中國碳纖維行業(yè)已經(jīng)迎來了最佳發(fā)展時期，這也是我們撰寫本篇報告的出發(fā)點和初心，希望 通過我們對行業(yè)資料的梳理，幫投資者了解中國碳纖維行業(yè)，并發(fā)現(xiàn)其中的投資價值。

1.碳纖維的分類

  1.1. 按強度模量分類，T 系列碳纖維應用最廣

    碳纖維按拉伸強度和拉伸模量這兩項力學性能指標來分，碳纖維可分為通用型碳纖維、高強 碳纖維、高模碳纖維、超高強碳纖維、超高模纖維這幾種。目前業(yè)內(nèi)沒有統(tǒng)一的碳纖維型號 劃分標準，在實際使用中，龍頭企業(yè)日本東麗公司的產(chǎn)品編號常被作為行業(yè)標準，如東麗的 碳纖維產(chǎn)品編號有 T300、T800、M30 等多種，其中 T 表示強度，M 表示模量。強度上，T 后綴的數(shù)字越大代表產(chǎn)品的強度越大，因此強度是 T300 < T600 < T700 < T800 < T1000 < T1100 ；模量上，M 后綴的數(shù)字越大代表產(chǎn)品的模量越大，因此模量是 M30 < M40 < M46 < M50 < M60 < M65。根據(jù)模量大小可分為標模、中模和高模。標準模量的拉伸模量為 230-265GPA；中等模量的指拉伸模量為 270-315GPA；高模量的指拉伸模量超過 315GPA。在實際生產(chǎn)和應用中，碳纖維并非以單根形式獨立存在，而是由一定數(shù)量的碳纖維絲束組成 的，公司提供的產(chǎn)品信息中都會表明其碳纖維品為幾 K。其中 1K 就代表在一束碳纖維絲束 中有 1000 根絲，通常小于 24K（含）的碳纖維被稱為小絲束，小絲束碳纖維主要應用于航 空航天、武器裝備和體育休閑領域，因此又被稱為“宇航級”碳纖維。24K 以上的碳纖維被 稱為大絲束碳纖維，大絲束碳纖維的粘連、斷絲現(xiàn)象相對多，強度和剛度方面的性能比小絲 束碳纖維差，為通用級碳纖維，主要用于汽車、風電葉片等一般工業(yè)領域，因此被稱為“工 業(yè)級”碳纖維。小絲束碳纖維的生產(chǎn)成本比大絲束碳纖維高，性能也更加優(yōu)越，因此價格比 大絲束碳纖維更加昂貴。目前標模碳纖維有大絲束與小絲束的區(qū)分，標模以上的碳纖維尚無 大絲束出現(xiàn)。但未來大絲束可能向中模的方向發(fā)展，特別是飛機的大梁、風電的梁帽和汽車 的車身結(jié)構(gòu)，中模大絲束可以為航空航天、風電葉片和新能源汽車領域帶來更多輕量化應用。

  1.2. 按原料分類，PAN 基碳纖維是主流

    碳纖維按不同的原材料分類，可以分為 PAN 基碳纖維、瀝青基碳纖維或粘膠基碳纖維。PAN 基碳纖維的原料來源豐富，且其抗拉強度其他二者優(yōu)越，因此 PAN 基碳纖維應用領域最廣， 比如航空航天、體育休閑、風電葉片、汽車工業(yè)、建筑補強等領域，市場份額占 90%以上。瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維的用途較為窄、產(chǎn)量小。通用級瀝青碳纖維強度和模量較低， 主要應用于保溫材料領域；高性能瀝青基碳纖維多用于航空航天的工程材料。粘膠基碳纖維 主要用于制作耐燒蝕和隔熱材料。

  1.2.1. PAN 基碳纖維

    大多數(shù) PAN 基碳纖維生產(chǎn)企業(yè)具備由原絲生產(chǎn)開始到制作碳纖維到最終完成碳纖維產(chǎn)品的 完整生產(chǎn)線。目前全球生產(chǎn) PAN 碳纖維的企主要分布在日本和美國，其中日本東麗是全球 PAN 基碳纖維最主要的生產(chǎn)企業(yè)之一。

