碳纤维复合材料研究进展论文

全球碳纤维分领域需求上升

碳纤维复合材料具有质量轻，强度高的特性，活跃在各种各样的用途上。包括用于追求轻且易用的高性能体育用品、追求在宇宙飞行用的轻量且高性能材料的航空航天飞行器，以及压力容器、汽车、风车、船舶、土木建筑等各种各样的一般产业用途。根据赛奥碳纤维技术统计，2018年全球碳纤维运用细分领域中风电叶片叶片和航天国防领域最多，分别达到22000吨、21000吨。而增长最为显著的是汽车零部件领域，2013-2018年需求复合增长率达到33%。

从全球市场看，2018年全球市场碳纤维需求为万吨，预计在2020年全球需求将达到万吨。

就需求结构而言，碳纤维材料总量一半以上应用在工业领域，风电叶片领域应用占比24%，航空航天领域应用占比23%，体育休闲领域占比15%，汽车工业领域占比12%，四者总计占比74%。其中，体育休闲用品所消耗的碳纤维呈逐年下降之势。

从产能的角度来看，全球碳纤维市场基本被日本和美国企业垄断。2018年世界碳纤维产能为万吨。从地区来看，美国生产万吨占24%，日本生产万吨，占比19%，中国生产碳纤维万吨，占比19%。

但是从企业来看，日本企业在全球小束丝碳纤维市场份额占到约58%，其中日本东丽占比27%、日本东邦占比18%、日本三菱占比13%;全球大束丝碳纤维市场集中度更高，基本被日本Zoltek和德国SGL两家控制(注：Zoltek2013年被东丽收购)，Zoltek全球占比49%，德国SGL全球占33%。

中国碳纤维处于产能扩张阶段

从整体供需状况上看，目前世界上碳纤维的主要消费地区仍然集中在美国、欧洲和日本。根据赛奥碳纤维技术统计，中国碳纤维需求量一直维持稳步上升趋势，2018年国内碳纤维市场需求为万吨，同比增长32%，预计未来年复合增长率为12%，在2020年国内市场需求将达到万吨。

目前国内T300级碳纤维性能达到国际水平，主要运用于航空航天及体育休闲等领域;T700级碳纤维已建成千万吨级生产线，低成本干喷湿纺T700级碳纤维已经实现规模化生产;中国首条千吨级T800原丝生产线由中复神鹰生产线2016年投产;但T800级以上的碳纤维国内企业还处于小规模试验，技术相对东丽还是存在较大差距。中国在T800级别以上的碳纤维生产中都还是处于小批量试验生产阶段，而国外的东丽公司已经实现了比较成熟的高模产品。中国碳纤维公司产能前三名是：中复神鹰、江苏恒神以及精密集团。

——以上数据来源于前瞻产业研究院《中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》。

据外媒New Atlas报道，虽然此前研究人员已开发出“变形 ” 结构材料，但它们通常会加入电磁阀、泵或电机，增加了重量和复杂性。 然而现在，科学家们开发出了一种碳纤维复合材料，只需简单地通电就能改变形状。

这种三层固态材料由瑞典皇家理工学院的一个团队创造，由两片掺杂锂离子的碳纤维组成的三层固态材料，中间夹着一块固体电解质的薄片。

后者更确切的说是 "结构电池电解液"，当低压直流电流通过它时，离子会从碳纤维的一层碳纤维迁移到另一层（通过电解液）。这使得碳纤维的放电层收缩，同时使充电层膨胀。因此，整块材料会向一侧弯曲。即使电流被移除后，复合材料仍然保持这种形状。但是，如果在随后的电荷中，电流被反转，锂离子就会向相反的方向迁移。根据电压的不同，这将导致复合材料向后弯曲，要么恢复到中性的平面形状，要么向另一侧弯曲。

这种材料很轻，但也被认为比铝更硬。一旦进一步开发，它可能会被应用于不需要副翼的变形飞机机翼，或者是改变形状以在不同风速下实现最大效率的风力涡轮机叶片。

“我们已经在结构电池方面进行了一段时间的研究，比如碳纤维复合材料也能像锂离子电池一样储存能量，”该研究论文的共同作者Dan Zenkert教授说。“现在，我们进一步发展了这项工作。我们期望它能导致仅通过电控制改变形状的材料，也是轻质和刚性的材料，从而产生全新的概念。”

这篇论文最近发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上。