纖維樹脂基復(fù)合材料迎來大發(fā)展

一、碳纖維復(fù)合材料成為全球復(fù)合材料市場快速增長的主要推動力復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀（微觀）上組成具有新性能的材料。其中，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度高、比模量大，材料性能具有可設(shè)計(jì)性，抗腐蝕性和耐久性能好，抗疲勞性能好，是復(fù)合材料中應(yīng)用最廣、用量最大的一個類別。根據(jù)Marketsandmarkets數(shù)據(jù)顯示，2021年全球復(fù)合材料市場規(guī)模為880億美元，預(yù)計(jì)2026年能夠到達(dá)1,263億美元，年復(fù)合增長率7.5%。以增強(qiáng)材料劃分，Marketsandmarkets數(shù)據(jù)顯示，碳纖維復(fù)合材料市場將以12.4%的年復(fù)合增長率從2020年的175億美元增長至2025年315億美元。其中，玻璃纖維復(fù)合材料仍占有最大的市場份額，2020年市場規(guī)模估計(jì)為460億美元，2020-2027年間復(fù)合增長率為5.3%，預(yù)計(jì)2025年將達(dá)到600億美元。圖表1

全球復(fù)合材料市場規(guī)模預(yù)測（增強(qiáng)材料種類）

單位：億美元以下游市場劃分，由于單價(jià)較高，航空航天領(lǐng)域是復(fù)合材料制件最大的終端市場，預(yù)計(jì)將以8.8%的年復(fù)合增長率從2021年的379億美元增長至2026年的579億美元圖表2

全球復(fù)合材料市場規(guī)模預(yù)測（應(yīng)用領(lǐng)域種類）單位：億美元二、樹脂基復(fù)合材料繼續(xù)占據(jù)統(tǒng)治地位根據(jù)增強(qiáng)材料的種類，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可分為玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料、芳綸纖維復(fù)合材料等多個類別。根據(jù)基體材料的不同，則可以分為樹脂基、陶瓷基、金屬基等。其中樹脂基復(fù)合材料因密度小、比強(qiáng)度和比模量高、疲勞強(qiáng)度高、破損安全特性好、耐腐蝕性能和耐熱性強(qiáng)、介電性能和透電磁波性能好等優(yōu)勢，已經(jīng)成為應(yīng)用最廣、發(fā)展最快的復(fù)合材料，在復(fù)合材料中的占比超過80%。圖表3

2021全球復(fù)合材料市場按基體分類數(shù)據(jù)來源：《2021全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》，廣州賽奧碳纖維技術(shù)股份有限公司三、中國碳纖維樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模接近400億元據(jù)調(diào)查顯示，受益于下游市場強(qiáng)勁的需求增長，尤其2020年中國風(fēng)電市場的爆發(fā)性增長與2021年中國航空、航天與國防軍工市場的亮眼表現(xiàn)，中國碳纖維樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模呈現(xiàn)出高速增長的態(tài)勢，并在未來3-5年將持續(xù)保持24.21%的年復(fù)合增長率。

圖表4

2019-2026中國碳纖維樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)模預(yù)測單位：億元四、多種樹脂基復(fù)合材料生產(chǎn)工藝滿足不同領(lǐng)域復(fù)合材料應(yīng)用需求在纖維與樹脂種類確定后，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能主要決定于成型工藝。因此，復(fù)合材料成型加工工藝是復(fù)合材料工業(yè)的重要發(fā)展基礎(chǔ)和條件。復(fù)合材料的成型加工工藝可被分為近二十種，其中主要的類型有手糊成型工藝、噴射成型工藝、樹脂傳遞模塑成型（RTM）、袋壓法成型、真空灌注成型、熱壓罐成型、液壓釜法成型、樹脂澆鑄成型、拉擠成型工藝和擠出成型工藝等。圖表5

