2022年北京冬奥会上，T800级高强度碳纤维复合材料，结合航天碳纤维复合材料成型工艺，实现了我国冬奥会双人雪车从0到1的突破；3D打印个性化定制碳纤维头盔贴合运动员脸型，保障了运动员比赛中的安全和舒适性；“飞扬”火炬外壳采用耐高温碳纤维材料，解决了碳纤维复合材料在极端条件下的应用瓶颈，实现了火炬外壳在高于800℃的氢气燃烧环境中正常使用。

C919国产大飞机上，机身的15%采用了树脂基碳纤维材料，机舱内部首次启用芳砜纶制作椅罩、门帘，使大飞机再度“瘦身”，油耗更小，成本更低，减少二氧化碳排放。

为各种水上活动提供安全信息的航标，采用了新型碳纤维，使用寿命长，防水防潮，不易变形，不惧海水侵蚀，让航标更加“扛造”。

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近年来，高性能纤维以“岿然”之势助力先进制造，在安全防护、风电叶片、压力容器、航空航天等极端应用领域中体现卓越价值，撑起“国之重器”，书写纺织“上天入地”的传奇。本文就将带你深度了解能够上天入地的神奇材料——高性能纤维。

一

高性能纤维硕果累累

性能全面提升和国产化替代是新材料的发展历程。

随着科技进步和生活质量的全面提 高，新材料以其优越的性能逐渐替代传统材料。

一方面，新材料能够通过优化的性能更好 地满足不同领域的材料需求；另一方面，许多新材料具有低碳、清洁、可再生等属性，这 一类材料逐渐实现对传统高能耗材料的替代，契合能源革命与“双碳”的时代主题。全面 替代决定了新材料的下游领域众多，发展空间巨大。

国外的巨头企业在新材料的应用中走 在前列，国内的企业在逐渐研发的过程中突破壁垒、高速发展，带来了市场的双重空间。 军用市场引领发展，国内技术不断突破。从发展历程看，芳纶和碳纤维以其特殊的性 能优势最初都用于军工行业，后以杜邦、帝人、东丽等为代表的美国和日本企业不断研发 并实现产业化，引领技术及市场。中国企业在二十世界后开始发力，追赶世界领先的技术 并逐步取得突破。目前在芳纶、碳纤维和 UHMWPE 中均出现了优秀的代表企业，为国内 填补了技术上的空白。

高性能纤维行业呈现技术密集、投资巨大的特点。目前, 高性能纤维正进入蓬勃发展 的新阶段，各品种性能、规格的不断完善和系列化以及新品种的陆续出现, 使高性能纤维 迈入了“量体裁衣”的时代。航空航天、新能源、海洋、生物医学、通讯信息、军工等高 科技产业的迅速发展, 对纤维材料性能的要求越来越高, 也促进了对新型纤维的研究与开 发。未来高性能纤维将朝着低成本、高质量的方向发展。

“十三五”时期，我国高性能纤维新材料技术稳步提升，不断满足航空航天、国防军工、环境保护、医疗卫生等领域发展需求。碳纤维干喷湿纺和湿法纺丝工艺技术逐渐完善，生产效率进一步提升，高端产品品种逐步丰富，T1000级、M40、M40J、M55J等碳纤维已具备工程化制备能力，25K大丝束碳纤维实现产业化生产；千吨级对位芳纶工程化关键技术和装备取得突破，高强型、高模型对位芳纶产品实现国产化；高强高模聚酰亚胺纤维、间位芳纶、聚苯硫醚纤维、连续玄武岩纤维等实现快速发展。

这其中，不乏在中国纤维流行趋势发布平台崭露头角的各种高性能纤维材料。江苏奥神新材料股份有限公司先后发布了无染聚酰亚胺纤维和易染聚酰亚胺纤维等产品，聚酰亚胺纤维具有优异的阻燃、保暖、耐高温、抗菌等性能，其制成的面料具有燃烧损毁长度低、阴燃续燃时间为零、无熔融滴落物等性能，用于消防服能够有效保护消防员的安全。

