北京热塑性复合材料工程技术研究所

北京纳盛通新材料科技有限公司

01引言

碳纤维是新一代增强纤维，被称为“新材料之王”“黑黄金”，可广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。按丝束规格的不同，可以将其分为小丝束碳纤维和大丝束碳纤维。

大丝束碳纤维——民用工业新材料佼佼者。碳纤维具有除一般碳素材料耐高温，耐磨擦，导电，导热及耐腐蚀等特性，还可表现出稳定的化学性能及物理性能。每束碳纤维中所含单纤维根数是碳纤维的一个重要的指标。大丝束碳纤维通常指碳纤维根数在48000根即(48k)以上的纤维束，包括50000(50k)、60000(60k)、120000(120k)、360000(360k)等，而小丝束碳纤维指纤维根数小于48k 的碳纤维束，如1000(1k)、3000(3k)、12000(12k)、24000(24k)等。与小丝束相比大丝束受到制作工艺的限制其模量与强度稍显逊色，但是制作成本与售价具备高性价比，在工业领域尤其是风电领域得到了广泛应用。

大丝束碳纤维的每一根丝束都有4.8万根纤维，每一根纤维的直径只有头发丝直径的1/7到1/8，是一种含碳量在95%以上的高强度新型纤维材料。其力学性能优异，比重不到钢的四分之一，强度却是钢的7~9倍，并且还具有耐腐蚀的特性。

图表1 大丝束碳纤维

02大丝束碳纤维的特点

虽然大丝束碳纤维和小丝束碳纤维有很多共同的优点，但是相对于小丝束碳纤维，大丝束碳纤维有很多特点，主要包括：

（1）采用成本较低的民用聚丙烯腈（PAN）丝作为原丝

碳纤维原丝的制备是碳纤维开发和生产中最重要的技术之一。只有高性能的原丝才能生产出高质量的碳纤维。大丝束碳纤维使用低成本的专用PAN细丝作为原丝。用于制造小丝束碳纤维的特殊原丝几乎相同。但是，价格大约是小丝束碳纤维特殊原丝的四分之一，并且原丝的价格通常约占碳纤维制备成本的60％。因此，大丝束碳纤维的价格仅为小丝束碳纤维价格的50％至60％。

（2）具有较高的性能价格比

在国外，碳纤维的性能通常通过其价格性能比来衡量，即每美元的强度，模量，比强比模量。与小丝束碳纤维相比，大丝束碳纤维的性价比高得多。

图表2 大丝束和小丝束碳纤维的比较

相较于小丝束，大丝束产能在性能上偏弱，但性价比较强。从大丝束生产工艺可看出其生产成本较低，这也是大丝束的核心竞争力。

从性能上来看：大丝束碳纤维拉伸强度3.5-5.0 GPa、拉伸模量230-290GPa。相比之下，小丝束碳纤维力学性能更加优异，拉伸强度3.5-7.0 GPa、拉伸模量230-650GPa。

从成本上看：民用聚丙烯腈原丝是制备大丝束碳纤维的原丝，通常原丝价格约为制备碳纤维成本的 50~60%左右，因此，大丝束碳纤维的售价可以控制到小丝束碳纤维的50%-60%左右。市场上的一些大丝束碳纤维主要性能已经接近甚至超过了部分小丝束碳纤维。

图表3 大小丝束性能成本对比

03大丝束碳纤维主要应用领域

正是因为大丝束性价比高的特点，常把大丝束碳纤维运用于工业领域。碳纤维大丝束的性能虽然不比小丝束，但是其成本更低，随着科技的发展，大丝束的运用也更加广泛。其主要可以应用于机电、交通运输、土木建筑、能源、纺织等工业领域，因此也被称为工业级碳纤维。

图表4 大丝束碳纤维主要应用领域

根据《2016—2021全球碳纤维复合材料市场报告》，2021年国内碳纤维需求量占比前三的领域分别是风电叶片（36.10%）、体育休闲（28.10%）和碳/碳复材（11.30%）。

2021年国内大丝束的主要应用领域中风电叶片占比第一。国内碳纤维大丝束的主要具体细分应用领域有风电叶片、混配模成型、建筑、电缆芯与船舶。根据2021全球碳纤维复合材料市场报告中的数据，风电叶片占主要大丝束应用领域需求的78.4%，位居第一，第二与第三分别为占比10.5%的混配模成型与8.7%的建筑。

