碳纤维

碳纤维简介

碳纤维是由聚丙烯腈，或沥青、粘胶等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于 90%的碳主链结构无机纤维；可用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。

优点

具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、
耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等一系列其他材料所不可替代的优良性能。

生产流程

生产流程复杂，而且每个环节的温度、精度都会影响到碳纤维的质量，导致碳纤维的生产成本很高。

• 叠加聚合
• 喷丝
• 碳化氧化

加工环节价格变化

碳纤维原丝40元/公斤，但是做成航空复材价格约8K/公斤

降低成本

制造、人工环节成本占碳纤维总成本的70%以上；因此可以通过“加大生产规模”、 “提高工艺水平”来降低成本。

• 用干喷湿法替代传统湿法纺丝（可将纺丝速度提升3倍；100米/分钟提升到300米/分钟）
• 采取新技术，缩短预氧化时间

在原丝、碳化、氧化环节占制造费用比重接近90%；美国研究一种等离子体预氧化法，能将预氧化时间缩短至25-35分钟，能耗降低75%，生产成本降低20%，且能适用于所有规格的碳纤维生产

• 更换碳化炉材料（提高碳化环节热利用率）

用绝缘或耐火材料替代传统水冷却，降低能量损失；能使碳纤维每吨成本降低约9.5K

发展阶段

• 起步阶段（1962-1982年，实现从无到有）
• 发展阶段（1983-1990年，尝试引进国外技术）
• 停滞阶段（1990-2000年，受到技术封锁碳纤维技术停摆，只能小批量出货）
• 复苏阶段（2000-至今，碳纤维迎来行业复苏，国家出台鼓励政策）

竞争格局

• 日本东丽一直以来是全球碳纤维制造的 霸主，垄断波音公司碳纤维的供应
• 2020年，东丽与东邦、三菱在全球丙烯腈基碳纤维 销量市占率达 50%以上。
• 碳纤维小丝束市场

西方国家对我国实施严格的技术封锁和产品禁运的碳纤维主要是小丝束碳纤维。

• 东丽、东邦和三菱合计占据全球产能70%以上
• 2020年赫氏与美国氰特销量的市占率达到 12%。
• 碳纤维大丝束市场
  • 日本东丽收购美国 ZOLTEK 后成为全球领头羊
  • 2020年德国SGL 的销量全球市占率达到 23%
• 国内工艺落后，导致生产的碳纤维卖不掉，反而需要靠进口
• 国内产业化程度不高，需求端匹配不上供给端

小丝束和大丝束

• 小丝束
  • 单丝根数为1K~12K。早期小丝束碳纤维以 1K、3K、6K 为主，逐渐发展出 12K 和 24K
  • 小丝束碳纤维工艺控制要求严格，生产成本较高，一般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中 产品附加值较高的产品类别，主要下游产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高 尔夫球杆、网球拍等
• 大丝束
  • 单丝根数为24K~480K。
  • 产品性能相对较低但制备成本亦较低，因此往往运用于基础工业领域。

发展契机

• 风电、电动汽车、氢能、光伏等领域都是中国有比较优势的产业，也是国家重点扶持的产业
• 相关领域的碳纤维需求增速较快，市场容量较大，并且本土企业基本实现了相关领域的技术突破
• 2020年，风电领域用的碳丝大约 85%依赖进口， 制品也有 85%需要出口。
• 海上化、大型化是风电的发展趋势

碳纤维比玻璃钢叶片质量轻30%以上。当前风轮直径已突破 120m，叶片重量达 18 吨。采用 碳纤维的 120m 风轮叶片可以有效减少总体自重达 38%，成本下降 14%。

“碳达峰，碳中和”战略的确定，带动了国内风电发电规模的快速发展，《风能北 京宣言》指出：在“十四五”规划中，须为风电设定与碳中和国家战略相适应的发展空间：保证年均新增装机 5000 万千瓦以上。2025 年后，中国风电年均新增装机容量应不 低于 6000 万千瓦，到 2030 年至少达到 8 亿千瓦，到 2060 年至少达到 30 亿千瓦。如按 此规划执行，到 2030 风电市场需要 19-20 万吨碳纤维，而当前全球需求不过是 3 万吨。

