碳纤维是高分子材料吗（关于碳纤维的简介）

2023-04-05 03:54 来源：促记网点击：

碳纤维是高分子材料吗（关于碳纤维的简介）

01 碳纤维简介

具备出色的力学性能和化学稳定性的黑色黄金

碳纤维（Carbon Fiber）是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机母体纤维，在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量高于90%的无机高分子纤维。碳纤维具备出色的力学性能和化学稳定性，密度比铝低、强度比钢高，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，同时具有导电、导热、耐腐蚀等一系列其他材料所不可替代的优良性能。碳纤维在航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域广泛应用。

碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格、原丝制备工艺等不同维度进行分类，不同类别的碳纤维分类标准如下：

原丝种类：分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛，自20世纪60年代问世以来，迅速占据主流地位，占碳纤维总量的90%以上。沥青基、粘胶基的产量规模较小。因此，目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。

力学性能：业内主要采用力学性能进行分类。企业产品分类主要参考日本东丽的牌号，并以此为基础确定自身产品的牌号及级别。此外，按照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标准GB/T 26752-2020的力学性能分类，PAN基碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四类。

丝束规格：按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束（1K代表一束碳纤维中有1000根丝）， 24K以上的为大丝束。小丝束碳纤维性能优异、产量低、价格较高，一般用于航空航天、国防军工等高科技领域。大丝束产品性能相对较低、成本较低、生产控制难度大，广泛运用于基础工业、民用领域。

原丝制备工艺：按照纺丝溶剂的选择，聚合工艺的连续性，纺丝采用的工艺方法等，原丝制备可以分为不同的工艺类型。按照纺丝溶剂区分，包括DMSO（二甲基亚砜）、DMAC（ N,N 二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸钠）等不同的溶剂类别。按照聚合工艺的连续性，可以分为一步法、两步法。按照纺丝工艺，可以分为湿法和干喷湿纺法。

02 碳纤维供需

全球供给

2020年全球碳纤维运行产能共计17.2万吨，同比增长10.8%，增长部分主要来自卓尔泰克在匈牙利增加的5000吨，碳谷+宝旌（前精功碳纤维）增加的2000吨，中复神鹰增加的2000吨，光威增加的2000吨，晓星公司增加的2000吨。

从制造商看，2020年具有最大运行产能的是Toray+Zoltek（东丽和卓尔泰克）、共计约5.45万吨，其次是SGL（德国西格里）1.5万吨、MCCFC（三菱）1.43万吨、Toho/Teijin（东邦/帝人）1.26万吨、Hexcel（赫氏）1.02万吨、FPC（台塑）0.88万吨。未来多家制造商预计扩产共计8.04万吨。

从区域看，美国具大的运行产能3.73万吨，占比最大为21.7%；其次为中国大陆3.62万吨，占比为21.1%；日本2.92万吨，占比17%。同时，据中国化学纤维工业协会统计，2020年，在国际大丝束碳纤维市场中，美德企业市占率达到全球产能的89%以上，日本企业市占率约为10%。其中，碳纤维大丝束主要制造商为日本东丽、美国Hexcel、德国SGL、日本三菱、中国蓝星等企业。

国内供给

2020年中国碳纤维产能共计3.6万吨、同比增长35.7%。2020年具有最大碳纤维运行产能的是碳谷+宝旌、共计0.85万吨，其次是江苏恒神 0.55万吨、中复神鹰0.35万吨。同时，2020年具有最大碳纤维原丝产能的也是碳谷+宝旌，共计4万吨、其次是中复神鹰2.125万吨、江苏恒神1.375万吨。

国内公司产能特点：吉林碳谷以原丝生产为主；吉林宝旌和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主，江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳纤维生产能力；其他公司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。

扩产计划：国内的吉林化纤集团、中复神鹰、光威复材等公司均有碳纤维及碳丝的扩产计划（详见下表），吉林化纤：1月宣布在 “十四五”期间将完成20万吨原丝、6万吨碳纤维及1万吨复合材料。中复神鹰：预计底，建成投产1万吨碳纤维及配套原丝项目。新疆隆炬：3月宣布建设年产5万吨碳纤维碳化项目。国泰大成： 3月宣布建设年产1万吨碳纤维、2.5万吨原丝项目。（报告来源：未来智库）

