碳纖維（CF）

7碳纖維市場規模
8碳纖維廠家

碳纖維是什么

碳纖維(carbon fiber，簡稱CF)，是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維的新型纖維材料，由有機纖維在高溫環境下裂解碳化形成碳主鏈結構的無機纖維，其優勢在于有著其他任何材料無可比擬的高比強度和高比剛度，還具有低比重、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、膨脹系數小等特性，是一種“新材料之王”，在國防工業、高性能民用領域廣泛應用，特別是航空航天、海洋工程、新能源裝備、工程機械、交通設施等，是一種國家亟需、應用前景廣闊的戰略性新材料。

碳纖維分類

碳纖維

(一)以原料體系分類

碳纖維主要分為粘膠基、瀝青基和聚丙烯腈(PAN)基三大種類，各有不同的使用場景和生產方法。

(1)PAN基碳纖維(PAN based carbon fiber)：以PAN為前驅體、經碳化后得到的纖維，與后兩者相比更容易得到高強度的產品。PAN基碳纖維綜合性能最好、生產工藝成熟簡單、應用最廣、產量最高、品種最多，是目前全球碳纖維市場的主流碳纖維產品，產量占全球碳纖維總產量的90%以上。

(2)瀝青基碳纖維(Pitch based carbon fiber)：將瀝青前驅體碳化后得到的纖維，各向同性瀝青基碳纖維晶構造少，強度、模量低。中間相瀝青基碳纖維結晶發達，強度、模量高。瀝青基碳纖維碳收率最高，可以達到80%-90%，但是在實際生產中，為了從瀝青中獲得高質量、高性能的碳纖維，必須要對瀝青精修精制、調制。此過程會大大增加生產成本，即使瀝青原料來源豐富，價格低廉，也難以應用于大批量工業應用制造。

(3)黏膠基碳纖維(Rayon based carbon fiber)：以纖維素為原料得到的碳纖維。若碳化時不加牽伸，得到各項同性碳纖維，若加牽伸則得到強度大的各項異性碳纖維。

(二)以產品形態分類

市場上常見的碳纖維產品都是繞著紙筒卷曲起來的連續纖維束，纖維束中包含1000到數萬根直徑為5-8μm、斷面為圓形或橢圓形的碳纖維細絲。目前碳纖維的基本形態有連續長纖維和短切纖維(長度為1-100mm的碳纖維)兩種，在實際使用中，根據加工方法和最終制品的形狀等，可以分為各種不同的形態。即通過對連續長纖維和短切纖維精修各種加工，從而獲得織物、編織物、紙、氈等形態。

