“黑色黃金”
在材料產(chǎn)業(yè)中，有這樣一種“黑色黃金”，其比重不足鋼的1/4，強(qiáng)度卻是鋼的10倍。換個(gè)說(shuō)法，其單位重量所體現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)度是鋼的40倍。這就是實(shí)至名歸的新材料之王——碳纖維。
碳纖維是指含碳量在 90%以上的無(wú)機(jī)高分子材料，用聚丙烯腈（瀝青或粘膠）等做原料， 經(jīng)過(guò)高溫氧化、碳化等環(huán)節(jié)而生成，是目前高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度、比模量的纖維，且耐高溫也是最好的，主要應(yīng)用在軍工和工業(yè)等領(lǐng)域。
圖源未來(lái)智庫(kù)
碳纖維已成為理想的輕量化材料，碳纖維的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)有很多，目前分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)主要有：原絲種類(lèi)、絲束規(guī)格和力學(xué)性能。
碳纖維的誕生
1879年，愛(ài)迪生發(fā)明了以碳纖維為發(fā)光體的白熾燈，這是最早商業(yè)化的碳纖維。他將富含天然線性聚合物的椴樹(shù)內(nèi)皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形狀，并對(duì)其進(jìn)行高溫烘烤；受熱時(shí)，這些由連續(xù)葡萄糖單元構(gòu)成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。
早期的碳纖維沒(méi)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)力，易碎，實(shí)用性差。20世紀(jì)初，人造纖維的出現(xiàn)，推進(jìn)碳纖維再次發(fā)展，把碳纖維技術(shù)引入“再發(fā)明”時(shí)代。
到了20世紀(jì)中后期，聚氯乙烯、聚酰胺和聚丙烯腈等化學(xué)纖維的商業(yè)化，為美國(guó)開(kāi)創(chuàng)高性能碳纖維技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)研究提供了前提。自此，高性能碳纖維基礎(chǔ)科學(xué)研究和工業(yè)化技術(shù)研發(fā)進(jìn)入了高峰期。
碳纖維發(fā)展迅速
近10年來(lái)，國(guó)產(chǎn)碳纖維的市場(chǎng)需求和產(chǎn)能都在飛速的增長(zhǎng)，這與我國(guó)政策和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展密不可分。經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展給國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)注入了源源不斷的血液，同時(shí)也為未來(lái)10年的國(guó)產(chǎn)碳纖維發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。
圖源中商產(chǎn)業(yè)研究院
究其根本，大概有以下三點(diǎn)：
其一，新能源產(chǎn)業(yè)進(jìn)入政策紅利期
全球范圍內(nèi)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整促生了新能源產(chǎn)業(yè)，近十余年來(lái)，我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度驚人，幾乎每年都以30%的超常規(guī)速度增長(zhǎng)，并成為全球風(fēng)電和光伏發(fā)電規(guī)模最大、增速最快的國(guó)家。
國(guó)務(wù)院《新時(shí)代的中國(guó)能源發(fā)展》白皮書(shū)提出大力推進(jìn)低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源等戰(zhàn)略舉措，這預(yù)示著新能源產(chǎn)業(yè)正迎來(lái)更多政策紅利。
“十四五”期間，清潔能源的開(kāi)發(fā)利用又將上一個(gè)新臺(tái)階。預(yù)計(jì)到2030年，非化石能源消費(fèi)比重將達(dá)到25%左右，接下來(lái)能源增量70%以上以非化石能源為主。
在新能源汽車(chē)、光伏、風(fēng)電這類(lèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型最受益的新能源產(chǎn)業(yè)中，碳纖維復(fù)合材料也在扮演著重要角色，風(fēng)電葉片、光伏載板、新能源汽車(chē)零部件都是碳纖維應(yīng)用的典型案例。
其二，工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正面臨轉(zhuǎn)型升級(jí)
近幾年來(lái)，我國(guó)一直在大力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)工業(yè)企業(yè)不斷優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，通過(guò)政策調(diào)整、市場(chǎng)調(diào)控等方式將低附加值、低品牌化、低技術(shù)含量的企業(yè)逐步淘汰掉。與此同時(shí)，工信部也在狠抓落實(shí)節(jié)能降耗、減排治污工作，旗幟鮮明地推動(dòng)工業(yè)向綠色轉(zhuǎn)型。
在綠色發(fā)展的號(hào)召下，一大批企業(yè)在積極通過(guò)設(shè)備升級(jí)、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)能優(yōu)化等手段實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。例如，紡織、印刷、造紙以及鋰電池制造等企業(yè)在生產(chǎn)設(shè)備中采用碳纖維復(fù)合材料輥替代傳統(tǒng)的金屬輥，通過(guò)碳纖維復(fù)合材料的輕量化和高性能實(shí)現(xiàn)降低能耗、減少企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)成本。
其三，世界軍備競(jìng)賽的壓力增大
因外部壓力的增大，發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)軍工產(chǎn)品與技術(shù)的管控和封鎖日益嚴(yán)格，國(guó)家的軍工裝備必須實(shí)現(xiàn)自主可控。在外部動(dòng)蕩因素增多的情況下，國(guó)內(nèi)的軍工行業(yè)正在進(jìn)行“躍層式”發(fā)展。在這個(gè)特殊時(shí)期，軍工行業(yè)面臨著更為緊迫而有利的發(fā)展機(jī)遇，無(wú)論是基本面還是資金面，軍工行業(yè)都具備了持續(xù)上漲的基礎(chǔ)。
