发布日期：2021年11月29日

　　众所周知，一种新材料在某一领域替代传统材料需要具备两个条件：一是新材料的性能要优于传统材料；二是新材料的成本要明显低于传统材料。碳碳复合材料恰恰就满足了这两个条件，逐步替代了在光伏领域的等静压石墨材料，是当之无愧的新材料。

一、碳碳复合材料的基本概念

　　碳碳复合材料是碳纤维复合材料的其中一个类别，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、高强度、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。碳碳复合材料是目前3000℃以上仍保有结构强度的唯一材料，其最高理论使用温度高达3500℃。碳碳复合材料由于其独特的性能，已广泛应用于航空航天、汽车、医学、光伏以及半导体等领域，如光伏晶体硅生长设备的热场材料、火箭发动机耐烧蚀组件、半导体铸锭炉、飞机刹车盘、汽车刹车片及人造骨骼等。

二、碳碳复合材料的发展过程

　　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。

三、碳碳复合材料的产业链

来源：公开资料整理

　　碳碳复合材料的上游主要为碳纤维预制体、碳氢化合物和浸渍剂。其中，碳纤维预制体为主要的原材料。

　　碳碳复合材料的制备方法主要有化学气相沉积法和液相浸渍法。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。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。

　　碳碳复合材料的下游行业中，主要应用领域为光伏、半导体、航空航天和刹车制动，具体情况如下表所示。

四、碳碳复合材料在光伏领域对石墨材料的替代逻辑

　　我国晶硅制造热场材料行业起步较晚，光伏行业发展前期，其单晶拉制炉、多晶铸锭炉热场系统部件材料主要采用国外进口的高纯、高强等静压石墨。石墨热场系统产品具有成本高、供货周期长、依赖进口等特点，阻碍了光伏行业降成本、扩规模的发展进程，特别是随着单晶硅拉制炉的容量快速扩大，其已经从2011年左右的16英寸-20英寸（1英寸=25.4mm）热场快速发展到现在的32英寸和36英寸热场，而等静压石墨作为由石墨颗粒压制成型的脆性材料，已经在安全性方面不能适应大热场的使用要求，在经济性方面也已经落后于碳碳复合材料。

　　随着国内先进碳基复合材料制备技术的发展，碳碳复合材料成为降低硅晶体制备成本、提高硅晶体质量的最优选择，正逐步形成在晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的升级换代。

　　1、等静压石墨材料与碳碳复合材料优缺点比较

　　（1）等静压石墨材料

　　石墨在反复高温热震下易产生裂纹，容易导致部件破损，造成安全事故；从石墨件中挥发出来的杂质或石墨降解形成的颗粒会污染硅熔体，影响晶体品质；在制备大直径的产品时，传统石墨热场材料成型困难，而且纯度要求高，制备成本高昂，制备周期长，交货周期长，阻碍了光伏行业降本进程。

　　（2）碳碳复合材料

　　性价比高，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；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；安全性高，在反复高温热震下不易产生裂纹；可以实现近净成形在大直径单晶炉热场系统领域具有明显的优势。

　　2、碳碳复合材料与石墨材料物理特性对比

数据来源：Wind、中天火箭招股说明书

　　由上表可以看出，碳碳复合材料在耐压强度和抗弯强度等性能上要明显高于石墨材料。

　　3、碳碳复合材料与石墨材料在主要热场设备的渗透率情况

　　基于碳碳复合材料更好的性能以及性价比的逐步显现，2016年以来碳碳复合材料产品在单晶拉制炉热场中的渗透率快速提高，到2019年，碳碳复合材料坩埚、导流筒产品的市场占有率已超过等静压石墨产品，成为光伏用单晶拉制炉热场系统部件的主要材料。随着硅片大尺寸化推动热场系统大型化碳碳复合材料的优势越趋明显，未来有望进一步扩大份额。

　　2010年-2019年，碳碳复合材料与石墨材料在主要热场设备的渗透率情况如下所示。

数据来源：Wind、金博股份招股说明书

　　由上表可以看出，碳碳复合材料已经在光伏领域逐步实现了对等静压石墨材料的替代。

五、碳碳复合材料行业未来发展趋势

　　1、碳碳复合材料制品向高纯度、大尺寸方向发展

　　在光伏行业及半导体行业，由于技术的发展及产品的快速迭代，硅片向高纯度、大尺寸发展是其必然的趋势，因此，高温热场系统应用中，碳碳复合材料制品向高纯度、大尺寸的方向发展也是必然的趋势。

　　2、碳碳复合材料在光伏领域的应用市场将更加广阔

　　面对着碳达峰和碳中和的能源发展目标，加速发展光伏等零碳能源，替代煤电等化石能源是碳中和的必由之路，光伏将在“十四五”期间迎来一个加速发展阶段。随着平价上网的全面开展，光伏行业摆脱了政策补贴依赖，周期性减弱，由政策驱动逐步转向经济性驱动。随着光伏行业的需求逐步释放，碳碳复合材料制品面临广阔的市场空间。

　　综上，碳碳复合材料在光伏领域逐步替代了等静压石墨材料。我们在判断一种新材料能否大规模替代传统材料的时候，需要了解两个方面：性能是否更高，成本是否更低。高性能、低成本是每一种新材料追求的目标！