碳纤维材料的现状和发展趋势

2023-11-14 05:54780网络

行业主要上市公司：吉林化纤(000420)中复神鹰(688295)光威复材(300699)精功科技(002006)中简科技(300777)吉林碳谷(83677)等。

本文核心数据：中国碳纤维产能中国碳纤维产量中国碳纤维需求量

行业概况

——定义

碳纤维(CF)是指含碳量大于90%的纤维材料，可以用粘胶、聚丙烯腈以及沥青等有机纤维在高温下碳化制取。高强、高模CF主要由聚丙烯腈长丝在1000℃以上高温碳化形成，它与树脂、金属、陶瓷、碳、玻璃等复合后具有模量高、强度高、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀等特性，广泛应用于航天、航空、军工、航海、化工、电子、建筑以及体育休闲等领域，是军民两用的高技术纤维。

当前，各国大多按照习惯对碳纤维进行分类，分类方式大致有以下三种：

(1)按照原料分类：聚丙烯腈(PAN)基沥青基(各向同性、中间相)胶黏基。

(2)按照制造条件和方法分类：碳纤维(800-1600℃)石墨纤维(2000-3000℃)氧化纤维(预氧丝200-300℃)活性碳纤维气相生长碳纤维。

(3)按力学性能分类：通用级(GP)高性能(HP)期中包括中强型(MT)、高强型(HT)、超高强型(UHT)、中模型(IM)、高模型(HM)、超高模型(UHM)。碳纤维在应用时多是作为增强材料而利用其优良的力学性能，因此使用中更多地是按其力学性能分类，一般认为纤维的拉伸强度低于1400MPa，拉伸模量小于140GPa，则此种属于通用级碳纤维范畴。在高性能碳纤维范畴中，对中强、中模、高强、高模、超高强、超高模等并无严格的区分指标。

——产业链剖析：产业链涉及领域广泛

碳纤维的生产工艺复杂，从碳纤维纺丝、预氧化、碳化到复合材料成型再到终端的应用需要经历复合且很长的过程。碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天、风电叶片、汽车、体育休闲、混配模成型、电缆芯、建筑建材、压力容器、船舶、碳碳复材、电子电器等多个领域。

行业发展历程：行业处在快速发展阶段

我国的碳纤维行业起步于20世纪60年代，几乎和日美等国家同时起步，但由于相关知识储备不足、知识产权归属等问题，发展缓慢。同时，日本、美国等国家对碳纤维核心技术形成垄断，我国碳纤维生产技术和装备水平整体落后于国外，在较长的一段时间内发展止步不前，无法满足国家重大装备等高端领域的需求。

2000年以来，国家加大对于碳纤维领域自主创新的支持力度，将碳纤维列为重点研发项目。伴随着国家政策的大力扶持，国内碳纤维行业在技术上取得重大突破，产业化程度快速提升，应用领域不断扩大，地区上目前已形成以江苏、山东和吉林等地为主的碳纤维聚集地。

行业政策背景：政策加持，支持碳纤维产业的发展

国家政策作为产业发展的催化剂，近年来，国家持续发布相关政策推动碳纤维健康有序发展。从国家的政策可以看出，国家把碳纤维作为新材料进行推广和应用，持续引导国内碳纤维发展，计划形成若干家家具有国际竞争力的碳纤维大型企业集团及若干创新能力强、特色鲜明、产业链完善的碳纤维及其复合材料产业集聚区。未来随政策的支持，我国碳纤维行业相关技术将接近国际水平。

行业发展现状

——供给：中国成为全球最大产能国

我国碳纤维工业的起步可以追溯到1962年，到目前为止已发展57年，仅比世界碳纤维起步晚3年但无论是研发成果还是制造工艺，我国同发达国家相比还存在一定差距。

2021年，中国大陆地区首次超过美国，成为全球最大产能国，产能达到6.34万吨，占全球总产能比重超过30%。

在产量方面，2021年由于国内碳纤维产能加速扩张，同时开工率保持稳定，新装置相继投产，带动产量增长。2021年我国碳纤维产量达到2.43万吨，同比增长30.03%。

