碳纤维（CF）

7碳纤维市场规模
8碳纤维厂家

碳纤维是什么

碳纤维(carbon fiber，简称CF)，是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料，由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构的无机纤维，其优势在于有着其他任何材料无可比拟的高比强度和高比刚度，还具有低比重、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等特性，是一种“新材料之王”，在国防工业、高性能民用领域广泛应用，特别是航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、交通设施等，是一种国家亟需、应用前景广阔的战略性新材料。

碳纤维分类

碳纤维

(一)以原料体系分类

碳纤维主要分为粘胶基、沥青基和聚丙烯腈(PAN)基三大种类，各有不同的使用场景和生产方法。

(1)PAN基碳纤维(PAN based carbon fiber)：以PAN为前驱体、经碳化后得到的纤维，与后两者相比更容易得到高强度的产品。PAN基碳纤维综合性能最好、生产工艺成熟简单、应用最广、产量最高、品种最多，是目前全球碳纤维市场的主流碳纤维产品，产量占全球碳纤维总产量的90%以上。

(2)沥青基碳纤维(Pitch based carbon fiber)：将沥青前驱体碳化后得到的纤维，各向同性沥青基碳纤维晶构造少，强度、模量低。中间相沥青基碳纤维结晶发达，强度、模量高。沥青基碳纤维碳收率最高，可以达到80%-90%，但是在实际生产中，为了从沥青中获得高质量、高性能的碳纤维，必须要对沥青精修精制、调制。此过程会大大增加生产成本，即使沥青原料来源丰富，价格低廉，也难以应用于大批量工业应用制造。

(3)黏胶基碳纤维(Rayon based carbon fiber)：以纤维素为原料得到的碳纤维。若碳化时不加牵伸，得到各项同性碳纤维，若加牵伸则得到强度大的各项异性碳纤维。

(二)以产品形态分类

市场上常见的碳纤维产品都是绕着纸筒卷曲起来的连续纤维束，纤维束中包含1000到数万根直径为5-8μm、断面为圆形或椭圆形的碳纤维细丝。目前碳纤维的基本形态有连续长纤维和短切纤维(长度为1-100mm的碳纤维)两种，在实际使用中，根据加工方法和最终制品的形状等，可以分为各种不同的形态。即通过对连续长纤维和短切纤维精修各种加工，从而获得织物、编织物、纸、毡等形态。

