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建筑材料行业:风电等新能源势起,"材料之王"碳纤维,前景广阔

2022-11-06 03:36:54 1402

摘要:(报告出品方/分析师:开源证券 张绪成 薛磊)1、碳纤维综合性能超群,被誉为“材料之王” 碳纤维是一种含碳量在 90%以上的碳主链结构无机纤维,通过高温分解法去除除碳以外绝大多数元素,由有机纤维(聚丙烯腈基(PAN)、沥青基、粘胶基纤维等)...

(报告出品方/分析师:开源证券 张绪成 薛磊)

1、碳纤维综合性能超群,被誉为“材料之王”

碳纤维是一种含碳量在 90%以上的碳主链结构无机纤维,通过高温分解法去除除碳以外绝大多数元素,由有机纤维(聚丙烯腈基(PAN)、沥青基、粘胶基纤维等)在 1000℃高温以上的惰性气体中裂解碳化制成,其中全球 90%以上的碳纤维是由 PAN制成。

碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性,强度高(强度约为钢的10倍)、模量高、密度小(密度为钢的 1/5、铝合金的 1/2)造就其轻量化的特点。除此之外,碳纤维还具备耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高温、电及热导性高等特点。

因为碳纤维拥有超群的综合性能,被誉为“材料之王”和“黑色黄金”。

作为现代工业中不可或缺的高科技新型材料,碳纤维被广泛应用于航空航天、新能源装备、汽车、体育用品、交通运输、工程器械、医疗器械、建筑及其结构补强等领域。

碳纤维有诸多分类标准,通常按照原丝类型、力学性能、丝束大小这三种维度进行分类。

按照原丝类型分类:

(1)沥青基碳纤维:以沥青为原料,提高沥青的使用价值,尺寸稳定性好。沥青基碳纤维与氰酸酯树脂制成的复合材料热膨胀系数小,可以用作人造卫星材料或其他精密材料;

(2)粘胶基碳纤维:由含纤维素的粘胶纤维组成,石墨化程度低、导热系数小,适合作为隔热材料;

(3)聚丙烯腈基碳纤维:以聚丙烯腈(PAN)为原料,是所有碳纤维中用途最广、用量最大、性能最好的品种。聚丙烯腈碳纤维占据主流地位,其产量占碳纤维总产量的 90%以上。

按照力学性能分为通用型和高性能型:

(1)通用型碳纤维强度一般在 1000MPa、模量一般在 100GPa 左右;

(2)高性能型碳纤维还可以细分成高强型、高模量型、超高强型及超高模型。

拉伸强度及模量是国际碳纤维的主要分类标准,行业内一般采用日本东丽(TORAY)分类法,而全国纤维增强塑料标准化技术委员会在 2020 年正式发布了我国的碳纤维分类标准。

按照丝束大小分类:

碳纤维可以按照每束含有的纤维数量来划分成小丝束和大丝束。

单束纤维数量通常在 48K 以上的是大丝束碳纤维(1K 意味着 1 束碳纤维含有 1000 根丝),因为性能及制备成本相对较低,也被称为工业级碳纤维,包括 48K、50K、60K、80K 等,主要应用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等领域;小丝束碳纤维工艺要求严格,综合性能更为优异,但生产成本较高,也被称为宇航级碳纤维,一般包括 1K、3K、6K、12K 和 24K 等产品,主要应用领域包括国防工业、高技术以及体育休闲用品,如飞机、卫星、高尔夫球杆等。

2、需求端:双碳政策刺激下游需求,市场空间具有扩张前景

2.1、国内需求结构有别于海外,新能源将是主要驱动力

从全球的角度来看,2020 年全球碳纤维需求总量为 10.69 万吨,风电叶片、航空航天及体育休闲为碳纤维需求量前三的应用领域,需求量分别为 3.06、1.65、15.4 万吨。