图表5 2021年中国主要大丝束需求—应用（吨）

虽然大丝束碳纤维的工业领域应用繁多，其中风电叶片仍然是需求提振主力。无论是全部碳纤维类别还是大丝束碳纤维的应用领域中，风电叶片需求应用均排名第一。其中，2021年我国大丝束需求中风电叶片需求占比超过70%。风电叶片在技术与材料的不断变革中，尺寸更大、质量更轻、性能更强成为核心诉求，能够满足上述诉求的增强材料屈指可数，碳纤维走进人们视野。

海风的发展为碳纤维在风电叶片上的应用提供了进一步发展机遇。《“十四五”可再生能源发展规划》提供政策支撑，重点建设山东半岛、长三角、闽南、粤东和北部湾五大海上风电基地。2021年中国累计海上风电装机容量为26.39GW。海风叶片大型化趋势相比陆风更加明显，目前最长叶片已经超过120米，且大型叶片运输相比陆地便捷。加之维斯塔斯碳梁拉挤工艺专利到期，我国在拉挤工艺上已实现技术突破，后续拉挤碳梁规模应用将会进一步推动碳纤维在叶片应用渗透率提升。

04大丝束碳纤维的现状

碳纤维是世界各国发展高新技术、国防尖端技术和改造传统产业的物质基础和技术先导，是我国战略性新兴产业中最主要的发展方向之一。同时具有明显的军民两用特征，对国民经济发展和国防现代化建设具有非常重要的基础性、关键性和决定性作用。中国的碳纤维产业和国际先进水平存在较大差距。

（1） 发达国家主导碳纤维的技术演进

日本三大巨头强势垄断，美、德紧随其后。日本东丽一直以来是全球碳纤维制造的霸主，垄断波音公司碳纤维的供应，2020年，东丽与东邦、三菱在全球丙烯腈基碳纤维销量市占率达50%以上。

在碳纤维小丝束市场，东丽、东邦和三菱合计占据了全球小丝束碳纤维名义产能的 70%以上，占据垄断地位。美国紧随其后，美国赫氏拥有40多年美国军机开发应用碳纤维的经验，2020年赫氏与美国氰特销量的市占率达到12%。

在碳纤维大丝束市场，日本东丽收购美国ZOLTEK后成为全球大丝束碳纤维的领头羊，日本三菱也开始加大大丝束碳纤维的投入。德国SGL公司紧随其后，2020年的销量全球市占率达到23%。

图表6小丝束碳纤维市场份额图表7大丝束碳纤维市场份额

如下表所示了截止2021年3月日本东丽公司碳纤维全球产能及分布情况；在2021年3月，日本东丽公司常规规格（小丝束）碳纤维全球产能为2.877万吨/年，美国分公司和本土产能分别为9,900吨/年和8,970吨/年，大丝束碳纤维理论产能为2.61万吨/年（2020年产能为2.54万吨），碳纤维合计产能为5.487万吨。

图表8 日本东丽公司2021年3月全球碳纤维产能情况

下表显示了截止2022年3月日本东丽公司碳纤维全球产能及分布情况，其中常规规格（小丝束）碳纤维全球产能以及在法国、美国、韩国生产基地产能均保持不变；在大丝束碳纤维领域，日本东丽子公司Zoltek位于匈牙利、墨西哥生产基地产能由2.61万吨/年提高到2.90万吨/年；与2021年相比，碳纤维年总产能增加了3600吨。

图表9日本东丽公司2022年3月全球碳纤维最新产能情况

得益于全球风电等行业用碳纤维需求高速增长，东丽公司不断扩大大丝束碳纤维产能，2021年11月，日本东丽公司通过官网发布资讯，其美国子公司Zoltek将耗资约1.3亿美元（约140亿元人民币）于2023年前提升公司大丝束碳纤维。这也是公司于2021年内第二次宣布产能提升计划，在2021年6月，Zoltek公司已宣布将扩大其位于墨西哥瓜达拉哈拉工厂的碳纤维生产能力。

经过2021年内的两次产能提升计划，预计产线投产后，位于墨西哥Jalisco的Zoltek工厂大丝束碳纤维的年产能提升54%左右，达到20000吨以上，加上Zoltek在匈牙利工厂使得最终年产能合计提升至35000吨/年。此次东丽公司大丝束碳纤维年产能增加了3600吨也是产能快速扩张的结果。

