低調的高性能軍工複合材料-芳綸纖維

低調的高性能軍工複合材料-芳綸纖維

芳綸纖維具有高強度、高模量、耐高溫、重量輕等優點，由其製備而成的芳綸紙、芳綸蜂窩芯材應用前景廣闊，是國防軍工、航空航天、軌道交通、電力電氣等領域不可或缺的關鍵材料。

一、產品概況

芳綸纖維全稱為“芳香族聚酰胺纖維”，具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優良性能，芳綸纖維於1960s由美國杜邦公司研發成功並商業化。芳綸纖維並不會直接作為最終產品，至少要做成織物或相應的複合材料才能使用。

芳綸纖維的品類及性能對最終產品的性能有比較大的影響。芳綸纖維可分為鄰位芳綸、對位芳綸 (芳綸1414，PPTA)和間位芳綸(芳綸1313，PMTA)三種，其中實現工業化的產品主要有間位芳綸和對位芳綸兩種。純間位芳綸製成的芳綸紙具有高強度、低變形、耐高溫、耐化學腐蝕、阻燃和優良的電絕緣性能，廣泛應用於國防、航空航天、高速列車和電工絕緣等領域。對位芳綸具有比間位芳綸更好的綜合性能，可應用於航空航天工業中用於製造導彈的固體火箭發動機殼體和用於製作大型飛機的二次結構材料（如機艙門、窗、機翼有關部件等）、國防工業中的防彈衣、防彈頭盔、防刺防割服、排爆服、高彈度降落傘、防彈車體、裝甲板等。

從芳綸纖維到芳綸蜂窩芯材需要經過抄造成紙、熱壓成形等一係列的生產過程。按照工序及生產流程主要涉及到芳綸紙、芳綸蜂窩芯材等產品。

芳綸紙是以製紙級芳綸纖維為原料，通過濕法成形、高溫整飾等工藝製備而成的高性能新材料。美國杜邦公司於上世紀六十年代成功開發出芳綸紙，因其具有本質阻燃、絕緣、耐高溫、高強度等優良特性，逐步成為國防軍工、航空航天、電力電氣、軌道交通、新能源、電子通訊等重要行業和領域發展不可或缺的關鍵材料。

  芳綸紙

芳綸蜂窩是一種仿生結構，由芳綸紙經塗膠、疊合、熱壓、切邊、拉伸、定型、浸膠、固化等一係列複雜工藝製作而成，具有天然蜂巢的六邊形結構。其輕質、高強、高模、結構穩定性強且具有隔音、隔熱、阻燃等優點，可以作為輕質高強結構材料（主要作為芯材），應用於航空航天、軌道交通、國防軍工等重點領域。芳綸蜂窩芯材以其優異的性能成為航空航天、軌道交通等領域的重要減重材料；同時與預浸料相結合，在吸波領域占據重要的地位。

  芳綸蜂窩芯材應用場景

以蜂窩芯材為基礎形成的蜂窩夾層結構吸波材料是重要的結構性吸波材料。蜂窩夾層結構吸波材料主要應用於雷達隱身領域；是由經過浸漬吸波劑的芳綸蜂窩和透波麵板組成，兼具優良的力學性能和吸波性能。就芳綸蜂窩夾層結構吸波材料而言，其吸波性能主要取決於蜂窩本身的規格尺寸以及浸漬膠液體係。目前芳綸蜂窩夾層結構吸波材料可以對0-18GHz的頻段形成較強的吸收。

 芳綸蜂窩芯材

二、主要應用場景

1、芳綸紙的主要應用場景

根據產品的功能性應用不同，產品的下遊應用領域主要包括電氣絕緣(作為絕緣材料)、蜂窩芯材 (作為結構減重材料)領域。

間位芳綸紙係列產品主要用於電氣絕緣領域，少量用於蜂窩芯材領域；變壓器是目前我國使用芳綸紙較多的領域。同時，隨著我國的鐵路電氣化以及城市地鐵、輕軌的大規模建設，對包括大功率牽引變壓器在內的高速列車的相關設備也提出了更高的要求。

對位芳綸紙係列產品主要用於蜂窩芯材領域。相比間位芳綸紙製作的蜂窩芯材，使用對位芳綸紙製備的蜂窩芯材綜合力學性能相比間位芳綸紙蜂窩芯材顯著提高，其強度為同等質量鋼鐵的 5 倍，但密度僅為鋼鐵的五分之一；但因其成本較高，一般應用在對強度要求較高的蜂窩芯材領域。

