維材料進口替代研究顯示，國際碳纖維技術(shù)和市場長期被日本和美國企業(yè)壟斷，我國雖起步較早，但因工藝基礎(chǔ)薄弱、裝備技術(shù)落后，碳纖維質(zhì)量低、性能穩(wěn)定性差，聚丙烯腈基碳纖維國產(chǎn)化技術(shù)長期處于較低水平，2020年以來，受全球新冠疫情及國外政策管控影響，國內(nèi)碳纖維市場供不應(yīng)求，進口難度加大，這為國產(chǎn)碳纖維提供了發(fā)展機遇，隨著國內(nèi)高端碳纖維技術(shù)不斷突破以及行業(yè)向生產(chǎn)規(guī)?；头€(wěn)定化發(fā)展，我國碳纖維進口依存度趨于下降，國產(chǎn)替代空間廣闊。

一、碳纖維材料概述

碳纖維是一種由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向堆砌所得、含碳量高于90%的材料，由上游原料丙烯腈聚合、碳化所得。它具有眾多優(yōu)異性能，如密度比鋁低、強度比鋼高，在目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量，同時還具有低密度、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱導(dǎo)性高、熱及濕膨脹系數(shù)低、X光穿透性高、非磁體但有電磁屏蔽效應(yīng)等特點，被譽為21世紀(jì)的黑色黃金，在國防軍工及民用領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用前景，是不可或缺的國家戰(zhàn)略性物資。

二、碳纖維的分類

1. 按原絲類型劃分
   • 聚丙烯腈（PAN）基碳纖維：由于產(chǎn)品性能優(yōu)異、工藝簡單且無明顯缺陷，逐步成為碳纖維市場主流，在碳纖維產(chǎn)品中產(chǎn)量占比達90%以上（部分?jǐn)?shù)據(jù)顯示達91%）。PAN原絲經(jīng)歷預(yù)氧化、碳化、石墨化三個過程，最終轉(zhuǎn)變成為具備片狀的石墨纖維結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)1噸碳纖維約需消耗丙烯腈1.96噸。
   • 瀝青基碳纖維：原料調(diào)制復(fù)雜、產(chǎn)品性能較低，目前規(guī)模較小。但高性能瀝青基碳纖維具備高剛性、高導(dǎo)熱和高功能性，在航空航天領(lǐng)域仍占有一席之地。
   • 粘膠基碳纖維：碳化收率低、技術(shù)難度大、設(shè)備復(fù)雜、成本高，產(chǎn)量較小，主要用于耐燒蝕材料及隔熱材料。
2. 按絲束規(guī)格劃分
   • 小絲束（1K - 24K）：產(chǎn)品抗拉能力更強，生產(chǎn)成本更高，大多應(yīng)用在國防軍工以及體育用品中。
   • 大絲束（48K - 80K）：主要應(yīng)用在工業(yè)、能源領(lǐng)域。
3. 按力學(xué)性能劃分
   • 高強型（GQ）：拉伸強度大于3,500MPa。
   • 高強中模型（QZ）。
   • 高模型（GM）：拉伸彈性模量大于350GPa。
   • 高強高模型（QM）。

三、碳纖維的生產(chǎn)關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1. 原絲生產(chǎn)
   • 工藝類型
     • 按照聚合和紡絲的連續(xù)性分為一步法（包括聚合、紡絲）和兩步法（包括聚合、制膠、紡絲）；按照紡絲工藝，主要分為濕法紡絲和干濕法紡絲。紡絲工藝的選擇及控制是保證高性能原絲穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。原絲環(huán)節(jié)成本約占碳纖維生產(chǎn)成本的51%，是碳纖維生產(chǎn)的核心環(huán)節(jié)。
     • 我國碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在原絲生產(chǎn)方面與全球龍頭公司存在差距，如在聚丙烯腈原液聚合過程中分子量和分子分布水平低等問題。
   • 對碳纖維強度的影響：碳纖維強度依賴于原絲的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)及其致密性。
2. 碳化環(huán)節(jié)
   • 我國碳纖維企業(yè)在碳化及石墨化環(huán)節(jié)中存在碳纖維原絲拉伸比較小等問題，并且在反應(yīng)參數(shù)和條件摸索，工藝技術(shù)中溫度、流速等條件的均一性控制方面，也與行業(yè)龍頭公司存在一定差距。

