深圳炭基复材胡蓝田:基于纳米级基体改性技术的高性能炭基复材研发及产业化 | 10th CAIEC 获奖人专访

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炭基复材是一种相对较新的材料，于20世纪60年代由美国人首次发现。经过多年发展，目前已在多个场景实现应用，我们判断其正处于大规模产业化初期。当前行业主要瓶颈集中在传统工艺，产能、价格均存在局限，难以满足快速扩张的市场需求，亟需全行业推动工艺升级，打破“性能-定制化-价格”的矛盾三角，为工业场景及航空航天领域提供性能可靠、交付迅速且成本低廉的高性能炭基复材产品。

具体来看，国内炭基复材厂家数量较多，但工艺趋同性强，普遍采用“预制体+增密”的制备方式。在增密环节，行业多依赖化学气相渗透（CVI）工艺，该工艺制备的产品性能更优，但工期极长——工业领域制备满足客户需求的产品需45-60天，航空航天领域周期更长，通常达6-8个月。这种长周期制备模式，难以满足客户大批量需求，尤其当前多个行业对炭基复材提出“可用可消耗”及降本要求，矛盾更为突出。

以消费者较熟悉的炭陶刹车盘为例，目前已有标配该产品的车型问世。假设未来某20万元量级车型搭载炭陶刹车盘，且年销量达25万辆，那么每年需100万盘刹车盘（按每车4盘计算）；若每盘平均重量约7公斤，仅这一个车型每年就需消耗7000吨碳陶刹车盘产能。而当前全国碳陶刹车盘产能约1万-1.2万吨，单个产品就可能占用全国50%-70%的产能，这种供需失衡现象并不合理。由此可见，全行业需加快工艺转型升级，否则将与市场需求严重脱节。

在国内外对标企业方面：

国内有多家上市公司，涵盖私企、国企及行业巨头，包括金博股份、中天火箭、天宜上佳、楚江新材、博云新材、北摩高科等；

国外上市公司主要有德国西格里碳素（SGL Carbon，SGL.DE）、日本东洋碳素（Toyo Tanso，5310.TYO）、法国美尔森（Mersen，MRN.PA），这些企业规模多处于百亿元量级。

从产销规模来看，2023年国内炭基复材可查询的产销数据约50亿元，国外上述几家上市公司产销规模合计约500亿元。综合来看，国内外企业各有优势，擅长的产品领域不同，工艺路线选择也较为丰富：除前文提及的CVI沉积工艺外，低温工序会用到编织、针刺、穿刺、缠绕、模压等工艺，高温工序则会采用液相浸渍裂解（PIP）、反应熔渗（RMI）、高温模压（HTMP）等工艺。

传统工艺可称为“渗碳”，无论是气相渗透（CVI）工艺，还是液相裂解（PIP）工艺，核心都是将基体炭添加到预先成型的纤维织物中，使产品密度从约0.5g/cm³提升至1.45-1.85g/cm³区间。该过程存在三大难点：

• 需确保渗入的基体炭与纤维炭紧密结合，结合精度需达到微米级（单根纤维直径约5-7微米）；

• 增密过程呈“前易后难”特征——初始阶段纤维织物较疏松，基体炭易渗入，随密度提升、制品紧实度增加，后续渗透难度逐渐增大；

• 渗碳并非单纯的“添加”过程：气相或液相分子进入后，大分子在高温下碳化并留存碳元素，同时生成小分子（VOCs等成分）需从制品中排出。这要求工艺同时保留“进入通路”与“排出通路”，理论上无法一次完成，需反复循环才能达到目标密度与性能，技术复杂度高。且为平衡性能与成本，通常不会将制品密度做到极高，满足客户需求即可。

我们通过独创配方与工艺，绕开了传统渗碳的复杂流程：

• 独创基体炭配方，解决界面强度问题——在低温阶段将基体炭、界面炭与纤维充分混合，利用温度（约200℃）和压力模压成型；

• 经高温碳化处理：留存碳元素，排出小分子，此过程中制品会形成一定孔隙；

• 通过反应熔渗（RMI）工艺渗入硅：硅与基体炭反应生成碳化硅，碳化硅不仅会发生一定体积膨胀，且属于“新增物质”，可填充制品孔隙。仅需一次渗硅，即可制备出满足客户要求的高性能炭基复材。

