2020年全球及中國碳纖維行業(yè)概述及市場需求分析[圖]

    一、碳纖維——性能優(yōu)異工業(yè)材料，制造全環(huán)節(jié)技術(shù)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(zhì)量僅有鋁材的一半）、質(zhì)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(chǔ)材料，應(yīng)用于航空航天、體育、汽車、建筑及其結(jié)構(gòu)補強等領(lǐng)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(shè)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(lǐng)域已部分取代傳統(tǒng)材料，但對力學(xué)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。

碳纖維力學(xué)性能出色，是軍民用重要基礎(chǔ)材料

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    碳纖維在部分性能上不劣于其他主要工業(yè)材料

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    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(fù)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(shù)壁壘均高。作為碳纖維的前驅(qū)體，高質(zhì)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(yīng)裝置核心技術(shù)是關(guān)鍵。例如據(jù)《合成纖維工業(yè)》2019年第42卷，碳纖維設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)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(guān)鍵設(shè)備研發(fā)滯后。碳纖維一般不是單獨使用，而是以復(fù)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(fù)合材料設(shè)計、制造、評價是碳纖維應(yīng)用的基礎(chǔ)，亦制約著碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。碳纖維復(fù)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(zhì)量固然重要，但若在中游復(fù)材環(huán)節(jié)，沒有質(zhì)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(fù)材的核心設(shè)備，碳纖維仍然無法得到大規(guī)模的應(yīng)用。

碳纖維原絲及碳纖維復(fù)合材料均是產(chǎn)業(yè)鏈上重要的兩個環(huán)節(jié)

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    碳纖維制備過程中，質(zhì)量過關(guān)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(jié)構(gòu)，質(zhì)量過關(guān)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(chǔ)。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(nèi)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。

國內(nèi)企業(yè)碳纖維紡絲工藝主要以濕法為主

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    碳纖維技術(shù)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(shù)難點。近年來日美從兩條不同技術(shù)路徑在第三代碳纖維上取得技術(shù)突破，并有望在未來5-10年內(nèi)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(xué)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(shù)，通過凝膠把聚合物聯(lián)結(jié)在一起，產(chǎn)生強勁的鏈內(nèi)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。

三代碳纖維技術(shù)變遷主要集中在碳纖維微結(jié)構(gòu)和紡絲技術(shù)

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    中游的碳纖維復(fù)合材料以樹脂基復(fù)合材料（CFRP）為主，占全部碳纖維復(fù)合材料市場份額的90%以上。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)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(yīng)，使復(fù)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(fù)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(yīng)用于下游領(lǐng)域，常作為增強材料形成復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料以樹脂基復(fù)合材料（CFRP）為主，占全部碳纖維復(fù)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(jié)的作用。CFRP以其明顯的減重增強的作用而廣泛應(yīng)用于航天航空、體育娛樂用品等領(lǐng)域。換句話說，碳纖維復(fù)合材料才是直接接觸下游市場的應(yīng)用形式。

碳纖維復(fù)合材料種類繁多，應(yīng)用廣泛

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    碳纖維復(fù)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(shù)?；w樹脂材料的性能以及相對應(yīng)的與碳纖維的配套體系，決定的是材料設(shè)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(guān)技術(shù)，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(fù)合材料成型中部分技術(shù)的成功實現(xiàn)，是碳纖維在商業(yè)航空領(lǐng)域得以規(guī)?；瘧?yīng)用的前提。用于航空航天領(lǐng)域的CFRP構(gòu)件此前大多使用預(yù)浸料工藝，但是預(yù)浸料工藝的成本較高，因預(yù)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(yīng)商共同研究開發(fā)出來的成型技術(shù)——自動鋪放技術(shù)，達到了通過自動化和高速化完成對大型復(fù)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(shù)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(shù)的出現(xiàn)，CFRP在商用客機上的規(guī)?；瘧?yīng)用才能夠成為現(xiàn)實。

碳纖維復(fù)合材料成型加工過程，其中成型階段以及基體樹脂為關(guān)鍵要素

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    二、碳纖維應(yīng)用增長較快，航空航天、風電領(lǐng)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(fù)合材料由于其優(yōu)良的材料性能，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)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(fù)合材料需求達到8.42萬噸，預(yù)計2020年全球總需求將達到11.21萬噸，復(fù)合增長率達到10%。

