上映倒计时 碳纤维电缆芯 ：与中国电网一起走向全球

  大型纪录片《大国之材》聚焦我国奋斗在新材料行业一线专家、企业家、科学家乃至普通的材料人，以全新的视角讲述新时代“一代材料一代装备一代产业”的中国制造故事。该纪录片是由寻材问料®携手新材料在线®倾心打造的中国首部材料行业科教纪录片。通过记录材料界国之栋梁的人物故事及开拓精神，再现中国新材料行业从艰难起步到追赶世界领先水平，成就大国之材的背后艰辛历程。

  有数据显示，我国碳纤维公司数的全球占比是67%，是数量强国；我国碳纤维需求量的全球占比是27%，是需求大国；我国碳纤维产能的全球占比是17%，是产能小国；我国碳纤维产量的全球占比是7%，是产量弱国。

  相关资料显示，2017年中国大陆的碳纤维理论产能2.60万吨，实际供应仅7400多吨。

  “缺乏市场的牵引，用不起来，导致国产碳纤维产量表现较低。”国家碳纤维工程技术研究中心主任徐樑华对新材料在线®说。

  从下业分布来看，据前瞻产业研究院多个方面数据显示，2017年我国碳纤维市场需求主要来自于相对低端的体育休闲领域，2017年其消费量占到碳纤维总需求量的51.1%左右；风电叶片领域2017年消费量占比为13.0%；而航空航天领域消费量占比仅3.8% 。

  “就算是在汽车和风电行业，还是更愿意使用进口碳纤维。”江苏恒神股份有限公司高级顾问沈真对新材料在线®表示。

  “从碳纤维应用真正辐射的领域来看，国产和国外比较还是有差距的，人家用得多我们用得少。怎样扩大应用领域的问题也很重要。”中国工程院院士杜善义语重心长地说。

  国产碳纤维在哪些新兴应用领域有突破或逆袭机会？新材料在线®调研了十几位碳纤维复合材料及相关领域的专家的看法，他们详细分析了碳纤维在轨道交通、汽车、能承受压力的容器及其它小众应用等4大备受瞩目的新兴领域的应用机会和挑战。

  从行业本身而言，它也有这样的动力，高铁的动力是整个轨道行业的发展牵引，像现在近90条线万公里的高速铁路，在线的车三千多组，这个体量、规模占到世界的三分之二以上，现在作为未来铁路发展的引擎。

  在建设四纵四横的网络，向八纵八横发展的大战略下，这个行当是在发展和生机的，目前国内外的市场也都在发展。行业有活力就一定会带来新技术新材料的需求。

  高铁作业环境复杂，速度逐步的提升，在此环境下，面临安全性与服务要求提升的巨大挑战。

  传统的金属材料如铝合金发展到现在，其轻量化已经做到很高的水平，逼近极限。

  我们需要有综合型的优良材料突破金属材料的局限。碳纤维虽然现在面临很多的困境，我认为它还没有进入到成熟期、工业的成熟期。而一旦跨过这个鸿沟，它一定会很快地有一个爆发期。

  轨交给碳纤维带来的未来市场发展的潜力是可观的。中国高速动车3500组车碳纤维复合材料份额若占到30%，将产生50万吨需求，若推广至城轨车辆共约100万吨，即使只有10% 的应用，也有约30万吨。若能良性发展，预计共可形成每年3~5万吨市场规模。

  碳纤维复合材料在轨交应用首先要解决必要性和怎么用的问题，接下来评估成本效益是否能接受，如果以上问题都解决了，那需求量会很大，但这样的一个过程需要一段时间。

  市场经济下，有新的应用机会企业肯定感兴趣。目前恒神跟中车长春轨道客车做了全碳纤维复合材料车厢，常州的宏发纵横也跟唐山车辆做碳纤维轨交研究。

  碳纤维在轨交领域的应用，如果只做金属简单替代不可取，这样失去了复合材料的价值。发挥碳纤维及其复合材料最优性能才有使用价值跟经济效益。碳纤维各向异性，性能不综合，是单项冠军而非全能冠军，要发挥其单项冠军的长处，回避软肋。

