碳纤维行业分析——21世纪新材料之王

　　因为最近在看军工，然后看我们的20系列与大飞机系列都发现一个问题，那就是新式飞机碳纤维材料占比越来越高，像以前一架三代机碳纤维占比可能才10%，第四代机直接一下子提升到了25-30%，翻了1.5-2倍，而直20系列更是提升到了40-50%的占比，意味着高性能碳纤维厂商将比下游主机厂拥有更高的需求弹性。

　　在早期 A310、B757 和 B767 上，碳纤维复合材料占比仅为 4%-7%，随着技术的不断进步，碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在客机上，其质量占比也开始逐步提升。至 A380 时，复合材料占比达到25%，具体应用于客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等和次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料等，开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。在最新的 B787 和 A350 机身上，复合材料的用量达到 50%以上，有更多部件使用碳纤维，例如机头、尾翼、机翼蒙皮等，使碳纤维需求量极大提升。

　　民航飞机碳纤维复合材料需求强烈

　　资料来源：《先进材料在航空航天中的应用》，《复合材料在新一代大型民用飞机中的应用》，维基百科，

　　我国军机单机重量和碳纤维复合材料含量同步提升，放量后将产生乘数效应。据《复合材料在航空战机上的应用》表述，以歼击机为例，我国歼-7 空重 5.3 吨，碳纤维复材含量约 2%，新一代战机空重 17 吨，碳纤维复合材料含量约 25-30%，相比老旧机型，新机型单机重量与碳纤维复材含量均显著提升，未来将产生乘数效应支撑碳纤维需求增长。

　　军机迭代将新增碳纤维需求，市场规模达到 328 亿元

　　资料来源：环球武器网，《航空航天复合材料发展现状及前景》，《先进材料在航空航天中的应用》，《航空航天工程材料》

　　所以我们今天重点了解了解碳纤维行业，整理了一点资料，相当于对行业本身先做一个小科普

　　碳纤维为什么这么好用？

　　碳纤维被誉为 21 世纪新材料之王，是材料皇冠上的一颗璀璨明珠。碳纤维（Carbon Fiber，简称 CF）是一种含碳量高于 90%的无机纤维。由有机纤维（粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等）在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构而制得。作为新一代增强纤维，碳纤维具有出色的力学性能和化学性能，既具有碳材料固有的本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，因此被广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域：

　　质量轻：作为一种性能优异的战略性新材料，碳纤维密度与镁和铍基本相当，不到钢的 1/4，采用碳纤维复合材料作为结构件材料可使结构质量减轻 30%-40%。

　　高强度、高模量：碳纤维的比强度比钢高 5 倍，比铝合金高 4 倍；比模量则是其他结构材料的 1.3-12.3 倍。

　　膨胀系数小：大多数碳纤维在室温下的热膨胀系数为负数，在 200-400℃时为 0，在小于 1000℃时仅为 1.5 ×10-6 /K，不易因工作温度高而膨胀变形。

　　耐化学腐蚀性好：碳纤维纯碳含量高，而碳又是最稳定的化学元素之一，导致其在酸、碱环境中表现均十分稳定，可制成各类化学防腐制品。

　　抗疲劳能力强：碳纤维结构稳定，据高分子网统计，其复合材料经应力疲劳数百万次循环试验后，强度保留率仍有 60%，而钢材为 40%，铝材为 30%，玻璃钢则只有 20%-25%。

　　碳纤维复合材料是碳纤维基础上的再次强化。虽然碳纤维可单独使用并发挥特定功能，然而其终究属于脆性材料，只有与基体材料结合形成碳纤维复合材料，才能更好地发挥力学性能，承载更多负荷。

　　碳纤维性能显著优于其他材料

　　注意：这还是最普通的民用级别碳纤维数据，如果是航空航天用的高性能碳纤维材料，如T700//T1000级别，那碳纤维的强度还能呈现数倍的增长，物理性能远强于普通材料如结构钢，玻璃纤维等。

　　抗拉强度（tensile strength）是金属由均匀塑性形变向局部集中塑性变形过渡的临界值，也是金属在静拉伸条件下的最大承载能力。抗拉强度即表征材料最大均匀塑性变形的抗力，拉伸试样在承受最大拉应力之前，变形是均匀一致的，但超出之后，金属开始出现缩颈现象，即产生集中变形；对于没有（或很小）均匀塑性变形的脆性材料，它反映了材料的断裂抗力。符号为Rm（GB/T 228-1987旧国标规定抗拉强度符号为σb），单位为MPa。

　　它表示金属材料在拉力作用下抵抗破坏的最大能力。计算公式为：

　　σ=Fb/So

　　式中：Fb--试样拉断时所承受的最大力，N（牛顿）； So--试样原始横截面积，mm²。

　　拉伸模量（Tensile Modulus）是指材料在拉伸时的弹性。其值为将材料沿中心轴方向拉伸单位长度所需的力与其横截面积的比。

　　拉伸模量（Tensile Modulus）计算公式如下：

　　拉伸模量 (N/(m×m)) = f/S(N/(m×m))

　　其中，f表示所需的力，S表示材料的横截面积。

　　碳纤维可按照原丝类型、制造方法、性能等不同维度分类:

　　按原丝类型分类：聚丙烯腈（PAN）基、沥青基（各向同性、中间相）；粘胶基（纤维素基、人造丝基）。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的 90%以上，粘胶基碳纤维还不足 1%。

