未来发展潜力巨大的行业 - 黑色黄金碳纤维

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被誉为“新材料之王”的碳纤维，应该很多人都有所耳闻。

用碳纤维制作而成的产品，都有一些特殊的表现。

以前看别人钓鱼总担心鱼竿不会断吧。一根纤细的鱼竿，弯出惊人的弧度，居然硬是钓上一条大鱼，鱼竿却没什么事。后来才知道，原来鱼竿是用的碳纤维材料。

还比如林丹的羽毛球拍用的都是碳纤维材质。林丹的羽毛球扣杀能轻松打穿12mm的木板，一般的球拍都承受不起几次他的爆发力。

碳纤维应用的场景很广，它可以被用来制造几乎任何东西，小到球拍、钓鱼竿等民用产品，大到飞机、卫星和导弹等高精尖设备。凭借特殊的性能表现让它开始在多个领域里大放异彩。

只是沾上“碳纤维”概念的产品，基本都不便宜。

黑色黄金

大家常说的「碳纤维」实际上「碳纤维增强复合材料」的简称。

复合材料就是由两种以上不同性质的材料，组成有新性能的新材料。

碳纤维增强复合材料的最基本构成单元是碳丝，碳丝通常与树脂一起固化成复合材料，没有添加树脂的原丝还称不上是真正意义的碳纤维。

主要制备流程就是先从石油、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；其次，丙烯腈经聚合和纺丝后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；然后，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到聚丙烯腈基碳纤维；最后，碳纤维与其他材料结合（树脂、陶瓷等），形成碳纤维复合材料，并应用于下游各个领域。

其中原丝制备是碳纤维制备中最核心的环节，也是技术壁垒最高的环节，对工艺提出了较高的要求，直接决定碳纤维产品的质量和成本。碳纤维制备流程长，它包括上百个细分的工序，目前统计有两千多个要控制的参数，整体难度相当大。

这也导致了它贵如黄金，被称为“黑色黄金”。目前宇航级的碳纤维，它的价格每公斤在千元到万元这个范围，是钢和铝合金的几十倍。

完全体的碳纤维复合材料具备众多神奇的特性，很难想象强度、轻盈、柔韧能同时在一种材料上表现。

它的单丝直径通常只有5到8微米，相当于一根头发丝的十到十二分之一，强度却在铝合金4倍以上。400kg普通钢所能达到的强度，碳纤维仅需160kg即可到达，减重可达60%。

用碳纤维做成的自行车，重量仅仅5公斤，一位女士就可以很轻易地把它单手提起来。

除此以外，碳纤维除了具有耐高温，耐磨擦，导电，导热及耐腐蚀等特性，其耐腐蚀性能甚至优于黄金白银。同时还有很强的抗拉力和纤维柔软可加工性。

究其神奇的原因，主要在于碳原子的特性，科学研究表明碳原子非常容易和其他原子成键。大家在高中应该都了解过，碳原子的成键方式是多种多样的，不同的成键方式得到不同的物质。

自然界中最坚硬的东西（金刚石）是碳单质，硬度最低的物质之一（石墨）也是碳单质。

对石墨材料，碳原子是一层层堆积的，同一平面上的碳原子间所成的键非常强，但平面间的碳原子所成的键比较弱。而对于金刚石，碳原子成的键是三维的，因此材料整体显得坚硬得多。

碳纤维材料极大地利用了碳原子的成键特性。原料中的碳原子结构类似石墨分子，并会在处理过程中变为牢固的六方结构。后续再用不同的方向排布堆叠，就能使完全成型的碳纤维在任何方向上的抗拉强度都是很大的，从而让整个碳纤维都显得很坚硬。

应用广泛

鉴于碳纤维的优秀性能，它的应用领域非常广泛，可以替代过去很多的旧材料。

根据2021年国内及全球的碳纤维需求量，风电叶片、体育休闲、航空航天、碳/碳复材等领域是最主要的几个应用领域。

1、风电叶片方面碳纤维正逐步取代玻璃纤维，主要因为碳纤维突破了玻璃纤维的性能上限，在风电叶片大型化的同时，还能降低叶片的重量。在“十四五”规划指出应保证风电每年新增装机量5000万千瓦以上，到2030年总装机容量至少达到8亿千瓦，2060年达到30亿千瓦。