(1)長纖維(filament):多根單絲的連續長纖維.作為CFRP、CFRTP的補強纖維用于航空航天、體育娛樂及一般工業領域

(2)長纖維素(tow)：不加捻的長纖維數。作為CFRP、CFRTP的補強纖維用于航空航天、體育娛樂及一般工業領域

(3)短纖紗(stapleyarn)：短纖維紡紗以后得到的紗線。主要用于隔熱材料、C/C復合材料基材

(4)織物(cloth)：由絲束或者短纖紗經過梭織后得到的產物。作為CFRP、CFRTP的補強纖維用于航空航天、體育娛樂及一般工業領域

(5)編織物(braid)：長纖維經編織后得到的產物。用于樹脂增強，特別適用于管狀產品

(6)短切纖維(choppedfiber)：將上漿后的長纖維切斷后得到的產物。用于增強熱塑性樹脂、水泥等，改善其機械性能、導電性、導熱性

(7)磨碎纖維(milledfiber)：對長纖維或者短切纖維磨碎后得到的粉末狀產物，用于熱塑性樹脂、橡膠等的增強，改善其力學性能、導電性、耐磨性

(8)氈(mat)：短切纖維黏結、層壓后得到的產品，隔熱材料、耐腐蝕材料

(9)紙(paper)短切纖維抄紙后得到的產品。用于電極、燃料電池、面狀發熱體等

(三)按照力學性能分類

碳纖維的機械性能會根據不同的型號、級別的差異在一個很寬的范圍內變動。拉伸強度，彈性模量和密度是最重要的性能指標。碳纖維的拉伸強度越高，則說明纖維軸線可以承受的載荷就越高，材料強度越大；彈性模量越大，表示纖維在一定的載荷下的變形量越小，即纖維的剛性越好；密度越小，同體積的纖維重量則越低，相關復合材料的減重效果就越好。根據碳纖維力學性能的差異，我國已于2011年11月13日頒布了《聚丙烯腈(PAN)基碳纖維國家標準(GB/T26752-2011)》，將碳纖維分為高強，高強中模，高模與高強高模四種，由于日本東麗在全球碳纖維行業具有絕對領先優勢，國內在一些相關報告中也會使用日本東麗的T系列與M系列標準進行分類

碳纖維

(四)按照絲束大小分類

碳纖維的相關技術標準中，K表示碳纖維單絲的數量，如1K代表一束纖維絲里包含了1000根單絲。一般而言，1K、3K、6K、12K和24K的被稱為小絲束；48K、60K、80K、120K及以上的則稱為大絲束。小絲束的產品是碳纖維的標準品，乃是碳纖維復合材料成品開發的基本素材^[1]。

碳纖維發展歷程

碳纖維材料已有百年發展史，工藝流程復雜，材料研發和量產需要數十年的長期迭代，具備強技術壁壘。碳纖維最早萌芽于19世紀80年代白熾燈的發明，經過約半個世紀的停滯，隨著20世紀中期基礎研究的發展、化學纖維的出現，高性能碳纖維在美國問世。20世紀70年代以后，碳纖維憑借其優異的特性在下游產業中迅速商業化，更多的企業嘗試將碳纖維應用于自身產品中，自此碳纖維邁入了高速發展期，逐漸應用到體育休閑、航空航天、汽車、風電葉片等多個領域。截至2018年，全球碳纖維理論產能達15.48萬噸^[2]。

1880年萌芽

英國人約瑟夫·斯旺和美國人托馬斯·愛迪生因為發明碳絲而獲得發明專利

1959—1971年正式問世

1959年美國聯合碳化物公司成功研制最早上市的黏膠基碳纖維Thornel-25；1961年大阪工業技術實驗所進藤昭男發明聚丙烯腈基碳纖維；1965年日本群馬大學制成瀝青基碳纖維；1968年美國金剛砂公司研制出酚醛基碳纖維；1971年日本東麗公司與美國聯合碳化物公司合作生產了T300碳纖維，并率先實現工業化量產，產量約每月一噸

1972—1981年開始應用于體育領域

1972年魚竿開始采用碳纖維；1973年高爾夫球桿開始采用碳纖維；1975年網球拍實現100%碳纖維化

1982—1992年更多應用于飛機制造

1982年采用碳纖維零部件而更省燃料、噪音更小的波音767及空客310完成首飛；1982年采用碳纖維作為艙門材料的哥倫比亞號航天飛機發射；1990年，波音777采用了碳纖維預浸布

1993—2004年開始應用于工業

碳纖維被應用在工業機器、船艇、建筑等領域

2005年以后應用場景廣泛多樣

應用于風力發電、新能源汽車、波音與空客飛機的主承力結構等

中國碳纖維行業于上世紀90年代一直處于停滯狀態，直到進入新世紀之后，科技部設立碳纖維專項，將碳纖維列入863計劃新材料領域，才算是恢復發展。2008年，以國有企業為主的大量工業企業涌入碳纖維行業，但大多企業在一些關鍵技術上毫無突破，生產線運行效率較低且產品質量不穩定。2010年開始，碳纖維行業格局發生優化，優勝劣汰，從原先的40多家企業減少到了十多家企業。隨著下游應用的拓展，碳纖維的需求逐步提升，倒逼上游企業開始大力發展，一些企業在工業級大絲束碳纖維的生產工藝上取得突破，具備產業鏈自主化能力的產品類型^[3]。