中复神鹰碳纤维股份有限公司作为国内首家掌握碳纤维干喷湿纺技术的企业，依托干喷湿纺的技术优势实现了T700级、T800级、T1000级等不同级别碳纤维的工业化量产，成功填补了国内高端碳纤维的空白，奠定了公司在国内碳纤维领域的技术领先地位。近年来，中复神鹰先后在中国纤维流行趋势发布平台推出了SYM40高强高模碳纤维和超高强度碳纤维，均获得了广泛应用。

江苏恒神股份有限公司推出的压力容器用 HF30F 碳纤维和HF40T高强中模碳纤维，分别入选2020年度和2022年度的中国纤维流行趋势。这些产品是恒神根据国有市场的应用需求有针对性地推出的产品。其中，HF30F碳纤维在模量上优于进口同等产品，HF40T碳纤维在强度上优于进口同等产品。

吉林化纤集团近年来不断加强碳纤维基础研究和科技攻关，着力破解关键核心技术。碳纤维从小丝束到大丝束，从原丝、碳丝到复材，无论是质量、成本、柔性和效率，均实现了由量变到质变的升级。

威海拓展纤维有限公司先后推出了干湿法碳纤维和QM4035、QM4050高强高模碳纤维，突破国外对该产品的封锁，在提升质量的同时赋予复合材料更优异的力学性能，其生产过程精细化、数字化，品质更加稳定，可用于尖端领域。

烟台泰和新材料股份有限公司推出了原液着色间位芳纶。该产品不同于日本帝人公司的界面缩聚、湿法纺丝工艺和美国杜邦公司的溶液缩聚、干法纺丝工艺，而是采用低温溶液间歇聚合、湿法纺丝工艺制造而成，开创了世界上第三种间位芳纶制造技术。此外，该产品还融合原液着色技术进一步拓展了芳纶的应用领域，卤素含量极低，产品生态安全优于同类产品。

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随着国内对高性能纤维认识理解不断深入，国产高性能纤维质量不断提高，应用水平也持续提升。一是产品应用领域逐步拓展。目前高性能纤维已应用于航空航天、国防军工、风力发电、土木建筑、汽车工业、轨道交通、海洋工程、光缆通信、安全防护、环境保护、体育休闲等领域，并已形成特定领域的稳定应用。二是产品应用规模逐步扩大。2020年，国内高性能化学纤维的总消费量约13.5万吨，碳纤维约为48800吨，芳纶约为25600吨，超高分子量聚乙烯纤维约为21700吨。

二

高性能纤维复合材料概述

高性能纤维是指具有特殊的物理化学结构、性能和用途，或具有特殊功能的化学纤维，一般具有极高的抗拉强度、杨氏模量，同时具有耐高温、耐辐射、抗燃、耐高压、耐酸、耐碱、耐氧化剂腐蚀等其他特性，被广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输、工业工程、土工建筑、乃至生物医药和电子产业等领域。

高性能纤维复合材料是以高性能纤维作为增强材料，树脂作为基体，通过加工成型得到的复合材料，具有质轻、高强高模、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、易加工成型等优异性能。

我国高性能纤维及复合材料行业产业链上游主要由增强材料、基体材料和生产设备等产业组成，中游主要由复合材料、金属基复合材料、纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等产业组成，下游主要为市场应用，如军工装备、汽车工业、环保、信息通信、建筑加固、风电叶片、医疗器械、体育休闲。

1. 高性能纤维及复合材料行业产业链上游：增强材料、基体材料、生产设备

增强材料：碳纤维（聚丙烯腈、沥青、粘胶纤维）、芳纶纤维（对苯二甲酰氯、对苯二胺、间苯二甲酰氯、间苯二胺）、玻璃纤维（叶腊石）、超高分子量聚乙烯纤维（超高分子量聚乙烯树脂）、聚酰亚胺纤维（聚酰亚胺树脂）、聚苯硫醚纤维（聚苯硫醚树脂）、聚四氟乙烯纤维（聚四氟乙烯树脂）、氧化铝纤维（金属铝的无机盐）、玄武岩纤维（玄武岩）

