復合材料具有輕量化、高強度化、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)略新興產業(yè)，是我國重要戰(zhàn)略性新興產業(yè)，對保障航空原材料供應和帶動非航空民用產業(yè)發(fā)展均具有重要意義。近年來，隨著航空航天等下游產業(yè)快速發(fā)展，復合材料市場需求持續(xù)增長，碳纖維樹脂基復合材料、壓電復合材料等細分領域迅速崛起。其中碳纖維樹脂基復合材料憑借其重量輕、力學性能好、結構設計靈活、性能可調控、來源廣、成本低等優(yōu)勢，發(fā)展快速，成為了復合材料市場快速增長的主要推動力。未來3D打印連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料的創(chuàng)新開辟了低成本設計和制備的新時代，可作為一種彌合先進材料與新型結構之間差距的關鍵技術。
一、市場規(guī)模不斷增長，預計到2026年將達到3050億元
根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國???????????復合材料?行業(yè)現(xiàn)狀深度研究與投資前景分析報告（2024-2031年）》顯示，復合材料是人們運用先進的材料制備技術將不同性質的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。復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、金屬絲和硬質細粒等。各種材料在性能上互相取長補短，產生協(xié)同效應，使復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，復合材料市場需求快速增長，使得市場規(guī)模不斷擴大。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合材料制品產地之一。數(shù)據(jù)顯示，2023年我國復合材料市場規(guī)模達到約2327億元，較上年增長10.30%。預計到2026年我國復合材料市場規(guī)模將達到3050億元。
數(shù)據(jù)來源：中國復合材料學會，觀研天下整理
二、碳纖維樹脂基復合材料成市場快速增長主要推動力
目前在我國復合材料市場上，玻璃纖維復合材料和碳纖維復合材料由于其綜合性能優(yōu)異，成為市場主流產品，二者合計約占整個復合材料市場規(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)，碳纖維樹脂基復合材料市場規(guī)模快速增長，成為了復合材料市場快速增長的主要推動力。2023年我國碳纖維復合材料總量為106269噸，產值為1293億元。預計2024年我國碳纖維復合材料總量將達到108394噸，產值將達到1551.60億元。
數(shù)據(jù)來源：公開數(shù)據(jù)，觀研天下整理
目前碳纖維復合材料憑借其重量輕、力學性能好、結構設計靈活、性能可調控、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，且已廣泛應用于各類飛機、無人機、導彈、運載火箭、衛(wèi)星中。
三、壓電復合材料產業(yè)迅速崛起且前景廣闊
近年除了碳纖維樹脂基復合材料發(fā)展快速外，受0-3型、1-3型、3-3型等多種類型的生產工藝的推動，以及電子、通信、醫(yī)療、航空航天等下游領域的快速發(fā)展，國內壓電復合材料產業(yè)也發(fā)展較為迅猛，市場需求逐年增長，產業(yè)規(guī)模持續(xù)擴大。有數(shù)據(jù)顯示，2024年中國壓電復合材料市場規(guī)模預計將達到320億元，并有望在未來幾年內保持較高的復合增長率。
目前壓電復合材料在換能器、傳感器、機器人等領域，其應用越來越廣泛。在換能器領域，壓電復合材料可以將機械能和電能相互轉換，廣泛應用于超聲清洗、超聲焊接、超聲成像等領域；在傳感器領域，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)提供準確的信息；在機器人領域，壓電復合材料可以用于制造高性能的驅動器和傳感器，提高機器人的性能和智能化水平。
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預計隨著上述換能器、傳感器、機器人等產業(yè)的發(fā)展，壓電復合材料在這些領域的應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域，加大投資力度，推動產業(yè)的快速發(fā)展。
例如在機器人領域：工業(yè)機器人是工業(yè)自動化的構成主體，是工業(yè)自動化的三大技術之一，與數(shù)控加工中心、自動引導車以及自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)( FMS )和計算機集成制造系統(tǒng)( CIMS ),實現(xiàn)生產自動化。
