一、先进碳基复合材料概述及产业链图解
先进碳基复合材料是指以碳纤维为增强体，以碳或碳化硅等为基体，以化学气相沉积或浸渍等工艺形成的复合材料，主要包括碳/碳复合材料产品（碳纤维增强基体碳）、碳/陶复合材料产品（碳纤维增强碳化硅）等。
先进碳基复合材料产业链图解
数据来源：观研天下整理
二、先进碳基复合材料行业上游
据观研报告网发布的《中国先进碳基复合材料行业现状深度调研与投资前景预测报告（2022-2029年）》显示，碳纤维是由聚丙烯腈、沥青或粘胶等有机母体纤维、在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构、含碳量在 90%以上的无机高分子纤维。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高比强度和比模量的纤维，拥有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐高温、耐腐蚀、可复合性强等一系列优良性能。根据数据显示，2021年，中国碳纤维产量达2.43万吨，预计2022年可达2.77万吨。在需求方面，随着国内风电、光伏等可再生能源装机规模持续扩大，我国碳纤维行业需求随之增长，2021年市场规模将进一步扩大到12.13亿美元。
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三、先进碳基复合材料行业中游
先进碳基复合材料主要包括碳/碳复合材料产品、碳/陶复合材料产品等。碳/碳复合材料的制备方法因致密化工艺的不同可主要分为化学气相沉积法、液相浸渍法以及这两种方法的综合使用；碳/陶复合材料的制备方法主要包括先驱体转化法、化学气相沉积法和反应溶体浸渗法等。
先进碳基复合材料分类
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类别 |
碳/碳复合材料产品 |
碳/陶复合材料产品 |
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定义 |
碳/碳复合材料是由碳纤维及其织物增强碳基体所形成的高性能复合材料。该材料具有比重轻、热膨胀系数低、耐高温、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好等优良性能，是制造高温热场部件和摩擦部件的最佳候选材料，被认为是21世纪最具潜力的高温结构材料之一。 |
碳/陶复合材料是指由碳纤维作为增强体，碳化硅作为连续基体的一类新型复合材料。碳/陶复合材料不仅具有高性能陶瓷的高强度、高模量、高硬度、耐冲击、抗氧化、耐高温、耐酸碱、热膨胀系数小、比重轻等优点，同时还克服了一般陶瓷材料的脆性大、功能单一等缺点，是公认的理想高温结构材料和摩擦材料之一。 |
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制备工艺 |
化学气相沉积法：化学气相沉积法利用甲烷、丙烯等碳氢化合物在高温下热解产生的碳沉积在碳纤维预制体孔隙内，实现碳纤维预制体的致密化，从而得到碳/碳复合材料 |
先驱体转化法：先驱体转化法是在一定的温度和压力下，将液态含硅有机化合物浸渗到多孔碳纤维预制体中或碳/碳复合材料的孔隙中，然后经过干燥和热处理，使先驱体发生热解并得到所需的碳化硅基体，从而得到碳/碳化硅复合材料 |
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液相浸渍法：液相浸渍法将碳纤维预制体浸入液态浸渍剂中，通过真空、加压等措施使浸渍剂渗入预制体的孔隙，再经固化、碳化、石墨化等一系列处理过程，最终得到碳/碳复合材料 |
化学气相沉积法：化学气相沉积法是利用三氯甲基硅烷、四氯化硅等含硅的有机物为前驱体，在高温下热解产生碳化硅沉积在碳纤维预制体孔隙内或碳/碳复合材料的孔隙中，从而得到碳/碳化硅复合材料 |
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反应溶体浸渗法：反应溶体浸渗法是在高温下将液态硅渗入到碳纤维预制体中或碳/碳复合材料的孔隙中，从而得到碳/碳化硅复合材料 |
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发展趋势 |
碳/碳复合材料研究的焦点主要集中在低成本制备、抗氧化、以及性能、结构的多样化等方面，其中，以高性能、低成本的碳/碳复合材料制备技术为研究的重点。化学气相沉积法是制备高性能碳/碳复合材料的首选方法，被广泛用于碳/碳复合材料制品的工业化生产，但是该技术工艺时间长，因而生产成本高昂。改进制备碳/碳复合材料的生产工艺，研制低成本、高性能、大尺寸、复杂结构的碳/碳复合材料，是促进该材料产业化应用的关键，是目前碳/碳复合材料的主要发展趋势。 |