——需求：风电叶片为最大需求领域

总体来看，早年间在全球碳纤维供应不足的情况下，美国、日本等国家对中国实行出口限制，导致中国碳纤维需求长期被抑制。近几年由于国内技术突破，刺激了对碳纤维的使用。近年来我国碳纤维需求量呈不断增长趋势，2017-2021年，我国碳纤维需求量呈不断上升趋势，2021年中国碳纤维需求量6.24万吨，同比增长27.7%。

2021年，国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片、体育休闲和碳-碳复材，分别占比36%、28%、11%，其他领域的需求占比均不足10%。在海上风电叶片大尺寸的发展趋势下，预计风电叶片领域碳纤维的需求将持续增加。

行业竞争格局

——区域竞争格局：江苏省和广东省是主要碳纤维消费省份

从碳纤维市场消费金额来看，江苏省和广东省是消费大省，消费占比分别为35.4%和21.4%其次为山东，消费占比为18%其他省份消费占比均不超过6%。

——企业竞争格局：吉林化纤、中复神鹰为行业龙头企业

目前，我国碳纤维第一梯队企业有吉林化纤、中复神鹰，该类企业碳纤维原丝产能在2.5万吨以上，碳纤维产能在1万吨以上第二梯队企业有江苏恒神、光威复材，该类企业碳纤维原丝产能在1万吨以上，碳纤维产能在0.5万吨以上第三梯队企业有太铜铜料、兰州蓝星，该类企业碳纤维原丝以及碳纤维产能在0.5万吨左右第四梯队企业为行业内的其他中小制造企业。

行业发展前景及趋势预测

——市场走向良性健康发展道路

现今，碳纤维行业总体技术尚不成熟稳定，产品质量及性价比相对较低。不过，随着我国高端碳纤维技术的不断突破以及生产向规模化和稳定化发展，企业布局逐渐向高附加值的下游应用领域延伸，我国碳纤维行业将逐步实现进口替代，企业盈利能力有望逐步恢复，市场走向良性健康发展道路。

尤其是在国务院正式发布的《中国制造2025》中，对我国制造业转型升级和跨越发展作了整体部署，明确了建设制造强国的战略任务和重点，选择10大优势和战略产业作为突破点，力争到2025年达到国际领先地位或国际先进水平。

——碳纤维新产品向高稳定、高端化方向发展

前瞻产业研究院预计，碳纤维行业将出现如下发展趋势：

以上数据参考前瞻产业研究院《中国碳纤维行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》。

解读汽车制造领域的“碳纤维热”

碳纤维结构加固技术的技术标准

随着碳纤维的优势特性被越来越多的人所关注和了解，航空、军备、机器人制造、轻轨交通等多个领域的应用式开发蜂拥而上，使得国内碳纤维生产线建设异常热闹。特别是在汽车制造领域，“碳纤维热”已呈燎原之势。但是，碳纤维作为新兴战略性产业中的一种重要材料，其在汽车制造领域受热捧的背后还有很多深层含义值得我们去解读。

解读一：汽车轻量化的趋势造成了碳纤维材料的“炙手可热”

几年前，宝马在日本大量销售的采用尖端材料的EV(纯电动汽车)“i3”，其宣传口号就是“碳纤维电动”。该车使用碳纤维取代了车体材料中过去最常用的钢铁。碳纤维以仅有钢铁四分之一的重量，实现了足够的强度和耐久性。对于充电一次驾驶距离嫌短的EV等环保车，轻量化是最重要的课题。

