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新能源產業作為新時代的朝陽行業，是當下最為火熱的領域之一，能在很大程度上解決未來國家的能源問題，其發展潛力無比巨大。

與此同時，近年來，復合材料在世界各國的發展進程中起到非常重要的作用，不僅在軍用領域中具有不可替代的地位，而且在民用領域中也有著廣泛的應用。以碳纖維復合材料為典型代表的先進復合材料在風能發電葉片、石油開采和壓縮天然氣儲存等新能源領域中有著重大作用。為響應全球的“低碳環保”活動，碳纖維復合材料在新能源領域的應用更是值得大力推廣。

風光氫驅動需求，復合材料大有可為

復合材料行業概況

復合材料是指由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀(微觀)上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效應，使復合材料的綜合性能優于原組成材料而滿足各種不同的要求。

復合材料的構成

隨著新能源汽車、高端制造、軍工等行業的快速發展，我國制造業越來越注重輕量化、可塑性強的復合材料。且隨著我國“2030年碳達峰、2060年碳中和”目標的提出，傳統鋁制品和鋼制品等材料的污染性受到大家重視，因此，復合材料的發展優先級越來越靠前。多種多樣的復合材料仍在研發過程中，作為一類潛力巨大的學科，在“十四五”期間將加速發展。

1. 復合材料國家政策

復合材料產業是國家鼓勵的基礎性戰略性新興產業，自2000年至今，國家密集出臺多項產業政策支持復合材料產業的發展。發改委、科技部、工信部等部門均加大了支持力度。

2010年發布的《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》中，正式明確了我國七大戰略性新興產業，其中復合材料產業涉及節能環保、新能源、新材料等領域；

2012年發布的《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》中，明確提出了高性能復合材料的戰略地位；

2017年科技部發布了《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》，明確了要突破復合材料制備及應用的關鍵共性技術，提升先進結構材料的保障能力和國際競爭力。

2021年中國石油和化學工業聯合會發布的《化工新材料行業“十四五”發展指南》，明確重點發展氟硅材料、特種橡膠及彈性體、高性能纖維及復合材料、功能性膜材料和電子化學品。

2022年，工信部、科學技術部、自然資源部聯合發布《“十四五”原材料工業發展規劃》明確：“提升先進制造基礎零部件用鋼、高強鋁合金、稀有稀貴金屬材料、特種工程塑料、高性能膜材料、纖維新材料、復合材料等綜合競爭力。”

先進復合材料行業市場格局

復合材料行業產業的技術進步以基礎材料技術和產業化裝備技術為主。盡管中國的玻璃纖維產業已經處于全球領先的地位，并且不斷地進行技術研發和產業升級。但以碳纖維復合材料為代表的先進復合材料研發與生產技術仍落后于國際先進水平。

隨著中國經濟的發展與市場的不斷開放，復合材料行業的上中下游產業鏈不斷完善，以復合材料為主營業務的民營上市公司不斷涌出，并呈現民營企業取代國有企業成為行業發展中堅力量的趨勢。數據顯示，截至2022年4月底，A、B股共有278家開展新材料業務的上市公司，私營企業的市場份額占據絕對領先地位。目前，國內復合材料的主要行業產能集中在長三角地區，積聚效應明顯，行業產能和產業結構正在被逐步優化，中國的復合材料的上中下游產業鏈逐漸趨于完善。

復合材料行業產業鏈

在碳纖維復合材料領域，日本的發展處于亞太區域內最領先的地位，研發型的單位主要有日本國立材料研究所、日本宇宙航空研究開發機構及機械技術研究所，生產型的廠商主要為東麗、帝人與三菱麗陽，并且這三家廠商占據了全世界大部分碳纖維及其復合材料市場份額，所生產的碳纖維在品種、工藝、產量及質量上都屬全球領先，其中高模量高強度碳纖維增強復合材料在航空航天領域中占據壟斷地位。

