全球及中國碳纖維行業(yè)概述及市場需求分析

全球及中國碳纖維行業(yè)概述及市場需求分析

一、碳纖維——性能優(yōu)異工業(yè)材料，制造全環(huán)節(jié)技術壁壘高

碳纖維是由有機纖維（主要是聚丙烯腈纖維）經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料纖維。碳纖維的含碳量在90%以上，具有強度高、比模量高（強度為鋼鐵的10倍，質量僅有鋁材的一半）、質量輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、耐高低溫等優(yōu)越性能，是軍民用重要基礎材料，應用于航空航天、體育、汽車、建筑及其結構補強等領域。相比傳統(tǒng)金屬材料，樹脂基碳纖維模量高于鈦合金等傳統(tǒng)工業(yè)材料，強度通過設計可達到高強鋼水平、明顯高于鈦合金，在性能和輕量化兩方面優(yōu)勢都非常明顯。然而碳纖維成本也相對較高，雖然目前在航空航天等高精尖領域已部分取代傳統(tǒng)材料，但對力學性能要求相對不高的傳統(tǒng)行業(yè)則更看重經(jīng)濟效益，傳統(tǒng)材料依然為主力軍。

全產(chǎn)業(yè)鏈看，制造碳纖維產(chǎn)品的上游原絲端與中游復合材料均是碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，整個制造的全環(huán)節(jié)技術壁壘均高。作為碳纖維的前驅體，高質量的PAN原絲是制備高性能碳纖維的前提條件，但其中的聚合、紡絲、碳化、氧化等工藝并非朝夕能夠達成，其產(chǎn)業(yè)化工藝以及反應裝置核心技術是關鍵。例如據(jù)《合成纖維工業(yè)》2019年第42卷，碳纖維設備生產(chǎn)技術幾乎被國外壟斷，且嚴格限制對華出口，如碳化爐、石墨化爐等關鍵設備研發(fā)滯后。碳纖維一般不是單獨使用，而是以復合材料的形式被使用，一般以樹脂碳纖維居多。除PAN原絲外，碳纖維復合材料設計、制造、評價是碳纖維應用的基礎，亦制約著碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。碳纖維復合材料中主要成分除碳纖維外，還有樹脂基材。碳纖維原絲即PAN原絲質量固然重要，但若在中游復材環(huán)節(jié)，沒有質量與性能突出、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的樹脂基材，以及沒有用于配套生產(chǎn)復材的核心設備，碳纖維仍然無法得到大規(guī)模的應用。

碳纖維制備過程中，質量過關的原絲是產(chǎn)業(yè)化的前提。碳纖維的強度顯著地依賴于原絲的致密性和微觀形態(tài)結構，質量過關的原絲是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前提，是穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎。目前，比較常用的紡絲工藝是濕法紡絲、干濕法（干噴濕紡）紡絲。在致密性方面，干噴濕紡紡絲工藝是高性能碳纖維原絲的主流制備方法，且成本相比于濕法較低。在同樣的紡絲裝備及能源消耗條件下，干濕法紡絲的綜合產(chǎn)量是濕法紡絲的2-8倍，PAN基碳纖維絲束的生產(chǎn)成本可降低75%。干噴濕紡中，紡絲液從噴絲孔噴出形成細流后，先經(jīng)過一段空氣層（1-20厘米），再進入凝固浴，在凝固浴中完成固化，可實現(xiàn)高速紡絲，用于生產(chǎn)高性能的纖維，同時具有干法和濕法的優(yōu)點。干噴濕紡也是當前國際碳纖維巨頭的主要紡絲方法，日本東麗的主流型號T700、T800、T1000碳纖維都是采用干噴濕紡制備而成。截止2018年，國內企業(yè)的碳纖維大部分仍采用濕法紡絲制備，頂尖龍頭已成功掌握干噴濕紡工藝。

碳纖維技術發(fā)展至今已經(jīng)歷三代變遷，同時實現(xiàn)高的拉伸強度和彈性模量是目前碳纖維研制過程中的技術難點。近年來日美從兩條不同技術路徑在第三代碳纖維上取得技術突破，并有望在未來5-10年內實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，對于提高戰(zhàn)機、武器的作戰(zhàn)能力意義重大。東麗利用傳統(tǒng)的PAN溶液紡絲技術使得碳纖維強度和彈性模量都得到大幅提升，是通過精細控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進行控制。以當前東麗較為先進的碳纖維制品T1100G為例，T1100G的拉伸強度和彈性模量分別為6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正進入產(chǎn)業(yè)化階段。美國佐治亞理工學院從原絲制備工藝入手，利用創(chuàng)新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術，通過凝膠把聚合物聯(lián)結在一起，產(chǎn)生強勁的鏈內力和微晶取向的定向性，保證在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下，仍具備高強度，從而將碳纖維拉伸強度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達354～375GPa。

