碳纖維行業(yè)專題報告-碳纖維概覽及生產(chǎn)壁壘詳解

碳纖維行業(yè)專題報告：碳纖維概覽及生產(chǎn)壁壘詳解碳纖維作為高性能纖維的翹楚，一直以來民和軍事領(lǐng)域高端應(yīng)用場景的核心材料之一。鑒于

碳纖維的重要戰(zhàn)略意義，上世

60

年代今，從政府層面到產(chǎn)業(yè)層面，對碳纖維行業(yè)的發(fā)展都

傾注了大量的心血，一代一代的科學(xué)家和工程師為中國碳纖維獨(dú)立自主發(fā)展貢獻(xiàn)了自己的力

量。在

2008

年以前，國內(nèi)碳纖維生產(chǎn)產(chǎn)量小、品質(zhì)穩(wěn)定性不高、性價比優(yōu)勢不明顯。2008

年后，中國的碳纖維企業(yè)在軍品纖維生產(chǎn)方面實現(xiàn)了真正的突破，并在低成本民品纖維的研

發(fā)開發(fā)上進(jìn)行大量投入、以與海外產(chǎn)品展開正面競爭。同時長期的研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗的積累也

讓中國碳纖維企業(yè)開始沖擊高端民用碳纖維領(lǐng)域，與常規(guī)產(chǎn)品一道，豐富了中國碳纖維行業(yè)

的生命力。供應(yīng)與需求相互映襯，國內(nèi)碳纖維下游市場快速啟動，包括航空航天、風(fēng)電葉片、

汽車、壓力容器等領(lǐng)域，對碳纖維的需求正快速涌現(xiàn)，中國成為全球碳纖維需求增長最快的

市場。中國碳纖維行業(yè)已經(jīng)迎來了最佳發(fā)展時期，這也是我們撰寫本篇報告的出發(fā)點(diǎn)和初心，希望

通過我們對行業(yè)資料的梳理，幫投資者了解中國碳纖維行業(yè)，并發(fā)現(xiàn)其中的投資價值。1.碳纖維的分類1.1.

按強(qiáng)度模量分類，T系列碳纖維應(yīng)用最廣碳纖維按拉伸強(qiáng)度和拉伸模量這兩項力學(xué)性能指標(biāo)來分，碳纖維可分為通用型碳纖維、高強(qiáng)

碳纖維、高模碳纖維、超高強(qiáng)碳纖維、超高模纖維這幾種。目前業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一的碳纖維型號

劃分標(biāo)準(zhǔn)，在實際使用中，龍頭企業(yè)日本東麗公司的產(chǎn)品編號常被作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如東麗的