  国产能满足航空航天，就能满足轨交，国产化没问题，对于碳纤维的品质和性能，需要下游用户来提出需求。

  如果碳纤维能在轨交领域获得大面积应用，轨交产生的用量会非常大，比目前风电行业还大。到时候拉动中国碳纤维产业的可能会是轨交，但取决于正向设计瓶颈能否突破。

  中国的碳纤维复合材料应用市场发展空间很大，目前处于一个瓶颈期，突破复合材料设计与制造技术，将直接影响市场空间的释放程度。

  现在碳纤维及其复合材料在轨交车体的应用，现在主要面临许多问题。比如国内这方面基础研究还是比较薄弱一点；又如大型的车企的制造设备，都是引进的，非常贵，比如自己还不能做固化的大型热压罐，很多的车体长达十几米长，如此体积的车体整体放进热压罐，要进口国外的设备来做。

  此外，标准体系的建立周期很长，所有的标准都要在摸索中不断地完善，一个标准体系完全建立最快也得十年时间。

  碳纤维及其复合材料在轨交的应用有一定的优势，比如它是以可设计性、成型工艺多样而著称，从主承载次承载或者类似件，能够最终靠各种工艺的选择来满足多种的结构或者功能性的要求，所以在成型工艺这一块的话，肯定是碳纤维复合材料的选择性更多样一些。

  碳纤维在轨交车体承重结构应用没问题，现在的问题是怎么样从一辆变成批量化的。需要全行业一起努力，从批量制造的能力、成本的降低、然后生命周期、价格的评估，这些的角度来做综合考虑。我个人看来碳纤维在轨交的应用比较乐观。

  成本问题分两个阶段，第一个阶段，在研发阶段必须将轨道交通碳纤维复合材料整个研制的流程进行低成本手段的评估和研究。

  第二个阶段，复合材料的最大的优点是在长期性能具备极其重大优势，利用这一优势评估怎么来降低轨交列车生命周期内的运行和维护成本。

  现在我们应该开展整个轨交生命周期的评估，包括从制造的价格到运行的价格到维护的价格，可以让我们大家都知道在复合材料使用之后的轻量化带来的运行和维护的成本降低效果。

  国内除了军用飞机，其他民用和汽车、风电、体育器材，大量用国外的碳纤维。比如风电叶片、民用飞机都是按国外碳纤维的标准来生产，国产的碳纤维性能肯定有区别。因此就需要应用端的设计来决定能不能用国产的碳纤维，我们的设计太弱，设计的知识产权都在国外的手里，如果我们不掌握设计权，应用的标准就被别人决定，而国产碳纤维性能要对标国外是很难的。

  轨交是国产碳纤维大批量应用的突破点。国外做碳纤维应用于轨交的比较少，国内比较有机会。

  碳纤维及其复合材料在轨交车体结构的批量生产要经历研发、低成本化和批量生产三个阶段，目前国内的研发很多，但如何低成本化做得不够，需要突破。

  目前来看，第一轮的研发问题都不大。现在把航空的做法移植到轨交上面，比如标准和准入、设计规范等体系，这样才可以保证在轨交的应用不可能会出现问题。航空在这一块比较有经验，轨交必须结合实际吸收这么多东西，一边做一边建立一套标准体系，逐渐完备它。

  据前瞻产业研究院数据统计，2016年全世界汽车用碳纤维需求量约为9000吨，预计到2020年全球需求将达到11000吨。

  事实上，除了轻量化外，碳纤维还有别的优势，比如大家关注的设计问题，碳纤维具有集成性高、设计自由度高、模具成本低、开发周期短的优势，便于车型的更新换代，这是一个有力的竞争点。

  然而好几年过去了进步甚少，制约碳纤维在汽车上大批量应用的关键是生产效率和系统成本！

  生产效率方面，采用热固性成型工艺的生产效率一般在5-10分钟，适合小批量产品，但要应用在乘用车上，生产的基本工艺还有待提升，热塑性成型碳纤维可能更适合。

  而在系统成本上，材料及传统生产的基本工艺居高不下，占零部件系统成本的50%以上，零部件单位系统成本至少是钢的6倍以上。

  理论上，整车减重降低50kg，能够更好的降低2度电，节省1200-1500元电池系统成本。在实施轻量化过程中，可以适当控制成本增加在20-30元/kg，也可实现整车系统成本平衡。

