量的稳定。产业化生产工艺不成熟是目前导致碳纤维复材产品质量不 稳定的主要原因。保障碳纤维复材长期连续、稳定、工业化生产的技术壁垒高。

　　2. 碳纤维复材：2021 年全球规模约 200 亿美元，我国约 占其中五成

　　2.1. 碳纤维&中间制品：2021 年全球规模 34 亿美元，我国约占其中四成

　　2021 年，全球碳纤维及中间制品市场规模约 34 亿美元，航空航天、风电叶片、体育休闲合计占下游的 66%。据赛奥碳纤维统计，2008-2021 年，全球碳纤 维及中间制品（预浸料+织物）需求总重量 CAGR 为 9.5%，2021 年达 11.8 万 吨，同比+10.4%。价值量方面，2021 年，全球碳纤维及中间制品市场规模为 34.0 亿美元，分下游来看，航空航天、风电叶片、体育休闲占比分别为 35%、16%、 15%，是最主要的三个应用领域。由于上世纪 70 年代出现的石油危机，碳纤维从 此前的军用航空航天结构向民用飞机渗透，在工业领域也因轻量化需求得到了推 广应用。根据市场规模与需求重量折算，全球碳纤维及中间制品的均价为 28.9 美 元/kg，分下游来看，航空航天领域均价最高，达到 72.0 美元/kg，体育休闲、压 力容器、汽车等领域均价相近，在 20-30 美元/kg 之间，风电叶片领域均价则相对 较低，约 16.8 美元/kg。在航空航天和工业领域两种不同需求的推动下，碳纤维 产生了两个不同的类型和发展方向，即以满足航空航天领域需求的高性能前提下 的低成本，和以满足工业领域需求的低成本下的高性能，应用领域广泛。

　　2021 年，我国碳纤维及中间制品市场规模约 14.7 亿美元，约占全球市场的 四成。2008-2021 年，我国碳纤维及中间制品需求总重量 CAGR 为 15.5%，2021 年达到 6.2 万吨。价值量方面，我们根据不同下游所需重量，以及各领域销售均 价，计算得到 2021 年市场规模为 14.7 亿美元（注：此处与奥赛碳纤维报告中直 接呈现的我国市场规模略有差异，为保持数据更好的一致性，我们使用了以上的 计算方式），占全球市场的 43%；分下游来看，体育休闲、风电叶片、碳碳复材、 航空航天分别占 33%、26%、10%、10%，合计约达八成，其中碳碳复材特别受 益于我国光伏产业的快速发展，在航空航天中的应用也有望随我国大飞机战略产 业的发展而更快提升。总体来看，一方面，我国内需市场大、工业门类众多，另一 方面，我国大飞机、新能源汽车等高端产业正蓬勃发展，我国碳纤维产业具有相当的降本潜力和广阔的应用前景。

　　2.2. 碳纤维复材：2021 年全球规模约 200 亿美元，我国约占其中五成

　　2021 年，全球碳纤维复材市场规模约 200 亿美元，不同下游复材均价梯度 较原材料均价梯度更大，体现了不同领域复材设计&制造附加值的差异。据赛奥碳 纤维统计，2021 年全球碳纤维复合材料中，树脂基+碳基市场份额超过 80%，而 且其在报告中简化了表述，统一称为树脂基碳纤维复合材料，统计了全球、我国 相应需求总重、市场规模、下游行业分布等数据。在 2.2 节中，我们以赛奥的统计 数据为唯一来源，重点梳理碳纤维复材市场空间，且若无特殊说明，以“碳纤维复 材”代指“以树脂基及碳基作为基体的碳纤维复合材料”。2021 年，全球碳纤维 复材需求总重为 18.2 万吨，市场规模约 200 亿美元，分下游来看，航空航天、体 育休闲、碳碳复材、风电叶片价值量占比分别为 46%、20%、14%、5%，销售均 价分别为 360、138、215、21 美元/kg，前三者分别是风电叶片销售均价的 17、 7、10 倍，可见复杂结构的设计及制造附加值更高。