碳纖維產(chǎn)品編號有

T300、T800、M30

等多種，其中

T表示強(qiáng)度，M表示模量。強(qiáng)度上，T后綴的數(shù)字越大代表產(chǎn)品的強(qiáng)度越大，因此強(qiáng)度是

T300

<

T600

<

T700

<

T800

<

T1000

<

T1100

；模量上，M后綴的數(shù)字越大代表產(chǎn)品的模量越大，因此模量是

M30

<

M40

<

M46

<

M50

<

M60

<

M65。根據(jù)模量大小可分為標(biāo)模、中模和高模。標(biāo)準(zhǔn)模量的拉伸模量為

230-265GPA；中等模量的指拉伸模量為

270-315GPA；高模量的指拉伸模量超過

315GPA。

在實際生產(chǎn)和應(yīng)用中，碳纖維并非以單根形式獨(dú)立存在，而是由一定數(shù)量的碳纖維絲束組成

的，公司提供的產(chǎn)品信息中都會表明其碳纖維品為幾

K。其中

1K就代表在一束碳纖維絲束

中有

1000

根絲，通常小于

24K（含）的碳纖維被稱為小絲束，小絲束碳纖維主要應(yīng)用于航

空航天、武器裝備和體育休閑領(lǐng)域，因此又被稱為“宇航級”碳纖維。24K以上的碳纖維被

稱為大絲束碳纖維，大絲束碳纖維的粘連、斷絲現(xiàn)象相對多，強(qiáng)度和剛度方面的性能比小絲

束碳纖維差，為通用級碳纖維，主要用于汽車、風(fēng)電葉片等一般工業(yè)領(lǐng)域，因此被稱為“工

業(yè)級”碳纖維。小絲束碳纖維的生產(chǎn)成本比大絲束碳纖維高，性能也更加優(yōu)越，因此價格比

大絲束碳纖維更加昂貴。目前標(biāo)模碳纖維有大絲束與小絲束的區(qū)分，標(biāo)模以上的碳纖維尚無

大絲束出現(xiàn)。但未來大絲束可能向中模的方向發(fā)展，特別是飛機(jī)的大梁、風(fēng)電的梁帽和汽車

的車身結(jié)構(gòu)，中模大絲束可以為航空航天、風(fēng)電葉片和新能源汽車領(lǐng)域帶來更多輕量化應(yīng)用。1.2.

按原料分類，PAN基碳纖維是主流碳纖維按不同的原材料分類，可以分為

PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維或粘膠基碳纖維。PAN基碳纖維的原料來源豐富，且其抗拉強(qiáng)度其他二者優(yōu)越，因此

PAN基碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域最廣，

比如航空航天、體育休閑、風(fēng)電葉片、汽車工業(yè)、建筑補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域，市場份額占

90%以上。

瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維的用途較為窄、產(chǎn)量小。通用級瀝青碳纖維強(qiáng)度和模量較低，

主要應(yīng)用于保溫材料領(lǐng)域；高性能瀝青基碳纖維多用于航空航天的工程材料。粘膠基碳纖維

主要用于制作耐燒蝕和隔熱材料。1.2.1.

PAN基碳纖維大多數(shù)

PAN基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)具備由原絲生產(chǎn)開始到制作碳纖維到最終完成碳纖維產(chǎn)品的

完整生產(chǎn)線。目前全球生產(chǎn)

PAN碳纖維的企主要分布在日本和美國，其中日本東麗是全球

PAN基碳纖維最主要的生產(chǎn)企業(yè)之一。從

PAN原絲到碳纖維，需要經(jīng)過碳化、表面處理、上漿處理等過程。碳化指的是去除材料

中的非碳元素，使其碳含量超過

90%，由于

PAN原絲的玻璃化溫度低于

100

攝氏度，因此

不能直接碳化，而需要先經(jīng)過預(yù)氧化過程。碳化后，為了賦予纖維更好的粘合性能，需要對

它們進(jìn)行表面處理，向纖維表面添加氧原子以提供更好的化學(xué)鍵合性，使它們的表面被輕微氧化，并且對表面進(jìn)行蝕刻和粗糙化以獲得更好的機(jī)械粘合性能，可通過將纖維浸入各種氣

體如空氣、二氧化碳或臭氧中以及各種液體，如次氯酸鈉或硝酸中可以實現(xiàn)氧化。在表面處

理之后，需要涂覆纖維以保護(hù)它們在纏繞或編織期間免受損壞，此過程稱為上漿處理，涂層

材料包括環(huán)氧樹脂，聚酯，尼龍，聚氨酯等。1.2.2.

瀝青基碳纖維瀝青基是制造碳纖維的第二大路線，該路線原料來源豐富且碳化收率高，根據(jù)王鵬《瀝青基

碳纖維工藝流程》學(xué)術(shù)報告，瀝青基碳纖維生產(chǎn)成本僅為

PAN基碳纖維的

1/3-1/4，但因原

料調(diào)制雜、產(chǎn)品性能較低而未得到大規(guī)模發(fā)展。瀝青基碳纖維的制備工藝包括：原料瀝青→

瀝青熔化處理→瀝青過濾→沉降法或熱濾法的調(diào)制→熔噴法或熔紡法紡絲→不熔化處理→

炭化或石墨化處理。瀝青基碳纖維最早于上世紀(jì)

60

年代末由日本吳羽化學(xué)公司實現(xiàn)工業(yè)化

生產(chǎn)，1970

年美國聯(lián)合碳化物公司也成功完成開發(fā)，并于

1982

年投入工業(yè)化生產(chǎn)。與

PAN碳纖維相比，瀝青基碳纖維強(qiáng)度方面不如

PAN基碳纖維，但高性能瀝青基碳纖維在模量、

摩擦和導(dǎo)熱方面具有優(yōu)勢，因此在航空航天領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢地位。1.2.3.