工業(yè)機器人廣泛應用于制造業(yè)的各個領域之中,有力地推動了制造業(yè)的發(fā)展,是實現(xiàn)智能生產和數(shù)字化工廠的通用基礎設施。由于相比數(shù)控機床，工業(yè)機器人通用性更好，運動能力更強，更易操作和維護，因此也被認為是“更需運動控制的易用型數(shù)控機床”。
作為制造業(yè)大國，我國對工業(yè)機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)機器人憑借高精確度、高穩(wěn)定性及低成本等獨特優(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)機器人的廣泛應用。自2013年起，我國已首次超越日本，成為全球第一大的工業(yè)機器人市場，并保持這一領先地位至今，已長達11年之久。截至2023年末，我國工業(yè)機器人銷量31.6萬臺,同比增長4.29%；產量達到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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目前國內外眾多企業(yè)紛紛涉足該領域，通過技術創(chuàng)新、產品優(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等憑借其技術優(yōu)勢和品牌影響力，在全球市場上占據(jù)領先地位。而國內企業(yè)如天通股份、召業(yè)申凱等也在積極發(fā)展壓電復合材料業(yè)務，通過不斷提升產品質量和擴大產能來增強市場競爭力。
四、3D 纖維增強聚合物復合材料引領未來科技潮流
與金屬和合金材料相比，連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料（CFRPC）具有質量輕、比強度和比模量高的特點，廣泛應用于汽車、飛行器和航天領域。例如可以用于先進飛機機身制造，如空客遠程寬體大飛機A350 XWB，其復合材料碳纖維復合材料占機體結構重量的53％，是當今世界上復合材料占比最高的大飛機。
資料來源：3D打印技術參考，觀研天下整理
3D打印連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料的創(chuàng)新開辟了低成本設計和制備的新時代，可作為一種彌合先進材料與新型結構之間差距的關鍵技術。
3D打印技術也被稱作增材制造技術( 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，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體的快速成型技術。隨著航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療器械、電子行業(yè)等領域的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的材料已經無法滿足當前市場需求，這就催生了復合材料的產生。而將3D打印技術應用于復合材料的制造也越來越受歡迎。根據(jù)IDTechEx報告稱，到2030年，復合材料3D打印市場規(guī)模將達到17.3億美元。
3D 纖維增強聚合物復合材料作為復合材料領域的一顆新星，未來前景廣闊，備受矚目。盡管不同研究機構的統(tǒng)計和預測有所不同，但各方一致認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)領先地位。這些企業(yè)憑借先進的技術和強大的研發(fā)實力，不斷推出創(chuàng)新產品，引領著行業(yè)的發(fā)展方向。
北美和歐洲作為該材料的重要生產地區(qū)，在航空航天與國防、醫(yī)療保健、汽車等領域均有廣泛應用。例如在航空航天與國防領域，3D 纖維增強聚合物復合材料的高強度和輕量化特性，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，我國復合材料行業(yè)各應用領域的市場規(guī)模和增長趨勢值得期待。隨著技術的不斷進步和成本的逐漸降低，3D 纖維增強聚合物復合材料有望在更多領域得到廣泛應用，為全球經濟的發(fā)展和科技的進步做出更大的貢獻。
目前市場上的 3D 打印技術的成型方式主要分為黏結劑噴射成型技術(3DP) 、熔融層積成型技術 (FDM) 、光固化成型技術(SLA) 、選區(qū)激光燒結技術 (SLS) 、選擇性激光熔融技術(SLM) 以及分層實體制 造技術(LOM) 。
三維打印技術概述
| 黏結劑噴射成型技術(3DP) | 熔融層積成型技術 (FDM) | 光固化成型技術(SLA) | 選區(qū)激光燒結技術 (SLS) | 選擇性激光熔融技術(SLM) | 分層實體制 造技術(LOM) | |
| 材料 | 聚合材料、陶瓷與金屬粉末、石膏粉復合材料 | PLA,ABS.PC.PP.石膏及其復合材料 | 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、復合材料片材 |
