復(fù)合材料具有輕量化、高強(qiáng)度化、智能化、多功能化、綠色環(huán)保等優(yōu)良特性，是國家鼓勵發(fā)展的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，是我國重要戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，對保障航空原材料供應(yīng)和帶動非航空民用產(chǎn)業(yè)發(fā)展均具有重要意義。近年來，隨著航空航天等下游產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，復(fù)合材料市場需求持續(xù)增長，碳纖維樹脂基復(fù)合材料、壓電復(fù)合材料等細(xì)分領(lǐng)域迅速崛起。其中碳纖維樹脂基復(fù)合材料憑借其重量輕、力學(xué)性能好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、性能可調(diào)控、來源廣、成本低等優(yōu)勢，發(fā)展快速，成為了復(fù)合材料市場快速增長的主要推動力。未來3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的創(chuàng)新開辟了低成本設(shè)計(jì)和制備的新時代，可作為一種彌合先進(jìn)材料與新型結(jié)構(gòu)之間差距的關(guān)鍵技術(shù)。
一、市場規(guī)模不斷增長，預(yù)計(jì)到2026年將達(dá)到3050億元
根據(jù)觀研報(bào)告網(wǎng)發(fā)布的《中國???????????復(fù)合材料?行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與投資前景分析報(bào)告（2024-2031年）》顯示，復(fù)合材料是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類，其中金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細(xì)粒等。各種材料在性能上互相取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。
資料來源：公開資料，觀研天下整理
近年來，隨著下游行業(yè)快速發(fā)展，復(fù)合材料市場需求快速增長，使得市場規(guī)模不斷擴(kuò)大。到目前，我國已占據(jù)了全球主要市場份額，成為了全球最重要的復(fù)合材料制品產(chǎn)地之一。數(shù)據(jù)顯示，2023年我國復(fù)合材料市場規(guī)模達(dá)到約2327億元，較上年增長10.30%。預(yù)計(jì)到2026年我國復(fù)合材料市場規(guī)模將達(dá)到3050億元。
數(shù)據(jù)來源：中國復(fù)合材料學(xué)會，觀研天下整理
二、碳纖維樹脂基復(fù)合材料成市場快速增長主要推動力
目前在我國復(fù)合材料市場上，玻璃纖維復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料由于其綜合性能優(yōu)異，成為市場主流產(chǎn)品，二者合計(jì)約占整個復(fù)合材料市場規(guī)模的90%，其中玻璃纖維約占84%，碳纖維約占6%。
近年來受益于下游風(fēng)電市場的爆發(fā)性增長以及航空航天、國防軍工市場的亮眼表現(xiàn)，碳纖維樹脂基復(fù)合材料市場規(guī)?？焖僭鲩L，成為了復(fù)合材料市場快速增長的主要推動力。2023年我國碳纖維復(fù)合材料總量為106269噸，產(chǎn)值為1293億元。預(yù)計(jì)2024年我國碳纖維復(fù)合材料總量將達(dá)到108394噸，產(chǎn)值將達(dá)到1551.60億元。
數(shù)據(jù)來源：公開數(shù)據(jù)，觀研天下整理
目前碳纖維復(fù)合材料憑借其重量輕、力學(xué)性能好、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、性能可調(diào)控、來源廣、成本低等優(yōu)勢，在國防軍事的發(fā)展中有著重要地位，且已廣泛應(yīng)用于各類飛機(jī)、無人機(jī)、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星中。
三、壓電復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)迅速崛起且前景廣闊
近年除了碳纖維樹脂基復(fù)合材料發(fā)展快速外，受0-3型、1-3型、3-3型等多種類型的生產(chǎn)工藝的推動，以及電子、通信、醫(yī)療、航空航天等下游領(lǐng)域的快速發(fā)展，國內(nèi)壓電復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)也發(fā)展較為迅猛，市場需求逐年增長，產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。有數(shù)據(jù)顯示，2024年中國壓電復(fù)合材料市場規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到320億元，并有望在未來幾年內(nèi)保持較高的復(fù)合增長率。
目前壓電復(fù)合材料在換能器、傳感器、機(jī)器人等領(lǐng)域，其應(yīng)用越來越廣泛。在換能器領(lǐng)域，壓電復(fù)合材料可以將機(jī)械能和電能相互轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于超聲清洗、超聲焊接、超聲成像等領(lǐng)域；在傳感器領(lǐng)域，其可以感知外界的壓力、溫度、濕度等物理量，為智能化控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的信息；在機(jī)器人領(lǐng)域，壓電復(fù)合材料可以用于制造高性能的驅(qū)動器和傳感器，提高機(jī)器人的性能和智能化水平。