在碳纖維復合材料進入民航飛機領域之后，東麗與帝人先后與波音、空客兩大飛機制造公司達成合作。此外國際重要的碳纖維廠商還有美國的Cytec、Hexcel，德國的SGL，土耳其的AKSA等企業，呈美、日企業壟斷的狀態。特別是當前全球小絲束碳纖維行業標準制定權和定價權牢牢掌握在美國、日本企業手中，并且因其用途的敏感性，國外在小絲束碳纖維出口方面實施嚴格管制。

“雙碳”背景下，風電、儲氫瓶及光伏高速發展驅動碳纖維需求高增。從需求結構來看，我國碳纖維下游需求主要來源于風電葉片、體育休閑及汽車工業。從需求增速來看，碳碳復材、風電葉片及壓力容器這三個領域的需求增速排在前列。“碳中和”頂層設計政策落地，清潔能源發展力度加碼，風電、氫能、光伏均迎來發展機遇，將是我國碳纖維需求高速成長的主要驅動力。

全球碳纖維復合材料市場需求

先進復合材料的應用與發展

1. 光伏產業——復合材料為光伏設備帶來新的曙光

光伏作為新能源發電的最佳選擇之一，是未來最具確定性的產業賽道。碳纖維在光伏中應用在這幾年異軍突起，這得益于光伏領域對大尺寸熱場的要求。傳統的石墨材料無法滿足大尺寸坩堝的強度要求，碳碳復合材料成了主流。

碳-碳復合材料是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料。具有低密度(<2.0g/cm³)、高強度、高比模量、高導熱性、低膨脹系數、摩擦性能好，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點，是如今在1650℃以上應用的少數備選材料，最高理論溫度更高達2600℃，因此被認為是最有發展前途的高溫材料之一。

光伏產業中所使用的碳-碳復合材料主要是用于制造坩堝，作為熔煉多晶硅或單晶硅的器皿，在氫化爐熱場、直拉單晶熱場、多晶鑄錠爐熱場、太陽能電池鍍膜等工藝作為關鍵設備。以往此類坩堝主要利用高純石墨制造，但高純石墨為國外控制，而且隨著拉硅單晶爐和多晶鑄錠爐生產設備的大型化，石墨材料難以滿足。碳碳復合材料具有可設計性和良好的熱物理性能,和石墨熱場材料相比，具有非常大的優勢。

在光伏行業及半導體行業，由于技術的發展及產品的快速迭代，硅片向高純度、大尺寸發展是其基本的趨勢，因此，高溫熱場系統應用中，碳-碳復合材料產品向高純度、大尺寸的方向發展也是必然的趨勢。

根據《2020全球碳纖維復合材料市場報告》，預計2025年碳-碳復材碳纖維需求量將達到1.86萬噸，2021-2025年復合年增長率CAGR為30％。

碳纖維輥可以用于光伏膜的生產、分切中。傳統的金屬輥筒，自身重量大，機器啟動速度慢，慣性大，不僅耗能多、原料損耗大，對生產效率也產生一定的影響。而碳纖維輥具備輕量化、不易磨損、壓力均勻、易調節、高精度等優點。

光伏行業中的碳纖維刮膠片和用于光伏膜生產的碳纖維輥

2. 風電產業——復合材料產業的中流砥柱

作為復合材料重要的終端市場，風電是當前碳纖維最大下游需求來源。風力發電產業的發展直接影響復合材料行業的市場規模，進而影響企業收入規模。

在全球能源結構向低碳化轉變、能源消費結構不斷優化的背景下，可再生能源需求持續增長的趨勢具備確定性。風能憑借其資源總量豐富、環保、運行管理自動化程度高、度電成本持續降低等突出的資源稟賦優勢與良好的發展趨勢，目前已成為開發和應用最為廣泛的可再生能源之一，是全球可再生能源開發與利用的重要構成，其發展正逐漸從補充性能源向替代性能源持續轉變，其應用是推動能源結構優化、能源低碳化的重要驅動力，是實現“碳達峰”、“碳中和”目標的主要實現路徑之一。