2020 年初,全球范围内爆发新冠疫情,对实体经济产生了巨大冲击,民用航空首当其中。

由于疫情影响,航空公司受到重挫,考虑到未来近几年旅客数量急剧减少,随即减少飞机的订单数量,直接导致碳纤维航空复材的需求急剧下滑,同比增速为-30%。

与此同时,风电叶片、压力容器、碳碳复合材料(单晶硅热场材料)等应用领域不受疫情的影响,依然保持了高速增长,同比增速为 20%、19%、79%。

总的来说,在航空航天、体育休闲等传统应用领域受到疫情影响导致需求大幅下滑之时,凭借风电叶片、压力容器、碳碳复材等领域的高速增长,2020 年全球碳纤维需求总量同比增速依然为正,达到了 3%。

未来随着疫情影响边际减弱,下游需求将会全面开花,行业空间具有扩张前景,根据广州赛奥碳纤维《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》,2025 年全球碳纤维需求量预计将会达到 20 万吨,2020 年-2025 年 CAGR 为 13.36%。

从我国的角度来看,2020 年我国碳纤维需求总量为 4.9 万吨,同比增速高达 28.97%。

尽管 2020 年年初,全球都陷入新冠疫情爆发的恐慌当中,但凭借行之有效的管理措施,中国率先摆脱疫情,各项生产经营活动有序恢复,从而保证了碳纤维下游需求的稳定增长。

细分需求结构来看,2020 年我国碳纤维下游需求主要来源于风电叶片以及体育休闲,需求量分别为 2、1.46 万吨,其中风电叶片领域的需求增速达到了 44.93%,贡献主要需求增量。

在“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”的“双碳”背景下,国家将采取强有力的政策,着手优化能源结构,提高清洁能源的比重。

风电、氢能、光伏均迎来发展机遇,叶片对于轻量化的要求将是碳纤维需求的关键引擎。

由于西方国家加强了高端碳纤维及生产设备对我国的限制,我国碳纤维在航空航天领域的应用占比仅为 3.48%,现如今民用碳纤维需求高增将会积极推动国内企业实现制造工艺和生产设备的自主化,进而为今后具备生产高端碳纤维的能力创造先决条件。

根据广东赛奥碳纤维《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》,2025 年中国碳纤维需求总量预计将会达到 9.4 万吨,2021 年-2025 年 CAGR 为 14%,其中国产供应量将会达到 4.6 万吨,2021 年-2025 年 CAGR 为 20%。

2.2、风电领域:海上风电迎机遇,未来增长空间广阔

2.2.1、碳中和顶层设计政策落地,清洁能源发展力度加码

碳达峰具体行动方案出台,清洁能源长期发展目标明确。双碳目标发布以来,关于碳达峰的各种具体政策持续出台,风光等清洁能源长远发展目标明确。

2021年 10 月 24 日,《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,要求(1)到2025年,非化石能源消费比重达到 20%左右;

(2)到 2030 年,非化石能源消费比重达到 25%左右,风电、太阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上;

(3)到 2060 年,非化石能源消费比重达到 80%以上。

2021年 10 月 26 日,《2030 年前碳达峰行动方案的通知》,提出坚持陆海并重,推动风电协调快速发展,完善海上风电产业链,鼓励建设海上风电基地;推进退役风电机组叶片等新兴产业废物循环利用,以及“海上风电+海洋牧场”等低碳农业模式。

大基地项目规划,托底风光行业发展。

“十四五”期间规划九大清洁能源基地和五大海上风电基地,2021 年 3 月公布的《“十四五”规划和 2035 年远景目标纲要》提出,要建设九大清洁能源基地和五大海上风电基地。

九大清洁能源基地包括金沙江上游、金沙江下游、雅砻江流域、黄河上游、黄河几字湾、河西走廊、新疆、冀北、松辽等清洁能源基地;五大海上风电基地为广东、福建、浙江、江苏、山东等海上风电基地。