資料來源：公開資料，觀研天下整理
預(yù)計(jì)隨著上述換能器、傳感器、機(jī)器人等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，壓電復(fù)合材料在這些領(lǐng)域的應(yīng)用將帶來更多的投資需求，投資前景廣闊。眾多投資者紛紛看好這一領(lǐng)域，加大投資力度，推動產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
例如在機(jī)器人領(lǐng)域：工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)自動化的構(gòu)成主體，是工業(yè)自動化的三大技術(shù)之一，與數(shù)控加工中心、自動引導(dǎo)車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)( FMS )和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( CIMS ),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動化。
工業(yè)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于制造業(yè)的各個領(lǐng)域之中,有力地推動了制造業(yè)的發(fā)展,是實(shí)現(xiàn)智能生產(chǎn)和數(shù)字化工廠的通用基礎(chǔ)設(shè)施。由于相比數(shù)控機(jī)床，工業(yè)機(jī)器人通用性更好，運(yùn)動能力更強(qiáng)，更易操作和維護(hù)，因此也被認(rèn)為是“更需運(yùn)動控制的易用型數(shù)控機(jī)床”。
作為制造業(yè)大國，我國對工業(yè)機(jī)器人的需求十分旺盛。隨著人口紅利的消退和人力成本的持續(xù)上升，工業(yè)機(jī)器人憑借高精確度、高穩(wěn)定性及低成本等獨(dú)特優(yōu)勢，成為了替代制造業(yè)中繁重、乏味或有害環(huán)境下體力勞動工作的理想選擇。從汽車、機(jī)械加工、電子電氣到食品、物流等多個行業(yè)，都能看到工業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用。自2013年起，我國已首次超越日本，成為全球第一大的工業(yè)機(jī)器人市場，并保持這一領(lǐng)先地位至今，已長達(dá)11年之久。截至2023年末，我國工業(yè)機(jī)器人銷量31.6萬臺,同比增長4.29%；產(chǎn)量達(dá)到42.95 萬臺，比2015年增長了13倍。
數(shù)據(jù)來源：公開資料整理，觀研天下整理
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目前國內(nèi)外眾多企業(yè)紛紛涉足該領(lǐng)域，通過技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品優(yōu)化和市場拓展來爭奪市場份額。國外知名企業(yè)如KYOCERA、TDK CeramTec、Murata等憑借其技術(shù)優(yōu)勢和品牌影響力，在全球市場上占據(jù)領(lǐng)先地位。而國內(nèi)企業(yè)如天通股份、召業(yè)申凱等也在積極發(fā)展壓電復(fù)合材料業(yè)務(wù)，通過不斷提升產(chǎn)品質(zhì)量和擴(kuò)大產(chǎn)能來增強(qiáng)市場競爭力。
四、3D 纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料引領(lǐng)未來科技潮流
與金屬和合金材料相比，連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRPC）具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比模量高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車、飛行器和航天領(lǐng)域。例如可以用于先進(jìn)飛機(jī)機(jī)身制造，如空客遠(yuǎn)程寬體大飛機(jī)A350 XWB，其復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的53％，是當(dāng)今世界上復(fù)合材料占比最高的大飛機(jī)。
資料來源：3D打印技術(shù)參考，觀研天下整理
3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的創(chuàng)新開辟了低成本設(shè)計(jì)和制備的新時代，可作為一種彌合先進(jìn)材料與新型結(jié)構(gòu)之間差距的關(guān)鍵技術(shù)。
3D打印技術(shù)也被稱作增材制造技術(shù)( Additive Manufacturing，簡稱 AM) ，是各式打印工藝的匯稱。3D 打印是以三維數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，通過工程塑料線材、粉末和樹脂等特定的材料逐層累積形成三維實(shí)體的快速成型技術(shù)。隨著航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、電子行業(yè)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)無法滿足當(dāng)前市場需求，這就催生了復(fù)合材料的產(chǎn)生。而將3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)合材料的制造也越來越受歡迎。根據(jù)IDTechEx報(bào)告稱，到2030年，復(fù)合材料3D打印市場規(guī)模將達(dá)到17.3億美元。