粘膠基碳纖維粘膠基碳纖維的制備工藝包括：粘膠原絲水洗→催化浸漬→預(yù)氧化→低溫碳化→高溫碳化。

原料主要為木漿和棉漿，美國、俄羅斯和白俄斯多用木漿，我國則以棉漿為主。根據(jù)李輝《復(fù)

合催化劑種有機(jī)硅組分在粘膠基碳纖維制備中的作用》學(xué)術(shù)報告，由于粘膠纖維理論總碳量

僅為

44.5%，加上制造過程中的熱解反應(yīng)，粘膠基碳纖維生產(chǎn)效率只有

10%-30%，所以制

備成本相對更高。且其強(qiáng)度較低，不能像

PAN基碳纖維那樣以高倍張力進(jìn)行預(yù)氧化，只有

在完成預(yù)氧化后的高溫處理階段才可以施加張力。粘膠基碳纖維的優(yōu)點(diǎn)在于其原材料粘膠纖

維是天然產(chǎn)物，粘膠纖維加工過程中無需添加催化劑，因此纖維中可以不含金屬離子。憑借

這個其他種類碳纖維不具備的優(yōu)勢，在需要保證信號不受干擾的情況下、要求所用的碳纖維

不能含有金屬離子時（如戰(zhàn)略武器的隔熱材料、防靜電和防電磁波服裝的防護(hù)材料），就必

須使用粘膠基碳纖維。此外，粘膠基碳纖維具有耐燒蝕的特點(diǎn)，在制造隔熱保溫材料時不可

替代。2.

碳纖維及復(fù)材生產(chǎn)工藝比較2.1.

紡絲工藝比較原絲生產(chǎn)是碳纖維的核心技術(shù)，原絲的質(zhì)量好壞直接決定了碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)

成本和市場競爭能力。質(zhì)量低劣、均勻性差的絲在后續(xù)過程中會產(chǎn)生毛絲纏結(jié)、斷絲的情況，

導(dǎo)致原絲損耗。原絲成本是整個碳纖維生產(chǎn)成本比例最大的一部分，占

50％以上，所以控制

好原絲質(zhì)量至關(guān)重要。原絲按紡絲方法可分為濕法、干法、干濕法等。2.1.1.

濕法紡絲工藝濕法紡絲是將聚合物溶于溶劑中，通過噴絲孔噴出細(xì)流，進(jìn)入凝固浴形成纖維的紡絲方法，

其工藝流程包括制備紡絲原液、原液從噴絲孔出形成細(xì)流、原液細(xì)流凝固成初生纖維、最后

再將初生纖維卷裝或直接進(jìn)行后處理。濕法紡絲的速度較低，且工藝流程復(fù)雜，生產(chǎn)成本較

高。2.1.2.

干法紡絲工藝干法紡絲和濕法紡絲一樣，都是采用成纖高聚物的濃溶液來形成纖維，但與濕法紡絲不同的

是，干法紡絲時原液從噴絲孔壓出形成的細(xì)流是進(jìn)入凝固浴液，而是進(jìn)入紡絲甬道中。甬道

中的熱空氣流會使原液細(xì)流中的溶劑快速揮發(fā),并將揮發(fā)出來的溶劑蒸汽帶走。在逐漸脫去溶

劑的同時原液發(fā)生固化，經(jīng)拉伸定型洗滌干燥等后處理過程便可得到成品纖維。干法紡絲可

以進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)，且紡絲速度高、產(chǎn)量大、對環(huán)境污染少，并且纖維質(zhì)量及耐化學(xué)性和染色

性能比濕紡纖維好。干法紡絲的缺點(diǎn)在于生產(chǎn)的纖維耐氯性較差、工藝技術(shù)難度較大，生產(chǎn)

成本比干濕法高，比濕法低。2.1.3.