大基地建设规划将成为“十四五”期间风光新增装机的重要源头。

大基地拉开序幕,百万、千万千瓦基地项目浮出水面。

目前九大清洁能源基地和五大海上风电基地所涉及的相关省份均已出台“十四五”期间风电和光伏的规划,不少地区规划了百万千瓦乃至千万的新能源大基地项目。

根据北极星太阳能光伏网统计,目前各省(区/市)规划百万千瓦大基地项目 46 个,千万千瓦大基地项目 41 个。

首批 100GW 风光大基地项目有序开工建设,预计风光各占一半。

2021 年 10 月 12 日,在《生物多样性公约》第十五次缔约方大会领导人峰会上的讲话提 出,中国将大力发展可再生能源,在沙漠、戈壁、荒漠地区加快规划建设大型风电光伏基地项目。目前,首批 100GW 风光大基地项目已经有序开工,预计风光各占一半。

根据北极星太阳能光伏网统计,自 2021 年 10 月中旬以来,全国已有超过 46.34GW 风光大基地项目陆续开工建设,已公布的总投资达 2068 亿元。

2.2.2、全球风电蓬勃发展,海上风电装机量持续高增

全球风电累计装机规模稳步增长,海上风电始终维持高速增长。

根据全球风能理事会(GWEC)发布的数据,过去十年间全球风电累计装机规模由 2010 年的 198GW 增长至 2020 年的 743GW,CAGR 为 14%。其中陆上风电累计装机规模为 707GW。

2020 年,全球风电新增装机规模 93GW,同比增长 54%,新增装机规模创历史新高。

近年来,随着陆上富风区域的逐渐饱和,海上风电发展迅速,一直维持较高增速。截至 2020 年末,全球海上风电累计装机规模达 35GW,2016-2020 年 CAGR 为 24%。

我国风电累计装机规模稳步增长,海上风电势头迅猛后来居上。

根据国家能源局数据,截至 2021 年 11 月,我国风电累计装机规模为 305GW,2011-2020 年的 CAGR 为22%。经历了2020年陆上风电抢装行情之后,2021年风电新增装机速度有所放缓。

根据国家能源局数据,2021年1-11月我国风电新增装机容量24.7GW,同比增长8%。

虽然我国海上风电起步较晚,但近五年来发展势头迅猛,每年新增装机量都持续刷新记录,2020 年的装机量更是超越欧洲,占全球新增总量的 50.4%。根据国家能源局数据,截至 2021 年 6 月底,我国海上风电总装机量突破 11GW,与陆上风电一样,跃居全球首位。

2.2.3、 风电叶片趋于大型化,轻量化需求驱动碳纤维发展

风机的大型化是未来发展的趋势。风电项目建设成本主要来源于风电机组、电力设施和安装工程等环节。根据北极星电力网数据,风电机组、电力设施和安装工程占陆上风电建设成本的 85%、占海上风电建设成本的 63%。

陆上风电建设成本中风电机组占 70-80%,因此风电机组降本是推动陆上风电项目建设成本降低的关键。

海上风电由于其安装和桩基建设的复杂性,使得风电机组成本只占 30%左右,而安装和桩基共占 30-40%。因而,风电机组、安装工程和桩基建设三方面同时降本才能有效推动海上风电项目建设成本降低。

由于不再对海上风电进行补贴,降低风电成本及提高经济性势在必行。

根据财政部、国家发改委、国家能源局在 2020 年 1 月发布的《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》,自 2020 年起新增的海上风电项目将不再纳入中央财政补贴范围之中,而存量项目需要在 2021 年 12 月 31 日前完成全部机组并网才能享受补贴。

风机大型化是风电长期降本的有效途径。

风电机组功率大型化主要从三方面推动风电长期降本:

(1)降低风机单瓦制造成本;

(2)降低风电场建设成本;

(3)提高风机利用小时数和发电效率,增加发电量,从而降低度电成本。

1)降低单瓦制造成本:

