碳纤维复合材料行业发展前景怎么样?

碳纤维的分类：按原丝类型分类：聚丙烯腈（PAN）基、沥青基（各向同性、中间相）；粘胶基（纤维素基、人造丝基）。按产品形态分为长丝、短纤维、短切纤维。按制造条件和方法分类：碳纤维、石墨纤维、氧化纤维、活性碳纤维、气相生长碳纤维。按力学性能可分为通用型和高性能型：通用型碳纤维强度约1000MPa、模量约100GPa；高性能型又分为高强型和高模型，超高强型及超高模型。按丝束大小可分为小丝束和大丝束：小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，应用于航空航天、体育休闲等领域。通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等，应用于工业领域。

海外碳纤维行业已从技术积累、需求探索、工业化、产能放大、充分竞争、发展到现在的并购整合。在碳纤维产业发展早期，主要由航空航天的减重需求推动。随着工艺技术不断完善，碳纤维成本也逐步降低，美国和日本开始将碳纤维应用于体育用品等民用领域，民品应用促使碳纤维需求量大幅增长。海外碳纤维产业进入高速发展期。

我国聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的研究起步于20世纪60年代，最早从事碳纤维研发的机构主要为中科院山西煤化所、长春应用化学研究所、化学研究所（北京），但由于工艺基础薄弱、装备技术落后、西方国家技术封锁等原因，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维国产化技术长期徘徊在较低水平。2002年建成第一条二甲基亚砜原丝工程化线后，国产化聚丙烯腈（PAN）基碳纤维实现转型升级，国家科技部设立了“863”计划，重点支持国产聚丙烯腈基碳纤维的工程化研究，国家发改委、工信部等也加大支持工程化、产业化及其应用，国产碳纤维进入有序发展阶段。

碳纤维产业链包括上游的原材料供应，中游的原丝加工、碳纤维相关产物以及碳纤维复合材料生产加工、核心机械制造以及下游的应用市场组成。核心环节为中游的原丝、碳纤维、织物、预浸料、复合材料等步骤，占据整个产业链成本的一半以上。

PAN基碳纤维在碳纤维中占比90%以上。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的生产主要包括原丝生产和原丝碳化两个过程，原丝生产过程主要包括聚合、脱泡、计量、喷丝、牵引、水洗、上油、烘干收丝等工序；碳化过程包括放丝、预氧化、低温碳化、高温碳化、表面处理、上浆烘干、收丝卷绕等工序。

碳纤维市场核心技术突破后，随着材料应用的进一步推广，全球产能需求急剧增加，2019年全球碳纤维需求首次突破10万吨。未来随着生产工艺的进一步提升及核心技术的不断突破，以及航空航天等高端领域和风电汽车等民用社会经济领域的不断高质量发展，碳纤维需求市场有望加速发展。

全球的碳纤维主要应用在风电、航空航天、体育休闲和汽车等细分行业，2019年风电和航空航天是碳纤维最大的应用领域，分别占总需求的25%和23%，其次是体育休闲占到15%的市场份额，汽车位列第四占据11%的市场份额。从金额上航空航天占据碳纤维市场的一半左右，这主要是由于其行业的特殊性所致，飞机和航空器制造对于碳纤维的强度、寿命和稳定性等性能指标要求极为严格，因此航空航天级别的碳纤维价格远远高于其他行业所需要的碳纤维。

全球碳纤维的需求以风电叶片、航空航天、体育休闲为三大应用方向，汽车、建筑、混配模成型、压力容器等领域也在快速发展。风电叶片需求吨数占比最大，约26%，但其采用低性能高性价比类碳纤维，总价值不大仅占12.5%；其次为航空航天市场，2019年总需求吨数占总额的23%，且该领域多采用高性能宇航级的碳纤维制品，总价值占全市场近半数，未来随着太空时代的到来，该领域将继续引领全市场蓬勃发展。

从产能角度而言，2019年日本东丽和其收购的Zoltek占比32%，是业内龙头企业，其他主要厂商包括德国SGL、日本三菱丽阳、日本东邦、台塑、美国Hexcel、美国Cytec等，而在军工、航空等高端领域，日本、美国企业的占比则更大。我国碳纤维研究与日本同时起步，但产业化进程较缓，国外企业仍对国内实施封锁，国内企业未来发展潜力较大。