全球碳纖維需求量（千噸）

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    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(lǐng)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(nèi)碳纖維需求的不斷增長，預(yù)計2020年我國碳纖維總需求達3.30萬噸，復(fù)合增長率超過11%，隨著國產(chǎn)碳纖維技術(shù)水平提高，我國國產(chǎn)碳纖維市場占比有望不斷提升。

我國碳纖維需求變化情況

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    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(yīng)用主要還是集中在體育休閑領(lǐng)域占比達51.09%，而在航空航天、風電葉片、汽車等高附加值領(lǐng)域結(jié)構(gòu)占比要遠低于全球相應(yīng)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(lǐng)域：價值占比高，市場潛力大

    1）我國航空航天碳纖維應(yīng)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(shè)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(lǐng)域未來市場空間巨大。

中美不同類型軍機數(shù)量及占比

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中國戰(zhàn)斗機數(shù)量及占比

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美國戰(zhàn)斗機數(shù)量及占比

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    由于碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)輕量化中無可替代的材料性能，在軍用航空的應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，國外軍用飛機從最初將復(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)合材料制作的機身框架結(jié)構(gòu)、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(lǐng)域，無論是在國防還是空中攝影、氣象觀察等民用領(lǐng)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(yù)計未來10年全球無人機系統(tǒng)領(lǐng)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(fù)合材料達65%，X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”的復(fù)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(fù)材無人機，機體復(fù)合材料比例達到約75%。隨著無人機需求的快速增長及復(fù)材使用比例的提升，碳纖維復(fù)材在無人機領(lǐng)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(yīng)用將不斷提升

    在航天領(lǐng)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(fù)合材料。美國、歐洲的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總重量的10%，原因就在于廣泛使用了高性能復(fù)合材料。而在運載火箭和戰(zhàn)略導(dǎo)彈方面，碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能得到了較好的應(yīng)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(dǎo)彈等型號；美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈MX洲際導(dǎo)彈，俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊”M導(dǎo)彈均采用先進復(fù)合材料發(fā)射筒。2018年我國共計完成航天發(fā)射任務(wù)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(fù)合材料的運用將不斷擴大。

近五年航天發(fā)射次數(shù)

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    3、風電葉片：大功率風電機組推動碳纖維復(fù)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(zhì)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(dǎo)，占比超過70%，預(yù)計未來，到2021年，60-69.9米的葉片占比將提升到20%。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是制造大型葉片的關(guān)鍵材料，其可彌補玻璃纖維復(fù)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(guān)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(yīng)用部位增加，用量也有較大提升。

    當前碳纖維復(fù)合材料在風電領(lǐng)域應(yīng)用主要以國外的先進主機廠較多，如維斯塔斯、GE等，國內(nèi)中材科技也已經(jīng)有相關(guān)供應(yīng)，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(fù)材已經(jīng)為維斯塔斯提供碳纖維復(fù)合材料碳梁。2017年全球風電碳纖維需求為1.98萬噸，我國風電碳纖維需求3060噸，隨著相關(guān)風電葉片的工藝逐漸成熟，我們認為我國風電碳纖維的需求將繼續(xù)保持快速增長趨勢。

全球風電葉片碳纖維需求量及預(yù)測（噸）

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    除了航空航天（國防）、風電領(lǐng)域外，碳纖維復(fù)合材料還被廣泛應(yīng)用于包括民用飛機、汽車、體育休閑、混配模成型、電纜芯、建筑建材、壓力容器、船舶、電子電器等多個領(lǐng)域。當然目前由于碳纖維材料本身的成本相對較高，限制了其大面積應(yīng)用，但是我們認為隨著我國在民機制造領(lǐng)域、新能源汽車以及國內(nèi)風電領(lǐng)域工藝技術(shù)的不斷改進，以及碳纖維制造成本的持續(xù)下降，未來我國碳纖維市場需求將保持快速增長。

    相關(guān)報告：智研咨詢發(fā)布的《2020-2026年中國瀝青基碳纖維行業(yè)發(fā)展動態(tài)分析及投資方向研究報告》