    從 PAN 原絲到碳纖維，需要經(jīng)過碳化、表面處理、上漿處理等過程。碳化指的是去除材料 中的非碳元素，使其碳含量超過 90%，由于 PAN 原絲的玻璃化溫度低于 100 攝氏度，因此 不能直接碳化，而需要先經(jīng)過預氧化過程。碳化后，為了賦予纖維更好的粘合性能，需要對 它們進行表面處理，向纖維表面添加氧原子以提供更好的化學鍵合性，使它們的表面被輕微氧化，并且對表面進行蝕刻和粗糙化以獲得更好的機械粘合性能，可通過將纖維浸入各種氣 體如空氣、二氧化碳或臭氧中以及各種液體，如次氯酸鈉或硝酸中可以實現(xiàn)氧化。在表面處 理之后，需要涂覆纖維以保護它們在纏繞或編織期間免受損壞，此過程稱為上漿處理，涂層 材料包括環(huán)氧樹脂，聚酯，尼龍，聚氨酯等。

  1.2.2. 瀝青基碳纖維

    瀝青基是制造碳纖維的第二大路線，該路線原料來源豐富且碳化收率高，根據(jù)王鵬《瀝青基 碳纖維工藝流程》學術報告，瀝青基碳纖維生產(chǎn)成本僅為 PAN 基碳纖維的 1/3-1/4，但因原 料調(diào)制雜、產(chǎn)品性能較低而未得到大規(guī)模發(fā)展。瀝青基碳纖維的制備工藝包括：原料瀝青→ 瀝青熔化處理→瀝青過濾→沉降法或熱濾法的調(diào)制→熔噴法或熔紡法紡絲→不熔化處理→ 炭化或石墨化處理。瀝青基碳纖維最早于上世紀 60 年代末由日本吳羽化學公司實現(xiàn)工業(yè)化 生產(chǎn)，1970 年美國聯(lián)合碳化物公司也成功完成開發(fā)，并于 1982 年投入工業(yè)化生產(chǎn)。與 PAN 碳纖維相比，瀝青基碳纖維強度方面不如 PAN 基碳纖維，但高性能瀝青基碳纖維在模量、 摩擦和導熱方面具有優(yōu)勢，因此在航空航天領域具有不可替代的優(yōu)勢地位。

  1.2.3. 粘膠基碳纖維

    粘膠基碳纖維的制備工藝包括：粘膠原絲水洗→催化浸漬→預氧化→低溫碳化→高溫碳化。原料主要為木漿和棉漿，美國、俄羅斯和白俄斯多用木漿，我國則以棉漿為主。根據(jù)李輝《復 合催化劑種有機硅組分在粘膠基碳纖維制備中的作用》學術報告，由于粘膠纖維理論總碳量 僅為 44.5%，加上制造過程中的熱解反應，粘膠基碳纖維生產(chǎn)效率只有 10%-30%，所以制 備成本相對更高。且其強度較低，不能像 PAN 基碳纖維那樣以高倍張力進行預氧化，只有 在完成預氧化后的高溫處理階段才可以施加張力。粘膠基碳纖維的優(yōu)點在于其原材料粘膠纖 維是天然產(chǎn)物，粘膠纖維加工過程中無需添加催化劑，因此纖維中可以不含金屬離子。憑借 這個其他種類碳纖維不具備的優(yōu)勢，在需要保證信號不受干擾的情況下、要求所用的碳纖維 不能含有金屬離子時（如戰(zhàn)略武器的隔熱材料、防靜電和防電磁波服裝的防護材料），就必 須使用粘膠基碳纖維。此外，粘膠基碳纖維具有耐燒蝕的特點，在制造隔熱保溫材料時不可替代。