基于该工艺，传统需2个月-8个月的复杂长周期流程，被简化为仅需5天即可完成的高效流程，且制备的炭基复材性能更可靠、交付更快、价格更低。

我们通过设备对材料进行改性，核心是添加纳米级原料并搭配多种配方，其中一项关键配方是引入石墨烯片层结构。经特定工艺控制，添加石墨烯片层结构后，制品的纤维与基体间界面强度显著提升，整体力学、热学及电学性能也得到明显优化。

以具体数据为例：

• 按成品重量0.1%（即1/1000）的比例添加石墨烯，制品力学性能可提升约14%，电学性能可提升约11%；

• 同时，在提升制品石墨化程度的基础上，还能同步优化力学表现。

这与传统工艺形成鲜明对比：传统工艺中，石墨化程度提高通常会带来热学、电学性能上升，但力学性能会下降，而我们的配方可实现三者同步提升。

此外，我们选择在基体中进行改性的技术路线，而非传统工艺的“纤维表面改性”，更便于量产落地：该工艺操作简洁，设备与工艺参数变化可控，成本增加不明显，且产能更高，可适配大规模量产需求。

我们认为“基体改性技术”是未来高性能炭基复材的核心基石，原因在于：只有解决纤维与基体间的界面强度问题，后续各类技术改造与产业升级才具备实现基础。

业内对复合材料有“筋骨肉皮”的成分类比——“筋”对应纤维与基体间的界面层，“骨”对应增强体（多为纤维增强体），“肉”对应基体（如碳结构、碳化硅结构及残留硅等），“皮”对应涂层。我们的技术重点正是优化“筋”（界面层），通过解决界面强度问题，在提升制品性能的同时，实现工艺简化与成本降低。

我们最大的优势在于：在保证产品性能不变的前提下，可显著缩短制备周期——工期仅为传统工艺的约1/10，由此产能可提升6-10倍，成本则能降低至传统工艺的1/2到1/3区间。实现这一优势的核心，在于工艺路线的转换，具体依托高密模压与长纤植针两项关键技术，二者技术内涵及路径如下：

（一）高密模压技术

全称为“混捏低温阶段+高温模压顺规成型”，是一条独立的高效工艺路线：

1. 工艺流程：低温阶段将纤维与基体充分混匀，在约200℃下压制成树脂胚体；随后经约900℃高温碳化处理；最后在1500-1600℃下进行渗硅，即可制成炭陶产品。

2. 优势：整体工艺简洁、产品一致性更好，全程仅需约5天，与传统工艺形成显著对比——传统“预制体+CVI增密”或“预制体+CVI+PIP增密”工艺，工期常需45天甚至更久。

（二）长纤植针技术

全称为“针刺制备预制体+CVI/PIP增密”，是对传统CVI技术路线的升级优化：

1. 核心价值：一方面可帮助现有采用CVI路线的厂家提升产品良率与性能；另一方面，能支撑我们以“二供”身份切入现有供应链，快速获取订单，实现市场落地。

目前来看，焊接技术更适合应用于小件制品，这主要受限于当前加温、加压相关工艺及对应设备的能力。若后续能在加温、加压设备上实现突破，则该技术可拓展至更大尺寸、更复杂结构的制品。

从技术原理来看，陶瓷焊接技术应用于“炭炭制品制备→炭陶制品”环节：通过渗硅反应生成整体碳化硅网格，形成一体化基体，从而使界面具备优异结合强度。当前测试数据显示，界面拉拔强度可达20MPa左右，与传统“针刺+增密”工艺制品的强度相当；相较于过去的机械连接或高温导电胶粘接工艺，陶瓷焊接技术在界面强度、耐烧蚀性及复杂工况适应性上均更具优势。