中游的碳纖維復合材料以樹脂基復合材料（CFRP）為主，占全部碳纖維復合材料市場份額的90%以上。復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料以滿足各種不同的要求。復合材料根據(jù)不同物相在空間上的連續(xù)性，可以將其分為基體與增強材料。一般而言，碳纖維不單獨應用于下游領域，常作為增強材料形成復合材料。碳纖維復合材料以樹脂基復合材料（CFRP）為主，占全部碳纖維復合材料市場份額的90%以上。在CFRP中，受力的是碳纖維，樹脂在其中起到粘結的作用。CFRP以其明顯的減重增強的作用而廣泛應用于航天航空、體育娛樂用品等領域。換句話說，碳纖維復合材料才是直接接觸下游市場的應用形式。

碳纖維復合材料的制備難度，一方面在于基體樹脂材料的選擇，另一方面在于成型技術?；w樹脂材料的性能以及相對應的與碳纖維的配套體系，決定的是材料設計環(huán)節(jié)。但在該環(huán)節(jié)完成之后，無論制作試樣還是量產(chǎn)，都離不開成型以及相關技術，雖然實際上兩個環(huán)節(jié)不能完全分開。成型加工過程賦予材料一定的形態(tài)，使之體現(xiàn)出必要的特性。與此同時，碳纖維復合材料成型中部分技術的成功實現(xiàn)，是碳纖維在商業(yè)航空領域得以規(guī)?；瘧玫那疤?。用于航空航天領域的CFRP構件此前大多使用預浸料工藝，但是預浸料工藝的成本較高，因預浸料的裁減和鋪疊過程是人工成本和工藝時間消耗最大的環(huán)節(jié)。為改進這一局面，由飛機制造商與材料供應商共同研究開發(fā)出來的成型技術——自動鋪放技術，達到了通過自動化和高速化完成對大型復合材料部件的成型、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。通常使用鋪放成型技術可以比其他的成型工藝減少成本至少30%-50%。正是由于自動鋪放成型技術的出現(xiàn)，CFRP在商用客機上的規(guī)?；瘧貌拍軌虺蔀楝F(xiàn)實。

二、碳纖維應用增長較快，航空航天、風電領域潛力大

1、全球碳纖維需求保持穩(wěn)定增長

1）全球碳纖維需求保持穩(wěn)定增長，2020年或達11.21萬噸

碳纖維復合材料由于其優(yōu)良的材料性能，已經(jīng)被廣泛的應用于航空航天（國防）、風電葉片、汽車、船舶、壓力容器、建筑、電纜芯等不同行業(yè)。2017年全球碳纖維復合材料需求達到8.42萬噸，預計2020年全球總需求將達到11.21萬噸，復合增長率達到10%。

2017年全球碳纖維需求量最大的三個行業(yè)分別是風電葉片1.98萬噸（23.52%）、航空航天1.92萬噸（22.80%）、休閑體育1.32萬噸（15.68%），除此之外，汽車、混配模成型、壓力容器等行業(yè)需求較大。按照價值占比情況來看，航空航天占比接近49.14%，附加值最高。

2）我國碳纖維需求增長快，航空航天（國防）、風電領域潛力大

2017年我國碳纖維需求達2.35萬噸，同比增長達20.06%，遠超全球增速（約10%），整體上延續(xù)了近期年碳纖維需求快速增長趨勢，其中有7400噸是由國產(chǎn)碳纖維企業(yè)生產(chǎn)商提供，進口碳纖維總量（1.61萬噸）仍然明顯高于國產(chǎn)量，進口替代空間巨大。未來隨著國內碳纖維需求的不斷增長，預計2020年我國碳纖維總需求達3.30萬噸，復合增長率超過11%，隨著國產(chǎn)碳纖維技術水平提高，我國國產(chǎn)碳纖維市場占比有望不斷提升。

對比我國碳纖維需求行業(yè)分布與全球碳纖維需求行業(yè)分布，可以發(fā)現(xiàn)我國當前碳纖維應用主要還是集中在體育休閑領域占比達51.09%，而在航空航天、風電葉片、汽車等高附加值領域結構占比要遠低于全球相應部分碳纖維使用占比。全球航空航天碳纖維需求量雖僅占19.20%，但是其價值占比卻高達49.14%，未來我國在航空航天、風電葉片、汽車等行業(yè)碳纖維需求市場空間廣闊。

2、航空航天領域：價值占比高，市場潛力大

1）我國航空航天碳纖維應用需求迫切，價值占比高

我國航空裝備與美國相比仍有較大差距。全球目前共有53545架軍用飛機，其中美國、俄羅斯、中國軍機數(shù)量分居前三，我國軍機數(shù)量不足美國的四分之一，其中在作戰(zhàn)飛機、武裝直升機、運輸機等方面差距尤其明顯。以戰(zhàn)斗機為例我國仍有約50%（561架）的二代機（殲-7、殲-8），三代機、四代機遠落后于美國，而武裝直升機數(shù)量884架，僅為占美國武裝直升機的16.29%（5427架）。伴隨國防和軍隊現(xiàn)代化建設要求，且我國殲-20、殲-16、殲-10C、運-20、新型武裝直升機等新型號的研制成功并交付使用，軍用航空領域未來市場空間巨大。

