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碳碳復(fù)合材料在科技創(chuàng)新方面的發(fā)展情況和未來發(fā)展趨勢
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 金博    2023-02-10

先進(jìn)碳基復(fù)合材料是指以碳纖維為增強(qiáng)體，以碳或碳化硅等為基體，以化學(xué) 氣相沉積或浸漬等工藝形成的復(fù)合材料，主要包括碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品（碳纖維 增強(qiáng)基體碳）、碳/陶復(fù)合材料產(chǎn)品（碳纖維增強(qiáng)碳化硅）等。 碳纖維是由聚丙烯腈、瀝青或粘膠等有機(jī)母體纖維、在高溫環(huán)境下裂解碳化 形成碳主鏈結(jié)構(gòu)、含碳量在 90%以上的無機(jī)高分子纖維。

碳纖維具有出色的力學(xué) 性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高比強(qiáng)度和比模量的纖維，擁有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐高溫、耐腐蝕、可復(fù)合性 強(qiáng)等一系列優(yōu)良性能。 先進(jìn)碳基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈情況如下所示：

1、碳/碳復(fù)合材料

（1）碳/碳復(fù)合材料簡介

碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維及其織物增強(qiáng)碳基體所形成的高性能復(fù)合材料。 該材料具有比重輕、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、導(dǎo)熱導(dǎo)電 性能好等優(yōu)良性能，是制造高溫?zé)釄霾考湍Σ敛考淖罴押蜻x材料，被認(rèn)為是 21世紀(jì)最具潛力的高溫結(jié)構(gòu)材料之一。

碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展大致可劃分為三個(gè)階段：從碳/碳復(fù)合材料的發(fā)明到二十世紀(jì)六十年代中期，為基礎(chǔ)工藝研究階段；從二十世紀(jì)六十年代中期到九十年 代中期為應(yīng)用開發(fā)階段，主要應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域；九十年代中期到現(xiàn)在，為 碳/碳復(fù)合材料民用領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用階段。

（2）碳/碳復(fù)合材料的制備方法

目前，碳/碳復(fù)合材料的制備方法因致密化工藝的不同可主要分為化學(xué)氣相 沉積法、液相浸漬法以及這兩種方法的綜合使用。化學(xué)氣相沉積法中，基體碳與 纖維結(jié)合緊密、結(jié)構(gòu)可調(diào)，該法成為制備高性能碳/碳復(fù)合材料的首選方法。

1）化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法利用甲烷、丙烯等碳?xì)浠衔镌诟邷叵聼峤猱a(chǎn)生的碳沉積在 碳纖維預(yù)制體孔隙內(nèi)，實(shí)現(xiàn)碳纖維預(yù)制體的致密化，從而得到碳/碳復(fù)合材料。

2）液相浸漬法

液相浸漬法將碳纖維預(yù)制體浸入液態(tài)浸漬劑中，通過真空、加壓等措施使浸 漬劑滲入預(yù)制體的孔隙，再經(jīng)固化、碳化、石墨化等一系列處理過程，最終得到 碳/碳復(fù)合材料。

（3）碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展趨勢

碳/碳復(fù)合材料自 20 世紀(jì) 60 年代被發(fā)明以來，受到軍事、航空航天、以及 核能工業(yè)領(lǐng)域的極大關(guān)注。前期碳/碳復(fù)合材料制造工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、制 備工藝流程長，產(chǎn)品制備成本長期居高不下，其用途一直限制在一些工作條件苛 刻的部位，以及其他材料不能替代的航空航天等領(lǐng)域。 當(dāng)前，碳/碳復(fù)合材料研究的焦點(diǎn)主要集中在低成本制備、抗氧化、以及性 能、結(jié)構(gòu)的多樣化等方面，其中，以高性能、低成本的碳/碳復(fù)合材料制備技術(shù) 為研究的重點(diǎn)?；瘜W(xué)氣相沉積法是制備高性能碳/碳復(fù)合材料的首選方法，被廣 泛用于碳/碳復(fù)合材料制品的工業(yè)化生產(chǎn)，但是該技術(shù)工藝時(shí)間長，因而生產(chǎn)成 本高昂。改進(jìn)制備碳/碳復(fù)合材料的生產(chǎn)工藝，研制低成本、高性能、大尺寸、 復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳/碳復(fù)合材料，是促進(jìn)該材料產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵，是目前碳/碳復(fù)合 材料的主要發(fā)展趨勢。

（4）碳基復(fù)合材料對(duì)傳統(tǒng)石墨原料制造晶硅熱場系統(tǒng)的技術(shù)路線替代情況

1）先進(jìn)碳基復(fù)合材料熱場產(chǎn)品相對(duì)于傳統(tǒng)石墨原料產(chǎn)品具有明顯性能優(yōu)勢

先進(jìn)碳基復(fù)合材料熱場產(chǎn)品與傳統(tǒng)石墨產(chǎn)品比較，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

1） 強(qiáng)度更高，產(chǎn)品使用壽命長，減少更換部件的次數(shù)，從而提高設(shè)備的利用率，減 少維護(hù)成本；

2）導(dǎo)熱系數(shù)更低，保溫性能更好，有利于節(jié)能增效；

3）可以做得 更薄，從而可以利用現(xiàn)有設(shè)備生產(chǎn)直徑更大的單晶產(chǎn)品，節(jié)約新設(shè)備投資費(fèi)用；

4）安全性高，在反復(fù)高溫?zé)嵴鹣虏灰桩a(chǎn)生裂紋；

5）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，大型石墨材料 成型困難，而先進(jìn)碳基復(fù)合材料可以實(shí)現(xiàn)近凈成形，在大直徑單晶爐熱場系統(tǒng)領(lǐng) 湖南金博碳素股份有限公司 向不特定對(duì)象發(fā)行可轉(zhuǎn)換公司債券募集說明書 68 域具有明顯的性能優(yōu)勢。