基体材料：树脂基体、金属基体、陶瓷基体、橡胶基体

生产设备：聚合设备、纺丝设备、高温熔制设备、拉丝设备、氧化设备、碳化设备、成型设备

2. 高性能纤维及复合材料行业产业链中游：复合材料、金属基复合材料（铝基复合材料、铜基复合材料、钛基复合材料、镍基复合材料）、纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料

3. 高性能纤维及复合材料行业产业链下游：军工装备、汽车工业、环保、信息通信、建筑加固、风电叶片、医疗器械、体育休闲

三

常见的高性能纤维

1.碳纤维

碳纤维主要应用于航空航天工业、汽车、快速列车、造船工业、码头和海上设施、体育与休闲用品、电子产品、医疗器械、化工、冶金、石油、机械工业等众多领域．在这些领域中许多零部件在高强度、高刚度、重量轻、耐高温、耐腐蚀等环境下工作，全球对碳纤维的需求急速增加，供不应求。

2.芳纶纤维

芳纶纤维全称为“聚对苯二甲酰对苯二胺”，芳纶纤维主要分为两种，对位芳酰胺纤维(PPTA)和间位芳酰胺纤维(PMIA)。芳纶纤维在防弹材料方面的需求持续增长，同时与节能、环保相关的领域需求量也不断增长。生产主要掌控在美国杜邦、日本帝人企业中。芳纶产品用于防弹衣、头盔等约占7%～8%，航空航天材料、体育用材料约占40%、轮胎骨架材料、传送带材料等约占20%，高强绳索等约占13%。而作为增强材料，芳纶有其不可替代的作用。

3.超高分子量聚乙烯纤维

超高分子量聚乙烯纤维属世界范围内的稀缺物资，据业内专家预测，近几年国际超高分子量聚乙烯纤维市场年需求量将达到5万吨，未来纤维需求量将达到10万吨以上。除中国以外，世界上能够产业化生产超高分子量聚乙烯纤维的就只有荷兰、美国、日本这3个国家，总产量不超过1万吨。

此外由于世界反恐形势的需要，超高分子量聚乙烯纤维在防弹领域的应用也保持着不衰的势头。今后将重点改进其耐热性、蠕变性及与树脂的黏合性，大力扩大在复合材料、缆绳、渔业网箱等民用大市场的应用。

4.玄武岩纤维及其复合材料

作为耐高温隔热保温材料、复合增强纤维材料、高性能摩擦和过滤材料，玄武纤维可广泛应用于航天、航空、高速列车、汽车、船舶、军工、建筑工程、防火工程、海洋工程、土木工程、公路工程、桥梁工程、电力工程、石油工程等行业。

近年来，玄武岩纤维开始出现竞相发展的势头，已有10多个国家开展研发和生产，今后的研发方向是提高生产效率、降低能耗和稳定提高产品性能，并扩大应用领域。

5.聚苯硫醚

聚苯硫醚主要用于特种功能过滤材料．如燃煤锅炉过滤袋用布、造纸机用布、电子工业专用纸、电绝缘体、电解隔膜、气液过滤材料、防雾材料、耐辐射材料、特种垫圈和包装材料的高性能组分等。

7.其他高性能纤维

PBO纤维、M5纤维、聚酰亚胺（PI）纤维...

