2023年中國(guó)新材料之碳纖維行業(yè)洞察報(bào)告
2023.12.28
碳纖維是指含碳量在90%以上的無(wú)機(jī)高分子材料，主要將聚丙烯腈（瀝青或粘膠）等作為原料，經(jīng)過(guò)高溫氧化、碳化等環(huán)節(jié)而生成。碳纖維具有高硬度、高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)量等特性，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)電葉片、碳碳復(fù)材、航空航天、壓力容器、休閑體育等領(lǐng)域，是性能優(yōu)異、用途廣泛的國(guó)家戰(zhàn)略性新材料。
碳纖維可以按照原絲類型、纖維形態(tài)、絲束規(guī)格、生產(chǎn)工藝、力學(xué)性能等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，其中常用的三大分類維度是原絲類型、絲束規(guī)格和力學(xué)性能。按照原絲類型可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基、粘膠基等；按照絲束規(guī)格可分為大、小絲束；按照力學(xué)性能可分為標(biāo)模、中模和高模。
01
發(fā)展驅(qū)動(dòng)
政策驅(qū)動(dòng)：政策持續(xù)助力，為碳纖維行業(yè)發(fā)展提供良好環(huán)境
近年來(lái)，國(guó)家出臺(tái)了一系列關(guān)于碳纖維及碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)支持政策，持續(xù)引導(dǎo)碳纖維材料的關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)升級(jí)、產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目落地和應(yīng)用領(lǐng)域拓展，推動(dòng)碳纖維行業(yè)蓬勃發(fā)展。其中，工信部于2019年發(fā)布《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄(2019年版)》，將高強(qiáng)、高強(qiáng)中模、高模型碳纖維等列為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，為碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的提升和產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)提供了必要保障；國(guó)家發(fā)改委、科技部、工信部、財(cái)政部等四部委于2020年發(fā)布《關(guān)于擴(kuò)大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長(zhǎng)點(diǎn)增長(zhǎng)極的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出聚焦重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)投資領(lǐng)域，圍繞保障大飛機(jī)等重點(diǎn)領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈供應(yīng)鏈穩(wěn)定，加快在高性能纖維材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，為碳纖維等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、發(fā)揮重要引擎作用提供了政策支持；在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中，提出要加強(qiáng)碳纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用，為未來(lái)碳纖維行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了良好的政策環(huán)境；2022年工信部和國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于化纖工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，提出要提高碳纖維等高性能纖維的生產(chǎn)應(yīng)用水平，進(jìn)一步擴(kuò)大了碳纖維在航空航天、風(fēng)力和光伏發(fā)電、海洋工程、環(huán)境保護(hù)、安全防護(hù)、土工建筑、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
需求驅(qū)動(dòng)：新能源等領(lǐng)域發(fā)展，推動(dòng)碳纖維市場(chǎng)需求爆發(fā)
在“雙碳”政策下，我國(guó)風(fēng)電、光伏、氫能、新能源汽車等行業(yè)高速發(fā)展，帶動(dòng)風(fēng)電葉片、碳碳復(fù)材、壓力容器、汽車等領(lǐng)域的碳纖維需求快速提升。同時(shí)，碳纖維作為軍民兩用戰(zhàn)略物資，在航空航天、體育休閑、建筑等領(lǐng)域的需求也在持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)賽奧碳纖維《全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》，2022年國(guó)內(nèi)碳纖維需求量約7.44萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)19.3%，近五年的需求量年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)25.9%，高于全球平均水平。2022年國(guó)內(nèi)碳纖維需求量占全球比重約為55.1%，中國(guó)已成為全球第一大碳纖維消費(fèi)市場(chǎng)。市場(chǎng)需求的高速增長(zhǎng)，推動(dòng)碳纖維行業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展階段。