  在汽车产品上，碳纤维主要使用在于高端车型，多用于车身外覆盖件、车身骨架以及局部补强。碳纤维轻质高强的特性，对整车轻量化具有极大的优势。但碳纤维价格较高，因此受限只能用在高端车型上。

  目前，国内针对汽车产品的一级配套商资源较少。而且，针对国内汽车产品的碳纤维铺层设计，还处在起步阶段，多需借助欧洲方面的资源，进行CAE分析，包括汽车碳纤维制件的检测及合理的品质控制标准等。这些对于汽车行业来说，都是要解决的问题。

  的确，很多设计师在车型的前期设计阶段就不会考虑用碳纤维，一种原因是推广还不够，另一方面是成本、标准和配套体系不成熟等问题。我们前期也考虑过，后来放弃了。

  碳纤维应用在汽车上，有几个方向：一是结构增强，如宝马7系的Carbon Core车身构架；二是能够达到设计造型的自由度和漂亮的外观，营造出科技感；三是满足某些特殊功能或集成功能。

  话虽如此，但在驱动汽车对碳纤维的需求方面，碳纤维企业与主机厂彼此互不了解，类似鸡同鸭讲。

  对于车企，一定要把合适的选材用在合适项目上，用在合适位置上；设计师要懂得产品设计、了解碳纤维，比如要知道圆角半径过小，圆角区域有几率发生纤维拉断、架桥和树脂堆积等缺陷。对于碳纤维企业，碳纤维材料及产品的基础研发一定要踏踏实实，切忌急功近利。

  碳纤维的优势不用多说，减重效果很好，能达到50-75%，安全性也提高了很多。但我们接触很多客户，他们总问一个问题：这个材料和钢、铝比起来，便宜吗？如果要这样问的话，思路就歪了。

  如果为了便宜，这个材料不好推广，为什么你要用它，除了它本身材料的价格以外，以后随着我们努力可能会整个量产化成本会降下去，除了这一块以外，它的制造和我们的金属材料差距比较大，从车这一块，我很熟，四大工艺：冲压、焊接、油漆、组装，但是这样一种材料一体化成型的设计会简化一些工艺，从它的生产的综合生产来看，会有降低。

  我觉得还有一个很重要的，我们减重是为了节能，节能为了环保，环保以外还能降成本。我们和东风合作物流车，当时给它算了一笔帐，一辆9米的物流车，整个车厢原来可能一万多块钱，用了碳纤维成本翻倍。但是，减重以后，省油省了多少，高速费省了多少，可以多装货，可以多挣多少钱。最后算下来，一年减少十几万的经营成本，这笔帐很好算。

  包括中复神鹰在内的企业看好碳纤维高压储氢罐，但要成为重要市场，还有一些工作要做，常规的能承受压力的容器竞争比较大，瞄准氢能源汽车的储氢罐，有赖于设计与制造技术进步。

  但就目前而言，因为能承受压力的容器对碳纤维原材料稳定性要求高，且价格低，国产碳纤维在能承受压力的容器上的使用还处于验证阶段，因此能承受压力的容器的碳纤维应用市场目前大多被进口碳纤维控制。