干噴濕紡紡絲工藝干濕法，也稱干噴濕紡法，是將干法與濕法紡絲相結(jié)合的紡絲方法。干濕法紡絲是將紡絲原

液從噴絲頭壓出后，先經(jīng)過一段空氣層，再進(jìn)凝固浴，初生纖維從凝固浴液中導(dǎo)出后處理過

程與濕法紡絲相同。紡絲原液流出噴絲頭后通過空氣層時形成的纖維能在空氣層中經(jīng)受噴絲

頭拉伸，并且液流脹大區(qū)形變不大，這樣可進(jìn)行高倍的噴絲頭拉伸。根據(jù)《高分子材料加工

工藝學(xué)》書中提到，絲條進(jìn)入凝固浴時已有一定取向度，且脫溶劑化程度較高，能快速固化，

因此紡絲速度比一般濕法紡絲快

5～10

倍，可達(dá)到

200～400m/min，紡絲機(jī)的生產(chǎn)率能極

大提高。干濕法紡絲溶液黏度可達(dá)

50～100Pa〃s及以上，可提高紡絲原液的濃度，減少溶

劑的回收及單耗。此外，相比于濕法紡絲，干濕法能比較有效地調(diào)節(jié)纖維的結(jié)構(gòu)形成過程。

干噴濕紡工藝生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)出的碳纖維品質(zhì)好、生產(chǎn)成本低。美國日本的碳纖維龍頭公

司掌握干濕法技術(shù)，使用干濕法生產(chǎn)的碳纖維成為主流，但同時干濕法也是碳纖維行業(yè)公認(rèn)

的難以突破的紡絲技術(shù)。國內(nèi)于

2013

年率先突破技術(shù)難關(guān)，其干噴濕紡高性能碳

纖維工程化項目順利通過國家級鑒定。江蘇恒神于

2012

年啟動

T800S碳纖維干噴濕紡制造

技術(shù)的開發(fā)，于

2014

年

9

月建成干噴濕紡專用原絲生產(chǎn)線和碳化生產(chǎn)線。也正在

研發(fā)干濕法工藝碳纖維。

2019

年

4

月發(fā)布公告，其

T700S級碳纖維干濕法產(chǎn)業(yè)化

制備項目已通過鑒定，國產(chǎn)替代再獲突破進(jìn)展。2.2.

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）成型工藝將原材料轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)件還需要成型這一關(guān)鍵步驟。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的加工成型工藝有很

多種，包括預(yù)浸料熱壓罐、樹脂傳遞模塑（RM）、拉擠成型、纏繞成型等。目前航空航天領(lǐng)

域常用預(yù)浸料熱壓罐工藝和樹脂傳遞模塑（RTM）工藝，汽車零部件的生產(chǎn)則主要采用

RTM工藝等模壓成型工藝。2.2.1.

預(yù)浸料熱壓罐工藝預(yù)浸料熱壓罐工藝主要運(yùn)用于制造高端復(fù)合材料，常常在航空航天領(lǐng)域被使用。其工藝流程

包括浸潤纖維預(yù)用樹脂將其制成半固化態(tài)材料再在模具上手工逐層干法鋪貼，然后將其制袋

密封，使內(nèi)部處于真空，產(chǎn)生負(fù)壓，最后將其送入熱壓罐內(nèi)固化成型。預(yù)浸料熱壓罐工藝制

造的部件品質(zhì)高、性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度好，但由于采用手工積層，人工工時費(fèi)用高、生產(chǎn)效

率低且存在一定人工管理難度。2.2.2.