碳纖維生產工藝流程

碳纖維制造過程核心是將通過紡絲過程獲得的原絲經過一系列高溫熱處理工程轉變為碳纖維的過程。以主流產品PAN基碳纖維為例:從PAN原絲開始，通過丙烯腈單體聚合再通過濕法或干濕法紡絲得到原絲，經過預氧化、碳化、石墨化的過程，使高分子發生氧化、熱解以及環化等一系列化學反應，形成石墨態的碳纖維。

碳纖維

碳纖維性能

(1)力學性能：碳纖維較金屬、塑料和玻璃纖維有更高的拉伸模量和拉伸強度，其拉伸模量一般是玻璃纖維的3倍、鈦合金的2倍，拉伸強度至少是鋁合金的9倍、鋼材的6倍。同時，碳纖維的密度僅約為鋼的25%，鈦合金的40%。因此碳纖維屬于性能優越的輕量化材料，將其應用在風電、航空航天等領域中不僅可以提升產品的強度，還可以實現顯著的減重。

碳纖維

(2)極端環境的適應力：碳纖維耐超高溫，非氧化氣氛條件下能夠2000℃時使用，在3000℃的高溫下不會發生熔融軟化。碳纖維也耐低溫，在-180℃低溫下鋼鐵會變得比玻璃脆，而碳纖維依舊具有彈性。此外，碳纖維耐濃鹽酸、磷酸等介質侵蝕，耐腐蝕性超過黃金和鉑金，同時也擁有較好的耐油性能。碳纖維還具有熱膨脹系數小、導熱系數大的特征，可以耐急冷急熱，即使從3000℃的高溫突然降到室溫也不會炸裂。

碳纖維

碳纖維復合材料

優異的力學性能加之出色的環境適應力，使碳纖維成為眾多生產、生活領域不可替代的新材料。碳碳復合材料主要有樹脂基復合材料(CFRP)、碳/碳復合材料

(C/C)、金屬基復合材料(CFRM)、陶瓷基復合材料(CFRC)、橡膠基復合材料(CFRR)等。碳纖維增強材料的樹脂基復合材料(CFRP)既能應用于宇宙飛行器等尖端領域，也在風電葉片、體育休閑和建筑結構補強等方面發揮了重要作用。碳/碳復合材料(碳纖維及其制品制成的增強復合材料，C/C)以其低密度、耐燒蝕、高導熱的優異性能在導彈、火箭、航天飛機等產品中得到了有效運用。伴隨著社會經濟的發展，碳纖維的應用場景有望持續拓寬，市場潛力有望進一步提升^[4]。

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碳纖維市場規模

2020年中國內地碳纖維運行產能為36150噸，總銷量為18450噸，銷量產能比達到51%，相比較2019年的45%提升了6%。除卻有些企業受到疫情影響在2020年上半年未能全力生產外，正常經營的企業達產率通常在65%以上，甚至有些企業達到90%。綜合來看，中國企業已經跨越了低達產率的歷史階段，正在逐步接近國際領先水平^[5]。我國碳纖維行業90%的產能由七家企業瓜分，達產率正逐步接近國際領先水平。

從應用領域看:2020年風電葉片領域是碳纖維最大的應用領域、需求量為3.06萬噸，占比為29%，該領域增長強勁，同比增20%。第二大應用領域是航空航天(需求量1.65萬噸，占比15%)，需求量用量急劇降低，同比減30%。第三大應用領域為體育休閑(需求量為1.54萬噸，占比14%)，需求穩定增長，同比增2.67%^[6]。

碳纖維廠家

截止2021年，我國碳纖維企業掛牌新三板、已上市或申報上市的企業共5家，即吉林碳谷、中復神鷹、恒神股份、光威復材、中簡科技。吉林碳谷主要研發低成本大絲束碳纖維原絲，即碳纖維產品的上游，主攻民用領域，在國內原絲領域擁有較高的話語權，其2020年原絲產能為40000噸，碳纖維產能為8500噸，穩坐國內各制造商運行產能的第一。中復神鷹、江蘇恒神、光威復材、中簡科技碳纖維運行產能分別為8500、5500、5100、1250噸。

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