風電葉片主要由樹脂基體（36%）、增強材料（28%）、芯材（12%）、粘接劑（11%）等組成，樹脂基體主要提供葉片的韌性與耐久度，增強纖維材料則主要提供葉片結構的剛度與強度。增強纖維材料包括玻璃纖維和碳纖維等，近些年，碳纖維正逐步取代玻璃纖維，主要因為碳纖維突破了玻璃纖維的性能上限，在風電葉片大型化的同時，還能降低葉片的重量。復合材料在比強度、比模量上具有技術材料無可比擬的優越性，因此成為目前大型風力發電葉片的首選材料。復合材料在整個風電葉片中的重量一般占到90%以上。其中承力結構由玻璃纖維或碳纖維復合材料組成，賦予結構較強的力學性能。復合材料葉片一般由根部、外殼和加強筋或梁三部分組成，與同級別高模玻纖主梁相比，采用碳纖維可實現減重20-30%。以122m長葉片為例，葉片重量的減輕可以大幅降低因自重傳遞到主機上的載荷，進而可以減少輪轂、機艙、塔架和樁基等結構部件15%～20%的重量，有效降低風機10%以上的整體成本。此外，風機的輸出功率也更加平穩均衡、運行效率更高，由于碳纖維的抗疲勞性較高，因此還可以延長葉片的生命周期，降低日常維護費用等綜合成本。

風電葉片迎風面碳纖維主梁

風電碳纖維主梁與葉片長度的關系

2021年全球風電碳纖維用量約為3.3萬噸，占全球碳纖維總需求比重28%。國內風電葉片領域碳纖維需求量為2.25萬噸，占國內碳纖維需求總量的36.1%。

全球風電葉片碳纖維需求變化（噸）

目前海上風電的發展，需要更長葉片、更大功率的風機，對碳纖維的需求也就更高，而海上風電的特殊性，使碳纖維在海上風電中應用的潛在機會更多。

我國風電連續多年新增機居全球首位，全球第一風電大國，也是全球最大的風電零部件制造供應鏈基地。超大型風電光伏基地、海上風電和低速風電開發持續發展中，伴隨著這些發展方向，像整套風電機組、海上升壓站、海底電纜、運輸吊裝設備和大型化的葉片、齒輪箱等也會跟著發展。風力發電機葉片正朝著大型化方向發展，最長的風輪葉片已達到61.5m，一般葉片自重12~18t，這對材料的比強度、比剛度和耐疲勞性提出了更高的要求。大部分的玻纖復合材料葉片已無法滿足葉片大型化、輕量化的要求，玻纖復合材料葉片在苛刻條件下的臨界長度大約是60m。碳纖維復合材料的比強度約為玻纖復合材料的2倍，比模量約為玻纖復合材料的3倍，故采用碳纖維復合材料能夠增加葉片的臨界長度，適應了葉片大型化的要求。此外，碳纖維的密度是玻璃纖維的0.7倍，適應了大型葉片輕量化的要求。使用碳纖維復合材料葉片代替玻纖復合材料葉片，成本可降低14%，另外，由于碳纖維具有優異的導電性能，故對碳纖維復合材料葉片進行某些特殊的防護設計，可避免雷擊對葉片造成的破壞，從而可延長碳纖維復合材料葉片的工作壽命。

從工藝上看，碳纖維復合材料主梁的成型工藝主要有碳纖維織物真空灌注、預浸料成型、拉擠工藝3種。其中前兩者在葉片中應用較早，技術成熟，但隨著葉片大型化對重量要求提高，拉擠工藝逐漸成為主流。尤其是疊加Vestas拉擠碳板專利工藝于2022年7月到期，工藝將會迅速普及，雙重利好打開碳纖維需求成長空間。