  如果建立健全国产碳纤维在这个行业中的性能指标评价体系，掌控复材设计自主权，伴随着氢燃料电池市场的发展，能承受压力的容器将是一个很好的方向。

  近年来全球的碳纤维在能承受压力的容器市场增长迅速，年均增长10%-15%，发展的潜在能力巨大。

  全球碳纤维能承受压力的容器年均增长率有望达到22%，增长快速。主要用在天然气车用气瓶、运输天然气的大型瓶、燃料电池车用氢气瓶、呼吸气瓶、和医用氧气瓶等。

  其中呼吸气瓶年增长10%，CNG气瓶年增长20%，储氢气瓶年增长25%。

  随着新能源的发展，中国成为能承受压力的容器的主要市场，预计2020年将占全球市场的40%。

  储氢罐要75Mpa，其比能量才能跟动力电池在同一个水平，35Mpa还不够。氢本身密度小，必须压缩，要70Mpa才能压缩，不然比能量到不了。

  所以下一步肯定是碳纤维来做，其他材料做不来。碳纤维的罐子轻，抗压强，本身不会爆 炸，不像金属罐。

  不过目前存在的问题是成本比较高，标准没确定，所以用起来困难。现在国内碳纤维企业都能做出来，但标准的完善需要差不多10年左右的时间。

  建筑与民用工程师最早将碳纤维用于结构增强的领域。2017年全球建筑补强对碳纤维的市场需求达1800吨左右，但国产碳纤维大多数都用在中低级补强布，一级布仅少数厂家能够完全满足，当年国产碳纤维供应一级布约500吨。

  碳纤维补强布并不是对材料要求不高，只是这一个市场没有引起足够的重视，近几年国内还出了好几起碳纤维补强布应用建筑倒塌的事故。除航空航天外，国内碳纤维应用市场都没有建立一个完善的碳纤维稳定性应用评价体系，有些小厂家浑水摸鱼，把玻纤加工处理成黑色就当碳纤维布用到建筑工程里了。

  目前国内碳纤维补强布这一个市场还是太混乱，导致大型建筑工程不敢用国产、基建领域高端应用也不敢用，进口替代的路还是有点远。

  建筑补强确实被包括神鹰在内的企业看好，但要成为重要市场，还有一些工作要做。建筑领域，不能只针对补强，市场增长有限，如果通过技术进步和应用突破，碳纤维复合材料作为土木工程领域的主干材料，市场增长会很可观。

  今年我们中国的碳纤维电缆大概有5万公里的水平，中复碳芯公司2018年铺设的碳纤维电缆就超过5000多公里。全球碳纤维增强复合材料芯材铝导线吨，目前国产碳纤维已基本实现了批量挂网应用。

  据我们了解到的信息，ctc（中国电信集团公司）在非洲和亚洲做了很多布局，未来五年碳纤维电缆有比较大的爆发。

  很多便携式的产品都有轻量化的要求。另外碳纤维本身除了轻量化，还有一些特殊的功能化应用。碳纤维本身是一个耐高低温、耐腐蚀，另外还具备X光射线透过率高、通电后可以发热等特性。所以它在医疗领域，像核磁共振领域X光板、CT床板，碳纤维的应用非常多。

  最典型的就是我们日常体检要做X光透线，胸透。以前我们做胸透，胸部对着的那块板是铝板，现在基本上改成碳纤维板了。因为碳纤维的X光透过性只有铝板1/10左右。所以这样做才能够把X光机的功率缩小，对人体的伤害也可以更小。

  体育用品、建筑加固和医疗，这是我们成熟的领域。2018年风电叶片的碳梁占到我们公司销售大概50%以上，今年可能还会有增长。我们下一个领域就是电子科技类产品，今年有几率会成为重点。

  目前，国产碳纤维发展现状是规模化程度低、产能释放率低、高端领域应用牵引弱。张定金认为，碳纤维行业要想得到良好发展，就一定要用出去。

  “材料厂商和应用端应结成联盟，由应用端牵头，没有他们牵头别人做不成，只有他们了解要说明，要设计成什么样？并且材料能不能用？达到什么程度可以大批量应用？”沈真说。

  东丽与波音、贺氏与空客、SGL与宝马等合作案例表明，只有材料企业与应用端合作才能开拓出自己的高端或批量化应用市场，这也是不少大咖的心声。

  杜善义院士也认为，扩大碳纤维的应用，需要由设计端牵引，带动材料界一起做。“要会用、敢用并且用得好、用得多。从技术、应用、认识等层面，思考怎么样扩大、辐射碳纤维的应用领域和范围，这样才可以在一定程度上促进碳纤维和复合材料本身的发展。”

  本文素材来源于由新材料在线®出品的材料行业大型纪录片《大国之材》第3集《碳纤维》。《碳纤维》自2018年3月开始筹备，前后拜访数位行业专家学者，实地拍摄光威、中复神鹰、恒神股份、吉林精功、澳盛科技、华特碳纤、前途汽车等碳纤维上下游有名的公司。大片即将上映，敬请期待！

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