02
發(fā)展現(xiàn)狀
產(chǎn)業(yè)鏈分析：碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，中游是核心環(huán)節(jié)
碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，完整覆蓋從原油原料到終端應(yīng)用的完整制造過(guò)程。從制備流程來(lái)看，上游企業(yè)首先從石油、煤炭、天然氣等化石燃料中制得丙烯，經(jīng)過(guò)氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈經(jīng)聚合和紡絲生產(chǎn)原絲，再通過(guò)預(yù)氧化、低溫/高溫碳化等工藝步驟得到碳纖維。隨后，碳纖維可再次被制成碳纖維織物、碳纖維預(yù)浸料、碳纖維復(fù)材制件等。碳纖維主要應(yīng)用在風(fēng)電、體育休閑、航空航天等領(lǐng)域。從全產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，產(chǎn)業(yè)鏈中游是核心環(huán)節(jié)，技術(shù)、資金、設(shè)備等門檻較高。
上游：聚丙烯腈基已成為碳纖維市場(chǎng)主流
碳纖維上游屬于石油化工行業(yè)，先從石油、煤炭、天然氣等化石燃料中制得丙烯，并經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈經(jīng)聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈(PAN)原絲。碳纖維按照原絲類型可分為聚丙烯腈(PAN)基、瀝青基、粘膠基等。其中，PAN基碳纖維因生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，原料來(lái)源豐富及優(yōu)越的拉伸強(qiáng)度迅速占據(jù)市場(chǎng)，目前其全球占有率已經(jīng)超過(guò)90%，成為碳纖維市場(chǎng)主流。粘膠基和瀝青基碳纖維用途較單一，產(chǎn)量較為有限；粘膠基碳纖維由于生產(chǎn)率較低、力學(xué)性能較弱，應(yīng)用有限，已經(jīng)基本停產(chǎn)，有可能完全退出碳纖維市場(chǎng)。
中游：產(chǎn)業(yè)鏈核心環(huán)節(jié)，技術(shù)壁壘較高
原絲是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的關(guān)鍵，其成本約占碳纖維生產(chǎn)成本的51%。一般來(lái)說(shuō)，業(yè)界認(rèn)為碳纖維90%的性能取決于原絲，碳纖維的強(qiáng)度顯著依賴于原絲的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)及其致密性，原絲品質(zhì)不佳（如表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等）在后續(xù)加工中很難消除，因此擁有高品質(zhì)原絲的生產(chǎn)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)廠家來(lái)說(shuō)尤為重要。目前，碳纖維生產(chǎn)企業(yè)多通過(guò)布局碳纖維原絲生產(chǎn)來(lái)降低其原材料成本，因而均具備碳纖維原絲的生產(chǎn)能力。但是，絕大多數(shù)碳纖維及其復(fù)合材料生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的碳纖維原絲僅為自產(chǎn)自用，鮮有對(duì)外銷售。
從絲束規(guī)格來(lái)看，小絲束碳纖維力學(xué)性能優(yōu)異，但成本較高，多應(yīng)用于國(guó)防軍工和航空航天領(lǐng)域。相比之下，大絲束碳纖維的性能雖然不及小絲束碳纖維優(yōu)異，但是其在價(jià)格方面更具性價(jià)比，多應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。大絲束碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)難度較高，主要體現(xiàn)在原絲、預(yù)浸料和碳化等多個(gè)環(huán)節(jié)的均勻性和毛絲控制等方面。過(guò)去，大絲束碳纖維的生產(chǎn)技術(shù)主要掌握在美國(guó)、德國(guó)、日本的幾家大公司手中?，F(xiàn)在，國(guó)內(nèi)的大絲束碳纖維生產(chǎn)企業(yè)正在力求成長(zhǎng)與突破，不斷縮小與外企的差距。例如，上海石化已經(jīng)建立起萬(wàn)噸級(jí)大絲束碳纖維國(guó)產(chǎn)線；吉林化纖的48K大絲束在相同工藝條件下，能夠大幅度提升碳纖維單線生產(chǎn)能力。由此可見(jiàn)，國(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維有望逐步迎來(lái)大規(guī)模應(yīng)用。