（2） 高增长、高对外依存度是中国碳纤维的特点

据统计，2020年中国碳纤维的总需求约4.89万吨，虽然有新冠疫情的冲击但是仍然保持了29%的增速。

实际上，“十三五”期间，中国的碳纤维需求增速一直维持在两位数以上。

受益于下游应用的打开，“十四五”期间中国的碳纤维需求增速可能仍然维持在一个非常高的增速水平。

不仅如此，中国的碳纤维也一直维持着高对外依存度，2021年碳纤维行业整体进口量为33064.56吨，较2020年上涨8.72%。

（3） 外部环境倒逼国内碳纤维产业升级

西方国家限制我们发展主要是小丝束碳纤维，相关领域存在严格的技术封锁和产品禁运。对于工业领域用碳纤维，西方国家一直利用其先发优势，在价格上打压本土企业。

2020年以来，受全球新冠疫情的影响，全球碳纤维的贸易整体受到较大冲击，国外碳纤维出口国内的难度加大。

2020年下半年以来，日本、美国加强了对碳纤维出口中国的政策管控，导致碳纤维进口难度进一步较大。

2020年12月，因东丽子公司出口碳纤维流入了未获日本《外汇及外国贸易法》许可的中国企业，日本经产省对该公司实施了行政指导警告，要求东丽子公司防止再次发生此类事件，并彻底做好出口管理。从2020年底开始，东丽暂停了对华出口碳纤维业务。

2021年2月，美国总统拜登签署了行政命令，在联邦机构间展开为期100天的审查，以解决四个关键产品供应链中的漏洞，其中包括碳纤维，主要目标是增强供应链的弹性，以保护美国免于未来面临关键产品短缺。

材料产业取得突破的核心在于规模化生产，并且能够和上下游沟通应用过程中需要解决的问题。海外管控强化和疫情反复实际上为本土企业脱颖而出提供了一个良好的产业发展环境。

考虑到本土企业已经实现了大丝束碳纤维的技术突破，同时，国内的市场又在快速崛起。我们认为欧美对华出口管控加强有可能利大于弊。

05大丝束碳纤维的市场前景

风能领域是主要驱动因素。截至2021年底，中国风电装机规模328GW，占全球比例为39.2%，其中2021年新增47.57GW。双碳背景下风电行业持续高景气，风电材料升级转型加速双碳背景下可再生能源发展进入快车道，风电是我国仅次于煤电和水电的第三大发电来源，也是发展最快的可再生能源之一。根据《“十四五”可再生能源发展规划》，到2025年，可再生能源发电量达到3.3万亿千瓦时，风电发电量较2020年实现翻倍，5年复合增速达到15%。随着我国风电产业的蓬勃发展和风电产业升级降本的过程中，叶片材料革新以及海风加速崛起带来的大丝束碳纤维材料正在迎来巨大的发展机遇。目前风能领域的碳纤维以24K-50K范围的高强度、标准拉伸模量、大丝束碳纤维为主，预计2025年风电材料市场总规模将超过1400亿元，较2021年翻倍。

图表10 我国碳纤维需求量（吨）

鉴于大丝束碳纤维下游风电、光伏、储氢瓶、体育休闲、电子、汽车船舶等应用领域对其需求推动力不等，且大丝束碳纤维在工业应用上更具成本优势，大丝束碳纤维在2023年总需求为4.75万吨，同比增长48.38%。其中风电领域碳纤维需求为3.8万吨，同比增加61.31%。其中海风贡献了1.4万吨需求。预计在2025年我国风电领域碳纤维需求量达到7.82万吨，复合增长率超过40%。若碳纤维制造成本逐渐降低，碳纤维风电领域需求释放节奏将进一步加快。

供给创造需求的动态平衡有望是未来常态。若随着产能提升—规模效应体现—成本下降，而带来的价格下降，则下游应用领域的渗透率将会得到提升，未来大丝束碳纤维价格将会呈现：供给增加—价格下降—需求增加—价格上升—供给增加的动态平衡中，整体价格趋势将波动式下降。

图表11 我国大丝束碳纤维需求预测

06我国大丝束碳纤维的发展状况

众所周知，碳纤维是新能源、节能环保、高端装备制造、新能源汽车等战略性新兴产业发展的基础，也是重大基础设施建设的新型结构材料，更是大型飞机、卫星、船舶等装备研制和更新换代的重要基础。

