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碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì):碳纖維可以與樹脂、陶瓷等材料結(jié)合形成碳纖維復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，密度低，重量輕，比強(qiáng)度高。它是國(guó)防和軍事領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略物資。全球碳纖維主要應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、航空航天、運(yùn)動(dòng)休閑、汽車等子行業(yè)。航空航天是最有價(jià)值的應(yīng)用領(lǐng)域:航空航天是消費(fèi)量最大、價(jià)值最高的下游市場(chǎng)，是碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)需求最大的細(xì)分領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料不僅滿足航空航天技術(shù)對(duì)減輕結(jié)構(gòu)材料重量的要求，而且滿足結(jié)構(gòu)材料高比模量和高比強(qiáng)度的要求。碳纖維復(fù)合材料具有性能和功能的可設(shè)計(jì)性，在民用、軍用航空和國(guó)防航空領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。碳纖維在航空上的使用，可以在不降低強(qiáng)度的情況下，有效降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)更高的飛行性能。主要用于生產(chǎn)機(jī)翼、襟翼、前機(jī)身、中機(jī)身、整流罩等零部件。碳纖維減輕戰(zhàn)斗機(jī)重量是實(shí)現(xiàn)超音速巡航性能和增強(qiáng)隱身力的關(guān)鍵。未來國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)的量產(chǎn)和國(guó)防軍用飛機(jī)的更新?lián)Q代，將拉動(dòng)碳纖維的市場(chǎng)需求。
碳纖維的分類:按原絲類型分:聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基(各向同性、中間相)；粘膠基(纖維素基、人造絲基)。按產(chǎn)品形態(tài)可分為長(zhǎng)絲、短纖維和短切纖維。根據(jù)制造條件和方法分類:碳纖維、石墨纖維、氧化纖維、活性碳纖維和氣相生長(zhǎng)碳纖維。按力學(xué)性能可分為通用型和高性能型:通用型碳纖維強(qiáng)度約1000MPa，模量約100GPa；高性能型分為高強(qiáng)度型和高型號(hào)，超高強(qiáng)度型和超高型號(hào)。按絲束大小可分為小絲束和大絲束:小絲束的碳纖維初期以1K、3K、6K為主，逐步發(fā)展到12K、24K，用于航空航天、運(yùn)動(dòng)休閑等領(lǐng)域。一般48K以上的碳纖維稱為大絲束碳纖維，包括48K、60K、80K等。，用于工業(yè)領(lǐng)域。海外碳纖維產(chǎn)業(yè)從技術(shù)積累、需求發(fā)掘、產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)能放大、充分競(jìng)爭(zhēng)，到現(xiàn)在的并購(gòu)整合，發(fā)展至今。碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期，主要是受航空航天減重需求的推動(dòng)。隨著工藝技術(shù)的不斷提高，碳纖維的成本逐漸降低。美國(guó)和日本開始將碳纖維應(yīng)用于體育用品等民用領(lǐng)域，民用產(chǎn)品的應(yīng)用促使碳纖維需求大幅增長(zhǎng)。海外碳纖維產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入快速發(fā)展期。