制造大功率风机时,功率增加速度要大于零部件用量的增加速度,从而单瓦成本随着功率的提升而下降。

此外,目前整机企业采用平台化、模块化设计理念,不同型号的风机许多零部件可以通用,这样还可以带来规模化降本。

例如 Vestas V112 机型相比 V82 机型功率提升了 82%,而整体材料用量反而下降了 9.7%;明阳智能 MySE5.0-166 机型相比 MySE2.5-121 机型功率提升了 1 倍,而关键部件提升只有 20-45%。

2)降低风电场建设成本:

在满足风场总体装机规模的情况下,风机数量与单机功率成反比。尽管单机功率提升会导致风电机组的成本略有上升,但是风电机组的成本只占整个风场成本的 40%,如果风机数量能够减少,可以有效降低建设成本,包括平台基础、安装施工等。

根据《平价时代风电项目投资特点与趋势》中的数据,当风机功率由 2.0MW 提升 4.5MW 时,风电项目静态投资成本降低 14.5%,LCOE 下降 13.6%,全投资 IRR 增加 2.4pct。

3)提升发电效率:通过增加叶片的长度来扩大受风面积,捕捉更多的风能。

在同等风速下,风机发电量与受风面积成正比。根据 GE《2025 中国风电度电成本》,扫风面积增加一倍,可以提高一倍的发电量,使得度电成本下降 30%。

同时,扫风面积的提升使得超低风速资源也具备了开发价值,尤其是现在陆上富风区域逐渐饱和叠加海上风场天气变幻无常,捕捉低风速资源能够有效提升风力发电的经济性。

叶片大型化对复合材料提出了更高标准,碳纤维能够满足其要求。

近年来,为了提高风电的经济性,风电机组单机功率呈上涨态势,而风电叶片长度与风机功率成正比。

大型化风机对于叶片提出了更高的要求,而碳纤维材料能够满足大型化所需轻量化、高强度、高模量的要求。

传统的玻璃纤维叶片在长度超过一定阈值之后,质量过大导致性能降低,出现共振扭转等问题。相较于玻纤,碳纤维的密度小 30%,强度大 40%,模量高 3-8 倍。

高性能碳纤维复合材料受到平面的冲击力时,内部纵横交错的碳纤维丝能够有效地分散受力,避免破裂的发生。

兼顾强度、刚度的同时,材料密度越小单位体积质量越轻。根据中复神鹰招股说明书,在满足刚度和强度的前提下,碳纤维比玻璃钢叶片质量轻 30%以上;当前风轮直径已突破 120m,叶片重量达 18 吨,采用碳纤维的 120m 风轮叶片可以有效减少总体自重达 38%,成本下降 14%,从而保证风电机组的运行状态和转换效率。

全球风电巨头 Vestas 专利即将到期,碳纤维渗透率有望进一步提高。风电叶片主梁所用碳纤维有预浸料、真空灌注、拉挤成型三种工艺。

前两种工艺缺点较为明显,成本高且效率低:预浸料长期储存需要冷冻环境,额外增加了叶片的生产成本;真空灌注是闭模成型工艺,准备工作繁琐,而且真空程度对于材料质量有很大影响。

在 2016 年,Vestas 在拉挤碳梁工艺上取得突破,

这种工艺的优点为:

(1)通过拉挤工艺的生产方式有效提高了纤维体积含量,减轻了主体承载部分的质量;

(2)通过标准件的生产模式有效提高了生产效率,保证产品性能的一致性和稳定性;

(3)降低了运输成本和最后组装整体成型的生产成本;

(4)预浸料和织物都有一定的边角废料,拉挤梁片及整体灌注极少。

采用这种设计和工艺制造的碳纤维主梁,兆瓦级的叶片均可使用,扩展了碳纤维的使用范围。

Vestas 在 2002 年 7 月向中国、丹麦、欧洲等国家或国际性知识产权局申请了以碳纤维条为主要材料生产风电叶片的相关专利,限制了其他企业使用碳纤维主梁制作叶片。