我国从20世纪80年代开始对作为航空航天结构部件的碳/陶复合材料开展研究，并取得了较大进展；但作为制动摩擦材料，直到21世纪初期，国内才开始进行关注。目前，经过科研创新与技术积累，国内少数企业已经具备了制备碳/陶复合材料的相关技术和工艺，低成本、规模化的制备工艺成为目前碳/陶复合材料的研究重点和发展趋势。 |
四、先进碳基复合材料行业下游
目前，我国先进碳基复合材料行业主要应用于光伏、半导体、密封耐磨、刹车制动等领域。
1、光伏产业市场空间广阔，带动先进碳基复合材料行业加速发展
碳基复合材料可用于太阳能光伏行业重要组件硅晶材料的生产。随着国内先进碳基复合材料制备技术的发展，先进碳基复合材料成为降低硅晶体制备成本、提高硅晶体质量的最优选择，正逐步形成在晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的升级换代。
先进碳基复合材料在光伏领域应用场景
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应用场景 |
主要部件 |
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直拉单晶硅炉 |
坩埚、导流筒、加热器、保温筒、板材和电极 |
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多晶硅铸锭炉 |
顶板、盖板、护板、加热器、保温条、紧固件 |
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近年来，随着光伏产业升级及其降成本进程不断推进，先进碳基复合材料将替代石墨材料，成为光伏产业、半导体产业晶硅制造热场系统部件的主要材料，拥有巨大的市场空间。根据国家能源局数据显示，2021年，全国新增光伏并网装机容量54.88GW，同比上升13.9%，累计光伏并网装机容量达到308GW，同比增长21.74%。
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2、半导体行业发展迅速，对先进碳基复合材料的需求持续增长
先进碳基复合材料与石墨相比，具有诸多性能优势及性价比优势。随着国内半导体产业的快速发展，对于大直径、高纯度单晶硅的需求逐渐增加，其单晶硅生长炉所要求的坩埚、导流筒、加热器、保温筒等直径也不断增大。因此，先进碳基复合材料产品在半导体领域的应用具有广阔的市场前景。根据数据显示，2020年，中国半导体硅片市场规模185.2亿美元，预计2022年将达209.5亿美元。
碳基复合材料热场产品与传统石墨产品比较下的优势
数据来源：观研天下整理
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3、先进碳基复合材料在制动领域的应用
铸铁、粉末冶金材料、碳/碳复合材料及碳/陶复合材料是目前应用于汽车、高速列车和飞机等交通工具的主要制动材料。与传统铸铁或粉末冶金材料相比，碳/碳复合材料、碳/陶复合材料的摩擦系数更高，磨损率低、无热衰减、密度更小，在制动应用领域具有明显的性能优势。
先进碳基复合材料在制动领域的相对特性指标情况
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材料体系 |
摩擦系数 |
湿态摩擦系数 |
磨损率 |
密度 |
|
铸铁 |
1 |
1 |
1.00 |
1 |
|
粉末冶金材料 |
2-3 |
1-2 |
0.10 |
1/2 |
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碳/碳复合材料 |
2-3 |
1-2 |
0.01 |
1/4 |
|
碳/陶复合材料 |
3-4 |
3-4 |
0.01 |
1/4 |
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4、先进碳基复合材料在耐腐蚀领域的应用
先进碳基复合材料与传统的金属及合金结构材料相比具有优良的耐腐蚀性，在酸、碱、盐溶液及有机溶剂中呈现化学惰性。同时，先进碳基复合材料具有耐高温、比强度大等特点，是替代金属及合金耐腐蚀材料的最佳选择。随着先进碳基复合材料在化工行业的推广应用，先进碳基复合材料具有较为广阔的市场空间。（WYD）
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