2. 碳纖維及復材生產(chǎn)工藝比較

  2.1. 紡絲工藝比較

    原絲生產(chǎn)是碳纖維的核心技術，原絲的質(zhì)量好壞直接決定了碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn) 成本和市場競爭能力。質(zhì)量低劣、均勻性差的絲在后續(xù)過程中會產(chǎn)生毛絲纏結(jié)、斷絲的情況， 導致原絲損耗。原絲成本是整個碳纖維生產(chǎn)成本比例最大的一部分，占 50％以上，所以控制 好原絲質(zhì)量至關重要。原絲按紡絲方法可分為濕法、干法、干濕法等。

  2.1.1. 濕法紡絲工藝

    濕法紡絲是將聚合物溶于溶劑中，通過噴絲孔噴出細流，進入凝固浴形成纖維的紡絲方法， 其工藝流程包括制備紡絲原液、原液從噴絲孔出形成細流、原液細流凝固成初生纖維、最后 再將初生纖維卷裝或直接進行后處理。濕法紡絲的速度較低，且工藝流程復雜，生產(chǎn)成本較高。

  2.1.2. 干法紡絲工藝

    干法紡絲和濕法紡絲一樣，都是采用成纖高聚物的濃溶液來形成纖維，但與濕法紡絲不同的 是，干法紡絲時原液從噴絲孔壓出形成的細流是進入凝固浴液，而是進入紡絲甬道中。甬道 中的熱空氣流會使原液細流中的溶劑快速揮發(fā),并將揮發(fā)出來的溶劑蒸汽帶走。在逐漸脫去溶 劑的同時原液發(fā)生固化，經(jīng)拉伸定型洗滌干燥等后處理過程便可得到成品纖維。干法紡絲可 以進行連續(xù)生產(chǎn)，且紡絲速度高、產(chǎn)量大、對環(huán)境污染少，并且纖維質(zhì)量及耐化學性和染色 性能比濕紡纖維好。干法紡絲的缺點在于生產(chǎn)的纖維耐氯性較差、工藝技術難度較大，生產(chǎn) 成本比干濕法高，比濕法低。

  2.1.3. 干噴濕紡紡絲工藝

    干濕法，也稱干噴濕紡法，是將干法與濕法紡絲相結(jié)合的紡絲方法。干濕法紡絲是將紡絲原 液從噴絲頭壓出后，先經(jīng)過一段空氣層，再進凝固浴，初生纖維從凝固浴液中導出后處理過 程與濕法紡絲相同。紡絲原液流出噴絲頭后通過空氣層時形成的纖維能在空氣層中經(jīng)受噴絲 頭拉伸，并且液流脹大區(qū)形變不大，這樣可進行高倍的噴絲頭拉伸。根據(jù)《高分子材料加工 工藝學》書中提到，絲條進入凝固浴時已有一定取向度，且脫溶劑化程度較高，能快速固化， 因此紡絲速度比一般濕法紡絲快 5～10 倍，可達到 200～400m/min，紡絲機的生產(chǎn)率能極 大提高。干濕法紡絲溶液黏度可達 50～100Pa〃s 及以上，可提高紡絲原液的濃度，減少溶 劑的回收及單耗。此外，相比于濕法紡絲，干濕法能比較有效地調(diào)節(jié)纖維的結(jié)構(gòu)形成過程。干噴濕紡工藝生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)出的碳纖維品質(zhì)好、生產(chǎn)成本低。美國日本的碳纖維龍頭公 司掌握干濕法技術，使用干濕法生產(chǎn)的碳纖維成為主流，但同時干濕法也是碳纖維行業(yè)公認 的難以突破的紡絲技術。國內(nèi)中復神鷹于 2013 年率先突破技術難關，其干噴濕紡高性能碳 纖維工程化項目順利通過國家級鑒定。江蘇恒神于 2012 年啟動 T800S 碳纖維干噴濕紡制造 技術的開發(fā)，于 2014 年 9 月建成干噴濕紡專用原絲生產(chǎn)線和碳化生產(chǎn)線。中簡科技也正在 研發(fā)干濕法工藝碳纖維。光威復材 2019 年 4 月發(fā)布公告，其 T700S 級碳纖維干濕法產(chǎn)業(yè)化 制備項目已通過鑒定，國產(chǎn)替代再獲突破進展。