这一技术优势类似金属加工领域：金属焊接工艺相较于铆接、螺栓连接等机械方式，具备明显性能优势。未来，陶瓷焊接技术的应用场景不仅可覆盖航空航天领域，还能延伸至工业大规模生产，核心价值在于将复杂工序简化——以生活中的马克杯为例，可将杯体与把手分开制备，再通过焊接技术整合为一体，既能提升整体良率，又能降低成本，对我们自身生产效率提升及客户成本控制均有正向作用，因此兼具航天与工业应用潜力。

我刚才所讲的内容，目前仍处于工程化创新阶段。炭基复材作为一个极为复杂的材料体系，我们认为距离原理创新还有一定差距。在发展过程中，我们计划以工程创新为起点，逐步向科技创新迈进，同时始终坚持“聚焦量产技术”的原则——不开展单纯的科学技术研究，所有研发的技术均需具备大规模量产应用的潜力。

尽管是工程化创新，其仍具备较高竞争壁垒，我们将这一壁垒的构建划分为三个阶段：

第一阶段：配方与工艺壁垒（未来2-3年核心）

我们突破传统经验依赖，将炭基复材制备从“经验驱动”转向“科学量化驱动”：以针刺工艺为例，我们将制备工序拆解为约50项细分指标体系，实验时固定其他变量、仅测试单一变量，再对结果进行定性与定量分析。通过“实验设计-执行-复盘”的循环，不断优化工艺，规避过去依赖直觉或经验导致的盲区，形成独特且高效的配方与工艺体系，这是未来2-3年的核心竞争优势。

第二阶段：工程化能力壁垒（3年后逐步凸显）

此阶段的核心是将优化后的工艺进行“逻辑化、数据化表达”，并转化为设备可执行的工艺包，通过“设备叠加工艺包”实现大规模量产。借助自动化量产体系，我们能在良率、成本、产能上形成显著竞争优势——相比竞争对手，可实现更高良率、更低生产成本与更大产能规模，成为3年后的关键壁垒。

第三阶段：设计与检测工具壁垒（长期构建，当前已启动）

通过持续的工艺研发与数据积累，串联正向、逆向联合研发，逐步形成专属的设计与检测工具。目前我们已启动相关工作，例如通过模型分析积累的数据；后续还计划与主机厂、科研院所合作，完善理论体系与数据字典，最终目标是建立类似“树脂及辅材积木式架构”的标准规范，既能为自身发展提供支撑，也能服务整个行业，推动行业整体进步。

在航空航天领域，鉴于行业规模庞大，我们选择从小口径喷管切入市场。当前小口径喷管的主流制备工艺及材料主要有两类，我们的产品核心目标是替代这两类材料——在价格接近的前提下，实现性能的显著提升：

1. 替代高硅氧纤维酚醛树脂基喷管

高硅氧纤维酚醛树脂基喷管的耐烧蚀原理是“高温下酚醛树脂碳化吸热”，但碳化过程较快，导致产品工作时长较短。而我们的产品采用炭陶材质，无需经过碳化吸热过程，且整体耐温性能远优于树脂基产品，最终可实现接近10倍的工作时长，彻底解决传统产品“工作周期短”的痛点。

2. 替代等压石墨基加工成型喷管

等压石墨喷管在装配、搬运、运输等环节易出现开裂问题，良率受限。我们的炭陶喷管不仅依托陶瓷材质提升了结构稳定性，还通过添加纤维实现增韧，有效避免了上述开裂风险，大幅提升了产品良率。

我们判断，航空航天行业未来将向“平民化”方向发展——具体体现为产品与服务更可靠、更可消耗、性价比更高，让更多组织甚至个人能够使用和消费行业服务。这一趋势的核心前提，是对传统材料进行升级迭代。

行业内常说“一代材料、一代飞机”，我们认为航天领域同样遵循“一代材料、一代飞行器”的规律。因此，我们希望在材料转型升级的浪潮中，为两大行业贡献价值：既推动炭基复材行业的技术落地与应用拓展，也助力航空航天行业突破传统材料瓶颈。