　　2021 年我国碳纤维复材市场规模约 108 亿美元，约占全球五成。据赛奥碳纤 维，2021 年，我国碳纤维复材需求总重同比+28%为 9.7 万吨，市场规模约为 699 亿元，我们与全球市场统计单位保持统一，则折合约 108 亿美元，约占全球市场 五成。下游体育休闲、航空航天、碳碳复材（热场材料）、风电叶片价值量分别占 37%、31%、11%、8%。从均价来看，整体而言我国碳纤维复材与全球市场均价 相近，但航空航天领域产品均价约是全球该领域均价的 3 倍，或体现了国外在高 端领域对我国一定的价格策略和技术封锁。我们认为，碳纤维在民用航空中的应 用随我国大飞机产业逐渐崛起有望更快发展，且相关产品技术含量与附加值高， 壁垒深厚；风电叶片受益于我国新能源产业蓬勃发展正快速获得应用；而轨道交 通是我国优势产业之一，碳纤维复材有很好的轻量化作用，行业正积极探索相关 应用，未来有望起量。我们将在第三章重点分析碳纤维复材在以上行业的应用和 空间。

　　碳纤维预浸料作为一种最常使用的中间体材料，其性能稳定优异，已逐渐成为碳纤维复材的主要工艺之一。随着上游碳纤维和树脂生产工艺和性能的优化， 以及下游碳纤维复材的蓬勃发展，碳纤维预浸料行业的市场规模也在不断扩大， 由 2017 年的 18.04 亿元增长至 2021 年的 45.94 亿元，CAGR 为 26.33%，保持 了较高的市场增速。 虽然碳纤维复合材料在整体性能和应用上显示出很大优势，但高性能预浸料 缺乏对基础材料的研发，目前国内普遍使用的航空级预浸料仍主要依赖进口，鲜 少有自主知识产权的高性能预浸料系统，而对基础材料的研究是预浸料系统研究 的奠基石，其决定了对碳纤维复材制品的最终性能。如何保证碳纤维的品质和树 脂基体的高性能与功能化是预浸料基础材料研究的聚焦点。

　　而预浸料行业的另一关注点则是其性能验证，考察预浸料产品在工艺和制品 上的应用往往从指标验证开始，当预浸料产品性能达到使用要求后，再深层次地 对其可靠性进行验证。高端体育器材作为碳纤维预浸料验证的先锋，在指标验证 上发挥着重要作用。 目前，国内的多家企业立足于预浸料系统研发和产品验证。其中，晋飞科技 的产品主要涉及高端体育领域，中航复材主要集中供应给航空航天领域，光威复 材的预浸料业务主供风电领域，恒神股份的预浸料业务应用于航空航天、民用客 机以及新能源汽车领域。

　　中航复材：国内航空预浸料和航空部件制造的领头羊，碳纤维复材赛道上的 核心卡位企业。主要从事复合材料原材料（高性能树脂及预浸料、蜂窝及芯 材）、复合材料构件的研制、生产、销售和服务，是我国航空复合材料研发工程 化的核心力量。其预浸料种类繁多，主要涉及环氧、双马、聚酰亚胺等多种高性 能树脂，广泛应用于飞机主、次承力结构部件，如用于机翼和尾翼制造的 QY 9511 / QY 9611 / 5429 双马预浸料、用于航空发动机冷端结构的 BMP316 聚酰 亚胺预浸料等。截至 2021 年底，其包括碳纤维预浸料在内的航空工业复材预浸 料产品营收规模达到 35.53 亿元。

　　光威复材：风电用预浸料的龙头供应商。专业从事碳纤维、碳纤维织物、碳 纤维预浸料、碳纤维复合材料制品及碳纤维核心生产设备的研发、生产与销售的 高新技术企业，拥有碳纤维行业全产业链布局。光威复材的碳纤维预浸料产品主 要是提供给风电行业的风电用碳纤维预浸料，在 2021 年的业务收入中碳纤维预 浸料业务收入 3.59 亿元，相对光威复材的碳纤维及碳纤维织物产品，碳纤维预浸 料业务在光威的经营中占比较少。

　　晋飞科技：高端体育用预浸料供应商。晋飞科技业务涉及轨道交通、医疗器 械、工业装备、体育休闲等高壁垒、高粘性、高附加值领域。其自主研发高水平的 预浸料生产技术，可实现宽面密度范围（20gsm→600gsm）的预浸料加工，晋飞 科技生产的预浸料用途广泛，主要用于高端体育器材和轨道交通领域，其开发的 ST012 系列碳纤维预浸料主要应用于钓鱼竿、高尔夫球杆等高端体育休闲领域， 主要面向全球顶级体育器材制造商日本 SHIMANO、MIZUNO 等。而其自主开发 的 ST007 阻燃系列预浸料主要应用于轨道交通领域，其规格符合轨道交通 EN45545 阻燃标准。