  2.2. 碳纖維增強復合材料（CFRP）成型工藝

    將原材料轉(zhuǎn)化成結(jié)構(gòu)件還需要成型這一關鍵步驟。碳纖維增強復合材料的加工成型工藝有很 多種，包括預浸料熱壓罐、樹脂傳遞模塑（RM）、拉擠成型、纏繞成型等。目前航空航天領 域常用預浸料熱壓罐工藝和樹脂傳遞模塑（RTM）工藝，汽車零部件的生產(chǎn)則主要采用 RTM 工藝等模壓成型工藝。

  2.2.1. 預浸料熱壓罐工藝

    預浸料熱壓罐工藝主要運用于制造高端復合材料，常常在航空航天領域被使用。其工藝流程 包括浸潤纖維預用樹脂將其制成半固化態(tài)材料再在模具上手工逐層干法鋪貼，然后將其制袋 密封，使內(nèi)部處于真空，產(chǎn)生負壓，最后將其送入熱壓罐內(nèi)固化成型。預浸料熱壓罐工藝制 造的部件品質(zhì)高、性能穩(wěn)定、機械強度好，但由于采用手工積層，人工工時費用高、生產(chǎn)效 率低且存在一定人工管理難度。

  2.2.2. 樹脂傳遞模塑工藝（RTM）

    樹脂傳遞模塑工藝是一種適用于高質(zhì)量、多品種、中批量復合材料的制造工藝，技術成本較 低，被廣泛應用于航空航天、汽車、體育用品領域。其工藝流程包括將纖維經(jīng)預成型、預編 織處理后將預成型纖維體鋪放在模具型腔內(nèi)，合模后用壓力設備往模腔中注入樹脂，浸潤纖 維，最后固化脫模成型。樹脂傳遞模塑工藝的生產(chǎn)效率高，制品雙面光潔且尺寸精度高，適 用于制作結(jié)構(gòu)復雜的零件。

  2.2.3. 拉擠成型工藝

    拉擠成型工藝適用于制造高纖維體積含量的低成本復合材料，如制造風電葉片的梁帽，其工 藝流程包括在牽引設備的作用下將連續(xù)纖維進行樹脂浸潤浸后通過成型模具加熱，擠出多余 樹脂，使其固化。該工藝可以連續(xù)成型，制品長度不受限制，縱向力學性能突出，生產(chǎn)過程 自動化程度高，生產(chǎn)效率高，制品性能穩(wěn)定，成本低。缺點是只能生產(chǎn)線形產(chǎn)品，且橫向強度低。

  2.2.4. 纏繞成型工藝

   纏繞成型工藝常被用于制造壓力容器、釣竿、傳動軸等制品，在土木建筑領域也多有應用。其工藝流程包括將浸過樹脂膠液的連續(xù)纖維按一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后經(jīng)固化、脫模獲 得制品。用纏繞成型工藝制成的纖維能保持連續(xù)完整、制品強度高、可機械化連續(xù)性生產(chǎn)、 生產(chǎn)周期短。但該工藝生產(chǎn)設備復雜，需要雜繞機、芯模、固化加熱爐、脫模機等設備，存 在一定的技術難度，且不能纏任意結(jié)構(gòu)形式的制品，產(chǎn)品形狀單一。

3. 碳纖維生產(chǎn)壁壘高，我國技術突破及成本優(yōu)化任重道遠

  3.1. 紡絲及氧化碳化環(huán)節(jié)控制均有難度

    完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應用的完整制造過程。從石油、煤炭或天然氣得 到丙烯，丙烯經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈合和紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲，再 經(jīng)過預氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維，并可制成碳纖維織物和碳纖維預浸料，作為生 產(chǎn)碳纖維復合材料的原材料；碳纖維經(jīng)與樹脂、陶瓷等材料結(jié)合，形成碳纖維復合材料，最 后由各種成型工藝得到下游應用需要的最終產(chǎn)品。