四、全球碳纖維市場格局

1. 市場增長情況
   • 全球碳纖維總需求從2008年3.64萬噸增長到2019年的10.19萬噸，CAGR為9.81%。供給方面，在下游需求的拉動下，全球碳纖維產(chǎn)能持續(xù)增長，從2008年的6.2萬噸增長到2019年的17.4萬噸。
2. 供應(yīng)商格局
   • 碳纖維全球供應(yīng)商多為美日企業(yè)，2018年美日理論產(chǎn)能占全球比例為43%，全球龍頭公司主要有日本東麗和美國赫克塞爾等。我國碳纖維國產(chǎn)化水平較低且多為通用型等低端產(chǎn)品，高強高模型碳纖維產(chǎn)品主要依靠進口，2018年我國碳纖維產(chǎn)品國產(chǎn)化率僅為28.52%，存在較大的提高空間。

五、我國碳纖維行業(yè)發(fā)展情況

1. 行業(yè)發(fā)展進程
   • 21世紀(jì)以來，我國大力發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)，國內(nèi)企業(yè)逐漸打破國外技術(shù)封鎖，逐步縮小與世界碳纖維先進生產(chǎn)技術(shù)的差距。目前我國已突破T700、T800等高性能碳纖維的千噸級產(chǎn)業(yè)化；2019年中復(fù)神鷹率先實現(xiàn)干噴濕紡T1000級超高強度碳纖維工程化，提升了我國碳纖維行業(yè)整體技術(shù)水平；此外，國產(chǎn)T700S - 12K小絲束碳纖維的復(fù)絲拉伸強度與模量也已達到日本東麗同級別碳纖維性能水平。根據(jù)廣州賽奧《2021全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》，2021年我國碳纖維運行產(chǎn)能達6.34萬噸，同比增長75.14%，占全球碳纖維運行產(chǎn)能的30.5%，產(chǎn)能規(guī)模全球第一，我國碳纖維行業(yè)進入快速發(fā)展階段。
2. 政策支持
   • 國家政策持續(xù)加碼支持碳纖維行業(yè)，這將助推行業(yè)進一步發(fā)展，在下游市場增長，國產(chǎn)替代加速，國家政策支持下，目前國內(nèi)廠商如光威復(fù)材、中簡科技等已研發(fā)生產(chǎn)出可對標(biāo)美日龍頭企業(yè)的高性能碳纖維產(chǎn)品，中國碳纖維行業(yè)將步入發(fā)展快車道。
3. 下游應(yīng)用市場及潛力
   • 目前，碳纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域有航空航天、汽車制造、體育休閑、建筑和工業(yè)機械、風(fēng)電葉片、壓力容器等領(lǐng)域。其中航空航天為最大的碳纖維應(yīng)用市場，此外，受風(fēng)電裝機產(chǎn)能增長、國家氫能源項目推進落地、新能源汽車滲透率不斷增高等因素影響，風(fēng)電、壓力容器、汽車用碳纖維市場將迎來發(fā)展良機。

六、碳纖維復(fù)合材料的性能與應(yīng)用

1. 性能優(yōu)勢
   • 碳纖維最終以碳纖維復(fù)合材料形式應(yīng)用在輕量化/高強/高模等領(lǐng)域。相較其他材料，碳纖維復(fù)合材料密度最低，根據(jù)《碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中的應(yīng)用》，高強度型/高模量型碳纖維復(fù)合材料密度分別為1.5/1.6g/cm3，減重率達到55% - 60%。同時，碳纖維復(fù)合材料強度/模量也高于大部分材料，高強度型/高模量型碳纖維復(fù)合材料抗拉強度分別為1400/1100Mpa，彈性模量分別為130/190Gpa（碳纖維復(fù)合材料的抗拉強度/彈性模量會小于碳纖維碳絲）。因此在輕量化/高強/高模等應(yīng)用領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料的性能優(yōu)勢明顯。
2. 應(yīng)用領(lǐng)域拓展
   • 隨著碳纖維成本和價格的下降，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域有望快速擴大。目前其在消費電子輕量化的趨勢下，碳纖維復(fù)合材料在筆記本電腦的滲透率會進一步提升，并且在折疊屏手機、VR等設(shè)備上均有導(dǎo)入；而且在新能源汽車、無人機等領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料都因為其優(yōu)秀的材料表現(xiàn)均在陸續(xù)導(dǎo)入與使用。

碳纖維材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維進口替代的政策支持

碳纖維復(fù)合材料的成本下降趨勢

碳纖維材料在新能源汽車中的應(yīng)用