图1所示是风电叶片大梁采用的3种工艺：预浸料铺贴真空袋压成型、织物预成型 真空导入和拉挤梁片，过去主要是前2种工艺，由于效率低、成本高，研究表明：按这样的材料与工艺，只有40m以上的风电叶片使用碳纤维替代玻璃纤维才可能被用户接受。实现风电叶片大梁低成本化的表观主因是采用了高效低成本高质量的拉挤梁片工艺，但究其根源VESTAS在大梁结构的革命性创新设计才使拉挤梁片的使用成为可能，图2所示是VESTAS的主梁结构示意图。这种设计理念把整体化成型的主梁主体受力部分拆分为高效低成本高质量的拉挤梁片标准件，然后把这些标准件一次组装整体成型，其优点表现为：1)通过拉挤工艺生产方式大大提高了纤维体积含量，降低了主体承载部分的重量；2)通过标准件的生产方式大大提高了生产效率，保证产品性能的一致性和稳定性；3)大大降低了运输成本和最后组装整体成型的生产成本。按这种设计和工艺制造的碳纤维主梁，兆瓦级的叶片均可使用，大大扩展了碳纤维的使用范围。
表1中国风电叶片厂家碳纤维用量
年份
2014
2015
2016
2017
2018
碳纤维用量，千吨
0
0.9
3.0
3.06
8.0
碳纤维用量占比，
0
5
15
13
风电叶片碳纤维用量的急剧增加证明了：碳纤维在工业领域应用的推动力必须是生产出全寿命成本优于其他材料结构的产品，即“买得起”的碳纤维复合材料产品，关键是“affordability”。
图1碳纤维应用在风电领域的主要工艺
图2风电叶片结构
表22014-2017年风电叶片用碳纤维数据汇总
年份
碳纤维单价$/kg
制件单价$/kg
碳纤维用量千吨
碳纤维用量占比,
制件产量，千吨
制件产量占比
碳纤维产值，百万$
碳纤维产值占比，
2014
23
50
6.0
11
176.61
9
2015
23
50
18
24.2
27.7
24
414.24
16
2016
14
18
18
23.5
27.7
23
252
12
2017
14
18
19.8（24）
23.5（27.1）
30.6（37.1）
23.6（27.2）
277.2（336）
12.9（14）
年份
制件产值，百万$
制件产值占比
2017年碳纤维用量（预计），千吨
2018年碳纤维用量（预计），千吨
2019年碳纤维用量（预计），千吨
2020年碳纤维用量（预计），千吨
2014
9
10
12
14
2015
1385
10
22
25
28
31
2016
480
4
20
22
24
26
2017
550.8（667.8）
4.2（5.2）
19.8（24）
22
24
26
风电叶片的极大商机吸引了诸多国产碳纤维和风电叶片生产厂商的眼球，纷纷跃跃欲试试图进入这一领域，瓜分一块蛋糕。如上所述，碳纤维复合材料风电叶片工艺有3种，其中引发碳纤维用量急剧增长的工艺就是拉挤梁片，因此国产碳纤维及其制品生产商家瞄准的也是拉挤工艺的开发和所用的碳纤维。国产碳纤维进入风电叶片应用有两种方式：
1)研发出与ZOLTEK大丝束碳纤维性能相当，成本接近或更低的碳纤维，直接进入VESTAS供应链（毕竟VESTAS的用量占据该领域碳纤维用量的80以上）；
2)借鉴VESTAS的经验，避开VESTAS的专利，按国产碳纤维的性能特点，完全自主开发新的主梁结构设计和工艺生产模式，研发出全寿命成本接近或低于VETAS叶片的产品。
对国产碳纤维企业最简捷的方式肯定是前者，但要实现这一点实际上非常困难。即使台塑的碳纤维进入了VESTAS供应链，但是否实现盈利一直是有疑问的，因为ZOLTEK大丝束碳纤维已成为风电叶片用碳纤维价格的标准，其成本优势是其他企业短期内无法达到的，而除VESTAS以外的风电叶片生产厂商碳纤维的用量很少（据说SIEMENS的需求仅是VESTAS的十分之一）。如果以国产碳纤维的现状进入VESTAS供应链，国产碳纤维只能卖“白菜价”。
因此目前进入该领域多数采用第二种方式，很多国内的风电叶片生产商组建了自己的设计和工艺制造团队，团队中包含有一些具有VESTAS背景，知悉VESTAS专利的成员，希冀模仿或复制VESTAS的成功模式，很快开发出基于国产碳纤维性能特点的风电叶片。这种方式的前提是必须必须按照国产碳纤维当前的性能指标，制订符合国产碳纤维性能特点的材料规范，独立自主地开发碳纤维复合材料风电叶片结构，包括设计和工艺制造。