最终的价值落地，仍将聚焦于为行业提供性能可靠、交付快速、价格更低的高性能炭基复材产品，匹配航空航天对材料“高效、低成本、长寿命”的核心需求。

炭陶刹车盘是我决定创业的重要契机。判断一个行业能否快速发展，关键看是否存在“天使产品”，在我看来，炭陶刹车盘正是炭基复材行业的重要天使产品。如前文所述，若某20万元量级车型装备炭陶刹车盘，对整个行业的产能需求将是颠覆性的，这会推动行业被迫进行技术转型升级，也为新公司提供机会。

我之所以特别看好炭陶刹车盘，核心在于大需求层面：新能源汽车占比提升成为主流是必然趋势，而炭陶刹车盘有三大特性与新能源汽车高度匹配——制动距离更短，雨天制动性能不衰减；相比传统铸铁刹车盘，能显著减轻簧下重量，提升续航；新能源汽车自身重量通常翻倍，对制动系统要求更高，炭陶刹车盘可满足这一需求。

当前行业正处于炭陶刹车盘（及炭基复材）即将快速发展的瓶颈与节点：受传统工艺限制，现有炭陶刹车盘价格偏高，与消费者、主机厂需求有差距，良率和产能也偏低。随着工艺进步，我认为刹车盘价格会降至1000元以内甚至数百元/盘，导热性能进一步提升，未来将作为标配装备于20万元量级车型及商用大车。

简单换算来看，未来仅炭陶刹车盘一个产品，就可能为炭基复材行业贡献百亿规模产值，甚至可发展为炭基复材下的独立细分行业。但炭陶刹车盘作为汽车关键核心部件，导入周期长，需完成大量国标实验流程，因此我们制定了分阶段计划：先从现有工艺切入，以“二供”身份对“针刺预制体+CVI增密”工艺进行改进；对高密模压技术制备刹车盘，将按国标及主机厂要求逐步完成实验与验证，周期约12-18个月甚至更久，过程漫长但必要。

最后做一大胆预测：未来炭陶刹车盘市场体量将非常大，其中高密模压刹车盘将占据90%份额，仅约10%是“针刺+增密”工艺制备的刹车盘。

• 既要主动向高校老师、行业同行、上下游客户学习，吸纳外部经验；
• 也要在不涉及公司核心机密的前提下，大胆分享自身技术思路与实践心得。

• 短期以工业热场耗材、航天小型特种构件为核心切入点，做高性价比、快交付、高性能的国产替代配套供应商；
• 中期持续完善全链条制备能力，完成高端领域资质与产品认证；
• 长期希望以工程化创新与量产技术为核心，推动炭基复材行业工艺转型升级，参与完善行业材料标准体系，成为炭基复材领域工艺革新推动者、国产高端材料核心供应商、多场景一体化材料解决方案服务商，助力我国高温新材料、航空航天、新能源等产业链自主可控与升级发展。

• 首要任务是活下去，并持续创造价值；
• 看待每个产品或合同需立足更高角度——并非简单的“接单-生产-交货”买卖关系，而是要在过程中探索工艺与设备的改进空间，从每个合同中提炼对公司整体发展路线有价值的要点；
• 坚持开放式交流——不仅与院所、高校合作，也与上下游同行合作，只要不涉及核心机密，均可多交流、多传播。

• 产品配套模式：以二供为切入，逐步向一供转型，为下游客户提供标准化、定制化碳陶匣钵、工业板材、航天耐烧蚀构件等产品，实现材料替代与工艺替换，帮助客户降本增效；
• 联合研发模式：与下游终端企业、科研院所开展横向联合研发，围绕极端高温、摩擦制动等特殊工况，定制开发适配性新材料与构件，同步推进预研项目与产品验证；
• 产业协同模式：与上游设备、原材料企业深度联动，结合我们的工艺包与量产技术，共同优化生产装备、改良核心配方，打通上下游量产链路；
• 产学研合作模式：在非核心机密前提下开放技术交流，依托科研单位研发能力+企业工程化量产能力，加速新技术、新工艺的落地转化，共建行业生态。