低调的高性能军工复合材料-芳纶纤维

低调的高性能军工复合材料-芳纶纤维

芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温、重量轻等优点，由其制备而成的芳纶纸、芳纶蜂窝芯材应用前景广阔，是国防军工、航空航天、轨道交通、电力电气等领域不可或缺的关键材料。

一、产品概况

芳纶纤维全称为“芳香族聚酰胺纤维”，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，芳纶纤维于1960s由美国杜邦公司研发成功并商业化。芳纶纤维并不会直接作为终产品，至少要做成织物或相应的复合材料才能使用。

芳纶纤维的品类及性能对终产品的性能有比较大的影响。芳纶纤维可分为邻位芳纶、对位芳纶 (芳纶1414，PPTA)和间位芳纶(芳纶1313，PMTA)三种，其中实现工业化的产品主要有间位芳纶和对位芳纶两种。纯间位芳纶制成的芳纶纸具有高强度、低变形、耐高温、耐化学腐蚀、阻燃和优良的电绝缘性能，广泛应用于国防、航空航天、高速列车和电工绝缘等领域。对位芳纶具有比间位芳纶更好的综合性能，可应用于航空航天工业中用于制造导弹的固体火箭发动机壳体和用于制作大型飞机的二次结构材料（如机舱门、窗、机翼有关部件等）、国防工业中的防弹衣、防弹头盔、防刺防割服、排爆服、高弹度降落伞、防弹车体、装甲板等。

从芳纶纤维到芳纶蜂窝芯材需要经过抄造成纸、热压成形等一系列的生产过程。按照工序及生产流程主要涉及到芳纶纸、芳纶蜂窝芯材等产品。

芳纶纸是以制纸级芳纶纤维为原料，通过湿法成形、高温整饰等工艺制备而成的高性能新材料。美国杜邦公司于上世纪六十年代成功开发出芳纶纸，因其具有本质阻燃、绝缘、耐高温、高强度等优良特性，逐步成为国防军工、航空航天、电力电气、轨道交通、新能源、电子通讯等重要行业和领域发展不可或缺的关键材料。

  芳纶纸

芳纶蜂窝是一种仿生结构，由芳纶纸经涂胶、叠合、热压、切边、拉伸、定型、浸胶、固化等一系列复杂工艺制作而成，具有天然蜂巢的六边形结构。其轻质、高强、高模、结构稳定性强且具有隔音、隔热、阻燃等优点，可以作为轻质高强结构材料（主要作为芯材），应用于航空航天、轨道交通、国防军工等重点领域。芳纶蜂窝芯材以其优异的性能成为航空航天、轨道交通等领域的重要减重材料；同时与预浸料相结合，在吸波领域占据重要的地位。

  芳纶蜂窝芯材应用场景

以蜂窝芯材为基础形成的蜂窝夹层结构吸波材料是重要的结构性吸波材料。蜂窝夹层结构吸波材料主要应用于雷达隐身领域；是由经过浸渍吸波剂的芳纶蜂窝和透波面板组成，兼具优良的力学性能和吸波性能。就芳纶蜂窝夹层结构吸波材料而言，其吸波性能主要取决于蜂窝本身的规格尺寸以及浸渍胶液体系。目前芳纶蜂窝夹层结构吸波材料可以对0-18GHz的频段形成较强的吸收。

 芳纶蜂窝芯材

二、主要应用场景

1、芳纶纸的主要应用场景

根据产品的功能性应用不同，产品的下游应用领域主要包括电气绝缘(作为绝缘材料)、蜂窝芯材 (作为结构减重材料)领域。

间位芳纶纸系列产品主要用于电气绝缘领域，少量用于蜂窝芯材领域；变压器是目前我国使用芳纶纸较多的领域。同时，随着我国的铁路电气化以及城市地铁、轻轨的大规模建设，对包括大功率牵引变压器在内的高速列车的相关设备也提出了更高的要求。

对位芳纶纸系列产品主要用于蜂窝芯材领域。相比间位芳纶纸制作的蜂窝芯材，使用对位芳纶纸制备的蜂窝芯材综合力学性能相比间位芳纶纸蜂窝芯材显著提高，其强度为同等质量钢铁的 5 倍，但密度仅为钢铁的五分之一；但因其成本较高，一般应用在对强度要求较高的蜂窝芯材领域。