　　江苏恒神：多系统、多领域预浸料供应商。预浸料产品主要应用于航空航天、 交通、新能源、建筑补强、工业等领域。航空航天领域方面，其开发的 EH918 高温中模预浸料已经完成自动化铺丝工艺验证，并完成后压力框复合材料部件交付。 针对风电、光伏、新能源汽车领域，江苏恒神提高了在新能源汽车复合材料领域 HF10J-24K 碳纤维和 EV101 系列预浸料材料的供应能力，持续保持该领域内材 料供应的领先优势；公司开发的 HF30F-12K（T700 级）碳纤维在 2021 年迅速实 现对国外同等产品的替代工作，在风电碳板、光伏坩埚材料、氢能材料等领域实 现应用。体育休闲市场方面，江苏恒神积极支持高端体育自行车制造商，开发的 EM123 系列预浸料为客户提供优质稳定的产品质量保证和供应。截至 2021 年底， 恒神股份的碳纤维预浸料营收规模为 3.90 亿元。

　　4.1. 民用航空：预计未来 20 年间，平均每年我国碳纤维复材市场规模约 130 亿元

　　碳纤维复合材料是大型整体化结构的理想材料，在飞机结构材料中的用量不 断提升。由于具有轻质量、高强度、抗疲劳、耐腐蚀、成型工艺性良好、成本低等 特点，碳纤维复合材料在航空装备上的大量应用可有效提高性能、减轻结构重量、 降低运营成本、增强市场竞争力，因此在飞机结构中的应用越来越多。从 20 世纪 80 年代开始，碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件，在早期的 A310、 B757 和 B767 上，碳纤维复合材料的占比1仅为 5%-6%；随着技术的不断进步， 碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在客机上，其质量占比也 开始逐步提升，到 A380 时，复合材料占比达到 23%；而 B787 和 A350 中，复合 材料的用量达到了 50%以上，有更多部件使用碳纤维，例如机头、尾翼、机翼蒙 皮等，使用量大大提升。在我国国产客机中，据中国商飞转载人民日报报导，C919 使用的复合材料占到飞机结构重量的 12%，与中俄合作研制的 280 座远程宽体客 机 CR929 复合材料使用比例有望超过 50%，其中复合材料主要就是碳纤维复合 材料，以下测算我国民航飞机使用的碳纤维复材市场规模。

　　据波音公司指出，在过去十年间，全球航空业的增长中大约 25%来自中国， 这一趋势将在未来 20 年内持续下去。波音公司预测，未来 20 年中国航空公司将 购买 6450 架单通道飞机和 1590 架宽体机。我们测算相应的碳纤维复材用量合计 3.6 万吨，平均每年 1788 吨，若按 2.2 中统计的我国航空航天领域碳纤维复材单 价 1077 美元/kg 算，每年市场规模约 19.3 亿美元，对应约 130 亿人民币市场规 模。

　　光威复材：主要从事高性能碳纤维及复合材料研发和生产，现已发展成为我 国民用及军用碳纤维行业的龙头企业。2021 年，公司碳纤维及织物、碳梁、预浸 料分别实现收入 12.8、8.1、3.6 亿元，占总营收的比例分别为 48.9%、31.0%、 13.8%。回顾其在航空航天领域的发展历程，光威复材自 2002 年开始研制碳纤维； 2005 年成为国内第一家实现碳纤维工程化企业，并开始了碳纤维的航空应用验证； 经过三年数万个样次大量试验验证，至 2008 年初步实现航空用碳纤维国产化目 标；2012 年公司开始研制 T800 级碳纤维；2015 年进一步开发了航空登机梯，向 高端碳纤维复合材料的发展。据公司招股书，其 GQ3522（T300 级）产品在航空、 航天等高端领域已应用十余年，为型号用国产碳纤维的主要供应商。目前，光威 复材正着力推动 T800 级系列碳纤维产业化，是其储备并验证多年、尚未正式批 产的下一代航空装备用主力材料。