    聚丙烯腈（PAN）基碳纖維的生產(chǎn)過程主要經(jīng)過聚合、紡絲、預氧化、碳化、表面處理、上 漿等步驟，全過程連續(xù)進行，任何一道工序出現(xiàn)問題都會影響穩(wěn)定生產(chǎn)和碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量。

在原絲的生產(chǎn)過程中，

    比如聚合這一步，工業(yè)生產(chǎn)主要采用溶液聚合法，紡絲液的粘度能夠 直接體現(xiàn)紡絲液質(zhì)量的好壞以及紡絲液的運動速度。單體的種類和比例、引發(fā)劑種類及濃度、 聚合溫度及時間、攪拌速度都要控制，否則會出現(xiàn)聚合度不均勻的情況。再比如說，在紡絲 前要進行脫單脫泡和后處理以除掉多余的單體、氣泡、雜質(zhì)等，因為紡絲原液中單體 AN 在 一定溫度和真空度下可以汽化、原液在聚合反應和輸送過程中產(chǎn)生氣泡，這個對于原絲性能 影響很大，弄不好就會斷絲，所以要在紡絲前要控制真空度和溫度脫泡。再比如說，紡絲這 一步，以濕法為例，紡絲液從噴絲孔擠出進入凝固浴，通過 DMSO 濃度差進行溶劑擴散實 現(xiàn)凝固，這個過程需要注意 DMSO 的濃度，濃度和溫度會影響原絲的界面性質(zhì)和致密性；要注意水洗和干燥溫度，這會對碳絲致密性產(chǎn)生比較大影響。此外，上油的量以及牽伸倍數(shù) 均對產(chǎn)品的質(zhì)量有顯著影響。

氧化碳化環(huán)節(jié)，

    主要體現(xiàn)在對溫度的控制上，由于氧化是放熱反應，控溫精度不好、溫度均 勻性不好會顯著影響碳絲的拉伸強度，容易發(fā)生斷絲。

  3.2. 生產(chǎn)效率低是影響成本優(yōu)化的重要因素之一

    通常碳纖維生產(chǎn)成本構(gòu)成中，原絲占 51%左右，大約 2.2 公斤原絲生產(chǎn) 1 公斤碳纖維。原絲 的生產(chǎn)過程中，折舊及能耗占比較大、約 40%，提高生產(chǎn)效率可以有效減少單噸折舊及能耗。

    日本東麗曾測算，碳纖維行業(yè)具有規(guī)模經(jīng)濟性，生產(chǎn)線的規(guī)模如果小于 400t/a 很難盈利，千 噸線盈利能力也不高，成本大概 21.96 美元/kg。若單線規(guī)模從 1000t 上升到 2000t，成本可 降低 10%，至 3000t 成本可降低 15%；若上升到萬噸線，成本可降低 30%至 17.44 美元/kg。若再將干噴濕紡工藝繼續(xù)優(yōu)化、提高紡絲速度，則成本可降低至 12-13 美元/kg。國內(nèi)大絲束 成本仍然跟以東麗為首的海外龍頭企業(yè)有較大差距，仍需在提高紡絲速度、設備國產(chǎn)化等方 面重點攻關。

  3.3. 國內(nèi)碳纖維企業(yè)在型號突破及成本優(yōu)化方面不斷進步

    我國碳纖維產(chǎn)業(yè)最早是于上世紀 60 年代開始發(fā)展的，與日本和美國基本同期發(fā)展，但歷經(jīng) 坎坷、產(chǎn)業(yè)成果遠落后日美企業(yè)。國內(nèi)碳纖維業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，存在產(chǎn)量小、品質(zhì)穩(wěn)定性不高、 性價比優(yōu)勢不明顯等缺點，但國內(nèi)企業(yè)仍在不斷努力實現(xiàn)突破，代表企業(yè)為光威復材和中簡科技。