碳纤维产业高质量发展现状与未来展望

  碳纤维是性能优异、用途广泛的国家战略性新材料，被誉为 21 世纪的“黑色黄金”，在国防军工及民用领域均有广泛的应用前景，是不可或缺的国家战略性物资。

  国家出台多项政策促进碳纤维产业高质量发展。2019 年 11 月，工信部将应用于航空航天、轨道交通、海工、风电装备、能承受压力的容器等领域的高强型、高强中模型、高模型等碳纤维列入关键战略材料；2021年3月发布的《中华人民共和国国民经济与社会持续健康发展第十四个五年规划和 2035 年远大目标纲要》提出要加强碳纤维等高性能纤维及复合材料的研发应用。2024年1月，工信部、科技部、国资委等七部门联合发布的《关于推动未来产业创新发展的实施建议》中明确“发展高性能碳纤维”等关键战略材料。

  中国、美国、日本是碳纤维材料生产量最大的三个国家。但与日本、美国高端碳纤维相比，我国的碳纤维发展仍存在不足。本文简要介绍碳纤维的种类和制备、产业化应用，并尝试浅析我国碳纤维产业特点及未来发展机会。

  碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是一种人工合成的纤维，由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等采用高温分解法在1000摄氏度以上高温的惰性气体下碳化（其结果是去除碳以外绝大多数元素）制成，含碳量通常在90%以上。

  碳纤维材料具备质轻、强度高、密度小、比强度高、耐超高温、耐腐蚀、热线胀系数小，导热系数大等优良特性。“轻质高强”是其最主要特色，其抗拉强度和比强度已经大大超过了钢铁，非常适合于各类运输类材料，是制造航天航空等高技术器材的优良材料。

  碳纤维按照原料分类包括聚丙烯腈基、沥青基、胶黏基，其中聚丙烯腈基碳纤维（PAN基碳纤维）具有生产的基本工艺难度低、品种多、价格适中的优势，是主流应用的碳纤维种类，其产量目前占碳纤维总量的90％左右，在军工领域和民用领域均占了重要地位。由于进入该领域较早，在聚丙烯腈碳纤维开发上，日本东丽公司牢牢占据领头羊，且凭借技术优势，其在航空领域的生产具有垄断性。

  完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制作的完整过程。首先，产业链上游企业先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯，并经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；产业链中下游企业再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维。碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料；碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合，可形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品，应用在航空航天、风电设备、汽车制造、体育用品等领域。

  复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。很多材料在性能上相互取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。

  碳纤维的主要用途是作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭等复合，制造先进复合材料。碳纤维复合材料以树脂基复合材料为主，占全部碳纤维复合材料市场占有率的81%。

  纤维复合材料由基体材料和增强纤维材料组成：1、基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等；2、增强材料有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝等。

  从全球范围来看，碳纤维大范围的应用于航空航天、建筑材料、汽车材料、新能源装备、体育用品等领域，总量一半以上应用在工业领域。其中，风电叶片、航空航天、体育休闲、汽车工业领域总计占比约70%。

  碳纤维材料作为一种应用广泛的战略性新材料，其市场需求逐年上升。2023年全球碳纤维总需求约11.5万吨，有预计到2025年将达到20.37万吨，2022-2025年均复合增长率高达17%；2030年全球需求可能达到40万吨，2022-2030年均复合增长率为14.5％。

  全球碳纤维市场前四大需求分别为航空航天军工、风电叶片、体育休闲、能承受压力的容器，需求量市场占比分别为：19.1%、17.4%、16.3%，12%。

  从销售金额看，2023年全球碳纤维的销售金额为38.1亿美元。其中前四分别为航空航天军工、体育休闲、风电叶片和能承受压力的容器。从需求量上来看航空航天军工领域只占19.1%，由于航空航天军用碳纤维价格远高于普通碳纤维，导致金额占比高达50%。

  日本东丽得益于在碳纤维制备领域深厚的技术积累，其开发的以T300为代表的碳纤维产品，引领了碳纤维材料的发展。1970年代，东丽与美国公司UCC进行技术互换，合作生产T300碳纤维，比中国的T300开发早了整整30年。

  目前，全球前五大碳纤维生产商分别为日本东丽、中国吉林化纤、中复神鹰、美国赫氏、日本帝人。从产能和扩张计划来看，主要新增产能集中在中国、韩国和日本。73%的新建产能聚集在中国。进入全球前十的中国企业有吉林化纤、中复神鹰、新创碳谷和宝武碳业旗下的宝旌。

  美国和日本处于碳纤维的垄断地位近40年，中国作为后来者奋起直追。截至2021年，从全世界来看，中国、美国和日本的碳纤维产能分别为4.50万吨、3.73万吨和2.92万吨，占全球总产能6成以上。中国慢慢的变成了全球第一大碳纤维生产国。但在碳纤维质量和成本上，距离美日尚有较大差距。

  中国是全球最大的碳纤维消费市场，国内需求增速快于全球，且具备巨大发展的潜在能力，是全球厂商垂涎的市场。2022年中国碳纤维的总需求为7.4万吨，对比2021年的6.2万吨，同比增长了19.3%。

  然而，中国碳纤维的优势应用领域是体育休闲和碳碳复材，国产碳纤维大多数都用在高尔夫球杆、钓鱼竿等体育产业；航空航天军工领域主力需求的商用航空应用刚刚起步；风电领域与国际依然有很大的差距；汽车领域因为中国新能源车行业的发展而有可能具备相当的应用潜力。