　　4.2. 风电：2025 年全球风电领域碳纤维复材市场空间约 140 亿元规模

　　由于轻质和高强度的特点，碳纤维复合材料是目前满足风电叶片性能要求的 最佳选择之一。传统风电叶片广泛采用的玻璃纤维复合材料，其抗拉强度为 1000～2000MPa，密度在 2.5g/cm3左右，性能已经趋于极限。相对之下，碳纤维 复合材料抗拉强度高达 3000～5000MPa,密度仅有 1.6g/cm3。除了轻质和高强度 外，碳纤维复材还具有高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性。此 外，通过采用气动效率更高的薄翼型和增加叶片长度，能提高风能利用率和年发 电量，从而降低综合使用成本。尤其是近年来碳纤维行业采用大丝束碳纤维拉挤 梁片工艺以降低成本，大丝束碳纤维及其复合材料价格下降，使得碳纤维在风电 叶片领域用量急剧增加。

　　碳纤维复合材料较多应用在风电叶片的关键部位，如主梁帽、蒙皮表面、叶 片根部等。由于碳纤维价格比较高，考虑到叶片的制造成本，碳纤维只应用到叶 片的一些关键部位。其中，主梁帽是风电叶片主承力结构的重要组成，将碳纤维 应用于此可以最大限度的发挥其高刚性的特点，最大限度地减重而不过多地增加成本；蒙皮表面整体使用碳纤维，可以降低作用在内支撑梁上的受力和扭矩；碳 纤维应用于叶片根部时，不仅可以提高根部材料的断裂强度和承载强度，使施加 在螺栓上的动态载荷减少，还可以增加根部法兰处的螺栓数量，从而增加叶片和 轮毂连接处的静态强度和疲劳强度。目前 24K 及以上的碳纤维已经部分应用于叶 片梁帽、叶根、蒙皮全表面，未来碳纤维及其复合材料在风电叶片领域必将广泛 使用。

　　风电叶片呈大型化和轻量化趋势，加速体现了碳纤维复合材料巨大的替换优势。 叶片的扫风面积和叶片长度的平方成正比，发电功率随着叶片大型化会得到迅速加强。 同时，随着长叶片捕风能力的增强，可以减少同等规模下所需的机组数量，降低风电 项目的成本。目前玻璃纤维复合材料性能已经趋于极限，难以解决尺寸增大带来的刚 性不足的问题，而碳纤维可实现轻量化效果，同时保持了更加有益的刚性和强度。荷 兰戴尔弗理工大学研究表明，一个旋转直径为 120 米的风机的叶片，由于梁的质量超 过叶片总质量的一半，梁结构采用碳纤维，和采用全玻纤的相比，重量可减轻 40％左 右，刚度则是玻璃纤维复合材料叶片的 2 倍。在发展更大功率风电机组和更长转子叶 片时，为了既进一步减少叶片质量，又同时满足强度与刚度要求，采用性能更好的碳 纤维复合材料是未来风电叶片的必然趋势。

　　2025 年，全球风电行业碳纤维复材市场空间预计约 140 亿元规模。全球迫切 降低碳排放量前提下，风能将成为全球最大清洁能源之一。叠加风机叶片大型化、 轻量化的趋势，全球风电行业碳纤维市场空间仍将保持较快增长。目前碳纤维复 材在风电行业使用渗透率约在 25%，随着渗透率的逐步提升，叠加全球风电装机 量高速增长。到 2025 年，预计全球风电行业碳纤维复材市场空间预计将达 20.7 亿美元，对应约 140 亿人民币市场规模。

　　光威复材：国内军民融合碳纤维龙头企业发力风电碳梁领域。光威复材是国 内最早实施碳纤维国产化事业的民营企业，打破西方国家垄断及封锁，是我国航 空航天领域碳纤维主力供应商。目前，风电领域成为我国碳纤维领域需求的关键 力量，以碳梁为代表的新能源风电叶片应用场景成为公司深入民用领域的主要抓 手。为继续拓展碳梁业务，2019 年 7 月，光威复材与内蒙古包头相关政府、丹麦 维斯塔斯公司等签署协议，在包头建设“万吨级碳纤维产业化项目”。包头一期产 线 年建成投产，产品为低成本民用碳纤维，主要面向碳梁等 领域。

　　澳盛科技：成立于 2002 年，是一家专注碳纤维及其复合材料制品设计、研 发、生产、销售于一体的高新技术企业，致力于碳纤维的推广和应用，是碳纤维行 业的十大知名企业。澳盛科技成立之初，从事纺织化纤生产和销售，2006 年进行 产品转型升级，转向碳纤维复合材料行业。当前，澳盛科技的碳纤维复合材料在 运动休闲、建筑和桥梁加固、医疗器械、3C 电子、风机叶片等行业具有自身独特 优势，并在汽车、轨道交通、工业装备、新能源等领域进行前瞻性研究，业务涵盖 碳纤维编织、预浸、拉挤、缠绕、模压及其他异形件加工等领域。公司共建有 6 个 技术平台，并和中科院宁波所、苏州大学进行产学研合作。2020 年，澳盛科技成 为国内首个碳纤维用量超万吨的企业，在国际上排名前列。

