碳纖維：借新能源東風，從“跟跑”變“領跑”
2022-12-06
來源：化工新材料
“黑色黃金”
在材料產業(yè)中，有這樣一種“黑色黃金”，其比重不足鋼的1/4，強度卻是鋼的10倍。換個說法，其單位重量所體現(xiàn)出來的強度是鋼的40倍。這就是實至名歸的新材料之王——碳纖維。
碳纖維是指含碳量在 90%以上的無機高分子材料，用聚丙烯腈（瀝青或粘膠）等做原料， 經(jīng)過高溫氧化、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度、比模量的纖維，且耐高溫也是最好的，主要應用在軍工和工業(yè)等領域。
碳纖維已成為理想的輕量化材料，碳纖維的分類標準有很多，目前分類標準主要有：原絲種類、絲束規(guī)格和力學性能。
碳纖維的誕生
1879年，愛迪生發(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內皮、黃麻、馬尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形狀，并對其進行高溫烘烤；受熱時，這些由連續(xù)葡萄糖單元構成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。
早期的碳纖維沒有結構強力，易碎，實用性差。20世紀初，人造纖維的出現(xiàn)，推進碳纖維再次發(fā)展，把碳纖維技術引入“再發(fā)明”時代。
到了20世紀中后期，聚氯乙烯、聚酰胺和聚丙烯腈等化學纖維的商業(yè)化，為美國開創(chuàng)高性能碳纖維技術的基礎科學研究提供了前提。自此，高性能碳纖維基礎科學研究和工業(yè)化技術研發(fā)進入了高峰期。
碳纖維發(fā)展迅速
近10年來，國產碳纖維的市場需求和產能都在飛速的增長，這與我國政策和經(jīng)濟社會的發(fā)展密不可分。經(jīng)濟快速發(fā)展給國產碳纖維產業(yè)注入了源源不斷的血液，同時也為未來10年的國產碳纖維發(fā)展創(chuàng)造了有利的條件。
全球范圍內的能源結構調整促生了新能源產業(yè)，近十余年來，我國新能源產業(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，并成為全球風電和光伏發(fā)電規(guī)模最大、增速最快的國家。
國務院《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書提出大力推進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，這預示著新能源產業(yè)正迎來更多政策紅利。
“十四五”期間，清潔能源的開發(fā)利用又將上一個新臺階。預計到2030年，非化石能源消費比重將達到25%左右，接下來能源增量70%以上以非化石能源為主。
在新能源汽車、光伏、風電這類經(jīng)濟轉型最受益的新能源產業(yè)中，碳纖維復合材料也在扮演著重要角色，風電葉片、光伏載板、新能源汽車零部件都是碳纖維應用的典型案例。
近幾年來，我國一直在大力推進產業(yè)結構的轉型升級，促進工業(yè)企業(yè)不斷優(yōu)化產業(yè)結構，通過政策調整、市場調控等方式將低附加值、低品牌化、低技術含量的企業(yè)逐步淘汰掉。與此同時，工信部也在狠抓落實節(jié)能降耗、減排治污工作，旗幟鮮明地推動工業(yè)向綠色轉型。
在綠色發(fā)展的號召下，一大批企業(yè)在積極通過設備升級、技術創(chuàng)新、產能優(yōu)化等手段實現(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)在生產設備中采用碳纖維復合材料輥替代傳統(tǒng)的金屬輥，通過碳纖維復合材料的輕量化和高性能實現(xiàn)降低能耗、減少企業(yè)生產經(jīng)營成本。
因外部壓力的增大，發(fā)達國家對軍工產品與技術的管控和封鎖日益嚴格，國家的軍工裝備必須實現(xiàn)自主可控。在外部動蕩因素增多的情況下，國內的軍工行業(yè)正在進行“躍層式”發(fā)展。在這個特殊時期，軍工行業(yè)面臨著更為緊迫而有利的發(fā)展機遇，無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。
