碳碳复合材料在科技创新方面的发展情况和未来发展趋势
思瀚产业研究院 金博    2023-02-10

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。 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。 先进碳基复合材料产业链情况如下所示：

1、碳/碳复合材料

（1）碳/碳复合材料简介

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/碳复合材料的发展大致可划分为三个阶段：从碳/碳复合材料的发明到二十世纪六十年代中期，为基础工艺研究阶段；从二十世纪六十年代中期到九十年 代中期为应用开发阶段，主要应用于航空航天等领域；九十年代中期到现在，为 碳/碳复合材料民用领域的开发应用阶段。

（2）碳/碳复合材料的制备方法

目前，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。化学气相沉积法中，基体碳与 纤维结合紧密、结构可调，该法成为制备高性能碳/碳复合材料的首选方法。

1）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。

2）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。

（3）碳/碳复合材料的发展趋势

碳/碳复合材料自 20 世纪 60 年代被发明以来，受到军事、航空航天、以及 核能工业领域的极大关注。前期碳/碳复合材料制造工艺复杂、技术难度大、制 备工艺流程长，产品制备成本长期居高不下，其用途一直限制在一些工作条件苛 刻的部位，以及其他材料不能替代的航空航天等领域。 当前，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。

（4）碳基复合材料对传统石墨原料制造晶硅热场系统的技术路线替代情况

1）先进碳基复合材料热场产品相对于传统石墨原料产品具有明显性能优势

先进碳基复合材料热场产品与传统石墨产品比较，具有以下突出优点：

1） 强度更高，产品使用寿命长，减少更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减 少维护成本；

2）导热系数更低，保温性能更好，有利于节能增效；

3）可以做得 更薄，从而可以利用现有设备生产直径更大的单晶产品，节约新设备投资费用；

4）安全性高，在反复高温热震下不易产生裂纹；

5）可设计性强，大型石墨材料 成型困难，而先进碳基复合材料可以实现近净成形，在大直径单晶炉热场系统领 湖南金博碳素股份有限公司 向不特定对象发行可转换公司债券募集说明书 68 域具有明显的性能优势。

2）碳基复合材料对传统石墨原料制造晶硅热场系统的技术路线替代过程

2005 年之前，晶硅制造热场系统（主要包括单晶拉制炉、多晶铸锭炉）部 件主要是以等静压石墨等特种石墨为主。

2005 年至 2010 年，先进碳基复合材料在晶硅制造热场系统领域的应用进入探索期。以发行人和西安超码为代表的国内少数优秀先进碳基复合材料厂商的先 进碳基复合材料产品开始了对等静压石墨产品的进口替代。金博以单晶拉制炉热场系统部件为主攻方向，率先推出了先进碳基复合材料坩埚、导流筒等产品， 并获得了国家重点新产品称号。 2011 年，受日本福岛大地震影响，进口特种石墨供应紧张，先进碳基复合材料得到了批量应用机会窗口，产品数量和种类快速发展。

2012 年至 2015 年，欧美双反政策对中国光伏产业造成极大的冲击，光伏行 业降低成本的紧迫需求使得国内企业率先思变，开始大胆尝试新材料、新工艺。 在这个阶段，公司产品为光伏行业客户单晶拉制炉增大投料量、提高拉速、降低 能耗等工艺提供了新型热场设计与材料保障，推动了光伏行业的降本增效、技术 进步与复苏发展。 2016 年起，国内光伏产业走出危机，形成全球竞争力，带动了国内光伏相 关行业的快速发展，也为公司的快速发展提供了广阔的市场空间。

在十多年的发展中，以金博为代表的国内优秀先进碳基复合材料厂商在晶 硅制造热场细分领域实现了弯道超车，其先进碳基复合材料热场部件产品从技术、 性能、成本、供货周期等方面领先于国外厂商的等静压等特种石墨产品，逐步实 现进口替代。

3）碳基复合材料对传统石墨原料制造晶硅热场系统的技术路线替代率程度情况

目前，先进碳基复合材料对等静压石墨等特种石墨产品的替代情况如下所示：

由上表可知，等静压石墨在高端制造领域的用途较广，高端品种依赖进口。 目前先进碳基复合材料仅在光伏行业晶硅制造热场系统领域对其替代程度较高。 基于先进碳基复合材料的性能优势及高端制造业国产化趋势，其对等静压石墨的 替代前景广阔。

以等静压石墨坩埚为例，等静压石墨坩埚生产环节较多，产品生产周期较长， 且需要氯气或氟利昂纯化。同时，从高性能热场材料的发展趋势看，由于等静压 石墨坩埚单一的性能特点，强度不足以保证产品安全，结构和性能不可调，已经 不能适应热场系统向大型化发展的趋势。单晶硅制造热场系统尺寸越大，替代率 越高，大于 26 英寸以上热场的替代优势更加明显，随着单晶硅制造热场系统尺寸整体变大，基复合材料对传统石墨原料制造晶硅热场系统的替代程度更高。

由于公开市场难以获取境内外光伏行业晶硅生产热场材料等静压石墨产品和碳基复合材料产品的具体销售数据，金博根据自身产品在市场中的销售情况、 不同产品在单晶拉直炉中的具体应用情况、光伏用单晶硅片的年产值情况、访谈 获取主要光伏晶硅制造商的采购情况等因素，对光伏行业晶硅生产热场材料等静 压石墨产品和碳基复合材料产品占比情况（以单晶拉制炉部件应用为例）估算如下：

由上表可知，近年来，碳基复合材料的占比逐步提高，碳基复合材料逐渐取 代等静压石墨产品成为光伏用单晶拉制炉热场系统部件的主要材料，替代趋势明 显。