四

我国高性能纤维及复合材料市场发展现状

高性能纤维及其复合材料主要包括碳纤维、有机纤维、陶瓷纤维及其复合材料，是结构轻量化的首选材料，也是极端服役环境不可替代的功能材料。在世界各国一系列重大科技工程和研究计划的推动下，全球高性能纤维及其复合材料前沿技术不断取得突破，产业化步伐也逐渐跨入成熟发展阶段。我国高性能纤维及复合材料在我国相关部委的支撑和推动下，经过数十年发展，通过各类科技项目实施、专项能力建设和国家级创新研究机构设立等措施，技术与产业发展均取得了可喜成绩。

1. 核心技术不断突破，产品性能逐步提高

国内已突破基本型（T300级）碳纤维的研制、工程化及航空航天应用关键技术，实现重点型号的自主保障;突破了湿法高强型（T700G级）碳纤维的研制和工程化关键技术，完成了部分装备的应用研究;开展了高强中模型（T800H级）碳纤维的工程化及其应用关键技术攻关，已进入重点型号考核验证和试用阶段；开展了高强高模碳纤维研发，M40级碳纤维已应用于航天领域，M40J级碳纤维进入地面考核验证阶段，突破了十吨级M55J碳纤维关键技术；基本突破了系列民用干喷湿纺碳纤维产业化技术，正在进行高端碳纤维的攻关、应用研究和民用领域的应用推广。在沥青基碳纤维方面，突破了高纯可纺中间相沥青和连续高导热沥青基碳纤维（P120级）制备关键技术。

在芳纶纤维方面，突破对位芳纶和杂环芳纶关键技术，建成多套工业化装置。基本型对位芳纶（Kevlar29级）实现稳定批量生产和供应，高强型对位芳纶（Kevlar129级）实现国产化供应，在光缆、胶管、防弹等领域实现批量应用；杂环芳纶产品性能达到俄罗斯Armos同等水平，在固体火箭发动机、高端防弹等领域实现批量应用。UHMWPE纤维实现与国际优势企业比肩，不仅可以部分替代进口，而且具备一定出口创汇能力。PI纤维断裂强度达到3.5GPa，模量140GPa，实现了耐高温型、高强高模型PI纤维的商品化。国内科研机构陆续突破连续碳化硅纤维及其复合材料的工程化制备技术，开展了工程应用验证，同时也初步建立了氧化铝纤维、氮化硅纤维、系列陶瓷前驱体等验证试验线。

2. 产业规模逐年扩大，积累了一定工业化经验

2019年，我国碳纤维的需求量约为3.8×104 t，但超三分之二用量为国外碳纤维;我国碳纤维运行产能约为2.6×104 t，实际销量约为1.2×104 t。国产小丝束碳纤维实现销售约7000t，并在逐步扩大市场份额，其余为国产大丝束碳纤维。中国超高增长需求的主要驱动者是风电叶片市场，为国内碳纤维企业带来了难得的发展机遇。

在芳纶纤维方面，我国建成了多条千吨级对位芳纶生产线，2019年我国对位芳纶产量达到2800t，间位芳纶产能超15000t，产量达到11000t，我国成为间位芳纶的主要生产国之一。2019年我UHMWPE纤维产能约为33000t，产量为23000t，出口为3355t，产品具有一定的国际竞争力。

3. 高性能纤维及其复合材料的战略支撑作用日益凸显

我国高性能纤维复合材料应用技术日趋成熟，应用部位由次承力构件扩大到主承力构件，由单一功能材料向多功能、结构功能一体化转变，有效缓解了国家重大工程、国防重点装备的迫切需求。高性能纤维及其复合材料产业也由开拓推广期向快速扩张和稳定成长期迈进，复合材料应用领域由航空、航天、兵器等扩展到了风力发电、轨道交通、汽车等众多民用领域；产业规模不断扩大，如国内碳纤维销售额达30亿元规模，优势企业近年陆续在内蒙古、青海等中西部地区投资扩产工程，这将对中西部地区科技与经济发展起到积极的带动作用，支撑新兴产业的区域均衡发展。

新材料产业是国家战略性新兴产业的重要组成，对实现我国创新驱动发展具有重要的支撑作用。高性能纤维及其复合材料是引领新材料技术与产业变革的排头兵，广泛应用于航空航天、轨道交通、舰船车辆、新能源、健康产业和基础设施建设等重要领域，集军事价值与经济价值于一身，是各国军事发展与经济竞争的焦点之一。