軍工產業(yè)的不斷突破需要長周期、高投入的技術研發(fā)支撐，高性能先進復合材料一直是軍工裝備的寵兒，成本高但是性能強的碳纖維復合材料軍工零部件在這個特殊時期獲得了大幅度的應用增長。
碳纖維在我國的發(fā)展現(xiàn)狀
在發(fā)達國家，碳纖維產業(yè)對支持產業(yè)升級乃至國民經(jīng)濟整體素質提高方面都發(fā)揮了重要的作用。我國于60年代末與國外基本同步開始了PAN基碳纖維的研制，但由于種種原因進展十分緩慢，同比發(fā)達國家落后了近30年。
2009年，國內碳纖維產業(yè)多年來發(fā)展落后緩慢的局面得以改變，生產企業(yè)和投資基地都在不斷增多，行業(yè)的發(fā)展從此進入了一個全新的時期。但是與發(fā)達國家相比，我國目前的碳纖維生產能力（特別是高端產品）與國際水平還存在相當?shù)牟罹?，真正國產化還需要一個漫長的過程。
目前，國內碳纖維生產廠家在企業(yè)專有技術、人才資源、生產成本、營銷網(wǎng)絡等方面尚不具備與國外企業(yè)抗衡的能力，但國產碳纖維的成功開發(fā)，平抑了碳纖維的市場價格，促進了碳纖維及制品的應用。碳纖維復合材料制品以其質輕高強的特點，隨著其生產低成本化，將在國內民航、石油開采、風力發(fā)電、壓力容器等行業(yè)大量應用，成為行業(yè)新的增長點，在新能源“風光氫”的需求驅動下，碳纖維的消費量也將與日俱增，碳纖維及其復合材料風潮再起。
大絲束碳纖維
長期以來，我國主要在小絲束碳纖維方面實現(xiàn)了突破。隨著我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產線在中國石化上海石化碳纖維產業(yè)基地投料開車，并生產出性能媲美國外同級別產品的合格產品，我國大絲束碳纖維也從關鍵技術突破、工業(yè)試生產、產業(yè)化，成功走向規(guī)模化和關鍵裝備國產化，一舉破除了我國碳纖維生產和裝備受制于人的被動局面。
數(shù)據(jù)顯示，2021年全球碳纖維需求量約為11.8萬噸，其中大絲束碳纖維需求量為51400噸，占比約43.5%。2021年我國碳纖維需求量達到6.24萬噸，較2020年增加27.7%，占全球碳纖維需求量的53%。專家表示，碳纖維在新能源、風電、光伏、汽車、體育用品等下游市場的應用需求將逐漸爆發(fā), 滲透率不斷提升。
業(yè)內專家稱，中國碳纖維行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，根據(jù)目前各企業(yè)已宣布的投資擴產計劃，如果所有建設項目可以順利投產落地，“十四五”末期，中國新增碳纖維產能將達21萬噸以上，其中新增大絲束碳纖維產能達17.6萬噸，中國大絲束產能擴張時代將隨之開啟。
碳纖維市場及其未來的應用
根據(jù)賽奧碳纖維《2016—2021全球碳纖維復合材料市場報告》，從全球的維度來看，碳纖維需求量從2016年的7.65萬噸增至2021年的11.8萬噸，復合年均增長率（CAGR）為9.02%，2021年同比增速從2020年的3.05%提升至10.42%，2025年預計全球需求量達20萬噸。
2021 年國內碳纖維需求中，進口碳纖維供應量為 3.3 萬噸，占總需求量的 53%，可以看 出我國碳纖維仍以進口為主，但進口比例持續(xù)下降，2021 年進口同比增速僅為 9.15%；國產碳纖維供應量為 2.9 萬噸，占需求量的 47%，國產占比較 2020 年的 38%增長 9 個百 分點，且 2021 年國產碳纖維增速為 58.54%，遠超過進口增速，說明國內企業(yè)在碳纖維 生產方面取得突破，國產替代趨勢明顯。
從應用領域來看，2021年全球和國內碳纖維的主要應用領域均是風電葉片。2021年全球碳纖維需求量占比前三的領域分別是風電葉片（27.97%）、體育休閑（15.68%）和航空航天（13.98%）；而國內占比前三的領域分別是風電葉片（36.07%）、體育休閑（28.05%）和碳/碳復材（11.22%）。風電葉片、體育休閑、航空航天、碳/碳復材等領域的需求占據(jù)了碳纖維市場需求的主要部分。
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