(1)长纤维(filament):多根单丝的连续长纤维.作为CFRP、CFRTP的补强纤维用于航空航天、体育娱乐及一般工业领域

(2)长纤维素(tow)：不加捻的长纤维数。作为CFRP、CFRTP的补强纤维用于航空航天、体育娱乐及一般工业领域

(3)短纤纱(stapleyarn)：短纤维纺纱以后得到的纱线。主要用于隔热材料、C/C复合材料基材

(4)织物(cloth)：由丝束或者短纤纱经过梭织后得到的产物。作为CFRP、CFRTP的补强纤维用于航空航天、体育娱乐及一般工业领域

(5)编织物(braid)：长纤维经编织后得到的产物。用于树脂增强，特别适用于管状产品

(6)短切纤维(choppedfiber)：将上浆后的长纤维切断后得到的产物。用于增强热塑性树脂、水泥等，改善其机械性能、导电性、导热性

(7)磨碎纤维(milledfiber)：对长纤维或者短切纤维磨碎后得到的粉末状产物，用于热塑性树脂、橡胶等的增强，改善其力学性能、导电性、耐磨性

(8)毡(mat)：短切纤维黏结、层压后得到的产品，隔热材料、耐腐蚀材料

(9)纸(paper)短切纤维抄纸后得到的产品。用于电极、燃料电池、面状发热体等

(三)按照力学性能分类

碳纤维的机械性能会根据不同的型号、级别的差异在一个很宽的范围内变动。拉伸强度，弹性模量和密度是最重要的性能指标。碳纤维的拉伸强度越高，则说明纤维轴线可以承受的载荷就越高，材料强度越大；弹性模量越大，表示纤维在一定的载荷下的变形量越小，即纤维的刚性越好；密度越小，同体积的纤维重量则越低，相关复合材料的减重效果就越好。根据碳纤维力学性能的差异，我国已于2011年11月13日颁布了《聚丙烯腈(PAN)基碳纤维国家标准(GB/T26752-2011)》，将碳纤维分为高强，高强中模，高模与高强高模四种，由于日本东丽在全球碳纤维行业具有绝对领先优势，国内在一些相关报告中也会使用日本东丽的T系列与M系列标准进行分类

碳纤维

(四)按照丝束大小分类

碳纤维的相关技术标准中，K表示碳纤维单丝的数量，如1K代表一束纤维丝里包含了1000根单丝。一般而言，1K、3K、6K、12K和24K的被称为小丝束；48K、60K、80K、120K及以上的则称为大丝束。小丝束的产品是碳纤维的标准品，乃是碳纤维复合材料成品开发的基本素材^[1]。

碳纤维发展历程

碳纤维材料已有百年发展史，工艺流程复杂，材料研发和量产需要数十年的长期迭代，具备强技术壁垒。碳纤维最早萌芽于19世纪80年代白炽灯的发明，经过约半个世纪的停滞，随着20世纪中期基础研究的发展、化学纤维的出现，高性能碳纤维在美国问世。20世纪70年代以后，碳纤维凭借其优异的特性在下游产业中迅速商业化，更多的企业尝试将碳纤维应用于自身产品中，自此碳纤维迈入了高速发展期，逐渐应用到体育休闲、航空航天、汽车、风电叶片等多个领域。截至2018年，全球碳纤维理论产能达15.48万吨^[2]。

1880年萌芽

英国人约瑟夫·斯旺和美国人托马斯·爱迪生因为发明碳丝而获得发明专利

1959—1971年正式问世

1959年美国联合碳化物公司成功研制最早上市的黏胶基碳纤维Thornel-25；1961年大阪工业技术实验所进藤昭男发明聚丙烯腈基碳纤维；1965年日本群马大学制成沥青基碳纤维；1968年美国金刚砂公司研制出酚醛基碳纤维；1971年日本东丽公司与美国联合碳化物公司合作生产了T300碳纤维，并率先实现工业化量产，产量约每月一吨

1972—1981年开始应用于体育领域

1972年鱼竿开始采用碳纤维；1973年高尔夫球杆开始采用碳纤维；1975年网球拍实现100%碳纤维化

1982—1992年更多应用于飞机制造

1982年采用碳纤维零部件而更省燃料、噪音更小的波音767及空客310完成首飞；1982年采用碳纤维作为舱门材料的哥伦比亚号航天飞机发射；1990年，波音777采用了碳纤维预浸布

1993—2004年开始应用于工业

碳纤维被应用在工业机器、船艇、建筑等领域

2005年以后应用场景广泛多样

应用于风力发电、新能源汽车、波音与空客飞机的主承力结构等

中国碳纤维行业于上世纪90年代一直处于停滞状态，直到进入新世纪之后，科技部设立碳纤维专项，将碳纤维列入863计划新材料领域，才算是恢复发展。2008年，以国有企业为主的大量工业企业涌入碳纤维行业，但大多企业在一些关键技术上毫无突破，生产线运行效率较低且产品质量不稳定。2010年开始，碳纤维行业格局发生优化，优胜劣汰，从原先的40多家企业减少到了十多家企业。随着下游应用的拓展，碳纤维的需求逐步提升，倒逼上游企业开始大力发展，一些企业在工业级大丝束碳纤维的生产工艺上取得突破，具备产业链自主化能力的产品类型^[3]。