3D 纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料作為復(fù)合材料領(lǐng)域的一顆新星，未來前景廣闊，備受矚目。盡管不同研究機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)和預(yù)測有所不同，但各方一致認(rèn)為該材料具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。在國際市場上，3D Systems Corp.、Arkemasa、Arevo Inc.、BASF SE 和 Cosine Additive Inc. 等廠商占據(jù)領(lǐng)先地位。這些企業(yè)憑借先進(jìn)的技術(shù)和強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力，不斷推出創(chuàng)新產(chǎn)品，引領(lǐng)著行業(yè)的發(fā)展方向。
北美和歐洲作為該材料的重要生產(chǎn)地區(qū)，在航空航天與國防、醫(yī)療保健、汽車等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。例如在航空航天與國防領(lǐng)域，3D 纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的高強(qiáng)度和輕量化特性，使其成為制造高性能飛行器和軍事裝備的理想材料；在醫(yī)療保健領(lǐng)域，其可定制性和生物相容性為醫(yī)療器械的創(chuàng)新提供了新的可能；在汽車領(lǐng)域，該材料有助于提高汽車的性能和安全性，同時降低油耗和排放。
未來，我國復(fù)合材料行業(yè)各應(yīng)用領(lǐng)域的市場規(guī)模和增長趨勢值得期待。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和成本的逐漸降低，3D 纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料有望在更多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。
目前市場上的 3D 打印技術(shù)的成型方式主要分為黏結(jié)劑噴射成型技術(shù)(3DP) 、熔融層積成型技術(shù) (FDM) 、光固化成型技術(shù)(SLA) 、選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) 、選擇性激光熔融技術(shù)(SLM) 以及分層實(shí)體制 造技術(shù)(LOM) 。
三維打印技術(shù)概述
| 黏結(jié)劑噴射成型技術(shù)(3DP) | 熔融層積成型技術(shù) (FDM) | 光固化成型技術(shù)(SLA) | 選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù) (SLS) | 選擇性激光熔融技術(shù)(SLM) | 分層實(shí)體制 造技術(shù)(LOM) | |
| 材料 | 聚合材料、陶瓷與金屬粉末、石膏粉復(fù)合材料 | PLA,ABS.PC.PP.石膏及其復(fù)合材料 | 光敏樹脂及其聚合材料 | 金屬粉末、陶瓷粉末、熱塑性塑料 | 不銹鋼、鈦合金、鈷鉻合金、鋁 | 紙、塑科膜、陶瓷膜、金屬片材、復(fù)合材料片材 |
| 優(yōu)點(diǎn) | 過程快; 多種模型色彩感; 價格相對便宜 | 成型件強(qiáng)度與精度較高; 材料環(huán)保且價格低廉; 制造成本低 | 表面質(zhì)量高、較光滑; 可打印復(fù)雜形狀,成型速度較快 | 材料廣且利用率高;打印精度高( 0.1-0.2 mm) | 能打印任意復(fù)雜形狀; 成型速度高,精度高,質(zhì)量好; 節(jié)約原料 | 精度高，不需要支撐,成本低，成型效率高 |
| 缺點(diǎn) | 產(chǎn)品機(jī)械性能較差;強(qiáng) 度、韌性不夠; 原材料較貴 | 表面較粗糙，需進(jìn)行后期處理;打印速度較慢 | 材料較脆且價格昂貴,輕微有毒;制作成本高;后處理復(fù)雜 | 成型效率不高，加工時間長; 表面質(zhì)量較粗糙且后處理復(fù)雜 | 設(shè)備造價高;需要專業(yè)的技術(shù);產(chǎn)品表面粗糙，后期處理難度大 | 前、后處理費(fèi)時費(fèi)力,原材料有限，工件強(qiáng)度和彈性一般 |
| 應(yīng)用 | 建筑業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)家居、醫(yī)療、雕塑 | 家電、航空航天、醫(yī)學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)、文化藝術(shù) | 建筑、工業(yè)設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)、藝術(shù)動漫 | 航空航天、汽車制造、模具制造、醫(yī)療 | 航空航天、汽車制造、模具制造、醫(yī)療 | 汽車、電器、航天航空、建筑、醫(yī)學(xué) |
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五、航空航天是目前復(fù)合材料重要應(yīng)用領(lǐng)域
復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天、導(dǎo)彈、空間平臺和運(yùn)載火箭、軌道交通、能源等領(lǐng)域。例如在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料被用于機(jī)身和航空渦輪發(fā)動機(jī)制造。在汽車行業(yè)中，復(fù)合材料被用于制造車身、發(fā)動機(jī)罩下的電氣和隔熱部件等；在能源領(lǐng)域，復(fù)合材料在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等方面的應(yīng)用也日益增多。