我國(guó)聚丙烯腈基碳纖維的研究始于20世紀(jì)60年代，最早從事碳纖維研發(fā)的機(jī)構(gòu)有山西省煤炭化學(xué)研究所、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所(北京)。然而，由于技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，設(shè)備技術(shù)落后，西方國(guó)家的技術(shù)封鎖，聚丙烯腈基碳纖維的國(guó)產(chǎn)化技術(shù)長(zhǎng)期處于低水平。2002年第一條二甲基亞砜原絲工程線建成后，國(guó)產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維進(jìn)行了改造升級(jí)。中國(guó)科技部設(shè)立了“863”計(jì)劃，重點(diǎn)支持國(guó)產(chǎn)聚丙烯腈基碳纖維的工程化研究。國(guó)家發(fā)改委和工信部也加大了對(duì)工程化、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用的支持力度，國(guó)產(chǎn)碳纖維進(jìn)入有序發(fā)展階段。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包括上游原料供應(yīng)、中游原絲加工、碳纖維相關(guān)產(chǎn)品、碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)加工、核心機(jī)械制造和下游應(yīng)用市場(chǎng)。核心環(huán)節(jié)是前驅(qū)體、碳纖維、織物、預(yù)浸料、復(fù)合材料等步驟的中游環(huán)節(jié)，占整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈成本的一半以上。聚丙烯腈基碳纖維占碳纖維的90%以上。聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)主要包括兩個(gè)過程:原絲生產(chǎn)和原絲碳化。原絲生產(chǎn)工藝主要包括聚合、脫泡、計(jì)量、紡絲、拉伸、水洗、上油、干燥和卷繞。碳化工藝包括鋪絲、預(yù)氧化、低溫碳化、高溫碳化、表面處理、定型烘干、絡(luò)絲等步驟。碳纖維市場(chǎng)核心技術(shù)突破后，隨著材料應(yīng)用的進(jìn)一步推廣，全球產(chǎn)能需求劇增。2019年，全球碳纖維需求首次突破10萬噸。
中國(guó)碳纖維產(chǎn)能利用率有待提高:中國(guó)碳纖維有產(chǎn)能但無產(chǎn)量。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的碳纖維都是小絲束，其中12K占90%以上，1K、3K、6K都有自己的產(chǎn)量。不同型號(hào)、不同應(yīng)用領(lǐng)域的碳纖維價(jià)格相差很大，從每公斤幾十元到上千元不等，一些特殊用途的碳纖維價(jià)格甚至達(dá)到每公斤上萬元。我國(guó)碳纖維行業(yè)技術(shù)不成熟導(dǎo)致大量產(chǎn)能盲目上馬，無法實(shí)現(xiàn)下游應(yīng)用，實(shí)際產(chǎn)能開工率低。中國(guó)碳纖維行業(yè)受禁運(yùn)影響嚴(yán)重，發(fā)展緩慢。然而，碳纖維作為一種重要的戰(zhàn)略物資，對(duì)國(guó)家安全、國(guó)計(jì)民生意義重大。強(qiáng)有力的政策支持為我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的政策環(huán)境，有助于我國(guó)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)專注于技術(shù)開發(fā)，解決實(shí)際應(yīng)用問題，真正將碳纖維及復(fù)合材料應(yīng)用到需要的領(lǐng)域。碳纖維技術(shù)相繼突破了小絲束和大絲束的技術(shù)突破。我國(guó)小絲束碳纖維材料的發(fā)展始于軍事，目前航空航天是一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料是大型集成結(jié)構(gòu)的理想材料。與常規(guī)材料相比，碳纖維復(fù)合材料可使飛機(jī)重量減輕20%-40%，并具有克服金屬材料疲勞和腐蝕等缺點(diǎn)的能力，從而增強(qiáng)飛機(jī)的耐久性。復(fù)合材料的良好成形性可以大大降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本和制造成本。在軍事航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的滲透率越來越高。雖然大絲束碳纖維的連續(xù)性能并不比航天級(jí)小絲束好，但其技術(shù)壁壘也相當(dāng)高。作為工業(yè)級(jí)碳纖維，其核心驅(qū)動(dòng)力在于低成本，因此如何在保證大絲束的情況下有效控制成本極為重要。