根据赛奥碳纤维《2016-2021 全球碳纤维复合材料市场报告》，全球风电叶片碳纤维需求从 2016 年的1.8万吨增至2021年的3.3万吨，CAGR 为13%，2025年预计全球风电叶片碳纤维需求量约为8.1万吨，2021-2025 年间的CAGR 为25%，碳纤维在风电叶片领域的市场空间依然很大。

2、体育器材领域，碳纤维凭借其轻量，高刚度的优势已成为高端器材的最优选择，渗透率不断提高。碳纤维具体在高尔夫，自行车，球拍，钓鱼竿等领域有着集中应用。预计2022 年我国体育休闲领域碳纤维需求量增速为 15%达到 20125吨，继续冲击需求新高点。

3、航空航天是碳纤维价值量最高的领域。

碳纤维复合材料较强的耐蠕变性能和耐高温性能有利于在太空中维持形状，使其得以广泛应用于航天领域，用以制备载人航天器及绕地卫星。

而碳纤维轻量优势能使飞机整体减重有效降低成本，也深受民用飞机制造的喜爱。

2020 年全球新冠疫情对航空业造成不利影响。随着疫情好转，飞机订单也在逐步改善。且伴随国产大飞机C919的逐步量产和CR929的研发推进，航空航天领域的碳纤维用量有望进一步增长。

在业内，碳纤维一直被认为将是第四次工业革命一个重要物质支撑。并不遥远的星际航行、清洁能源和人工智能时代，碳纤维可能是不可或缺的地位。

此外，被认为是21世纪最具潜力的高温结构材料之一碳/碳复合材料、以及燃料电池汽车储氢瓶、轨道交通等多个细分场景，都在快速推动碳纤维需求上行。未来几年预计全球的碳纤维需求依旧保持高速增长。

根据赛奥碳纤维《2016-2021 全球碳纤维复合材料市场报告》，从全球来看，2025年碳纤维需求量预计全球需求量达20万吨，未来4年CAGR为14.10%；从国内来看，2025年碳纤维需求量预计国内需求量为15.93万吨，未来4年CAGR为26.37%。

国产替代

自碳纤维诞生以来，由于碳纤维制造难度高、工艺复杂等原因，加上国外技术封锁和专利保护，高端碳纤维复合材料技术长期掌握在发达国家手中。

我国直到2000年后由政府推动才开始发力，2003年光威复材率先生产出碳纤维材料，到如今在产能方面，2021年中国大陆地区首次超过美国，成为全球最大产能国。

从世界格局来看，2021年全球前三大碳纤维产能国分别中国、美国、日本，合计运行产能达到 13.71 万吨，占全球运行产能的 66.04%，几乎垄断全球碳纤维接近三分之二的供应。

全球剩余产能零星散落在匈牙利、墨西哥、法国、韩国等世界各地，占比均为 5%左右。在碳纤维生产企业中，全球前五大碳纤维生产企业均来自中美日。

我们运行产能第一，但并不是说我们碳纤维的实力是世界第一。

虽然我国运行产能占比最大，我国碳纤维产品核心竞争力较弱、关键技术仍未突破的现状还没完全改变。产能利用率不足 50%，整体实际产量仅约2.9万吨，而2021年进口量为3.3万吨，超过国产数量，说明海外碳纤维的整体水平、质量明显要比国内高不少。

不断从成本端和技术工艺端去缩小差距，是国产替代需要做的。从规模化到全产业链布局，到提升各环节工艺和效率，以及生产设备也国产化，甚至是变革原丝技术，是未来碳纤维领域的发展趋势。

目前来说，国产化还是取得了不少的成就和好的变化。这些年突破了碳纤维制备的关键技术，相继实现了系列碳纤维（包括T300级、T700级和T800级）的国产化，解决了航天、航空等国防工业的自主保障问题，把宇航级碳纤维价格打到了以前的十分之一，行业产能利用率从2017年的28.46%提升至2021年的46.54%。同时进口碳纤维的增速和占比都在逐年提升，国产替代的趋势还是较为明显。