　　4.3. 轨交：预计 2025 年中国轨交用碳纤维复材市场空间将超 37 亿元

　　铁路车辆近 200 年发展历史中，车体结构随材料发展不断迭代。铁路车辆发 展的近 200 年中，车体结构随材料的发展经历了木制车体结构、碳钢车体结构、 不锈钢车体结构、铝合金车体结构和新型轻量化复合材料车体结构等几个阶段1： （1）最早的铁路车辆采用木制车体，底架和车身均由木材制成。木制车体结 构安全性和稳定性都无法得到保障，但在轨道交通领域却持续了几乎 100 年。 （2）钢材质阶段经历了碳素钢、耐候钢到不锈钢的材料发展过程，主要因其 耐候性能的提高及工艺技术的不断成熟，能够实现车体质量更轻、可靠性更高和 寿命更长。 （3）随着铝合金大型中空挤压型材的开发及焊接技术的改进，组装和焊接件 的数量减少，用工量减少 40%，车体自重较钢制车体降低 30%。 （4）碳纤维复合材料具有比铝合金更高的比强度、更优异的耐腐蚀性和耐疲 劳性能，通过合理优化结构设计，减重效果可达 30%以上，可实现增速节能；通 过一体化成型工艺设计，可以减少零件连接，降低用工量，提高制造效率和工艺稳定性，提升安全可靠性。

　　碳纤维复合材料使用渗透率逐步提升，从非承载件向主承载件渗透。目前碳 纤维复合材料在轨道交通车辆应用的技术路径主要从非承载件如顶板、侧墙、座 椅、内饰灯到次承载件如设备舱、前端头罩、司机室外壳再到主承载件如转向架、 车体、车钩缓冲等。 （1）车头与司机室。湖南省复合材料工程术中心研发与制造的复合材料车头 端盖,已经成功应用于“蓝箭”动车组和“中华之星”高速列车。1 （2）中间车车体。中车青岛四方机车车辆股份有限公司 2018 年 9 月发布了 CETROVO 新一代碳纤维地铁车辆,其车体与司机室均使用碳纤维复合材料制成。 2 （3）转向架。英国 ELG 公司研制生产一种 CFRP 转向架构架，性能比 GFRP （玻璃纤维）更加优越。中车南京浦镇车辆有限公司 2016 年试制了 209P 转向架, 用 CFRP 实现了批量装车运行考核,目前已安全运营超过 100 万公里。3 （4）其他零部件。德国福伊特公司研制 CFRP 过渡车钩,结构极其紧凑,总质 量仅为钢铁过渡车钩的 50％；中车长春轨道客车股份有限公司使用碳纤维复合材 料做成车顶,性能可以和传统车顶基本保持一致,质量仅为传统车顶的 50％左右。 除此之外,碳纤维复合材料在车厢内饰件应用也非常广泛。主要的部位有车门、车 窗、座椅、集便箱、卧铺、行李架、空调风道等。在地铁车辆的轨线设施中，电缆 支架、疏散平台、DCI500V 供电轨的支座及防护构件、复合轨枕等部位均有碳纤 维复合材料的参与。

　　碳纤维复合材料可以满足轨道交通车辆的多重设计指标，具有高强度、高模 量、耐疲劳等特点。碳纤维复合材料具有高强度、高模量、耐疲劳性能好、低密 度、蠕变量小和耐腐蚀等多种综合性能，可以满足轨道交通车辆的对高力学强度、 减振降噪、碰撞吸能、耐疲劳、耐环境腐蚀等的要求1。 （1）比强度好，比模量高。碳纤维复合材料的比强度约为铝合金的 7.3 倍， 比模量约为铝合金的3.2倍，用碳纤维复合材料制作轨道车辆部件可在保证强度、 刚性的同时有效减轻车体重量，降低能耗。 （2）耐疲劳性能好。一般铝合金或钢材的疲劳强度约为静态强度的 50%，而 碳纤维复合材料则高达 90%，因此其可以应用在经常受交变载荷作用的轨道车辆， 从而大大提高部件的安全性和稳定性。 （3）耐腐蚀性能好。碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性，能很好地解决室 外湿热、盐雾等恶劣环境对金属等材料产生的腐蚀问题，从而延长车辆使用寿命， 降低维修成本。 （4）尺寸稳定性好。碳纤维复合材料的热膨胀系数几乎为 0，常温下是负值， 所以在正常的使用温度范围内尺寸相对比较稳定，不会因温度的急剧变化而产生 明显形变。