樹脂傳遞模塑工藝（RTM）樹脂傳遞模塑工藝是一種適用于高質(zhì)量、多品種、中批量復(fù)合材料的制造工藝，技術(shù)成本較

低，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、體育用品領(lǐng)域。其工藝流程包括將纖維經(jīng)預(yù)成型、預(yù)編

織處理后將預(yù)成型纖維體鋪放在模具型腔內(nèi)，合模后用壓力設(shè)備往模腔中注入樹脂，浸潤纖

維，最后固化脫模成型。樹脂傳遞模塑工藝的生產(chǎn)效率高，制品雙面光潔且尺寸精度高，適

用于制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。2.2.3.

拉擠成型工藝?yán)瓟D成型工藝適用于制造高纖維體積含量的低成本復(fù)合材料，如制造風(fēng)電葉片的梁帽，其工

藝流程包括在牽引設(shè)備的作用下將連續(xù)纖維進(jìn)行樹脂浸潤浸后通過成型模具加熱，擠出多余

樹脂，使其固化。該工藝可以連續(xù)成型，制品長度不受限制，縱向力學(xué)性能突出，生產(chǎn)過程

自動化程度高，生產(chǎn)效率高，制品性能穩(wěn)定，成本低。缺點(diǎn)是只能生產(chǎn)線形產(chǎn)品，且橫向強(qiáng)

度低。2.2.4.

纏繞成型工藝?yán)p繞成型工藝常被用于制造壓力容器、釣竿、傳動軸等制品，在土木建筑領(lǐng)域也多有應(yīng)用。

其工藝流程包括將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維按一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模獲

得制品。用纏繞成型工藝制成的纖維能保持連續(xù)完整、制品強(qiáng)度高、可機(jī)械化連續(xù)性生產(chǎn)、

生產(chǎn)周期短。但該工藝生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，需要雜繞機(jī)、芯模、固化加熱爐、脫模機(jī)等設(shè)備，存

在一定的技術(shù)難度，且不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，產(chǎn)品形狀單一。3.

碳纖維生產(chǎn)壁壘高，我國技術(shù)突破及成本優(yōu)化任重道遠(yuǎn)3.1.

紡絲及氧化碳化環(huán)節(jié)控制均有難度完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應(yīng)用的完整制造過程。從石油、煤炭或天然氣得

到丙烯，丙烯經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈合和紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲，再

經(jīng)過預(yù)氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維，并可制成碳纖維織物和碳纖維預(yù)浸料，作為生

產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的原材料；碳纖維經(jīng)與樹脂、陶瓷等材料結(jié)合，形成碳纖維復(fù)合材料，最

后由各種成型工藝得到下游應(yīng)用需要的最終產(chǎn)品。聚丙烯腈（PAN）基碳纖維的生產(chǎn)過程主要經(jīng)過聚合、紡絲、預(yù)氧化、碳化、表面處理、上

漿等步驟，全過程連續(xù)進(jìn)行，任何一道工序出現(xiàn)問題都會影響穩(wěn)定生產(chǎn)和碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。在原絲的生產(chǎn)過程中，比如聚合這一步，工業(yè)生產(chǎn)主要采用溶液聚合法，紡絲液的粘度能夠

直接體現(xiàn)紡絲液質(zhì)量的好壞以及紡絲液的運(yùn)動速度。單體的種類和比例、引發(fā)劑種類及濃度、

聚合溫度及時間、攪拌速度都要控制，否則會出現(xiàn)聚合度不均勻的情況。再比如說，在紡絲

前要進(jìn)行脫單脫泡和后處理以除掉多余的單體、氣泡、雜質(zhì)等，因為紡絲原液中單體

AN在

一定溫度和真空度下可以汽化、原液在聚合反應(yīng)和輸送過程中產(chǎn)生氣泡，這個對于原絲性能

影響很大，弄不好就會斷絲，所以要在紡絲前要控制真空度和溫度脫泡。再比如說，紡絲這

一步，以濕法為例，紡絲液從噴絲孔擠出進(jìn)入凝固浴，通過

DMSO濃度差進(jìn)行溶劑擴(kuò)散實

現(xiàn)凝固，這個過程需要注意

DMSO的濃度，濃度和溫度會影響原絲的界面性質(zhì)和致密性；

要注意水洗和干燥溫