众所周知碳纤维作为实现轻量化的主要优势是在满足一定强度要求的前提下，具有其他材料不具备的高比模量。熟悉复合材料结构设计的设计人员都知道，目前无论T300、T700还是T800，作为结构材料其拉伸强度都是有富余的（对压力容器强度要求可能更重要），T800之所以能替代T300，成为能实现飞机结构进一步减重的第二代碳纤维，主要是比T300（230MPA）高30的拉伸模量（294MPa）。作者在2011年就曾建议，为什么国产碳纤维的性能指标一定要与东丽碳纤维看齐呢？中简和恒神研发的创新型T700级碳纤维（强度4900MPa，模量256GPa），其复合材料性能已接近T800，可以比T300实现更多的减重。国产湿喷湿纺T300级碳纤维的工艺特点表明，实现类似的指标在工艺上是比较容易实现的。目前众多国产碳纤维生产的湿喷湿纺T300级碳纤维，是否可以改变思路，不拘泥于ZOLTEK碳纤维的性能指标，适当提高拉伸模量，保持目前的拉伸强度不变或略低一些，从而可以使风电叶片实现更多的减重呢？目前的现实是国内复合材料产品（包括体育休闲产品、风电叶片等）制造商长期以来一直习惯于来料加工，或购买产品图纸进行生产，从材料到产品结构直至生产工艺只是知其然不知其所以然，特别是材料性能指标必须与国外保持一致，不能越雷池一步。因此在缺乏对风电叶片结构设计知识深入了解的背景下，不是少数几个有VESTAS背景的技术人员就可以轻易开发出可以与VESTAS叶片匹敌的国产风电叶片。国产碳纤维在风电叶片大量应用的必要条件是：不受VESTAS风电叶片的材料规范及设计理念束缚，按不同于ZOLTEK碳纤维的性能指标，独立自主开发出能满足结构完整性要求的真正国产碳纤维复合材料风电叶片。
当然对国内风电叶片生产厂，国内国产碳纤维的价格与ZOLTEK大丝束碳纤维相比已具有一定的价格优势，最大的担忧是国产碳纤维的质量稳定性。根据作者对国产碳纤维的了解，一些厂家的湿喷湿纺T300级碳纤维质量稳定性与Zotek大丝束碳纤维未必有很大的差距，只是用户无法判断而不予考虑。对此国内航空复合材料界已有一套成熟的碳纤维及其复合材料性能稳定性评价体系（可参见《复合材料手册》和中航体系的相关标准）和供应商的管理体系，来评价和保证原材料性能的稳定性。为解除风电叶片生产厂的顾虑，可以参照航空复合材料供应商的评价与管理经验，对国产碳纤维的质量稳定性进行评估，并制订严格的管理体系保证后续供应原材料性能的稳定性。这也是国产碳纤维在风电叶片领域得到大规模应用的另一必要条件。
3国产碳纤维产业化应用的下一个工业领域
目前大家关注的国产碳纤维大量应用的工业领域主要是：以氢燃料储气罐为主的高压压力容器、汽车和轨道交通车辆。压力容器大量使用碳纤维的要害是碳纤维性能的一致性和稳定性，同样碳纤维价格也是另一个制约的要素，相对于其他结构件，碳纤维价格在制品中的占比要高得多，工艺创新有助于降低制件成本，但潜力比其他工业领域要小。此外碳纤维缠绕压力容器只是氢燃料罐的组成部分，其价格只是部分取决于碳纤维价格，碳纤维缠绕氢燃料储气罐的大量应用还与其他很多因素有关，例如加氢站的设置等。汽车领域是碳纤维界热议最多，也是有可能用量多达几十万吨的工业领域，但在量产车上的应用有待于设计、材料、成型制造工艺及回收技术的进展，近期恐难突破。轨道交通则是由中国国情决定的领域，几万吨用量是可以预期的。由于碳纤维复合材料高端应用首先在航空航天领域，现有的先进复合材料（不同于玻璃钢）技术（材料、设计、成型工艺、装配制造及维护等，以《复合材料手册》为代表）主要是基于航空航天领域应用的经验教训总结，因此将碳纤维复合材料在其他工业领域的推广应用难易也取决于与航空航天领域应用环境的差异程度（实际上风电叶片的很多设计理念来源于直升机旋翼桨叶）。节能减排是当前世界各国发展的要求，结构轻量化是实现节能减排的有效措施之一，碳纤维复合材料又是实现结构轻量化的首选材料，从而在交通运输行业的推广应用碳纤维是国产碳纤维产业化首先必须关注的工业领域，表3是作者对碳纤维在交通运输：民航、轨道交通车辆（包括公交车辆）和量产汽车三个领域应用技术的比较，轨交领域和量产汽车领域，可以看出，与量产汽车行业相比，在中国轨交车辆结构的应用有可能是首先大量使用国产碳纤维的工业领域（当然必须由中车集团引导）。作者的判断是：
1)轨道交通车辆（包括公交车辆）有可能是继风电叶片后，（在中国）先于汽车行业大量使用碳纤维复合材料的另一工业领域；
2)在中国，轨交车辆可能是国产碳纤维实现其价值得到大规模应用的首个工业领域。
表3不同领域复合材料结构技术特点比较
商用飞机
轨道交通（包括公交车辆）
量产汽车
轻量化要求
高
中
中
成本可接受度
高
中
低
批量
小
中
大
材料性能与工艺稳定性要求
高
高
高
材料性能要求
高
中
低
疲劳寿命要求
寿命尽可能长
寿命尽可能长
定期退出使用
航空复合材料技术（CMH-17）
一致
基本可用，需结合轨道交通结构特点创新
多数可用，需结合汽车结构特点创新
碳纤维种类
航空级
工业级
工业级（更低价格）
树脂
固化周期较长的热固性树脂
固化周期较短的热固性与热塑性阻燃树脂
快速固化的热固性和热塑性树脂
工艺
热压罐及液体成型
传统工艺为主，其他创新工艺
高效的创新工艺
作者从2011年起开始关注碳纤维复合材料在轨交领域的应用，多年来在恒神参与了多个国产轨交