　　轨道车辆车体结构材料正在更迭，碳纤维复材有望成为下一代主导材料。传 统列车车身最初广泛采用普通碳素钢、耐候钢、不锈钢，到现在“复兴号”广泛应 用铝合金，车身质量重，能源消耗大，不利于列车的运转和提速。此外，金属易受 腐蚀，需要定期维护，增加了运营成本。据复材网报道，与采用钢、铝合金等传统 金属材料相比，新一代碳纤维地铁车辆的车体、司机室、设备舱分别减重 30%以 上，转向架构架减重 40%，整车减重 13%，而且强度高、刚性大、维护成本低； 车头罩加工时可以大面积成型为流线型外形，大大降低风阻。列车采用碳纤维复合材料车体能有效地减轻车体质量的同时，也提高了车体运行的平稳性和安全性， 减少运行过程中产生的噪声，从而强化了乘客的体验感和舒适感。

　　预计 2025 年中国轨交用碳纤维复合材料市场空间将超 37 亿元。相较于轨交 行业庞大的市场空间，碳纤维复材在车体结构的应用仍处在产业发展早期阶段。 庞大的存量市场叠加仍在持续成长的中国轨交行业，碳纤维复材在轨交行业的可 拓展空间广阔。 首先，我们根据国内城轨与动车数量，对应预测每年新增轨交数量，若碳纤 维复材使用率逐年提高，到 2025 年，以 30%的碳纤维复材使用率计算，每列动 车组应用 100 吨、每列城轨应用 70 吨碳纤维复材，假设 2025 年碳纤维复材在轨 交渗透率 10%，预计 2025 年中国轨交用碳纤维市场空间将超 37 亿元。

　　晋飞科技:中国顶尖碳纤维复材方案提供商，承担轨道交通批量应用重任。晋 飞科技承接了各类轨道交通碳纤维复合材料部件，形成了一体化成型制备技术， 实现了非承载、次承载到主承载部件国内设计、研发、生产应用。2021 年 1 月， 世界首条高温超导高速磁浮工程化样车及试验线在四川成都正式启用，该样车由 晋飞科技采用全碳复合材料轻量化车体、低阻力头型等新技术和新工艺制造，设 计时速 620 千米，有望创造陆地交通速度新纪录，为远期向时速 1000 千米以上 速度值的突破奠定基础。被中国复合材料工业协会评为“2021 年度复合材料行业 十大新闻”之首。

　　恒神股份：国内碳纤维全产业链龙头进军轨道交通行业，签订国内第一份车 体合同。公司同时具备湿法纺丝和干喷湿纺纺丝技术，且同时拥有原丝和碳丝的 生产能力，是国内产品种类最齐全的碳纤维企业之一。2016 年 5 月，公司与中车 长春轨道客车股份有限公司签订国内第一份研制碳纤维车体合同，标志着恒神股 份开始进军轨道交通行业。2018 年 1 月，公司与中车长客公司研制出主承载结构 均由碳纤维增强复合材料加工成型的轻轨车车体，较原金属车体减重 35%，并于 2018 年 8 月在武汉东湖线实现商业运营。

　　光威复材：国内碳纤维行业首家上市公司涉足轨道交通。公司成立于 1992 年， 是中国碳纤维行业第一家 A 股上市公司，国内第一家全面突破了 T300 级碳纤维 工程规模制备，并成为航空集团的定点供货单位。目前公司表示预浸料业务会向 轨道交通等领域发展。

　　中国石化:中国最大的一体化能源化工公司之一，自主研发碳纤维助力轨道交 通。2022 年 2 月，上海石化自主研发生产的碳纤维近日成功应用于广州地铁 18 号线“湾区蓝”高速列车。运行数据显示，使用碳纤维复合材料的列车车头罩，性 能完全符合运行条件，与同等模块的铝合金材料相比，可减轻重量达 35%-40%， 有效助力列车减重提速。

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