国内碳纤维产能

目前碳纤维行业的有效产能高度集中，主要来自吉林碳谷、中复神鹰、光威复材、中简科技等。基于碳纤维极高壁垒的行业属性，其全球供应呈现明显的垄断格局。随着产能利用率的提升以及对需求前景的看好，国内碳纤维企业开始新一轮产能扩张浪潮。未来几年，我国多家碳纤维企业纷纷扩大产能，代表事件有中复神鹰投资50亿元西宁建设20000吨碳纤维的重大扩建工程、光威复材将投资20亿元在包头建设“万吨级碳纤维产业化项目”、上海石化投资35亿元，建设24000吨原丝、12000吨大丝束碳纤维项目等。预计底，我国碳纤维产能达到4.4万吨/年，未来将进一步快速增长，2025年或将达到26.0万吨/年，2020年-2025年年均复合增长率达56%。

国内原丝产能

根据我们统计，2020年我国原丝产能为4.96万吨/年，随着近年来多个企业抛出原丝扩产计划，我国原丝产能将继续提升，我们预计到 2025年，我国碳纤维原丝产能将达到54.86万吨/年，2020年-2025年年均复合增长率达56%。按照每生产一吨碳纤维需要耗费两吨原丝计算，我国碳纤维原丝新增产能与碳纤维新增产能总体将保持匹配。

碳纤维需求受益于风电叶片大型化与军机装备先进化保持高速增长，国内碳纤维加速扩产将促进上游原丝需求提升。目前碳纤维原丝行业的有效产能高度集中，主要来自吉林碳谷、中复神鹰、光威复材、中简科技等，除吉林碳谷外，其他企业的碳纤维原丝产能多是碳纤维产能的配套项目，以各企业自用为主。吉林碳谷是碳纤维原丝龙头企业，产能位于全国首位，随扩产计划逐步落地，吉林碳谷市场份额料将持续增加。

全球需求

2020年全球碳纤维需求为10.69吨、同比增长3.05%。从应用领域看：2020年风电叶片领域是碳纤维最大的应用领域、需求量为 3.06万吨，占比为29%，该领域增长强劲，同比增20%。第二大应用领域是航空航天（需求量1.65万吨，占比15%），需求量用量急剧降低，同比减30%。第三大应用领域为体育休闲（需求量为1.54万吨，占比14%），需求稳定增长，同比增2.67%。从产品种类看：2020年标准模量大丝束产品占据碳纤维市场最大份额，占比为45.2%，同比提升3ppt。标模-大丝束占比提升来自风电市场驱动下的需求增长，小丝束市场在航空航天市场萎缩下的需求下滑，以及小丝束市场供给不足、使用大丝束替代的原因。

国内需求

2020年中国碳纤维的总需求量为4.9万吨，同比增加29%；我国需求量占全球总需求量的45.7%。

从国产/进口看：2020年总需求量中的3.04万吨（占比62%）来自于进口，进口量同比增17.5%；总需求中的1.85万吨（占比38%）来自国产，供应量同比增54.2%。国产替代取得巨大进步。

从应用领域看：2020年风电叶片领域是碳纤维应用最大的领域，需求量为2万吨，占比为41%，需求量同比增44.9%。第二大应用领域是体育休闲行业，需求量为 1.46万吨，占比29.9%，需求量与2019年持平。

全球风电叶片领域中66.7%的需求量、体育休闲领域中94.8%的需求量都来自中国，但是国内航天航空领域的需求量很少为1700吨，仅贡献全球10.33的需求量。

碳纤维供需

我国碳纤维工业起步相对较晚，在核心技术、产能等方面与西方发达国家存在一定差异。近年来在国内外高速增长的需求牵引下，国内碳纤维制造商在进一步进行产能投资和技术突破。当前我国国内主要的碳纤维（及原丝）制造商为吉林碳谷、吉林宝旌、中复神鹰、江苏恒神、光威复材、兰州蓝星和上海石化等。其中，吉林碳谷以原丝生产为主；吉林宝旌和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主，江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳纤维生产能力；其他公司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。

国际大丝束碳纤维产能主要集中在美国、德国以及日本等发达国家。大丝束碳纤维生产技术和工艺流程复杂，国际市场大丝束碳纤维规模化生产起步早，工艺技术已逐步发展成熟，主要产能集中在欧美、日本等少数发达国家。根据中国化学纤维工业协会数据，2020 年，在国际大丝束碳纤维市场中，美德企业市占率达到全球产能的89%以上，日本企业市占率约为10%。其中，主要大丝束碳纤维制造商为日本东丽、美国Hexcel、德国SGL、日本三菱、中国蓝星等企业。截至2020年底，在产能方面，日本东丽目前拥有全球最大碳纤维运行产能，理论产能达到5.45万吨/年。德国SGL现有产能1.5万吨/年，是目前碳纤维运行产能第二大的公司。日本三菱碳纤维产能排名全球第三，为1.43万吨/年。Hexcel现有碳纤维产能1.02万吨/年。