碳纤维复合材料（CFRP）以其优异的性能在多个领域均有使用，但是由于碳纤维价格居高不下，加之复合材料的制备成本高，限制了其在民用领域中的大规模应用。目前汽车用碳纤维预浸料单价高达400元/kg，远远高于其他的轻量化材料，主要应用于豪华汽车和赛车，在汽车行业的应用总量很低。根据专业测算，汽车用碳纤维需要下降到60-100元/kg，经济性将能够铝合金相比。成本高是汽车用碳纤维大规模产业化的一大阻碍，是生产汽车用碳纤维产品的企业急需解决的一大难题。

碳纤维复合材料成本高的主要因素包括碳纤维原材料的生产成本较高和复合材料制备成本高等方面。因此，降低碳纤维复合材料成本的主要路径是降低碳纤维原材料成本，寻求低成本纤维生产工艺以及低成本的CFRP制备工艺。其中，碳纤维原材料生产包括原丝、预氧化、碳化、表面上浆和卷绕成本。

如下表所示，PAN 原丝占碳纤维生产成本的51%，是主要因素，其次是预氧化和碳化，成本占比分别为16%、23%。因此，目前有效的解决方法之一是发展大丝束碳纤维和新型碳纤维，日本三菱、东丽及美国的卓尔泰克公司开发的大丝束碳纤维是低成本制造技术的典型代表。

图表12 碳纤维原丝成本结构

用“中国技术”生产性能优异的碳纤维

碳纤维技术有着森严的技术壁垒，此前大丝束碳纤维生产技术主要掌握在美国、德国、日本的几家大公司手中。我国的石化企业经过多年努力成为是国内第一家、全球第四家掌握大丝束碳纤维技术的企业。

大丝束碳纤维研发的主要难点包括大丝束碳纤维制备过程中氧化反应放热的有效控制、一束丝4.8万根碳纤维的纺丝均匀稳定性控制，以及生产线连续运行周期和稳定性。

为了在大丝束碳纤维制备中真正用上“中国技术”，我国从装备到工艺，为大丝束碳纤维量身定制了专用生产线，根据大丝束碳纤维的生产要求自行设计氧化炉、碳化炉，不仅成功掌握了控制温度场的关键技术，而且进行了节能型设计，可实现能源综合利用。

此外，通过采用聚合物分子链结构调控技术获得良好热性能原丝，系统研究纺丝原液流变性能保证原丝质量稳定性，开发特殊的连续生产技术，大大减少停车次数，极大提高生产效率。

国产大丝束碳纤维已开始产业化布局

上海石化首条48K大丝束碳纤维国产线可实现规模化、高品质生产。该项目计划于2024年全部建成投产，届时将达到2.4万吨/年原丝、1.2万吨/年大丝束碳纤维产能。

自主研发大丝束碳纤维生产线投产，将给整个碳纤维市场带来最大的影响是随着碳纤维国产化的不断推进，对市场最大的影响是进口碳纤维价格的下降。

数据显示，随着国内碳纤维国产化的推进，进口碳纤维价格预计将从最高每吨4.5万美元降至每吨1万美元左右，这对于全产业链应用来说是一个利好消息。

数据显示，2021年全球碳纤维需求量约为11.8万吨，其中大丝束碳纤维需求量为51400吨，占比约43.5%，在新能源、风电、光伏、汽车、体育用品等下游市场的应用需求将逐渐爆发, 渗透率不断提升。

我国碳纤维行业正处于快速发展阶段，根据目前各企业已宣布的投资扩产计划，如果所有建设项目可以顺利投产落地，“十四五”末期，中国新增碳纤维产能将达21万吨以上，其中新增大丝束碳纤维产能达17.6万吨，中国大丝束产能扩张时代将随之开启。

预计2030年，我国大丝束碳纤维产值应该能达到500亿元量级，将带动千亿级的复合材料市场规模。除了大丝束碳纤维的研发和生产，中国石化也正大力推进碳纤维复合材料的研发和应用。中国石化有关负责人表示，在未来的碳纤维产业发展中，中国石化将在科研方面继续加大投入，产业方面加快布局，机制体制方面深化创新，应用场景全面推广，同时，坚持走自己的道路，做自己的特色产品。在“十四五”末，中国石化将在多种工艺流程实现通用级、大丝束、小丝束、高性能等产品的全面突破，进行总体布局，满足国家各个领域的需求，为引领和推动中国碳纤维产业发展做出贡献。