下游：碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域多點(diǎn)開(kāi)花，具有本國(guó)特色
目前，碳纖維已經(jīng)應(yīng)用于風(fēng)電葉片、體育休閑、航空航天、壓力容器、碳碳復(fù)材、交通建設(shè)、海洋等領(lǐng)域，是國(guó)防軍工和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展不可或缺的重要戰(zhàn)略物資。從市場(chǎng)結(jié)構(gòu)來(lái)看，與全球相比，我國(guó)碳纖維的應(yīng)用分布具有本國(guó)特色。在全球范圍內(nèi)，風(fēng)電葉片仍然占據(jù)絕對(duì)主流，2022年全球碳纖維應(yīng)用需求量占比前三的領(lǐng)域分別為風(fēng)電葉片（26%）、體育休閑（18%）、航空航天（15%）。而在我國(guó)，體育休閑領(lǐng)域的碳纖維應(yīng)用占比高于全球，是我國(guó)碳纖維需求的壓艙石。同時(shí)，航空航天的碳纖維應(yīng)用需求占比僅為10%，低于全球的15%。其主要原因是，國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)技術(shù)仍在成長(zhǎng)中，無(wú)法批量供應(yīng)T800強(qiáng)度以上的小絲束碳纖維。未來(lái)，隨著我國(guó)碳纖維在航空航天等高端領(lǐng)域的拓展，碳纖維需求結(jié)構(gòu)將向高端化邁進(jìn)。
市場(chǎng)空間：碳纖維行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，市場(chǎng)集中度較高
近年來(lái)，在政策支持、技術(shù)進(jìn)步以及廣泛應(yīng)用等因素的推動(dòng)下，中國(guó)碳纖維行業(yè)取得快速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模始終保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，從2017年的38.1億元增長(zhǎng)至2022年的128.1億元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)27.4%。預(yù)計(jì)2023年中國(guó)碳纖維行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)153.7億元，發(fā)展前景廣闊。從競(jìng)爭(zhēng)格局來(lái)看，我國(guó)碳纖維行業(yè)的市場(chǎng)集中度較高，產(chǎn)能主要集中于頭部企業(yè)，CR5超過(guò)75%（產(chǎn)能角度），主要玩家包括中復(fù)神鷹、中簡(jiǎn)科技、江蘇恒神、光威復(fù)材等。
03
發(fā)展趨勢(shì)
制備技術(shù)創(chuàng)新將帶來(lái)碳纖維性能提升
近年來(lái)，碳纖維的制備技術(shù)在不斷進(jìn)行創(chuàng)新與升級(jí)，由此帶來(lái)碳纖維產(chǎn)品性能的不斷提升，并誕生了更多種類的復(fù)合型碳纖維材料。例如，納米級(jí)碳纖維應(yīng)運(yùn)而生，與傳統(tǒng)的碳纖維相比，其具有更高的強(qiáng)度、更好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，多種優(yōu)越性能使其在航空航天、防輻射材料、耐高溫耐化學(xué)材料領(lǐng)域備受青睞。此外，碳纖維改性作為一種重要工藝，能夠針對(duì)客戶需求提供更有效的改性復(fù)合材料，在實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高耐磨、輕質(zhì)、功能化等方面與實(shí)際需求更具適配性。另外，碳纖維材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新也是未來(lái)的發(fā)展方向，通過(guò)設(shè)計(jì)多層次結(jié)構(gòu)的碳纖維材料，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的性能要求，從而提升材料的應(yīng)用深度和廣度。
未來(lái)碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒉粩鄶U(kuò)展
因性能優(yōu)異，碳纖維起初應(yīng)用于航空航天等高端領(lǐng)域，成為國(guó)防工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料之一。隨后，受益于技術(shù)進(jìn)步和成本降低，碳纖維開(kāi)始逐漸應(yīng)用于民用領(lǐng)域，且應(yīng)用比例不斷擴(kuò)大，在航空航天、風(fēng)力發(fā)電、氫能光伏、建筑工程、軌道交通、體育休閑等領(lǐng)域均得以廣泛應(yīng)用。未來(lái)，隨著制備技術(shù)創(chuàng)新和性能提升，碳纖維的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)更加廣泛，有望成為更多領(lǐng)域中的重要材料。例如，在醫(yī)療領(lǐng)域，碳纖維可用于制造成像設(shè)備、手術(shù)器械、假肢、輪椅、醫(yī)療植入物、細(xì)胞再生基質(zhì)等。此外，碳纖維可應(yīng)用于3D打印等新興領(lǐng)域，采用碳纖維材料與其他材料進(jìn)行復(fù)合，提升材料性能，從而進(jìn)一步突破3D打印的材料限制。