  2023年中国碳纤维产能达到13.8万吨，全球产能占比52%，总量已经排名第一。

  然而，中国公司制作大多分布在在中低端产品为主，能够生产T700、T800、T1000等高模量产品，但商业化量产的还不多。

  从数据上看，生产T300/T400级别碳纤维产能占比约为61.45%，生产T700/T800级别碳纤维产能占比约为35.19%，T1000以上级别产能占比约为3.36%。在高性能碳纤维市场上，日本产量占据世界的近50%。中国在高端碳纤维产品的高质量稳定量产能力方面与国际领先水平仍有差距，正在慢慢地攻克高质量稳定量产技术难关。

  国产碳纤维质量难以提升的最终的原因之一在于上游PAN原丝的制备工艺差异。PAN原丝作为碳纤维的主要制备材料，其质量能够在品质、成本、产量三方面影响碳纤维的生产制造。而国产原丝的碱、碱金属、铁元素含量都远高于国外原丝，在纤维碳化过程中杂质逸走形成空隙，使碳纤维质量不稳定。目前国际先进工艺生产碳纤维的碳收率（收率：指在化学工业生产中投入单位数量原料获得的实际生产的产品产量与理论计算的产品产量的比值）是65%-85%，而我国平均只能到45%。在原丝质量和碳收率上，我们还有很大的进步空间。

  国产替代方面，从总量上国产碳纤维供应量逐年迅速增加，2022年国产供应量占比53.8%，超越了进口量，成为中国碳纤维产业高质量发展的历史里程碑。2023年进口量为1.6万吨，国产碳纤维供应量为5.3万吨，体现了国产替代进口的明显趋势。

  在价格方面，由于供需关系改变，中国碳纤维市场行情报价近年出现较动。从2020年起国内碳纤维产品价格先涨后跌。2020年，日本限制碳纤维产品进入中国，带来国内碳纤维短缺，中国碳纤维企业迎来蓬勃发展机会。一方面，中国企业产能快速上量，另一方面，国内碳纤维价格迅速上涨。2022年上半年碳纤维T300价格超过180元/公斤。然而，随着国内碳纤维产能的逐渐释放，2022年Q4碳纤维价格回落，截止2023年9月，碳纤维价格降至108.7元/公斤，毛利为7.84元/千克。

  2023年，国内碳纤维市场需求为6.9万吨，同比下滑7.2%，销售金额下滑0.6%。随着前些年积累的产能大幅度的提高得到逐渐释放，市场疑似出现拐点，从供不应求转变为产能过剩的阶段。预计在中低端碳纤维生产制造领域将出现市场去仓库存储上的压力大、竞争非常激烈化、价格持续走低的现象。

  中国的碳纤维技术开发从1962年开始，1970年代初，中国成立碳纤维研究所，实现了高性能碳纤维的国产化，突破了技术封锁。进入21世纪后，国内碳纤维行业进入新的发展阶段，国内的碳纤维市场出现激烈竞争。

  国内企业按照应用领域可大致分为三大类：航空航天军品应用企业、高性能工业应用企业、大丝束应用企业，产能占比分别为14%，15%和71%。

  近十年，我国碳纤维产业得到长足发展。在碳纤维总产量上，目前我国已经排名世界第一，然而产业快速地发展的同时存在以下一些问题：

  产业大而不强：高性能碳纤维的产量仍然较小，仍然需要突破高质量稳定量产的技术难关。另外，我国企业在成本和性价比上尚未形成国际竞争优势。

  产能重复建设，创新差异性不足：面对前几年供不应求、价格高企的市场环境，出现了新进者大量涌入，盲目采购设备、投资复制工厂，重复扩建产能的情况。我们鼓励加大技术创新和差异化竞争，在各自领域提高技术谋取生存发展，而非低成本复制导致价格战。唯有创新驱动应用场景，产业规模才能得到一定效果扩张。

  国际化经营尚未开始：根据海关数据，目前我国碳纤维企业出口量微乎其微。国际上对于中国碳纤维并不了解。下一步，差异化选择出海目的地，打开国际市场、热情参加国际创新生态链的建设，将成为国内企业重要而艰巨的任务。

  底层的材料技术革新带来新的场景应用，比如热塑性碳纤维，其快速成型、可回收、韧性好等优点，是全世界内公认的下一代碳纤维技术方向。

  又比如复材的 3D 打印技术。不能应用的原因是材料相比来说较低界面粘结强度和力学性能的缺陷，限制了它们在高性能工程领域的应用。如果工业级建材制造的性能是100分的线分。但是我们观察到俄罗斯、美国等等，已经做到50分到60分了，那么我们就有理由期待未来这个技术能做到更好。

  但是这类底层材料技术的发展和应用会慢一点，市场需要逐渐教育和打开。然而由于技术壁垒高，一旦被采用，在很长的一段时间内不会被替换，并有较高的利润空间。从产业进入的难度来说，材料设备产品，因此这类专精特精的“卡脖子”材料行业估值一般都很高，P/S平均在15- 20倍以上。同时这类新材料技术也是我国现在最急需的技术突破发展趋势，因此在地方政府支持、公司上市上也是拥有最大的绿色通道。