一、低空经济政策推动

  低空经济是以民用有人驾驶和无人驾驶航空器等各类低空飞行活动为主，辐射带动相关领域融合发展的综合性经济形态，包含低空制造、低空保障、低空飞行及综合服务等重点方向。目前,低空领域的主要产品有备受关注的eVTOL（电动垂直起降飞行器）、无人机（消费级、工业级）、直升机、传统固定翼飞机等。

  2024年3月5日上午，十四届全国人大二次会议开幕，李强总理作《政府工作报告》，报告中首次出现了低空经济这个词。2023年中央经济工作会议也将低空经济列为战略性新兴产业，着力将其打造为国民经济的新质增长点。

  2023年12月27日，深圳七局联合印发《深圳市支持低空经济高质量发展的若干措施》。措施中引培低空经济链上企业，鼓励企业技术创新、扩大低空飞行应用场景、完善产业配套环境，以此推动相关技术何场景应用发展。

  二、碳纤维发展现状

  碳纤维材料最早发迹于美国，后在1962年日本大阪工业技术试验所使用PAN为原料制备出强度高、弹性好的碳纤维材料，从此碳纤维的技术开始飞速发展。目前，世界碳纤维技术主要掌握在日本企业手中，其生产质量位居全球首位。

  前些年中国的碳纤维材料严重依赖进口，直至近年才终于打破技术封锁，实现产业化。2021年，中国首次超越美国成为全球碳纤维最多产能国。2022年，国内碳纤维进口比例下降至40%以下。以吉林化纤、中复神鹰、光威复材等为代表的企业，在近几年内积极布局碳纤维相关产能。

  2024年3月28日，工业和信息化部、科学技术部、财政部、中国民用航空局等四部门联合印发《通用航空装备创新应用实施方案（2024—2030年）》，方案中提出到2027年实现新型通用航空装备在城市空运、物流配送、应急救援等领域商业应用；到2030年，我国通用航空装备将全面融入人民的日常生活，推动形成万亿级市场规模。

  低空经济的发展离不开无人机、通航飞机等航空技术的支持。碳纤维是目前最热门的新型材料，主要特性包括质量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温、导电性能好等。作为无人机轻量化高强度的关键，碳纤维近年的需求正在飞速上升。在各地低空经济相关政策的支持下，将大大带动碳纤维材料的未来发展。

  三、碳纤维材料

  碳纤维是指含碳量90%以上的无机高分子材料，用聚丙烯腈（沥青或粘胶）等作原料，经过高温氧化、碳化等环节而生成，是目前高性能纤维中具有最高的比强度、比模量的纤维，且耐高温居所有化纤之首。碳纤维的拉伸强度是钢铁的5到8倍，重量却只有钢铁的1/4，广泛应用于电池、低空飞行器、航空航天、军工、风电叶片、体育器材等领域。碳纤维是eVTOL主要的机身结构材料，其质量轻、强度高的特性满足eVTOL对材料的需求，是当前主流的设计方案。

  碳纤维的主要原料是聚丙烯纤维（PAN）或者聚维酮纤维（Pitch）。聚丙烯纤维通过高温碳化处理后可以转化为碳纤维。针对不同的应用需求，对原料纤维进行不同的预处理，例如控制纤维直径、形状等。原料经过聚合反应形成长链分子，通过纺丝工艺拉伸成纤维。纤维在空气中加热至200-300℃进行预氧化，以增强热稳定性。之后在无氧环境下加热至1000-3000℃，绝大部分非碳原子被排出，剩下的碳原子紧密结合，形成含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维，从而获得一系列优良特性。

  四、碳纤维在电池材料中的应用

  传统锂离子电池组存在体积庞大、笨重、热失控爆炸风险的风险。在全球低碳经济的环境趋势下，需要一种更加高效、轻质、安全、绿色环保的电池。查尔姆斯理工大学的团队研究出一种结构电池，电池在整体中既作为电源，也作为承载结构的一部分，以减轻整车的重量。结构电池作为汽车结构件的一部分，同时加入了碳纤维能够提升力学强度，在保持碳纤维出色的力学性能同时赋予其优异的储能性能，达到减重的同时简化汽车结构设计，提高能量效率和结构效率。

  结构电池的负极为碳纤维，正极为磷酸铁锂涂层铝箔，正负极间使用玻璃纤维织物隔开。碳纤维不仅能像常规电池一样储存能量、传导电子，还能够减轻车身重量。

结构电池（图源Yen Strandqvist / Chalmers.se）

  瑞典国家航天局的新项目正在研究使用碳纤维同时作为电池的正负极，用超薄型隔板替换玻璃纤维隔板。这种新型结构电池的能量密度、硬度和充电周期都将大大提升，电池将会和铝一样坚固，重量相对较轻。

  除了结构电池，碳纤维也可以应用于电池外壳以减轻重量。蔚来与德国企业SGLCarbon联合开发了碳纤维增强塑料电池外壳，相较于传统铝外壳可以减轻40%的重量。并且高性能碳纤维材料可以使电动汽车展现出更好的动态性能，同时拥有高能量密度，增加续航时间。

电池外壳

  五、碳纤维在3D打印中的应用

  碳纤维3D打印是使用嵌入聚合物粉末、聚合物长丝的短切或连续碳纤维材料进行3D打印。使用的碳纤维材料包括尼龙（PA11、PA12）、聚醚醚酮或其他聚合物，不同材料中的碳纤维量各不相同。碳纤维的两种主要3D打印技术是熔融沉积成型（FDM）和选择性激光烧结（SLS）。

FDM（左）和 SLS（右）技术示意图（来源：Hubs）

  碳纤维材料在减轻重量的同时提高了强度，使其成为汽车、航空航天和体育用品等许多行业的理想复合材料，而尺寸精度等工艺特定特性主要取决于所用机器的类型。总体而言，碳纤维 3D打印的优点包括高强度、高稳定性、耐腐蚀、耐热、耐油脂，是潜在的金属打印替代品。

碳纤维3D打印自行车（图源：Revel Bikes）

  六、市场规模

  根据《2023年全球碳纤维复合材料市场报告》显示，2023年全球碳纤维的运行产能为29万吨，同比增长12.3%；2023年我国碳纤维的运行产能为14.08万吨，同比增长25.7%，位列全球产能第一，且国产碳纤维在国内市场的占有率也达到了76.7%，其中运行产能排名前四的是吉林化纤、中复神鹰、新创碳谷和宝旌碳纤维。同时，2023年全球碳纤维的需求量为11.5万吨，同比下降14.8%，首次呈现负增长形势。2023年国内的碳纤维需求量为6.91万吨，同比下降7.2%。

2015-2023年全球碳纤维需求量

2015-2023年中国碳纤维需求量

数据来源：赛奥碳纤维技术、《2023年全球碳纤维复合材料市场报告》

  七、未来发展

  未来随着汽车制造、储能、航空航天、体育器材等领域对轻量化、高强度材料的需求的增加，碳纤维作为一种能满足以上特性的先进材料将得到更加广泛的关注。并且随着制造工艺和技术的不断进步，生产成本逐渐降低，将会进一步推动碳纤维在各个领域发挥重要作用，推动产业的发展。