宝马是“先天下之动而动”，随着对低碳环保新产品的社会需求越来越多，汽车行业的变革导致了纯电动环保车型的爆发式增长，不少地方除了对纯电动增加补贴之外，还在牌号限制方面对其大放绿灯，鼓励发展。国内相关政策也做出了具体要求：到2017年新能源汽车通过应用新材料实现车身减重25%、到2020年实现车身减重30%的目标。事实上，在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染的轻量化不仅是新能源车的发展方向，而是包括传统车型在内的一众汽车企业共同追求的目标。

碳纤维复合制材在汽车轻量化中的作用非常明显，实验证明，车重每减小10%，油耗可降低6-8%，排放量可降低5-6%，0-100km/h加速性可提升8-10%，制动距离缩短2-7m；车身轻量化后整车重心可实现下移，有效提升了汽车操纵的稳定性；碳纤维还具有极佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是钢的6-7倍、铝的3-4倍，使车辆在运行更加安全、平稳；此外，碳纤维还具有更高的震动阻尼，可提高整车疲劳强度。基于现有的碳纤维成型工艺，可使车身开发实现集成化，大大减少了零件的种类，减少装配难度和工作强度。不仅带来节省能源、增加续航里程，提升性能的好处，还可以全面提高车辆的舒适性、稳定性、安全性和可靠性，从而会给汽车产业带来革命性的变化！

解读二：起步过晚的技术已成为碳纤维应用的最大障碍

中国的碳纤维产业技术起步晚的原因既有政治因素又有经济因素，几十年前就开始碳纤维研发的西方国家将碳纤维视为战略物资，曾对中国禁售、禁运，根本不可能转让技术。上世纪80年代中国就曾从英国RK公司引进大丝束预氧化炉和炭化炉，结果两套设备均未能正常运转。就在近几年，碳纤维的开发才算正式开始，因此，碳纤维产业的技术基础还很薄弱，产能也难以转化为产量。目前中国碳纤维生产企业已超过40家，规划产能在7-8万吨/年。除了民营企业，中国石油、中国石化、中国化工、中国钢铁、中国建材、首钢国际等大型国企都已介入。但是在设备技术和生产规模方面的巨大差距使国内同等质量的产品价格远高于国外。例如，日本东丽T700级碳纤维的成本与国内T300级的成本相当，成本差异如此之大，导致中国碳纤维产品缺乏市场竞争力。随着高性能纤维及复合材料市场的中心进一步向亚洲转移，中国高性能碳纤维复合材料产业前景令人期盼。

但投资火热的同时也有盲目跟风因素的存在，国内碳纤维领域著名专家——北京化工大学材料科学与工程学院副院长徐梁华教授用“成绩喜人但隐患犹存”来概括国内该产业的发展现状。他指出，目前行业内存在技术底蕴不足、盲目跟风上项目等问题，多数产品还不具备市场竞争力，在具体的应用领域缺少专业和系统的研发。从国家整体水平看，虽然已经掌握了许多关键技术，但由于分散在各个环节，资源得不到有效分配与整合，导致整体产业水平上不去。而高水平专业人才的培养问题同样应该引起重视，目前高等院校里几乎没有相应的专业设置。在这种情况下，业内需要思考碳纤维产业的发展之路，并通过探讨高性能化和低成本化解决技术难题，扩大市场应用，真正创造效益。

解读三：碳纤维加工企业必须积极应对市场需求

碳纤维复合材料主要凭借两个优势进攻汽车制造领域，一是模块化生产，碳纤维复合材料具有良好的可塑性，可加工成各种零部件，也可以制成一体式的整体结构。对多个部件的一次性加工成型，不仅缩短了加工时间、降低了成本，并且能保证更高的精度。二是生产工艺-树脂转移模塑成型(RTM)技术的发展应用，能大幅提高零件成型速度，将传统成型的几天时间缩短为几分钟，具有效率高、成本低、绿色环保等优点。宝马、奥迪、帝人等公司都已试验或运用了此项技术。一些技术发展较快的碳纤维加工企业还能采用更新的成型技术使碳纤维产品达到A级表面的要求，拓展碳纤维复合材料的使用范围。