隨著未來生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)一步提升和核心技術(shù)的不斷突破，以及航空航天等高端領(lǐng)域和風(fēng)電汽車等民用社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展，碳纖維的需求市場(chǎng)有望加速增長(zhǎng)。全球碳纖維主要用于風(fēng)力發(fā)電、航空航天、運(yùn)動(dòng)休閑行業(yè)、汽車等子行業(yè)。2019年，風(fēng)電和航空航天是碳纖維最大的應(yīng)用領(lǐng)域，分別占總需求的25%和23%，其次是運(yùn)動(dòng)休閑，占15%的市場(chǎng)份額，汽車排名第四，占11%的市場(chǎng)份額。從金額上看，航空航天占據(jù)了碳纖維市場(chǎng)的半壁江山，這主要是由于其行業(yè)的特殊性。飛機(jī)和飛機(jī)制造對(duì)碳纖維的強(qiáng)度、壽命和穩(wěn)定性都有嚴(yán)格的要求，所以航空級(jí)碳纖維的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他行業(yè)。從產(chǎn)能來看，2019年日本東麗及其收購(gòu)的Zoltek占比32%，是行業(yè)龍頭企業(yè)。其他主要制造商包括德國(guó)SGL、日本三菱麗陽(yáng)、日本東邦、臺(tái)塑、美國(guó)Hexcel、美國(guó)Cytec等。，而在軍工、航空等高端領(lǐng)域，日美企業(yè)占比更大。中國(guó)的碳纖維研究與日本同時(shí)起步，但產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程緩慢。外企依然封鎖國(guó)門，國(guó)內(nèi)企業(yè)未來發(fā)展?jié)摿薮?。碳纖維是一種高科技密集型產(chǎn)品，涉及精餾提純、聚合物合成、化纖紡絲、高溫處理、表面處理、界面科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，產(chǎn)品系列多，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。產(chǎn)業(yè)發(fā)展涉及產(chǎn)、學(xué)、研、用各個(gè)環(huán)節(jié)。進(jìn)口碳纖維替代特征初顯。我國(guó)碳纖維國(guó)產(chǎn)化率為32%，進(jìn)口部分主要依賴日本和臺(tái)灣省。核心技術(shù)尚未突破，依賴進(jìn)口機(jī)械:中國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到原絲供應(yīng)和高溫碳化爐設(shè)備制造的制約。
目前國(guó)產(chǎn)碳纖維普遍性能控制能力較弱。例如，高性能聚丙烯腈原絲的質(zhì)量問題一直存在缺陷，尤其是對(duì)分子量分布等微觀指標(biāo)的控制研究程度較低。美國(guó)和日本壟斷原絲供應(yīng)，中國(guó)先進(jìn)原絲很大程度上依賴進(jìn)口，紡絲原液、噴絲板組件等制備技術(shù)。還不完美。在碳纖維制造過程中，與碳化器相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和專用設(shè)備，我國(guó)與世界領(lǐng)先企業(yè)差距較大。碳化器是纖維被碳化的地方。根據(jù)最高工作溫度，可細(xì)分為低溫碳化器和高溫碳化器。為了獲得高模量，需要超高溫碳化器或石墨化爐。高溫處理設(shè)備是碳纖維生產(chǎn)線的核心和關(guān)鍵設(shè)備，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響碳纖維生產(chǎn)線的連續(xù)運(yùn)行和碳纖維產(chǎn)品的性能。由于國(guó)外設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)的壟斷，國(guó)內(nèi)只能制造小型的國(guó)產(chǎn)碳化塔設(shè)備。碳纖維生產(chǎn)壁壘高，生產(chǎn)效率低，影響成本優(yōu)化:紡絲和氧化碳化難以控制。上游聚丙烯腈(PAN)原絲經(jīng)過預(yù)氧化、低溫和高溫碳化得到碳纖維。碳纖維中游可制成碳纖維織物和碳纖維預(yù)浸料；對(duì)下游預(yù)浸料進(jìn)行加工和成型，以獲得相應(yīng)的最終產(chǎn)品。通常碳纖維的生產(chǎn)成本約為51%，約2.2kg原絲生產(chǎn)1kg碳纖維。原絲生產(chǎn)過程中，折舊和能耗占總量的40%。提高生產(chǎn)效率可以有效降低折舊和噸能耗。碳纖維的材料加工成本太高。目前90%以上的碳纖維生產(chǎn)使用聚丙烯腈基碳纖維，聚丙烯腈基碳纖維的生產(chǎn)工藝比傳統(tǒng)的金屬加工工藝復(fù)雜得多。