軍工產(chǎn)業(yè)的不斷突破需要長(zhǎng)周期、高投入的技術(shù)研發(fā)支撐，高性能先進(jìn)復(fù)合材料一直是軍工裝備的寵兒，成本高但是性能強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料軍工零部件在這個(gè)特殊時(shí)期獲得了大幅度的應(yīng)用增長(zhǎng)。
碳纖維在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀
在發(fā)達(dá)國(guó)家，碳纖維產(chǎn)業(yè)對(duì)支持產(chǎn)業(yè)升級(jí)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)整體素質(zhì)提高方面都發(fā)揮了重要的作用。我國(guó)于60年代末與國(guó)外基本同步開(kāi)始了PAN基碳纖維的研制，但由于種種原因進(jìn)展十分緩慢，同比發(fā)達(dá)國(guó)家落后了近30年。
2009年，國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)多年來(lái)發(fā)展落后緩慢的局面得以改變，生產(chǎn)企業(yè)和投資基地都在不斷增多，行業(yè)的發(fā)展從此進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期。但是與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)目前的碳纖維生產(chǎn)能力（特別是高端產(chǎn)品）與國(guó)際水平還存在相當(dāng)?shù)牟罹啵嬲龂?guó)產(chǎn)化還需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程。
目前，國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)廠家在企業(yè)專(zhuān)有技術(shù)、人才資源、生產(chǎn)成本、營(yíng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)等方面尚不具備與國(guó)外企業(yè)抗衡的能力，但國(guó)產(chǎn)碳纖維的成功開(kāi)發(fā)，平抑了碳纖維的市場(chǎng)價(jià)格，促進(jìn)了碳纖維及制品的應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料制品以其質(zhì)輕高強(qiáng)的特點(diǎn)，隨著其生產(chǎn)低成本化，將在國(guó)內(nèi)民航、石油開(kāi)采、風(fēng)力發(fā)電、壓力容器等行業(yè)大量應(yīng)用，成為行業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)，在新能源“風(fēng)光氫”的需求驅(qū)動(dòng)下，碳纖維的消費(fèi)量也將與日俱增，碳纖維及其復(fù)合材料風(fēng)潮再起。
大絲束碳纖維
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)主要在小絲束碳纖維方面實(shí)現(xiàn)了突破。隨著我國(guó)首個(gè)萬(wàn)噸級(jí)48K大絲束碳纖維工程第一套國(guó)產(chǎn)線在中國(guó)石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開(kāi)車(chē)，并生產(chǎn)出性能媲美國(guó)外同級(jí)別產(chǎn)品的合格產(chǎn)品，我國(guó)大絲束碳纖維也從關(guān)鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化，成功走向規(guī)模化和關(guān)鍵裝備國(guó)產(chǎn)化，一舉破除了我國(guó)碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動(dòng)局面。
數(shù)據(jù)顯示，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬(wàn)噸，其中大絲束碳纖維需求量為51400噸，占比約43.5%。2021年我國(guó)碳纖維需求量達(dá)到6.24萬(wàn)噸，較2020年增加27.7%，占全球碳纖維需求量的53%。專(zhuān)家表示，碳纖維在新能源、風(fēng)電、光伏、汽車(chē)、體育用品等下游市場(chǎng)的應(yīng)用需求將逐漸爆發(fā), 滲透率不斷提升。
業(yè)內(nèi)專(zhuān)家稱(chēng)，中國(guó)碳纖維行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，根據(jù)目前各企業(yè)已宣布的投資擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，如果所有建設(shè)項(xiàng)目可以順利投產(chǎn)落地，“十四五”末期，中國(guó)新增碳纖維產(chǎn)能將達(dá)21萬(wàn)噸以上，其中新增大絲束碳纖維產(chǎn)能達(dá)17.6萬(wàn)噸，中國(guó)大絲束產(chǎn)能擴(kuò)張時(shí)代將隨之開(kāi)啟。
碳纖維市場(chǎng)及其未來(lái)的應(yīng)用
根據(jù)賽奧碳纖維《2016—2021全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，從全球的維度來(lái)看，碳纖維需求量從2016年的7.65萬(wàn)噸增至2021年的11.8萬(wàn)噸，復(fù)合年均增長(zhǎng)率（CAGR）為9.02%，2021年同比增速?gòu)?020年的3.05%提升至10.42%，2025年預(yù)計(jì)全球需求量達(dá)20萬(wàn)噸。
2021 年國(guó)內(nèi)碳纖維需求中，進(jìn)口碳纖維供應(yīng)量為 3.3 萬(wàn)噸，占總需求量的 53%，可以看 出我國(guó)碳纖維仍以進(jìn)口為主，但進(jìn)口比例持續(xù)下降，2021 年進(jìn)口同比增速僅為 9.15%；國(guó)產(chǎn)碳纖維供應(yīng)量為 2.9 萬(wàn)噸，占需求量的 47%，國(guó)產(chǎn)占比較 2020 年的 38%增長(zhǎng) 9 個(gè)百 分點(diǎn)，且 2021 年國(guó)產(chǎn)碳纖維增速為 58.54%，遠(yuǎn)超過(guò)進(jìn)口增速，說(shuō)明國(guó)內(nèi)企業(yè)在碳纖維 生產(chǎn)方面取得突破，國(guó)產(chǎn)替代趨勢(shì)明顯。
從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，2021年全球和國(guó)內(nèi)碳纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域均是風(fēng)電葉片。2021年全球碳纖維需求量占比前三的領(lǐng)域分別是風(fēng)電葉片（27.97%）、體育休閑（15.68%）和航空航天（13.98%）；而國(guó)內(nèi)占比前三的領(lǐng)域分別是風(fēng)電葉片（36.07%）、體育休閑（28.05%）和碳/碳復(fù)材（11.22%）。風(fēng)電葉片、體育休閑、航空航天、碳/碳復(fù)材等領(lǐng)域的需求占據(jù)了碳纖維市場(chǎng)需求的主要部分。