根据 2019 年《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会》,维斯塔斯(Vestas)在风电叶片碳纤维领域市占率超过 80%。

国内外厂商现已加速布局拉挤法工艺,待专利于 2022 年 7 月到期之后,工艺将会迅速普及,带动风电叶片用碳纤维的成本下降,进而推动渗透率进一步提高。

风电装机规模叠加碳纤维渗透率的提升,大丝束需求量有望迎来高速增长。

在 “双碳”背景下,风电已经成为全球重点发展领域。

根据伍德麦肯兹《2020 年全球风机整机市场份额及未来展望》和广州赛奥《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》,2020 年全球新增风电装机容量 103GW,风电叶片用碳纤维的需求量为 3.06 万吨,意味着 1GW 风电装机需要约 297 吨碳纤维。

根据中国巨石的数据,1GW 风电装机需用玻纤 1 万吨,可得当前碳纤维渗透率仅为 3%左右。

未来随着拉挤工艺的普及,碳纤维渗透率逐步提高,越来越多的叶片将会使用拉挤碳梁,风电机组单机功率有望进一步提高,海风新增装机将会迎来放量。

根据 GWEC 预测,未来中国海上风电蓬勃发展有望带动全球海上风电新增装机量大幅上涨,预计到 2025 年,全球海上风电新增装机规模达 23.9GW,2021-2025 年 CAGR 为 31%。

根据广州赛奥碳纤维《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》,预计 2025 年全球风电叶片碳纤维需求量达到 9.3 万吨,2021-2025 年 CAGR 为 25%。

2.3、 储氢瓶:氢能行业发展带动储氢瓶碳纤维的需求增长

氢能的储运根据氢或储氢材料形态的不同主要分为气态储运、液态储运、固态 储 运及有机液体储运等四种方式:

(1)气态储运,主要包括近距离运输的高压长管拖车以及长距离运输的管道运输,其中管道运输适用于大规模氢气运输;

(2)液态储运,低温液态储氢是将氢气冷冻至零下 252.72℃以变为液体加注到绝热容器中进行储运,储运工具主要为用于长距离、大规模运输的液氢槽罐车;

(3)固态储运,是以金属氢化物、化学氢化物或纳米材料等作为储氢载体,通过化学吸附和物理吸附的方式进行氢储运,对储运工具并无特殊要求;

(4)有机液体储运,是通过加氢反应将氢气固定到芳香族有机化合物并形成稳定的氢有机化合物液体,最终以液体槽罐车进行储运。

高压气态储氢目前是国内主流的储氢方式。

在主要的氢储运技术中,最成熟的是高压气态储运,也是现阶段国内最主要的氢储运方式。气态储运常温即可实现快速充放氢,成本较低,因此得到广泛应用,但储氢量较低,且对高压储氢罐存在较高的技术要求。

另一方面,管道运输是实现氢气大规模、长距离运输的重要方式,能耗小且成本较低。但类似于天然气管网系统建设,输氢管道建设所需一次性投资较大,基建成本高昂且建设周期较长。

相较于欧美国家已相对成熟的输氢管网系统,中国输氢管道建设仍处于起步阶段。而在现有的天然气管网系统中混入氢气是初期管道输氢的主要探索方向。

国产 IV 型瓶技术取得突破,将带动碳纤维需求提升。

高压氢气瓶主要分为四个型号:

(1)I 型全金属气瓶,(2)II 型金属内胆纤维环向缠绕气瓶,(3)III 型金属内胆纤维全缠绕气瓶,(4)IV 型非金属内胆纤维全缠绕气瓶。

其中,I 型、II 型气瓶由于质量过大、储氢密度低,难以满足氢燃料电池汽车的储氢需求,主要用于工业、加氢站等固定地点用途。

而 III 型、IV 型气瓶采用了纤维全缠绕的方式,具有质量轻、储氢密度高、安全性高等优点,已经被广泛应用于车载领域。

目前,国内主要采用 III 型储氢瓶(35MPa),相较于国际主流的 IV 型 70MPa 高压储氢瓶仍存在一定的技 术差距,但在 2020 年末我国国产 IV 型瓶技术取得了重大突破。

