維材料進口替代研究顯示，國際碳纖維技術和市場長期被日本和美國企業壟斷，我國雖起步較早，但因工藝基礎薄弱、裝備技術落后，碳纖維質量低、性能穩定性差，聚丙烯腈基碳纖維國產化技術長期處于較低水平，2020年以來，受全球新冠疫情及國外政策管控影響，國內碳纖維市場供不應求，進口難度加大，這為國產碳纖維提供了發展機遇，隨著國內高端碳纖維技術不斷突破以及行業向生產規模化和穩定化發展，我國碳纖維進口依存度趨于下降，國產替代空間廣闊。

一、碳纖維材料概述

碳纖維是一種由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸向堆砌所得、含碳量高于90%的材料，由上游原料丙烯腈聚合、碳化所得。它具有眾多優異性能，如密度比鋁低、強度比鋼高，在目前已大量生產的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量，同時還具有低密度、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱導性高、熱及濕膨脹系數低、X光穿透性高、非磁體但有電磁屏蔽效應等特點，被譽為21世紀的黑色黃金，在國防軍工及民用領域均有廣泛的應用前景，是不可或缺的國家戰略性物資。

二、碳纖維的分類

1. 按原絲類型劃分
   • 聚丙烯腈（PAN）基碳纖維：由于產品性能優異、工藝簡單且無明顯缺陷，逐步成為碳纖維市場主流，在碳纖維產品中產量占比達90%以上（部分數據顯示達91%）。PAN原絲經歷預氧化、碳化、石墨化三個過程，最終轉變成為具備片狀的石墨纖維結構。生產1噸碳纖維約需消耗丙烯腈1.96噸。
   • 瀝青基碳纖維：原料調制復雜、產品性能較低，目前規模較小。但高性能瀝青基碳纖維具備高剛性、高導熱和高功能性，在航空航天領域仍占有一席之地。
   • 粘膠基碳纖維：碳化收率低、技術難度大、設備復雜、成本高，產量較小，主要用于耐燒蝕材料及隔熱材料。
2. 按絲束規格劃分
   • 小絲束（1K - 24K）：產品抗拉能力更強，生產成本更高，大多應用在國防軍工以及體育用品中。
   • 大絲束（48K - 80K）：主要應用在工業、能源領域。
3. 按力學性能劃分
   • 高強型（GQ）：拉伸強度大于3,500MPa。
   • 高強中模型（QZ）。
   • 高模型（GM）：拉伸彈性模量大于350GPa。
   • 高強高模型（QM）。

三、碳纖維的生產關鍵環節

1. 原絲生產
   • 工藝類型
     • 按照聚合和紡絲的連續性分為一步法（包括聚合、紡絲）和兩步法（包括聚合、制膠、紡絲）；按照紡絲工藝，主要分為濕法紡絲和干濕法紡絲。紡絲工藝的選擇及控制是保證高性能原絲穩定生產的關鍵因素。原絲環節成本約占碳纖維生產成本的51%，是碳纖維生產的核心環節。
     • 我國碳纖維生產企業在原絲生產方面與全球龍頭公司存在差距，如在聚丙烯腈原液聚合過程中分子量和分子分布水平低等問題。
   • 對碳纖維強度的影響：碳纖維強度依賴于原絲的微觀形態結構及其致密性。
2. 碳化環節
   • 我國碳纖維企業在碳化及石墨化環節中存在碳纖維原絲拉伸比較小等問題，并且在反應參數和條件摸索，工藝技術中溫度、流速等條件的均一性控制方面，也與行業龍頭公司存在一定差距。

四、全球碳纖維市場格局

1. 市場增長情況
   • 全球碳纖維總需求從2008年3.64萬噸增長到2019年的10.19萬噸，CAGR為9.81%。供給方面，在下游需求的拉動下，全球碳纖維產能持續增長，從2008年的6.2萬噸增長到2019年的17.4萬噸。
2. 供應商格局
   • 碳纖維全球供應商多為美日企業，2018年美日理論產能占全球比例為43%，全球龍頭公司主要有日本東麗和美國赫克塞爾等。我國碳纖維國產化水平較低且多為通用型等低端產品，高強高模型碳纖維產品主要依靠進口，2018年我國碳纖維產品國產化率僅為28.52%，存在較大的提高空間。

五、我國碳纖維行業發展情況

1. 行業發展進程
   • 21世紀以來，我國大力發展碳纖維產業，國內企業逐漸打破國外技術封鎖，逐步縮小與世界碳纖維先進生產技術的差距。目前我國已突破T700、T800等高性能碳纖維的千噸級產業化；2019年中復神鷹率先實現干噴濕紡T1000級超高強度碳纖維工程化，提升了我國碳纖維行業整體技術水平；此外，國產T700S - 12K小絲束碳纖維的復絲拉伸強度與模量也已達到日本東麗同級別碳纖維性能水平。根據廣州賽奧《2021全球碳纖維復合材料市場報告》，2021年我國碳纖維運行產能達6.34萬噸，同比增長75.14%，占全球碳纖維運行產能的30.5%，產能規模全球第一，我國碳纖維行業進入快速發展階段。
2. 政策支持
   • 國家政策持續加碼支持碳纖維行業，這將助推行業進一步發展，在下游市場增長，國產替代加速，國家政策支持下，目前國內廠商如光威復材、中簡科技等已研發生產出可對標美日龍頭企業的高性能碳纖維產品，中國碳纖維行業將步入發展快車道。
3. 下游應用市場及潛力
   • 目前，碳纖維的主要應用領域有航空航天、汽車制造、體育休閑、建筑和工業機械、風電葉片、壓力容器等領域。其中航空航天為最大的碳纖維應用市場，此外，受風電裝機產能增長、國家氫能源項目推進落地、新能源汽車滲透率不斷增高等因素影響，風電、壓力容器、汽車用碳纖維市場將迎來發展良機。

六、碳纖維復合材料的性能與應用

1. 性能優勢
   • 碳纖維最終以碳纖維復合材料形式應用在輕量化/高強/高模等領域。相較其他材料，碳纖維復合材料密度最低，根據《碳纖維復合材料在汽車輕量化中的應用》，高強度型/高模量型碳纖維復合材料密度分別為1.5/1.6g/cm3，減重率達到55% - 60%。同時，碳纖維復合材料強度/模量也高于大部分材料，高強度型/高模量型碳纖維復合材料抗拉強度分別為1400/1100Mpa，彈性模量分別為130/190Gpa（碳纖維復合材料的抗拉強度/彈性模量會小于碳纖維碳絲）。因此在輕量化/高強/高模等應用領域，碳纖維復合材料的性能優勢明顯。
2. 應用領域拓展
   • 隨著碳纖維成本和價格的下降，碳纖維復合材料應用領域有望快速擴大。目前其在消費電子輕量化的趨勢下，碳纖維復合材料在筆記本電腦的滲透率會進一步提升，并且在折疊屏手機、VR等設備上均有導入；而且在新能源汽車、無人機等領域，碳纖維復合材料都因為其優秀的材料表現均在陸續導入與使用。

碳纖維材料在航空航天領域的應用

碳纖維進口替代的政策支持

碳纖維復合材料的成本下降趨勢

碳纖維材料在新能源汽車中的應用