五

高性能纤维及复合材料重点应用领域

1. 航空航天领域

欧洲空客（Airbus）和美国波音（Boeing）等主要航空原始设备制造商已显示出在航空领域大规模应用复合材料的潜力，而美国宇航局（NASA）则一直在寻求复合材料制造商为火箭和其他航天器提供创新的复合材料解决方案。

波音公司开发的每一代新飞机中复合材料的比例都在增加，其中波音787梦幻客机的复合材料比例最高超过了50%。波音787梦幻客机的主要结构部件是由更多的碳纤维“夹芯”复合材料和先进的碳纤维层压材料制成的，从而摆脱了陈旧的玻璃纤维复合材料。

另一方面，芳纶纤维广泛用于建造前缘和后缘机翼组件以及非常坚硬、非常轻的舱壁、燃料箱和地板。此外，由嵌入普通基体材料中的高强度刚性纤维组合而成的先进复合材料也广泛应用于航空航天工业。

2. 汽车工业领域

作为最大的复合材料终端应用市场，汽车行业对复合材料并不陌生。除了开创性的车辆设计，复合材料还有助于使车辆更轻、更省油。汽车需要可靠、同步的机构，其部件能够承受摩擦、腐蚀和温度波动。

复合材料已经广泛用于一系列汽车结构零部件，从前照灯的前照灯外壳到发动机罩下的电气和隔热部件，再到汽车车身外部零件、内部结构和装饰部件。以下列举复合材料在汽车零部件中的常见应用：导流板和扰流板、进气歧管、电池外壳和盖、保险杠和保险杠横梁、气缸盖（如气门、摇臂、凸轮）盖、车窗/天窗框架、前端格栅开口板、前向前照灯的壳体、隔热板（例如发动机、变速器）、支柱和覆盖物。

3. 建筑领域

建筑界在对复合材料的理解和使用方面正经历大幅地增长。复合材料在大型项目中为建筑师和设计师提供了高性能和价值，并且它们在商业和住宅建筑中的使用越来越多。

在建筑领域，碳纤维的高强度特性正在发挥积极作用。碳纤维强度极高、柔软易铺，可用于修补加固建筑物，使其如同全新建筑物。碳纤维层压板广泛用于提高楼板和柱子的承重。此外，碳纤维可以抵抗地震损坏，因此还可用于新建建筑物的结构加固，也可以作为钢筋预制件的替代品。

4. 储能领域

多功能储能复合材料（MESC）是通过将电池层嵌入结构中，互锁铆钉固定电池层，有助于提高机械性能。实验测试显示：MESC可具有与其他材料相当的电化学行为。而与软包电池相比，在60%的封装效率下，MESC获得了15倍的机械刚度。

复合材料在储能领域的其他代表性应用包括：航空航天用氢气罐、氢燃料电池系统、天然复合材料材质电池。

5. 基础设施领域

严格意义上基础设施与建筑两者无严格区分，近年来随着新型、低成本、高性能结构复合材料的出现，基础设施建设已进入了一个新阶段。纤维增强塑料（FRP）不仅可以在许多承重结构中代替钢材，而且用内部或外部粘合的纤维增强塑料（FRP）加固混凝土梁也已被证明是可行的。

由玻璃纤维、芳纶或碳纤维制成的复合材料越来越多地被考虑用于预张紧、后张紧或增强混凝土。为了取代腐蚀钢筋，FRP系统最终可能用于混凝土桥面或其他室外混凝土地板结构。

耐腐蚀特性是碳纤维在基建领域备受青睐的主要因素之一。碳纤维不会腐蚀生锈，因此碳纤维混凝土层可以减薄很多，因为不需要像钢芯一样考虑防腐，这样极大减少了建筑物的混凝土使用量，同时还附带其它益处，譬如减少成本，加快施工进度，缩短干燥时间等。此外，因为具有良好的导电性，碳纤维可用于屏蔽电磁干扰，可以传递楼宇参数信息，成为智能楼宇不可分割的一部分。