由于碳纖維復合材料在結構輕量化中無可替代的材料性能，在軍用航空的應用領域得到了廣泛應用和快速發(fā)展，國外軍用飛機從最初將復合材料用于尾翼級的部件制造到今天用于機翼、口蓋、前機身、中機身、整流罩等，碳纖維復材用量不斷提升，以美國F-22和F35為代表的第四代戰(zhàn)斗機上碳纖維復合材料用量達到24%和36%，在美國B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機上，碳纖維復合材料占比更是超過了50%。

我國現(xiàn)役的第三代戰(zhàn)斗機碳纖維占比約為3%，與美國第四代戰(zhàn)機30%的平均碳纖維用量仍有較大差距，我軍碳纖維使用比例仍有巨大提升空間。目前我軍直-10、直-19武裝直升機則大量使用由國產(chǎn)軍用碳纖維復合材料制作的機身框架結構、直升機旋翼、機翼蒙皮和直升機尾翼部件。未來隨著軍機批產(chǎn)上量，以及碳纖維比例逐步上升，對國產(chǎn)碳纖維的需求將越來越大。

近年來無人機（UAV）包括無人作戰(zhàn)機（UCAV）發(fā)展迅速。出無人機系統(tǒng)是當今世界航空工業(yè)最具活力的發(fā)展領域，無論是在國防還是空中攝影、氣象觀察等民用領域，無人機系統(tǒng)正被越來越廣泛使用。目前全球無人機系統(tǒng)年產(chǎn)值約150億美元，其中100億美元來自軍用需求，預計未來10年全球無人機系統(tǒng)領域年均增速將在20%以上，產(chǎn)值累計超過4000億美元。美國全球鷹（GlobalHawk）高空長航時無人偵察機共用復合材料達65%，X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”的復合材料使用比例都為90%。2018年12月23日，“翼龍”I-D無人機成功首飛，這是我國自主研發(fā)的第一型全機身復材無人機，機體復合材料比例達到約75%。隨著無人機需求的快速增長及復材使用比例的提升，碳纖維復材在無人機領域需求有望成為我國新亮點。

2）2018年我國完成39次航天發(fā)射，碳纖維航天應用將不斷提升

在航天領域，航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤，因此，在航空航天工業(yè)中普遍采用先進的碳纖維復合材料。美國、歐洲的衛(wèi)星結構質量不到總重量的10%，原因就在于廣泛使用了高性能復合材料。而在運載火箭和戰(zhàn)略導彈方面，碳纖維復合材料以其優(yōu)異的性能得到了較好的應用與發(fā)展，先后成功用于“飛馬座”、“德爾塔”運載火箭、“三叉戟”Ⅱ（D5）、“侏儒”導彈等型號；美國的戰(zhàn)略導彈MX洲際導彈，俄羅斯戰(zhàn)略導彈“白楊”M導彈均采用先進復合材料發(fā)射筒。2018年我國共計完成航天發(fā)射任務39次，據(jù)世界首位，上升趨勢明顯。隨著中國航天實力增強以及科技發(fā)展的需要，碳纖維復合材料的運用將不斷擴大。

3、風電葉片：大功率風電機組推動碳纖維復材占比不斷提升

我國風電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，且呈大型化發(fā)展。2017年新增裝機容量中，3MW及以上機組占比達7.60%，其中4MW及以上占比達4.7%，而2MW以下的風機占比僅7.30%，2-3MW級是當前新增裝機的主力。從累計裝機情況來看，2MW及以上級別裝機容量占比不斷提升，而1.5MW級別累計風機占比將不斷的減少，風機新增裝機呈現(xiàn)大型化發(fā)展趨勢，尤其是在大型海上風電場及低速風機區(qū)域占比將更高。

隨著低速風機和海上風機的不斷發(fā)展，葉片長度的不斷增加，葉輪直徑的增加對葉片的質量及抗拉強力提出了更輕、更高的要求。全球風電葉片長度，目前以45-59.9米為主導，占比超過70%，預計未來，到2021年，60-69.9米的葉片占比將提升到20%。碳纖維復合材料（CFRP）是制造大型葉片的關鍵材料，其可彌補玻璃纖維復合材料（GFRP）的性能不足。但長期以來，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關鍵部位。近年，隨著碳纖維價格穩(wěn)中有降，加之葉片長度進一步增加，CFRP的應用部位增加，用量也有較大提升。

當前碳纖維復合材料在風電領域應用主要以國外的先進主機廠較多，如維斯塔斯、GE等，國內中材科技也已經(jīng)有相關供應，但是整體占比不高，工藝方面相對于國外成熟拉擠工藝可能還是存在一定的差距。光威復材已經(jīng)為維斯塔斯提供碳纖維復合材料碳梁