2）碳基復(fù)合材料對(duì)傳統(tǒng)石墨原料制造晶硅熱場系統(tǒng)的技術(shù)路線替代過程

2005 年之前，晶硅制造熱場系統(tǒng)（主要包括單晶拉制爐、多晶鑄錠爐）部 件主要是以等靜壓石墨等特種石墨為主。

2005 年至 2010 年，先進(jìn)碳基復(fù)合材料在晶硅制造熱場系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)入探索期。以發(fā)行人和西安超碼為代表的國內(nèi)少數(shù)優(yōu)秀先進(jìn)碳基復(fù)合材料廠商的先 進(jìn)碳基復(fù)合材料產(chǎn)品開始了對(duì)等靜壓石墨產(chǎn)品的進(jìn)口替代。金博以單晶拉制爐熱場系統(tǒng)部件為主攻方向，率先推出了先進(jìn)碳基復(fù)合材料坩堝、導(dǎo)流筒等產(chǎn)品， 并獲得了國家重點(diǎn)新產(chǎn)品稱號(hào)。 2011 年，受日本福島大地震影響，進(jìn)口特種石墨供應(yīng)緊張，先進(jìn)碳基復(fù)合材料得到了批量應(yīng)用機(jī)會(huì)窗口，產(chǎn)品數(shù)量和種類快速發(fā)展。

2012 年至 2015 年，歐美雙反政策對(duì)中國光伏產(chǎn)業(yè)造成極大的沖擊，光伏行 業(yè)降低成本的緊迫需求使得國內(nèi)企業(yè)率先思變，開始大膽嘗試新材料、新工藝。 在這個(gè)階段，公司產(chǎn)品為光伏行業(yè)客戶單晶拉制爐增大投料量、提高拉速、降低 能耗等工藝提供了新型熱場設(shè)計(jì)與材料保障，推動(dòng)了光伏行業(yè)的降本增效、技術(shù) 進(jìn)步與復(fù)蘇發(fā)展。 2016 年起，國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)走出危機(jī)，形成全球競爭力，帶動(dòng)了國內(nèi)光伏相 關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展，也為公司的快速發(fā)展提供了廣闊的市場空間。

在十多年的發(fā)展中，以金博為代表的國內(nèi)優(yōu)秀先進(jìn)碳基復(fù)合材料廠商在晶 硅制造熱場細(xì)分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了彎道超車，其先進(jìn)碳基復(fù)合材料熱場部件產(chǎn)品從技術(shù)、 性能、成本、供貨周期等方面領(lǐng)先于國外廠商的等靜壓等特種石墨產(chǎn)品，逐步實(shí) 現(xiàn)進(jìn)口替代。

3）碳基復(fù)合材料對(duì)傳統(tǒng)石墨原料制造晶硅熱場系統(tǒng)的技術(shù)路線替代率程度情況

目前，先進(jìn)碳基復(fù)合材料對(duì)等靜壓石墨等特種石墨產(chǎn)品的替代情況如下所示：

由上表可知，等靜壓石墨在高端制造領(lǐng)域的用途較廣，高端品種依賴進(jìn)口。 目前先進(jìn)碳基復(fù)合材料僅在光伏行業(yè)晶硅制造熱場系統(tǒng)領(lǐng)域?qū)ζ涮娲潭容^高。 基于先進(jìn)碳基復(fù)合材料的性能優(yōu)勢及高端制造業(yè)國產(chǎn)化趨勢，其對(duì)等靜壓石墨的 替代前景廣闊。

以等靜壓石墨坩堝為例，等靜壓石墨坩堝生產(chǎn)環(huán)節(jié)較多，產(chǎn)品生產(chǎn)周期較長， 且需要氯氣或氟利昂純化。同時(shí)，從高性能熱場材料的發(fā)展趨勢看，由于等靜壓 石墨坩堝單一的性能特點(diǎn)，強(qiáng)度不足以保證產(chǎn)品安全，結(jié)構(gòu)和性能不可調(diào)，已經(jīng) 不能適應(yīng)熱場系統(tǒng)向大型化發(fā)展的趨勢。單晶硅制造熱場系統(tǒng)尺寸越大，替代率 越高，大于 26 英寸以上熱場的替代優(yōu)勢更加明顯，隨著單晶硅制造熱場系統(tǒng)尺寸整體變大，基復(fù)合材料對(duì)傳統(tǒng)石墨原料制造晶硅熱場系統(tǒng)的替代程度更高。

由于公開市場難以獲取境內(nèi)外光伏行業(yè)晶硅生產(chǎn)熱場材料等靜壓石墨產(chǎn)品和碳基復(fù)合材料產(chǎn)品的具體銷售數(shù)據(jù)，金博根據(jù)自身產(chǎn)品在市場中的銷售情況、 不同產(chǎn)品在單晶拉直爐中的具體應(yīng)用情況、光伏用單晶硅片的年產(chǎn)值情況、訪談 獲取主要光伏晶硅制造商的采購情況等因素，對(duì)光伏行業(yè)晶硅生產(chǎn)熱場材料等靜 壓石墨產(chǎn)品和碳基復(fù)合材料產(chǎn)品占比情況（以單晶拉制爐部件應(yīng)用為例）估算如下：

由上表可知，近年來，碳基復(fù)合材料的占比逐步提高，碳基復(fù)合材料逐漸取 代等靜壓石墨產(chǎn)品成為光伏用單晶拉制爐熱場系統(tǒng)部件的主要材料，替代趨勢明 顯。