6. 新能源领域

通过制造能够利用可持续能源的结构，复合材料在可再生能源中的使用将发挥越来越重要的作用。与金属结构相比，重量更轻、运输和安装成本更低，最重要的是，结构整个生命周期内的维护成本更低，这些因素已经将复合材料定位为事实上的材料，可为大型项目提供经济的解决方案。

风力涡轮机叶片的轻量化和复杂的翼型形状使复合材料成为该领域的领导者，使用的模具设计用于以最少的劳动力经济地制造叶片。目前的研究和开发旨在满足陆基和离岸系统涡轮和转子叶片所需的尺寸增加。

7. 海洋领域

几十年来，FRP复合材料已成功用于海洋应用领域，例如雷达罩和质量结构、超级游艇、工作船和休闲船。最近，FRP已用于不太知名的应用，例如轴承、螺旋桨、商业舱盖、排气装置和顶部结构。

玻璃纤维复合材料在海洋应用中的使用是GRP应用的第一个重要领域之一。它彻底改变了在多个领域设计和制造大型复合材料结构的能力。船舶在英国通过多种工艺制造，包括手工铺设的GRP、树脂灌注、热塑性塑料和用于竞赛游艇的高性能碳纤维预浸料。

赛艇比任何其他海洋结构物更广泛地使用复合材料。由于特殊要求，所用材料不是典型的海洋建筑材料。最小重量和最大刚度在其设计中至关重要，以便能够以最大速度航行，并抵抗海浪和海洋环境中其他因素的影响。

碳纤维增强环氧树脂复合材料通常用于以蜂窝或泡沫为芯的船体、框架、龙骨、桅杆、杆和吊杆、碳绞盘卷筒和轴系。在不同的国际航行条件下，使用FRP有助于提高性能，并将航行缺陷和故障的危险降至最低。

8. 管道系统领域

复合材料管道系统在化工厂中的应用已经超过25年。20世纪70年代，复合材料在工业应用中的使用变得广泛。如今，复合材料管道和储罐的安装在地上和地下、商业、市政和住宅应用中呈上升趋势。随着新化工设施的开发和旧设施的扩大，低成本天然气正在进一步扩大市场。

复合材料管道典型应用及产品包括：空气污染控制、水产养殖、化学加工、海水淡化、石油和天然气、水和废水处理、管道、管件和衬里、管道系统、油箱内衬、储油罐、工艺容器、洗涤器、阀门。

9. 运动休闲领域

一直以来，碳纤维在体育用品领域的表现都很突出，从赛车到滑雪、高尔夫、垂钓以及网球，碳纤维均得到广泛应用。随着碳纤维日益普及以及价格回落，已在体育用品中得到更多应用。

现在，许多球拍、滑雪板、雪橇、曲棍球棍、钓竿、高尔夫球杆、自行车、冲浪板、风筝、鞋子以及其它体育产品均采用了碳纤维。

目前，在10项最受欢迎的户外运动和休闲活动中，有7种产品使用了复合材料。玻璃纤维和碳纤维增强复合材料继续在钓鱼竿、网球拍、皮划艇桨的翼梁/轴、帆板桅杆和板、曲棍球棒、风筝和自行车车把中取代木材和金属。

10. 交通运输领域

运输行业有一种趋势是使用更大的车辆。无论是公共汽车、火车还是铰接式卡车，想法都很简单：携带更多的货物。面临的挑战是找到安全承载更大负载的方法，同时节省燃料并减少对环境的影响。复合材料为这一挑战提供了令人印象深刻的答案。

长期以来汽车和运输行业在复合材料市场中占有较大份额，该行业致力于遵守严格的法规，例如美国和欧洲政府制定的平均燃油效率（CAFE）标准和欧洲排放标准（EES）。为了减少对全球气候造成不利影响的二氧化碳（CO₂）排放，这些地区的汽车制造商正在集中精力生产具有复合材料的轻型汽车，以符合政府法规并提高汽车的燃油效率。

文章来源： 前沿材料PLUS，中信证券，材图