根據《2020全球碳纖維復合材料市場報告》，預計2025年全球風電葉片碳纖維需求量達到9.3萬噸，2021-2025年復合年增長率CAGR為25％。

3. 氫能源產業——儲氫瓶用碳纖維復合材料賽道：氫風已來，大有可為

氫能自2019年以來，已經成為業界的網紅產業，也是國家能源轉型和實現碳達峰碳中和目標的重大舉措，關系著我國能源結構轉型。目前國內外氫燃料電池汽車主要以高壓氫氣瓶為主要儲氫方式，儲氫這條細分產業鏈當中，從制氫，儲氫，運氫，用氫，氫燃料電池及汽車等，其中有一個環節最為關鍵，它就是運輸儲存過程中的載具容器，也是加氫站的儲存設備——儲氫瓶，它上連氫氣制造，中承氫氣存儲，下接氫氣應用，是氫能產業的關鍵（如下圖所示）。

碳纖維技術在氫能源行業有著廣泛的應用前景，其中，碳纖維纏繞復合材料儲氫氣瓶被看作氫能儲運的重要技術。碳纖維技術的提升，將助力氫能產業發展。

IV型儲氫瓶性能優異，預計未來將主導國內車載儲氫市場。目前已商業化生產的儲氫瓶可分為四種，其中具備長期發展潛力的要屬III型（鋁內膽碳纖維全纏繞氣瓶）和IV型瓶（塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶），兩者都適用于車載移動儲氫等移動場景，但IV型瓶在輕量化、儲氫密度、容積規格等方面性能更優，預計后續將作為主流瓶型廣泛運用。國外目前已開始商業化生產和使用70MPaIV型瓶，而我國現階段仍以35MPa III型瓶的應用為主，但隨著技術進步、疊加配套政策體系及基礎設施逐漸完善，國內也將逐步向70MPa IV型瓶過渡。

此外，氫能的發展可以解決風電光伏的消納問題，如果解決了氫能的儲存問題，未來的能源消費革命可能有氫能改寫，因為電力需要電網支持，而氫能只要一個小小的儲氫裝置，就可以帶走，無需上網，即插即用，未來可期。當然，先進復合材料在氫能的主要應用就在于氫能的儲存容器中。碳纖維復合材料的復合氣瓶可以達到70MPa，單位儲氫的能量密度大幅增加，對于氫能的儲存技術發展將帶來顛覆性的突破。同時，氫能的發展將極大的帶動碳纖維復合材料在氫能的應用市場。

日美歐多國制定了氫能發展戰略，日本是氫能產業技術領先者，三菱、松下、豐田等具有全產業鏈布局的綜合優勢。我國在氫能源領域還在起步階段，未來在氫燃料電池的突破和應用將成為重點，特別在商用車領域，如重卡、客車。其次像氫能儲能、分布式發電、氫能船舶等場景也會發展和豐富起來。從產業鏈來看，制氫、儲運、加氫和燃料電池以及下游應用等企業較活躍。

我國各地方政府陸續出臺支持氫能產業發展的政策，氫燃料電池汽車是氫能產業下游最重要的示范應用。隨著國內IV型瓶技術的突破，將會被廣泛應用于氫燃料電池汽車。在燃料電池汽車示范應用政策的推動下，我國氫燃料電池汽車保有量將會逐步增加，從而帶動碳纖維需求的大幅提升。

據預測，IV型高壓儲氫瓶的增長將十分巨大。例如，全球IV型高壓儲氫瓶的領軍企業挪威Hexagon復合材料公司，今年1月分拆出Hexagon Purus公司，專注于氫能、氫電池電力系統和存儲。據估計，從2025年到2030年，該公司儲氫瓶收入將增長630%。然而，IV型高壓儲氫瓶也面臨著嚴重的問題。最值得注意的是，碳纖維成本居高不下令儲氫瓶非常昂貴。盡管氫氣提供的能量是等質量汽油提供能量的3倍，但氫氣單位體積能量很低，這就需要大氣瓶來容納儲存足夠燃料所需的高壓。當應用于汽車等移動應用場景時，碳纖維IV型高壓儲氫瓶的重量較輕，推動了其對金屬材料的替代。