• 燃料电池储氢罐

2025 年，全球燃料电池汽车销售 100 万台，2030 年，全球燃料电池汽车大约 300-400 万台。2030 年全球储氢用碳纤维的需求量大约 18 万吨。

储氢气瓶用碳纤维一般 T700 即可满足要求，按照美国能源部的技术路线图：氢气 瓶储氢成本需要从现在的 15 美元/度，降低到 8 美元/度，换算成碳纤维成本，价格大约 12.6 美元/公斤。

• 单晶硅热场

随着单 晶硅炉的技术升级，用碳/碳复合材料替代传统的石墨材料技术可行，经济优势明显。单晶硅炉相关领域一般用 T700 碳纤维即可满足需求。

双碳政策有效提升国内碳纤维的总需求

2030 年，航空航天市场：8-10 万吨；风电：19-20 万吨；氢气瓶 及 CNG 气瓶：18 万吨；汽车+轨道交通：9-10 吨，碳碳复合功能材料：5-6 万吨。

主要生产企业

能生产碳纤维的公司近百家，但大部分处于亏损状态，因为缺乏核心技术，且规模较小；碳纤维行业需要技术和经验的积累，因此越早进入此领域的公司越有先发优势。

• 中简科技

国内航空航天领域 ZT7 系列（高于 T700 级）碳纤维产品的批量稳定供 应商。公司有两条碳纤维产线，一条产线产能为 150 吨/年（12K）或 50 吨/年（3K），一 条产线的产能为 1000 吨/年（12K）

• 光威复材

国内第一家全面突破了 T300 级碳纤维工程规模制备，并成为航空集团的定 点供货单位。有适用于军品的小丝束碳纤维产能 3100 吨/年;

计划在内蒙九原 分两期实施 1 万吨大丝束碳纤维，一期规划 6000 吨项目于 2021 年投产。

• 江苏恒神
• 中复神鹰

在西宁甘河工业园建设 1 万吨碳纤维一体化生产项目， 项目分两期实施，一期建设产能 6,000 吨，将在 2021 年陆续建成投产.

• 精功科技

截至2020年底，精功科技先后完成 1 条 500 吨级碳纤维生产线的升级改造和 4 条千吨级高性能生产线的交钥匙工程。(2500吨级 25K/50K大丝束碳纤维生产线)

• 吉林化纤

  • 核心业务为黏胶长丝和短纤，有8万吨黏胶长丝产能和12万吨黏胶短纤产能
  • 国兴材料控股的吉林碳谷主要从事原丝的生产，规划产能 4 万吨，一期 2 万吨产能 已经投产，二期项目稳步推进中
  • 国兴材料参股的吉林精功规划有 1.2 万吨/年大丝束碳纤维，一期工程三条碳丝产线 已经全面投产，二期工程稳步实施中

• 吉林碳谷

  • 吉林碳谷的控股股东为国兴公司,专注于碳纤维原丝的生产
  • 首家采用三元水相悬浮聚合两步法生产碳纤维聚 合物，DMAC为溶剂湿法生产碳纤维原丝
  • 产品覆盖了 1K、3K、6K、12K、12KK、 12S、24K、25K、48K 等碳纤维原丝系列产品
  • 全部产品碳化后均可以达到 T400 的稳 定大规模生产，部分产品亦实现了碳化后 T700 的稳定规模生产。
  • 公司正在建设 40,000 吨碳纤维原丝项目，包括 8 条生产线
  • 截至目前已投产4条生产线、2万 吨设计产能，另外3条生产线计划于 2021年下半年投产。
  • 2020年开始建设一条300吨高性能碳纤维碳化生产线，该项目已于 2021年6月正式投产。