03 碳纤维应用

风电领域

预计到2023年、2025年全球碳纤维需求将增长至15万吨、20万吨，增长主要受风电叶片领域需求驱动。风电叶片领域2023年、2025年对碳纤维的需求量或将达到6万吨、9.3万吨，对应贡献了全球需求增量的68.2%、67.4%（以2020年为基准）。碳中和背景下，能源结构型调整势在必行，利好风电领域。中国明确提出了“碳中和碳达峰”的目标，美国将重新加入“巴黎气候协定”，并制定“2035 无碳发电，2050 让美国实现碳中和”的目标，欧盟则提出了2050年实现碳中和的目标。政策驱动下，预计未来5年中国及全球风电新增项目容量将持续增长，中国新增容量将增长至66GW，全球增长至119GW。

风机大型化趋势，叠加Vesta专利到期影响，将拉动大丝束碳纤维需求增长。大丝束碳纤维性能优越，可以使得叶片减重30%，因此超过3MW的风机和超过50米的风电叶片需要运用到大丝束碳纤维。同时Vestas将碳纤维风电叶片制作低成本化，随着专利即将到期，国内风电厂将积极开发此类风电叶片，大丝束碳纤维需求将快速增长。（报告来源：未来智库）

储氢领域

压力容器领域2023年、2025年对碳纤维的需求量或将达到1.5万吨、2.19万吨，对应贡献了全球需求增量的14.37%、14.06%（以2020年为基准）。碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶，是利用碳纤维丝束浸在环氧树脂后，与铝合金或者高分子内胆进行缠绕，再将其固化成型脱模，从而具有质量轻，耐疲劳，抗高低温冲击，稳定性好等特点。同时较三型瓶，四型瓶碳纤维虽用量提升，但总成本下降。在同等工作压力状态下，四型瓶成本较三型瓶低7%-11%，因此储氢瓶大丝束碳纤维的需求量将实现快速增长。在天然气汽车（NGV）和燃料电池汽车（FCV）中， Ⅳ型高压储气瓶可以有效降低重量，还可以储存更多燃料，有效提升汽车续航里程，经济性明显，未来几年天然气汽车和燃料电池汽车将会是Ⅲ型、Ⅳ型高压储氢瓶的主要应用方向。

航空航天领域

基于碳纤维复合材料在结构轻量化中无可替代的材料性能，在航空中得到了广泛应用和快速发展，从1969年起美国战机碳纤维的使用量比重开始持续增加达到36%，美国B2隐身战略机上碳纤维复合材料占比超过了50%。随着近年民用航空产业的发展，民用飞机对于碳纤维复合材料的使用量也逐步上升，如 B787和A350等，以及我国商飞的C919等。航空主要使用3K、6K、12K碳纤维。

预计2020-2023年需求量不变；到2025年需求量将达到2.63万吨，贡献全球增量的10.6%（以2020年为基准）。航空航天市场中的民用航空市场，至少需要3年才可能恢复到2019年的应用数量。当疫情得到进一步控制，市场复苏加上单通道飞机广泛采用碳纤维对市场的激增作用，航空航天市场依然将会是碳纤维应用中举足轻重的一环。

体育休闲领域

碳纤维在体育休闲市场中，主要使用于高尔夫球杆、曲棍球棍、网球拍、钓鱼竿、自行车架、滑雪板、赛艇等高端体育休闲市场。该块应用主要基于碳纤维的轻质、高强度、高模量、耐腐蚀等特点。例如碳纤维复合材料制作的高尔夫球杆比金属杆减重近 50%，碳纤维自行车较铝材减重 40%且实现更高的车架精度。钓鱼竿、球拍、滑雪板、高尔夫球杆等体育用品的碳纤维多使用大丝束碳纤维（≥24K）。

体育休闲领域碳纤维需求：预计2023年、2025年对碳纤维的需求量将达到约1.8万吨、2.0万吨，对应贡献了全球需求增量的6.0%、4.6% （以2020年为基准）。疫情之下，群体运动的碳纤维器材，如曲棍（冰）球杆、滑雪杆等，有较大幅度的下滑；而个人运动休闲的器材反而上升，主要有高尔夫球杆，自行车及钓鱼竿。另外，欧美这些年一直流行健康、绿色出行，对电动自行车也有较大的需求增长。

报告节选：

碳纤维是高分子材料吗（关于碳纤维的简介）