根據《2020全球碳纖維復合材料市場報告》，預計2025年全球壓力容器碳纖維需求量將達到2.19萬噸，2021-2025年復合增長率CAGR為20％。

雖然碳纖維是儲氫瓶制造的關鍵原材料，但是其成本和性能對儲氫瓶的成本和使用性能影響重大。根據美國能源局（DOE）的研究成果，碳纖維復合材料的成本占到儲氫瓶成本的60%以上。此外，儲氫瓶的制造成本還包括閥門、調節器、組裝檢查、氫氣等要素成本。

我國成為全球最大的碳纖維產能國。根據《2021全球碳纖維復合材料市場報告》，2021年全球碳纖維運行產能約為20.76萬噸，從區域角度來看，中國首次超過美國，成為全球最大產能國，運行產能達6.34萬噸，占2021年全球碳纖維運行產能的30.5%；美國位居第二，運行產能為4.87萬噸，占比為23.5%；日本位列第三，運行產能為2.5萬噸，占比為12%。

從生產商角度來看，位居首位的依然日本東麗，我國位居第二。雖然我國運行產能占比最大，但由于較多國產碳纖維企業尚未實現關鍵技術的突破，核心設備也多是進口且適配性不強，生產線運行及產品質量不穩定，產能利用率不足50%，長期存在高產能、低產量的現象，與發達國家還存在相當大的差距。2021年進口量為3.3萬噸，超過國產數量，而國產碳纖維出口寥寥無幾，說明無論在性能、質量水平及成本水平上，進口碳纖維依然有強大的優勢。所以我國碳纖維行業面臨的難題是：加強自主創新，突破技術瓶頸，形成與國際水平匹配的高性能碳纖維產業化。國產替代加速，未來空間巨大。

4. 新能源汽車行業—新能源汽車“王者之材”：碳纖維復合材料

汽車工業是復合材料應用量最大的領域之一，同時汽車工業的發展趨勢又直接影響復合材料的研究方向。2020年10月20日，我國印發《新能源汽車產業發展規劃（2021-2035年）》，明確提出“實施新能源汽車基礎技術提升工程……開展高性能鋁鎂合金、纖維增強復合材料、低成本稀土永磁材料等關鍵材料產業化應用”。2021年7月30日，我國要求：“挖掘國內市場潛力，支持新能源汽車加快發展”。

根據全球汽車工業發展的趨勢來看，安全、低碳和環保的汽車已成為21世紀汽車發展的主流，而汽車輕量化則是解決這個問題的核心。由于碳纖維復合材料具有輕質高強、耐腐蝕性和抗沖擊性強等特點，與鋼材、鋁材及其他金屬合金相比，其設計自由度更大、成型更加容易，因而碳纖維復合材料正日益成為汽車輕量化的首選材料。

1）復合材料用于汽車有以下5大優點：

制件的比強度、比疲勞強度和比剛度高。
減輕汽車質量,提高經濟性。復合材料一般能減輕質量35% ,從而有助于節約能源；

加工速度快，能在生產中節省成本。在初級階段，由于原材料成本和制造成本均很高，加之生產效率低、質量穩定性差等缺點，汽車復合材料并不被汽車工業所看好，因此一般只被用于小批量的、質量要求不高的非結構件產品。隨著復合材料技術的不斷進步以及生產自動化程度的不斷提高，復合材料零部件的產量呈增長之勢。

零部件一體化。結構整體性好，可用模具。一次成型法來制造各種構件，從而減少了零部件的數量及接頭等緊固件，可節省原材料、工時和模具費用，降低制造成本，縮短開發周期。

可設計性強。復合材料是一種“可設計”的材料，即通過改變纖維或基體，可以在極大范圍內設計材料的性能。但是，以往用復合材料制造汽車零部件的過程卻經常使好的設計無法實現，或不能以合理的成本制造出來。例如，纖維在樹脂基體中得不到準確排列或均勻分散，以及材料的局部力學性能和化學環境不能有效控制，造成制品的材料特性呈分散性大的缺點等，這些都是汽車工業所不能容忍的。