但是目前国内的碳纤维加工企业良莠不齐，大多还处于摸索阶段，在生产标准和技术研发水平上很难达到客户的理想水平，这在很大程度上局限了碳纤维产品在汽车制造领域的广泛应用。在行业内起步较早的无锡威盛新材料有限公司的技术总监坦言：“从未来发展趋势上看，汽车制造行业对碳纤维零部件有很大需求，但是碳纤维产品的制造方必须要结合这些行业的实际需求，提升自身的生产能力，将碳纤维技术真正融入到该领域中去，这就需要双方在产品研发上做更深层次的交流合作”。日前，该企业为国内某家汽车主机厂研发的碳纤维低速吸能盒已进入试样阶段，此外该企业研发的阻燃增韧碳纤维材料，填补了国内此项目的技术空白，在轨道车辆的车身及车厢设施方面应用非常广泛，有效发挥了碳纤维制品在结构减重方面的突出优势。

日前，欧洲汽车轻量化技术联盟理事、意大利APS公司合伙人、碳略新材科技 CEO宋廷瑞博士在2016第二届碳纤维及其复合材料技术与应用研讨会发表了题为《汽车碳时代，复合材料支撑汽车产业革命》的演说，再一次论证了碳纤维及其复合材料对汽车产业的历史意义。但是在这股“碳纤维热”的背后，我们必须清醒地认识到，如果没有系统化的开发，没有足够丰富的生产经验，没有积极应对市场需求的研发队伍是很难在短时间内将这种“热”传导到汽车制造领域，为汽车行业带来有影响性的革新力量，这也需要碳纤维生产方和客户方需要深入考虑的问题。

国内最早通过的规范是2003年《碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，其编号为CECS146：2003, 已经被最新的国家标准规范2006《混凝土结构加固设计规范》代替,其编号为GB 50367-2006. 碳纤维加固最近的国标是《结构加固修复用碳纤维片材》GB/T 20490-2008,08年10月1日起执行。《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》

粘贴碳纤维结构加固技术是指采用高性能粘结剂将碳纤维布粘贴在建筑结构构件表面，使两者共同工作，提高结构构件的（抗弯、抗剪）承载能力，由此而达到对建筑物进行加固、补强的目的。

碳纤维增强聚合物（CARBON FIBRE REINFORCED POLY-MER简称CFRP，也称为碳纤维增强塑料）是由环氧树脂粘高抗拉强度的碳纤维束而成的。使用碳纤维布加固具有以下几个优点：A、强度高（强度约为普通钢材的10倍），效果好；B、加固后能大大提高结构的耐腐蚀性及耐久性；C、自重轻（约200G/`M^2`），基本不增加结构自重及截面尺寸；柔性好，易于裁剪，适用范围广；D、施工简便（不需大型施工机构及周转材料），易于操作，经济性好；E、施工工期短（本工程实例仅用一周）；因此，碳纤维结构加固技术在混凝土结构方面已产生较大的效应。

碳纤维加固技术适用于各种结构类型，各种结构部位的加固修补，如梁、板、柱、屋架、桥墩、桥梁、筒体、壳体等结构，要求基层混凝土的强度等级不低于C15即可；另外，砖砌体的某些力学性能也可以用碳纤维进行加固。

可以使用加固材料即用改性环氧树脂粘贴各种符合国标GB50367-2006规定的碳纤维单向织物布复合材,S玻璃布,(玄武岩布),E玻璃纤维单向织物布及GB/T221491-2008规定的芳纶布,芳玻韧布复合材

它具有粘贴钢板相似的优点外，还具有耐腐浊、耐潮湿、几乎不增加结构自重、耐用、维护费用较低等优点，但需要专门的防火处理，适用于各种受力性质的混凝土结构构件和一般构筑物。

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