| 優(yōu)點 | 過程快; 多種模型色彩感; 價格相對便宜 | 成型件強度與精度較高; 材料環(huán)保且價格低廉; 制造成本低 | 表面質量高、較光滑; 可打印復雜形狀,成型速度較快 | 材料廣且利用率高;打印精度高( 0.1-0.2 mm) | 能打印任意復雜形狀; 成型速度高,精度高,質量好; 節(jié)約原料 | 精度高，不需要支撐,成本低，成型效率高 |
| 缺點 | 產品機械性能較差;強 度、韌性不夠; 原材料較貴 | 表面較粗糙，需進行后期處理;打印速度較慢 | 材料較脆且價格昂貴,輕微有毒;制作成本高;后處理復雜 | 成型效率不高，加工時間長; 表面質量較粗糙且后處理復雜 | 設備造價高;需要專業(yè)的技術;產品表面粗糙，后期處理難度大 | 前、后處理費時費力,原材料有限，工件強度和彈性一般 |
| 應用 | 建筑業(yè)、工業(yè)設計家居、醫(yī)療、雕塑 | 家電、航空航天、醫(yī)學、工業(yè)設計、文化藝術 | 建筑、工業(yè)設計、醫(yī)學、藝術動漫 | 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 |
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五、航空航天是目前復合材料重要應用領域
復合材料廣泛應用于航空航天、導彈、空間平臺和運載火箭、軌道交通、能源等領域。例如在航空航天領域，復合材料被用于機身和航空渦輪發(fā)動機制造。在汽車行業(yè)中，復合材料被用于制造車身、發(fā)動機罩下的電氣和隔熱部件等；在能源領域，復合材料在風力發(fā)電機葉片等方面的應用也日益增多。
復合材料應用領域情
| 應用領域 | 應用情況 |
| 航空航天 | 航空制造業(yè)作為國家戰(zhàn)略性產業(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，也體現(xiàn)了一個國家的工業(yè)發(fā)展程度，被譽為現(xiàn)代工業(yè)的皇冠，代表了制造業(yè)和高新技術的最高水平。復合材料憑借其輕質高強、耐腐蝕、抗疲勞性能好、可設計性強等獨有的優(yōu)越性能，已開始主導航空制造業(yè)的發(fā)展。繼中國首個國產大飛機C919首飛后，我國亦在下一代遠程客機C929研發(fā)中提出了復合材料用量超過50%的宏偉目標。進入新世紀以來，商用和軍用飛機逐漸實現(xiàn)全機身復合材料替代，F(xiàn)-35閃電II復合材料用量達到35%；由英、德、意、西四國聯(lián)合研制的EF-2000歐洲戰(zhàn)斗機復合材料用量超過40%；先進無人機的復合材料用量多已超過80%。除了機身結構，航空發(fā)動機作為尖端技術發(fā)展與集成的引擎，更是被譽為“現(xiàn)代工業(yè)皇冠上的明珠”。由于具有密度小、比強度高和耐高溫等固有特性，復合材料在航空渦輪發(fā)動機上應用的范圍越來越廣且比例越來越大，使航空渦輪發(fā)動機向“全復合材料發(fā)動機”方向發(fā)展。 |
| 導彈、空間平臺和運載火箭 | 碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質基礎，具有不可替代性。CFRP（碳纖維增強基復合材料）被廣泛應用于導彈武器、空間平臺和運載火箭等航天領域。在導彈武器應用方面，CFRP主要用于制造彈體整流罩、復合支架、儀器艙、誘餌艙和發(fā)射筒等主次承力結構部件；在空間平臺應用方面，CFRP可確保結構變形小、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、相機鏡筒和拋物面天線等結構部件；在運載火箭應用方面，CFRP主要用于制造箭體整流罩、儀器艙、殼體、級間段、發(fā)動機喉襯和噴管等部件。目前，CFRP在航天器上的應用已日臻成熟，其是實現(xiàn)航天器輕量化、小型化和高性能化不可或缺的關鍵材料。 |
| 軌道交通 | 輕量化是減少列車運行能耗的一項關鍵技術。金屬制造的軌道列車，雖車體強度高，但質量大、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)，運行15萬km約消耗54萬GJ能量；如質量能減少30%，則可節(jié)能8100GJ。復合材料是新一代高速軌道列車車體選材的重點，它不僅可使軌道列車車體輕量化，還可以改進高速運行性能、降低能耗、減輕環(huán)境污染、增強安全性。當前，復合材料在軌道車輛領域的應用趨勢：從車箱內飾、車內設備等非承載結構零件向車體、構架等承載構件擴展；從裙板、導流罩等零部件向頂蓋、司機室、整車車體等大型結構發(fā)展；以金屬與復合材料混雜結構為主，復合材料的用量大幅提高。 |
| 能源 | 在風力發(fā)電機葉片等方面的應用日益增多。 |
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目前航空航天是復合材料的重要應用領域之一。隨著飛機輕量化需求的增加，復合材料在機身、機翼、發(fā)動機部件等方面的應用日益廣泛。有相關數(shù)據(jù)顯示，2022年我國航空航天復合材料市場規(guī)模達578.76億元，占復合材料市場整體規(guī)模比例高達27%。
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