近年來，隨著一些相關的設計和開發軟件技術的進步，汽車復合材料的設計和制造變得更具科學性。通過汽車復合材料產品設計軟件、仿真模擬軟件和有限元分析軟件等，對提高汽車復合材料產品的質量、縮短成型周期以及降低生產成本等發揮了重要作用。目前，PAM-RTM成型工藝計算機模擬分析軟件己得到了廣泛應用，它能夠對RTM生產過程中樹脂的流峰、溫度、壓力場以及固化過程進行模擬預測，從而幫助獲得合理的注射方案并縮短生產周期。

輕量化材料作為新能源汽車材料中的關鍵材料，能夠有效提升汽車的整體性能，實現新能源汽車的技術突破。在新能源汽車的研發上，能量消耗是目前面臨的主要技術問題，通過車體重量降低、儲能容量擴大等方式可以有效降低能耗，但是目前新能源車主要使用電池材料，該材料的能量儲存性較低、儲存時間短，技術上的難題在短時間無法突破。為此，輕量化材料的誕生，使得新能源車可以通過降低自身重量來實現性能的提升。這一材料的應用不僅能夠節能減排，而且對于汽車的穩定安全性也十分有利，同時目前可以利用的輕量材料類型較多。所以，從新能源汽車發展趨勢來看，輕量化復合材料是重點研究對象。

碳纖維復合材料在寶馬汽車零部件中的應用比例

2）先進復合材料是新能源汽車輕量化的必然選擇：

先進復合材料與鋼車身經濟規模選擇；
先進復合材料投資成本、制造成本和維護成本最低；
先進復合材料性能最佳，減重效果最好；
先進復合材料可設計性、可制造性和工藝多樣化是金屬材料所無法比擬的。

3）新能源汽車先進復合材料輕量化前景光輝燦爛：

由于高燃油效率和低碳排放量的規定，全球汽車行業對先進復合材料取代金屬的需求正在日益增長；
碳纖維和先進復合材料成本大幅下降已指日可待；
先進的大批量汽車先進復合材料零部件生產工藝技術和生產線裝備陸續開發成功并投入生產；
“雙積分”政策和“雙停”時間表的制定將推動我國新能源汽車的大發展，汽車先進復合材料輕量化前景光輝燦爛。

5. 其他可再生能源行業—清潔、經濟又高效

可再生能源行業也采用復合材料。例如，一種有前途的海洋能源技術是波浪能轉換器（wave energy converters，WEC），它可以利用海浪運動來發電。2021，瑞典CorPower Ocean公司建造了第一個全尺寸的纖維纏繞玻璃纖維增強復合材料（GFRP）浮標狀WEC的原型，該公司希望到2025年將其擴大為工業規模的海洋能源農場。截至2022年10月，該公司已成功對許多系統部件進行了干態測試，并于2022年11月前將其第一個原型安裝在海上進行水中測試。

美國ORPC公司就為偏遠的阿拉斯加村莊建造并運營了潮汐電力系統。隨著技術進步，愛爾蘭領先的設計、制造和測試公司ÉireComposites宣布，他們與ORPC公司聯合開發出了最先進的船用流體動力學渦輪機（MHK），這個渦輪機在潮汐電力系統方面非常有潛力。當其在運行時，這種創新的電力系統可以在降低的成本的同時并生產出清潔的能源，而且還能提高電力輸出的可靠性。值得一提的是，MHK渦輪機的葉片是采用了碳纖維復合材料（CFRP）制造，用它制成的渦輪機葉片，剛度高，重量輕。而且還能減少阻力，使其在強大的氣壓下正常運作。據估計，潮汐流，洋流和河川流每年提供615MWh的可收獲能源，這直接影響了海洋可再生能源的發展，并使其替代化石燃料成為可能。

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