沈阳斯林达安科新技术有限公司生产的 70MPa 氢气瓶,已经通过型式检验,各项参数均满足《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》国家标准,成为国内首家 IV 型瓶通过技术评审的企业。相同体积下,压力与储氢量成正比,IV 型瓶成为氢燃料电池汽车的首选储氢瓶,续航里程可以有效提高。

根据中科院宁波材料所特种纤维事业部的数据,氢能商用车携带 4 个储氢瓶,单个储氢瓶碳纤维用量约 80Kg;乘用车携带 2 个储氢瓶,单瓶碳纤维用量为 37.5kg。

在燃料电池汽车示范应用政策的推动下,我国氢燃料电池汽车保有量将会逐步增加,从而带动碳纤维需求的大幅提升。

根据广州赛奥碳纤维《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》,预计 2025 年全球压力容器碳纤维需求量将达到 2.19 万吨,2021-2025 年 CAGR 为 20%。

2.4、 热场材料:光伏发展带动碳碳复材高速成长,对碳纤维有海量需求

碳碳复材是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料,除了继承碳纤维的高性能以外,还具备抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点,力学特性随着温度升高而增大,是目前唯一能在 2200℃以上保持高温强度的复合材料,主要应用于刹车盘、航天部件以及热场部件三个领域。近年来,前两个应用领域发展平稳,热场部件的需求则是受到光伏行业高速发展的拉动。

碳基复材性能优于石墨,能够契合光伏发展趋势。

热场是硅片拉晶过程中的耗材,主要用于单晶硅炉内的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等部件。为熔化硅料,需要温度达到 1600℃以上,要求热场材料要有较好的耐热性能,因此长期以来热场材料都以等静压石墨为主,碳基复材为辅。

随着光伏新增装机规模的增长,硅片的需求逐年上升,单晶炉的投料量也从 2016 年的 300kg 提升至 2020 年的 1900kg,坩埚尺寸也从原来的 16-20 英寸提高到现在的 32-36 英寸。

坩埚容量的提升对于材料的承载性要求也更高,等静压石墨是由石墨颗粒压制成型的脆性材料,而碳基复材抗折强度超过 150MPa,能够承载更大重量,保证了生产安全性,同时使用寿命也更长,更加契合热场大型化的发展趋势。

随着坩埚制作工艺、拉棒技术的提升,单晶炉投料量仍具备成长空间,碳碳热场则是硅片企业必须的生产设备。

国产碳基复材逐步替代进口高纯度石墨,光伏持续高增将带动碳纤维需求大幅提升。

早期,国内硅片企业的热场材料主要依靠从德国西格里、日本东洋碳素进口高纯、高强等静压石墨,不仅供货周期长,而且成本较高。

2016 年伊始,金博股份和西安超码等企业实现了碳基复材的低成本、规模化生产,国内硅片企业逐步转向使用国产碳碳热场。

根据金博股份的招股说明书,碳基复材渗透率从 2010 年的 10% 以下提高至 2019 年的 50%以上。“碳中和”时代来临,光伏发电作为清洁能源,是全球重点发展的领域,未来光伏新增装机规模预计维持较高的增速,硅片企业对碳碳热场的需求有望继续高速增长。

根据《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》,预计 2025 年碳碳复材碳纤维需求量将达到 1.86 万吨,2021-2025 年 CAGR 为 30%。


