摘要：碳纖維技術能夠極大提升航空設備的性能，本文介紹碳纖維複合材料的產業價值及其在航空製造中的應用，以及航空航天領域對碳纖維的市場需求，分析了碳纖維航空複合材料的發展前景。
碳纖維是由有機纖維在高溫環境裂解碳化形成碳主鏈結構，含碳量在90%以上的無機纖維，其外形柔軟，質量輕於鋁，強度大於鋼鐵，耐高溫性能居化纖之首，還具有耐摩擦性能。碳纖維根據原絲、力學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表示一個絲束含1000根碳纖維
碳纖維是一種增強型纖維材料，通常不單獨使用，而是製成碳纖維複合材料(CFRP)，完整的碳纖維產業鏈包含從一次能源到終端應用的完整製造過程，可以簡單劃分為原絲生產、氧化碳化、中間材料和複合材料四個環節（見圖1）。
圖1 碳纖維全產業鏈示意圖
碳纖維下游產品增值幅度大 ，其中航空複合材料增值最多
碳纖維90%的性能取決於原絲，原絲品質差(表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結等)，很難在後續工序中消除，從而遺傳給碳纖維，導致產品性能較差，PAN原絲作為目前全球碳纖維的主要原料，是生產高品質碳纖維的技術關鍵。原絲也是碳纖維成本的主要組成部分，理論上消耗2kg的PAN原絲能生產出1kg的碳纖維，原絲佔PAN基碳纖維成本的51%左右。
碳纖維複合材料的生產流程複雜，技術難度大，越到下游附加值越高。碳纖維目前主要應用領域包括體育休閒、汽車、風電葉片、航空航天等領域，其中應用於航空領域的碳纖維複合材料的附加值最大，從40元一公斤的原絲到8000元一公斤的航空複合材料(見圖2)，價值增長至原絲的200倍，對於碳纖維生產企業來說，積極開發應用於航空領域的碳纖維複合材料，能夠大幅提高企業的盈利能力。
圖2 碳纖維產業鏈的不同階段產品價格
飛行器製造的輕量化設計已成趨勢，碳纖維複合材料不可或缺
飛行器製造材料的輕量化設計能夠大幅降低油耗，有數據表明，民用飛機減重1kg能夠節省約3000美元的燃料，並且飛行器的飛行速度加快，它對於製造材料的強度和抗變形能力有著極高要求，飛行器用的製造材料一直朝著輕量化和高強度的方向發展。碳纖維複合材料具有輕質量、高強度等特點，作為配件製造材料能夠比相同體積的鋁合金結構減輕30%的重量，因而受到航空製造業的青睞。
表2 碳纖維複合材料和其航空結構材料性能對比
在航空製造領域，碳纖維複合材料早已成為了不可或缺的製造材料，且在飛機結構材料佔比越來越高，目前碳纖維複合材料在飛機上的應用部位和用量已經成為衡量飛機結構先進性的重要指標。20世紀60年代，美國首次將碳纖維複合材料用於製造飛機的一些承力小或者非承力部件，80年代開始發展使用碳纖維複合材料製造軍用飛機的一些次承力部件。隨著技術進步，碳纖維複合材料在軍機制造的用量不斷增加，而且已經應用在機翼、機身等主承力結構，見表3。
表3 碳纖維複合材料在軍用飛機制造的應用情況
在民用飛機領域，具有代表性的波音787最新型大型民用客機的碳纖維複合材料用量比例達50%，空客A350的碳纖維複合材料佔比達到52%。其他飛機制造方面，2015年開啟全球飛行之旅的“陽光動力2號”太陽能飛機，碳纖維複合材料佔比已高達80%。
飛機需求拉動，碳纖維的市場前景廣闊
2011年以來，全球航空航天領域對於碳纖維的需求量不斷增長(見圖3)，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%。
圖3 2011-2017年全球航空航天碳纖維需求量
飛機結構材料中碳纖維複合材料的佔比不斷增加以及飛機訂單的增長都不斷拉動碳纖維的需求增長。民用飛機對安全性、可靠性、經濟型的要求高於軍機，因此在碳纖維應用上更加保守和延後，當前民用飛機的需求是碳纖維市場的一大增量，2016年航空航天領域對碳纖維的需求量為1.76萬噸 ，其中商用飛機佔比為70.5%（見圖4），是目前航空領域碳纖維最大的應用市場。
圖4 2016年碳纖維在航空航天領域的應用佔比
根據波音預測，2014-2033年全球將新增36770架客機， 2013-2020年間全球對民用客機的需求量的年複合增長率為3.57%。在民用客機的需求拉動下，航天航空用碳纖維將保持穩定的增長，預計到2023年，全球航空航天領域對碳纖維的需求量有望超過3萬噸，碳纖維航空複合材料的市場前景十分廣闊。
結語
碳纖維下游產品眾多，增值幅度大，其中航空複合材料附加值最高;碳纖維複合材料因其輕質高強的特點，成為航空領域不可或缺的製造材料，民用飛機的需求拉動碳纖維產量保持增長趨勢，碳纖維航空複合材料市場前景廣闊。
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