碳纤维属于高技术密集型产品，涉及精馏纯化、高分子合成、化纤纺制、高温处理、表面处理及界面科学等多学科交叉，产业链长，产品系列多，生产技术复杂，产业发展涉及产、学、研、用各个环节。碳纤维进口替代特征初显，我国碳纤维国产化率为32%，进口部分主要依赖日本、中国台湾。

核心技术尚未突破，对国外进口机械依赖：

中国碳纤维产业的发展受制于原丝的供应及高温炭化炉设备的制造。原丝方面，目前国产碳纤维普遍存在性能调控能力弱，如高性能PAN原丝质量问题一直存在漏洞，尤其在对于分子量分布等微观指标控制上研究程度较低，美日垄断原丝供应，我国的高级原丝很大程度上依赖于进口，在纺丝原液、喷丝组件等制备工艺上技术尚未完善；在碳纤维的制造工艺上，我国在关键的碳化炉相关技术与专用设备上与世界领先企业有较大差距。碳化炉是纤维进行碳化的场所，根据最高工作温度，又可细分为低温碳化炉和高温碳化炉，为了获得高模量还需要使用超高温碳化炉或石墨化炉。高温处理设备是碳纤维生产线中最为核心和关键和设备，设备的稳定性和可靠性对碳纤维生产线的连续运行和碳纤维产品的性能具有直接影响。由于国外对设备生产技术的垄断，国内只能制造较小的国产化碳化炉设备。

碳纤维生产壁垒高，生产效率低影响成本优化：

纺丝及氧化碳化环节控制均有难度。上游由聚丙烯腈（PAN）原丝经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维；中游碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料；下游将预浸料加工成型，得到相应最终产品。通常碳纤维生产成本构成中，原丝占51%左右，大约2.2公斤原丝生产1公斤碳纤维。原丝的生产过程中，折旧及能耗占比较大、约40%，提高生产效率可以有效减少单吨折旧及能耗。碳纤维的材料加工成本过高，目前90%以上的碳纤维生产采用PAN基碳纤维，PAN基碳纤维的生产流程比传统的金属加工流程复杂得多。

我国碳纤维产能利用率有待提升：

我国碳纤维有产能、无产量现象，目前我国生产的碳纤维全部为小丝束，其中12K占比超过90%，1K、3K、6K各有产量，不同型号及不同应用领域的碳纤维价格差异巨大，碳纤维价格从每千克几十元到上千元不等，部分特种用途碳纤维价格甚至达到了每千克万元。我国碳纤维产业技术不成熟导致大量产能盲目上马后无法实现下游应用，实际产能开工率较低。

我国碳纤维产业受到禁运的严重影响而发展缓慢，但碳纤维作为具有重要作用的战略材料，对国家安全和国计民生有重要意义。强有力的政策支持为我国碳纤维产业的发展提供了良好的政策环境，有助于我国碳纤维生产企业专注于技术开发，解决实际应用问题，将碳纤维及复合材料真正用到需要的领域。

碳纤维技术相继有力突破

小丝束与大丝束技术突破，中国小丝束碳纤维材料发展始于军用，目前航空航天为重要应用领域。碳纤维复合材料是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比，碳纤维复合材料可使飞机减重20%-40%，并有能力克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点，增强了飞机的耐用性；复合材料的良好成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低。在军用航空领域得到了广泛应用和快速发展，碳纤维复材渗透率不断上升。大丝束碳纤维连续性能虽然不比宇航级的小丝束，但是其技术壁垒也是相当高，作为工业级碳纤维，其核心驱动力在于低成本，因此在保证大丝束情况下如何有效控制成本极其重要。

碳纤维行业的发展趋势：

碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合，可形成碳纤维复合材料，具备出色的力学性能，碳纤维密度小，质量轻，比强度高，是国防和军事领域的重要战略物资。全球的碳纤维主要应用在风电、航空航天、体育休闲和汽车等细分行业。

航空航天是最具价值的应用领域：

航空航天是用量最大且价值最高的下游市场，是碳纤维复材市场中需求量最大的细分领域。碳纤维复合材料不仅符合航天技术对结构材料减轻质量的要求，还符合对结构材料具有高比模量和高比强度的要求，具有性能和功能的可设计性，在军民航空及国防航天领域发挥着无可替代的作用。

航空飞机中使用碳纤维可在不降低强度的条件下有效降低结构质量，实现更高的飞行性能，主要用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等部件的生产中。碳纤维材料为战机减重是实现超音速巡航性能、增强隐身力的关键。未来国产大飞机的量产及国防军机的更新换代，将推动碳纤维的市场需求上行。