3、供给端:国内企业技术突破扩建产能,国产替代空间可期

3.1、国外企业占据高端产能,国内企业正在奋力

欧美日企业具有先发优势,碳纤维生产工艺已非常成熟。1959 年日本大阪工业试验所成功发明了 PAN 基碳纤维的制备技术,由此揭开了全球碳纤维产业发展的序幕。

国际上 PAN 基碳纤维的生产于上世纪 60 年开始起步,日本、英国是最先开启实验室研发碳纤维,而美国于当时专注攻克粘胶基碳纤维,所以在此方面发展稍晚一步。

进入 70 年代,日、英、美三国企业开始频繁合作,开始工程化技术的研发以及应用领域的开拓,成功将碳纤维应用在高尔夫球杆、钓鱼竿等方面,同时碳纤维复合材料在航天航空结构上也取得突破,还实现了批量生产。

90 年代开始,碳纤维产业发展提速,行业正式进入了工业化时代,单线产能突破千吨/年。

日本东丽公司作为行业翘楚,早在当时就基本完成了现有绝大部分产品型号的研发和生产,包括初期的 T300、中期的 T800 和 T1000、末期的 M60J。进入 21 世纪之后,碳纤维的应用不再仅限于军工和宇航,风电、汽车等领域的应用也在不断扩大。

总的来说,由于欧美日企业很早就开始研发碳纤维技术,并将技术与产业发展相融合,具备先发优势,占据很大一部分的市场份额,对高端碳纤维的市场更是形成了垄断。

目前,世界碳纤维技术主要由日本企业掌握,其生产的碳纤维无论是质量还是数量均处于世界领先地位。日本的三家碳纤维企业(东丽、东邦、三菱)占据全球 PAN 基碳纤维约 50%的市场份额,日本东丽则是全球高性能碳纤维的龙头企业。

国内发展稍有停滞,如今积极发展有望缩小差距。

我国 PAN 基碳纤维的研究可 以追溯到 1962 年,与日本同时起步。

由于国外知名碳纤维企业囿于“巴黎统筹条约”的限制,不愿出售相关的生产设备,仅有英国 RK 公司愿意出售极小产量的中试线,中国碳纤维行业于上世纪 90 年代一直处于停滞状态,直到进入新世纪之后,科技部设立碳纤维专项,将碳纤维列入 863 计划新材料领域,才算是恢复发展。

2008 年,以国有企业为主的大量工业企业涌入碳纤维行业,但大多企业在一些关键技术上毫无突破,生产线运行效率较低且产品质量不稳定。

2010 年开始,碳纤维行业格局发生优化,优胜劣汰,从原先的 40 多家企业减少到了十多家企业。

随着下游应用的拓展,碳纤维的需求逐步提升,倒逼上游企业开始大力发展,一些企业在工业级大丝束碳纤维的生产工艺上取得突破,具备产业链自主化能力的产品类型。

3.2、技术取得突破,为碳纤维国产替代奠定基础

完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的制造过程。上游企业从石油、天然气等化石燃料中制取丙烯,并经过氨氧化得到丙烯腈。

丙烯腈通过聚合制成纺丝原液,然后纺丝成型得到聚丙烯腈(PAN)原丝。

原丝需要经过多段氧化炉制成预氧丝,随后在氮气的保护下经过低温和高温碳化后得到碳纤维。

碳纤维可以制成碳纤维织物和碳纤维预浸料,也可以与树脂、陶瓷等材料相结合制成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终成品。

3.2.1、原丝:碳纤维的核心原材料,直接决定其各项性能指标

原丝制备是碳纤维产业链的核心环节。碳纤维原丝的质量和成本很大程度上决定了碳纤维的性能和成本,PAN 原丝需要经过预氧化、碳化转化成碳纤维,这是一个复杂的过程,碳纤维的缺陷主要源于各环节的误差,其中 90%的缺陷是从原丝遗传而来。

如果原丝的分子结构和聚集态结构存在不同程度的缺陷,将会对碳纤维的质量和性能造成严重的影响。

碳纤维的强度显著依赖于原丝的微观形态结构及致密性,线密度越低,原丝中存在的缺陷越少,提高均一性有助于获取高强度的碳纤维。

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