碳纤维生产工艺流程

碳纤维制造过程核心是将通过纺丝过程获得的原丝经过一系列高温热处理工程转变为碳纤维的过程。以主流产品PAN基碳纤维为例:从PAN原丝开始，通过丙烯腈单体聚合再通过湿法或干湿法纺丝得到原丝，经过预氧化、碳化、石墨化的过程，使高分子发生氧化、热解以及环化等一系列化学反应，形成石墨态的碳纤维。

碳纤维

碳纤维性能

(1)力学性能：碳纤维较金属、塑料和玻璃纤维有更高的拉伸模量和拉伸强度，其拉伸模量一般是玻璃纤维的3倍、钛合金的2倍，拉伸强度至少是铝合金的9倍、钢材的6倍。同时，碳纤维的密度仅约为钢的25%，钛合金的40%。因此碳纤维属于性能优越的轻量化材料，将其应用在风电、航空航天等领域中不仅可以提升产品的强度，还可以实现显著的减重。

碳纤维

(2)极端环境的适应力：碳纤维耐超高温，非氧化气氛条件下能够2000℃时使用，在3000℃的高温下不会发生熔融软化。碳纤维也耐低温，在-180℃低温下钢铁会变得比玻璃脆，而碳纤维依旧具有弹性。此外，碳纤维耐浓盐酸、磷酸等介质侵蚀，耐腐蚀性超过黄金和铂金，同时也拥有较好的耐油性能。碳纤维还具有热膨胀系数小、导热系数大的特征，可以耐急冷急热，即使从3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。

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碳纤维复合材料

优异的力学性能加之出色的环境适应力，使碳纤维成为众多生产、生活领域不可替代的新材料。碳碳复合材料主要有树脂基复合材料(CFRP)、碳/碳复合材料

(C/C)、金属基复合材料(CFRM)、陶瓷基复合材料(CFRC)、橡胶基复合材料(CFRR)等。碳纤维增强材料的树脂基复合材料(CFRP)既能应用于宇宙飞行器等尖端领域，也在风电叶片、体育休闲和建筑结构补强等方面发挥了重要作用。碳/碳复合材料(碳纤维及其制品制成的增强复合材料，C/C)以其低密度、耐烧蚀、高导热的优异性能在导弹、火箭、航天飞机等产品中得到了有效运用。伴随着社会经济的发展，碳纤维的应用场景有望持续拓宽，市场潜力有望进一步提升^[4]。

碳纤维

碳纤维市场规模

2020年中国内地碳纤维运行产能为36150吨，总销量为18450吨，销量产能比达到51%，相比较2019年的45%提升了6%。除却有些企业受到疫情影响在2020年上半年未能全力生产外，正常经营的企业达产率通常在65%以上，甚至有些企业达到90%。综合来看，中国企业已经跨越了低达产率的历史阶段，正在逐步接近国际领先水平^[5]。我国碳纤维行业90%的产能由七家企业瓜分，达产率正逐步接近国际领先水平。

从应用领域看:2020年风电叶片领域是碳纤维最大的应用领域、需求量为3.06万吨，占比为29%，该领域增长强劲，同比增20%。第二大应用领域是航空航天(需求量1.65万吨，占比15%)，需求量用量急剧降低，同比减30%。第三大应用领域为体育休闲(需求量为1.54万吨，占比14%)，需求稳定增长，同比增2.67%^[6]。

碳纤维厂家

截止2021年，我国碳纤维企业挂牌新三板、已上市或申报上市的企业共5家，即吉林碳谷、中复神鹰、恒神股份、光威复材、中简科技。吉林碳谷主要研发低成本大丝束碳纤维原丝，即碳纤维产品的上游，主攻民用领域，在国内原丝领域拥有较高的话语权，其2020年原丝产能为40000吨，碳纤维产能为8500吨，稳坐国内各制造商运行产能的第一。中复神鹰、江苏恒神、光威复材、中简科技碳纤维运行产能分别为8500、5500、5100、1250吨。

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