復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域情
| 應(yīng)用領(lǐng)域 | 應(yīng)用情況 |
| 航空航天 | 航空制造業(yè)作為國家戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和現(xiàn)代工業(yè)的典范，既是一個國家國防安全的重要基礎(chǔ)，也體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)發(fā)展程度，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，代表了制造業(yè)和高新技術(shù)的最高水平。復(fù)合材料憑借其輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕、抗疲勞性能好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等獨(dú)有的優(yōu)越性能，已開始主導(dǎo)航空制造業(yè)的發(fā)展。繼中國首個國產(chǎn)大飛機(jī)C919首飛后，我國亦在下一代遠(yuǎn)程客機(jī)C929研發(fā)中提出了復(fù)合材料用量超過50%的宏偉目標(biāo)。進(jìn)入新世紀(jì)以來，商用和軍用飛機(jī)逐漸實(shí)現(xiàn)全機(jī)身復(fù)合材料替代，F(xiàn)-35閃電II復(fù)合材料用量達(dá)到35%；由英、德、意、西四國聯(lián)合研制的EF-2000歐洲戰(zhàn)斗機(jī)復(fù)合材料用量超過40%；先進(jìn)無人機(jī)的復(fù)合材料用量多已超過80%。除了機(jī)身結(jié)構(gòu)，航空發(fā)動機(jī)作為尖端技術(shù)發(fā)展與集成的引擎，更是被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”。由于具有密度小、比強(qiáng)度高和耐高溫等固有特性，復(fù)合材料在航空渦輪發(fā)動機(jī)上應(yīng)用的范圍越來越廣且比例越來越大，使航空渦輪發(fā)動機(jī)向“全復(fù)合材料發(fā)動機(jī)”方向發(fā)展。 |
| 導(dǎo)彈、空間平臺和運(yùn)載火箭 | 碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有不可替代性。CFRP（碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料）被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器、空間平臺和運(yùn)載火箭等航天領(lǐng)域。在導(dǎo)彈武器應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造彈體整流罩、復(fù)合支架、儀器艙、誘餌艙和發(fā)射筒等主次承力結(jié)構(gòu)部件；在空間平臺應(yīng)用方面，CFRP可確保結(jié)構(gòu)變形小、承載力好、抗輻射、耐老化和空間環(huán)境耐受性良好，主要用于制造衛(wèi)星和空間站的承力筒、蜂窩面板、基板、相機(jī)鏡筒和拋物面天線等結(jié)構(gòu)部件；在運(yùn)載火箭應(yīng)用方面，CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、級間段、發(fā)動機(jī)喉襯和噴管等部件。目前，CFRP在航天器上的應(yīng)用已日臻成熟，其是實(shí)現(xiàn)航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關(guān)鍵材料。 |
| 軌道交通 | 輕量化是減少列車運(yùn)行能耗的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。金屬制造的軌道列車，雖車體強(qiáng)度高，但質(zhì)量大、能耗高。以C20FICAS不銹鋼地鐵列車為例，其每千米能耗約為3600萬J(即10kWh)，運(yùn)行15萬km約消耗54萬GJ能量；如質(zhì)量能減少30%，則可節(jié)能8100GJ。復(fù)合材料是新一代高速軌道列車車體選材的重點(diǎn)，它不僅可使軌道列車車體輕量化，還可以改進(jìn)高速運(yùn)行性能、降低能耗、減輕環(huán)境污染、增強(qiáng)安全性。當(dāng)前，復(fù)合材料在軌道車輛領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢：從車箱內(nèi)飾、車內(nèi)設(shè)備等非承載結(jié)構(gòu)零件向車體、構(gòu)架等承載構(gòu)件擴(kuò)展；從裙板、導(dǎo)流罩等零部件向頂蓋、司機(jī)室、整車車體等大型結(jié)構(gòu)發(fā)展；以金屬與復(fù)合材料混雜結(jié)構(gòu)為主，復(fù)合材料的用量大幅提高。 |
| 能源 | 在風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片等方面的應(yīng)用日益增多。 |
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目前航空航天是復(fù)合材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。隨著飛機(jī)輕量化需求的增加，復(fù)合材料在機(jī)身、機(jī)翼、發(fā)動機(jī)部件等方面的應(yīng)用日益廣泛。有相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2022年我國航空航天復(fù)合材料市場規(guī)模達(dá)578.76億元，占復(fù)合材料市場整體規(guī)模比例高達(dá)27%。
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