2、芳纶蜂窝芯材的主要应用场景

航空领域：芳纶纸蜂窝芯材与面板结合制成夹层结构后，可作为理想的结构形式之一，在航空领域得到广泛的应用，主要应用部位包括襟翼、副翼、垂尾前缘、方向舵、鸭翼、机身、桨叶、天线罩、雷达罩、壁板、舱门、地板等部件，以及飞机的大刚性、次受力部件。作为飞机复合材料蜂窝夹层结构的首选芯材，可降低飞机的结构质量、实现功能部件透波、降噪、隔热性能。据统计，国产直九机的Nomex蜂窝板件有280多个，覆盖面积占整机的80%左右；美国F-111型战斗机的蜂窝板件占整个外形面积的90%以上；C919在飞机的多个部位都应用了大量的蜂窝芯材，以满足减重需要，单一架次对芳纶蜂窝芯材的需求量预计在千万元级以上。

舰船领域：蜂窝夹层结构不仅可以减轻空船重量、提高舰船机动性和抗冲击性能，还能大幅提升舰船的抗腐蚀性能和“隐身”能力。近年来，各国海军还将蜂窝夹层材料用于水面舰艇的甲板室，舱壁和飞机顶棚等上层建筑，用于提升舰艇各方面的综合性能。美军海岸警卫队快艇采用Nomex蜂窝结构取代石棉板，不仅使快艇重量减少9吨多，还消除了因石棉引起的潜在危害；辽宁号航母内饰用到的芳纶板材超过10万平方米，每平米售价为1500~2000元。据了解，中船重工各大研究所已开始使用芳纶蜂窝板材作为轻量化舰船内装项目。

轨道交通领域：芳纶材料能有效降低高速列车的能耗和噪音，已在高铁车辆的车厢侧板、顶板、座椅、隔板、行李架以及天窗板等部位上得到应用，减轻车辆质量，提高列车的速度，速度200公里/小时以上的动车需要大量使用芳纶纸蜂窝材料。长春客车厂CRH-5型动车组推荐使用芳纶蜂窝材料作为高速列车的夹层结构材料，年需10～15mm芳纶蜂窝材料达5万平方米；另外，标准动车组、动卧、新能源低地板车等新车型在轻量化、舒适性的需求下，也都在内饰件设计中采用了芳纶蜂窝结构。

此外，芳纶纸蜂窝芯材也可用于风机叶片、船舶游艇、赛艇、滑雪板、房车等产品的制造。

三、行业供需情况

1、芳纶纤维供需情况

目前全球芳纶纤维产能在14-15万吨左右，其中5万多吨为间位芳纶纤维，9-10万吨为对位芳纶纤维。间位芳纶纤维方面，国内有60%左右用于相对低端的工业过滤领域，仅有10%左右用于高端的绝缘与蜂窝芯材领域。对位芳纶纤维方面，国内有40%用于光纤增强；20%用于防弹防护，军用防弹头盔、手套等；20%用于汽车橡胶工业；20%用于复合材料。

2、芳纶纸供需情况

芳纶纸：据统计，全球芳纶纸名义产能约2万吨/年，有效产能约1.2万吨/年；全球芳纶纸需求约1万吨/年，主要市场份额由杜邦公司占据。根据中信证券研究所整理数据，全球的芳纶纸主要用于电气绝缘和蜂窝芯材，分别占64%和34%；对标全球消费结构，2020 年我国芳纶纸需求的 90.76%来自于电气绝缘，而蜂窝结构材料及其他复合材料的消费占比仅为 9.24%。

目前国内芳纶纸的主要生产企业为民士达。民士达为国内家芳纶纸制造商，目前其芳纶纸产品的全球市场占有率居于第二位，仅次于美国杜邦公司。

3、芳纶蜂窝芯材供需情况

按照一张芳纶纸100kg可做成3立方米的蜂窝芯材计算，全球芳纶蜂窝的理论产能可达到204万立方米，中国市场的芳纶蜂窝的理论产能可达到24万立方米；有效产能对应的芳纶蜂窝芯材约5.4万立方米。

目前国内芳纶蜂窝芯材的主要生产企业为中航复材。中航复材的蜂窝生产主要分布在北京和南通，其中，南通大尺寸蜂窝生产线具有国际先进水平，自动化程度高；其产品主要面向民机领域，且以空客、波音、雅奇等外贸客户为主。

四、结语

近年来，我国持续加大对芳纶纤维材料、芳纶纸的政策支持力度。特别是近几年我国高速列车、国产飞机制造及航空母舰等装备制造业的快速发展更是带动了芳纶绝缘纸和芳纶纸蜂窝芯材的发展。

随着芳纶纸应用领域的增多，芳纶纸市场预计有良好的发展前景。根据第三方公开数据，中国芳纶纸消费量已从2017 年的2742吨提高到2021年的4215吨，2028年我国芳纶纸的消耗量预计将达到12357吨。而蜂窝结构是航空航天领域佳的承力结构，将长期存在于航空器、航天器的结构设计当中。