樹脂基碳纖維復(fù)合材料對比五、真空輔助成型工藝在航空航天領(lǐng)域受到起來越多關(guān)注真空輔助成型工藝（VacuumAssistedResinInfusion，VARI）或真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移成型（VARTM），是一種制造大型復(fù)合材料零件的新型低成本成型技術(shù)。它在真空下消除纖維增強(qiáng)材料中的氣體，利用樹脂的流動和滲透來浸漬纖維及其織物，并在一定溫度條件下固化的成型方法。VARI成型技術(shù)是一種利用樹脂的流動和滲透，在真空壓力下浸漬纖維和織物，并在真空壓力下完成固化的成型方法。與傳統(tǒng)工藝相比，VARI成型技術(shù)不用熱壓罐，只需要單面剛性模具（上模為柔性真空袋膜）鋪設(shè)纖維增強(qiáng)材料。該模具只是為了保證結(jié)構(gòu)形面要求，簡化模具制造工藝，節(jié)約成本。此外，只在真空壓力下形成，沒有額外的壓力，有助于降低成本。因此，該方法主要具有成本低、孔隙率低、性能接近熱壓罐工藝、適合制造大型零件等特點(diǎn)。鑒于RTM法的局限性，VARI法只能在真空條件下通過適當(dāng)?shù)墓に嚧胧渲D(zhuǎn)移到包裹在真空袋中的增強(qiáng)纖維預(yù)制件上，并在真空壓力下完成結(jié)構(gòu)的固化過程。該方法擺脫了對熱壓罐設(shè)備的依賴，對于航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的各類結(jié)構(gòu)件，這是一種具有明顯可以降低成本的制造方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。圖表6

樹脂基碳纖維復(fù)合材料在大飛機(jī)中的應(yīng)用據(jù)StratviewResearch數(shù)據(jù)，全球真空輔助成型工藝材料市場在2016年已達(dá)到7.75億美元，并預(yù)計(jì)以7.27%的年復(fù)合增長率在2022年達(dá)到11.82億美元。航空航天用真空輔材與風(fēng)電葉片用真空輔材將占據(jù)絕大部分的市場，在2021年分別達(dá)到5.81億美元和3.16億美元。圖表7

全球真空輔助材料市場規(guī)模預(yù)測單位：億美元受風(fēng)電搶裝潮退坡影響，風(fēng)電用真空輔材用量減少，2021年中國真空輔材市場迎來小幅下滑，市場規(guī)模為14.3億元。風(fēng)電用真空輔材市場的恢復(fù)還需要時日，但是隨著國產(chǎn)大飛機(jī)C919適航取證進(jìn)度的加快，C919即將在2023年進(jìn)入小批量生產(chǎn)階段，成為助推真空輔材市場持續(xù)發(fā)展的新動力。圖表8

2017-2026年中國真空輔材市場規(guī)模預(yù)測單位：億元六、C919獲發(fā)適航證，中國碳纖維復(fù)合材料發(fā)展迎來強(qiáng)心針運(yùn)營成本是民用航空運(yùn)營關(guān)注的重點(diǎn)，而重量與民航運(yùn)營成本息息相關(guān)。根據(jù)《航空航天材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景》，小型民機(jī)的結(jié)構(gòu)重量每減1磅所獲得的直接經(jīng)濟(jì)效益為50萬美元/磅，而對戰(zhàn)斗機(jī)來說，這個數(shù)值是400萬美元/磅，商用運(yùn)輸機(jī)為800萬美元/磅。碳纖維復(fù)合材料是大型整體化結(jié)構(gòu)的理想材料，與常規(guī)材料相比可使飛機(jī)減重15%～30%，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本降低15%～30%。國際主要民航飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、內(nèi)飾材料對復(fù)合材料的使用比例逐漸升高，如波音的787與空中客車的A350，碳纖維復(fù)合材料使用比例均超過50%。目前，C919碳纖維復(fù)合材料使用比例為12%，還有較大改進(jìn)潛力。與國際碳纖維復(fù)合材料市場中航空航天與國防軍工領(lǐng)域占據(jù)市場最大份額的情況不同，中國航空航天產(chǎn)業(yè)對碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用還在成長階段。而中國國產(chǎn)航空裝備產(chǎn)業(yè)在“十三五”以來得到良好發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料作為整個機(jī)身、機(jī)翼、垂尾、艙門等重要結(jié)構(gòu)部分或內(nèi)飾的材料，綜合性能優(yōu)勢明顯，隨著2022年國產(chǎn)大絲束碳纖維的投產(chǎn)，碳纖維復(fù)合材料的成本有望進(jìn)一步下降，推動碳纖維