2、芳綸蜂窩芯材的主要應用場景

航空領域：芳綸紙蜂窩芯材與麵板結合製成夾層結構後，可作為理想的結構形式之一，在航空領域得到廣泛的應用，主要應用部位包括襟翼、副翼、垂尾前緣、方向舵、鴨翼、機身、槳葉、天線罩、雷達罩、壁板、艙門、地板等部件，以及飛機的大剛性、次受力部件。作為飛機複合材料蜂窩夾層結構的首選芯材，可降低飛機的結構質量、實現功能部件透波、降噪、隔熱性能。據統計，國產直九機的Nomex蜂窩板件有280多個，覆蓋麵積占整機的80%左右；美國F-111型戰鬥機的蜂窩板件占整個外形麵積的90%以上；C919在飛機的多個部位都應用了大量的蜂窩芯材，以滿足減重需要，單一架次對芳綸蜂窩芯材的需求量預計在千萬元級以上。

艦船領域：蜂窩夾層結構不僅可以減輕空船重量、提高艦船機動性和抗衝擊性能，還能大幅提升艦船的抗腐蝕性能和“隱身”能力。近年來，各國海軍還將蜂窩夾層材料用於水麵艦艇的甲板室，艙壁和飛機頂棚等上層建築，用於提升艦艇各方麵的綜合性能。美軍海岸警衛隊快艇采用Nomex蜂窩結構取代石棉板，不僅使快艇重量減少9噸多，還消除了因石棉引起的潛在危害；遼寧號航母內飾用到的芳綸板材超過10萬平方米，每平米售價為1500~2000元。據了解，中船重工各大研究所已開始使用芳綸蜂窩板材作為輕量化艦船內裝項目。

軌道交通領域：芳綸材料能有效降低高速列車的能耗和噪音，已在高鐵車輛的車廂側板、頂板、座椅、隔板、行李架以及天窗板等部位上得到應用，減輕車輛質量，提高列車的速度，速度200公裏/小時以上的動車需要大量使用芳綸紙蜂窩材料。長春客車廠CRH-5型動車組推薦使用芳綸蜂窩材料作為高速列車的夾層結構材料，年需10～15mm芳綸蜂窩材料達5萬平方米；另外，標準動車組、動臥、新能源低地板車等新車型在輕量化、舒適性的需求下，也都在內飾件設計中采用了芳綸蜂窩結構。

此外，芳綸紙蜂窩芯材也可用於風機葉片、船舶遊艇、賽艇、滑雪板、房車等產品的製造。

三、行業供需情況

1、芳綸纖維供需情況

目前全球芳綸纖維產能在14-15萬噸左右，其中5萬多噸為間位芳綸纖維，9-10萬噸為對位芳綸纖維。間位芳綸纖維方麵，國內有60%左右用於相對低端的工業過濾領域，僅有10%左右用於高端的絕緣與蜂窩芯材領域。對位芳綸纖維方麵，國內有40%用於光纖增強；20%用於防彈防護，軍用防彈頭盔、手套等；20%用於汽車橡膠工業；20%用於複合材料。

2、芳綸紙供需情況

芳綸紙：據統計，全球芳綸紙名義產能約2萬噸/年，有效產能約1.2萬噸/年；全球芳綸紙需求約1萬噸/年，主要市場份額由杜邦公司占據。根據中信證券研究所整理數據，全球的芳綸紙主要用於電氣絕緣和蜂窩芯材，分別占64%和34%；對標全球消費結構，2020 年我國芳綸紙需求的 90.76%來自於電氣絕緣，而蜂窩結構材料及其他複合材料的消費占比僅為 9.24%。

目前國內芳綸紙的主要生產企業為民士達。民士達為國內第一家芳綸紙製造商，目前其芳綸紙產品的全球市場占有率居於第二位，僅次於美國杜邦公司。

3、芳綸蜂窩芯材供需情況

按照一張芳綸紙100kg可做成3立方米的蜂窩芯材計算，全球芳綸蜂窩的理論產能可達到204萬立方米，中國市場的芳綸蜂窩的理論產能可達到24萬立方米；有效產能對應的芳綸蜂窩芯材約5.4萬立方米。

目前國內芳綸蜂窩芯材的主要生產企業為中航複材。中航複材的蜂窩生產主要分布在北京和南通，其中，南通大尺寸蜂窩生產線具有國際先進水平，自動化程度高；其產品主要麵向民機領域，且以空客、波音、雅奇等外貿客戶為主。

四、結語

近年來，我國持續加大對芳綸纖維材料、芳綸紙的政策支持力度。特別是近幾年我國高速列車、國產飛機製造及航空母艦等裝備製造業的快速發展更是帶動了芳綸絕緣紙和芳綸紙蜂窩芯材的發展。

隨著芳綸紙應用領域的增多，芳綸紙市場預計有良好的發展前景。根據第三方公開數據，中國芳綸紙消費量已從2017 年的2742噸提高到2021年的4215噸，2028年我國芳綸紙的消耗量預計將達到12357噸。而蜂窩結構是航空航天領域最佳的承力結構，將長期存在於航空器、航天器的結構設計當中。