　　按照制造条件和方法分类：碳纤维（800-1600℃）、石墨纤维（2000-3000℃）、活性碳纤维、气相生长碳纤维。

　　按力学性能可分为通用型和高性能型：通用型碳纤维强度在 1000MPa、模量在 100GPa 左右；高性能型又分为高强型（强度 2000MPa、模量 250GPa）和高模型（模量 300GPa 以上），其中强度大于 4000MPa 的又称为超高强型，模量大于 450GPa 的称为超高模型。

　　按丝束大小可分为小丝束和大丝束：小丝束碳纤维初期以 1K、3K、6K 为主，逐渐发展为 12K 和 24K，主要应用于航空航天、体育休闲等领域。通常将 48K 以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括 48K、60K、80K 等，主要应用于工业领域。

　　拉伸强度和拉伸模量是衡量碳纤维性能最主要的两大指标。以此为依据，我国 2011 年颁布了《聚丙烯腈（PAN）基碳纤维国家标准（GB/T26752-2011）》。同时，由于日本东丽在全球碳纤维行业具有绝对领先优势，国内厂商大多也同步采用日本东丽的分类标准作为参考。

　　我国碳纤维与东丽碳纤维分类标准各牌号碳纤维对应拉伸模量和拉伸强度

　　资料来源：《中国高性能碳纤维产业的创新发展》，光威复材招股书

　　碳纤维制备与壁垒：

　　碳纤维生产流程复杂，对设备和技术要求极高。各环节精度、温度和时间的控制都将极大影响最终成品质量。聚丙烯腈碳纤维因制备流程相对简单、生产成本低、三废处便捷等特点成为现阶段应用领域最广、产量最高的碳纤维。其主要原料丙烷可从原油中制得，聚丙烯腈碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。

　　碳纤维生产流程

　　资料来源：《我国碳纤维工业现状和碳纤维应用》，信达证券研发中心

　　原丝质量、性能水平直接决定了碳纤维的最终性能。因此，提高纺丝液的质量，优化原丝成型的各项因素成为制备高品质碳纤维的关键节点。

　　据《聚丙烯腈基碳纤维原丝生产工艺研究》描述，纺丝工艺主要包括三大类：湿法纺丝、干法纺丝和干湿法纺丝。目前，国内外生产聚丙烯腈原丝的工艺主要采用湿法纺丝和干湿法纺丝，其中湿法纺丝的应用最为广泛。

　　湿法纺丝首先将纺丝液从喷丝孔挤出，纺丝液以细流的形态进入到凝固浴中。聚丙烯腈纺丝液的成丝机理是：纺丝液中与凝固浴中 DMSO（二甲基亚砜）的浓度存在较大差距，而凝固浴和聚丙烯腈溶液中水的浓度也存在巨大差距。在以上两种浓度差的相互作用下，液体之间开始双向扩散，通过传质、传热、相平衡移动等过程最终凝结成原丝。

　　原丝生产中 DMSO 残余量、纤度、单丝强度，模量，伸长率、含油率、沸水收缩率成为影响原丝质量的关键因素。以 DMSO 残余量为例，其对原丝表观性状、截面状态、最终碳纤维产品的 CV 值等均有影响，DMSO 残余量越低，产品的性能越高。生产中主要通过水洗的方式去除 DMSO，因而如何控制水洗温度、时间、脱盐水用量和水洗循量等因素就成为重要的环节。

　　高质量的聚丙烯腈原丝应具有以下特征：高密度、高结晶度、适当的强度、圆形截面、较少的物理缺陷，同时具有光滑的表面和均匀致密的皮芯结构。

　　目前湿法纺丝应用最为广泛碳纤维纺丝工艺流程

　　资料来源：《聚丙烯腈基碳纤维原丝生产工艺研究》

　　碳化、氧化环节温度控制是关键。碳化氧化是原丝制作成碳纤维最终产品的必备环节，该环节需对温度的精度、范围进行准确控制，否则将显著影响碳纤维产品的拉伸强度，甚至造成断丝现象：

　　预氧化(200-300℃)：预氧化环节通过在氧化性气氛中施加一定张力，对 PAN 原丝进行缓慢温和的氧化，在PAN 直链的基础上形成大量环装结构，从而达到可以耐受更高温度处理的目的。

　　碳化(最高温度不低于 1000℃)：碳化过程需在惰性气氛中进行。碳化初期 PAN 直链断裂，开始进行交联反应；随着温度逐渐上升，热分解反应开始，释放出大量小分子气体，石墨结构开始形成；温度进一步上升后，碳元素含量迅速提高，碳纤维开始成型。

　　石墨化(处理温度 2000℃以上)：石墨化并非碳纤维制作必备过程，为可选环节。若期望碳纤维拥有高弹性模量，则需进行石墨化；若期望碳纤维获得高强度，则无需进行石墨化。石墨化环节中，高温使纤维内部形成发达的石墨网面结构，通过牵伸对结构进行整化从而得到最终产品。

　　碳化氧化过程须对温度进行严格控制碳纤维碳化氧化流程

　　资料来源：《PAN 基碳纤维的生产与应用》，中简科技招股书

　　高技术壁垒赋予下游产品高附加值，航空复材价格较原丝翻 200 倍。由于碳纤维制备难度高，工艺复杂，因此其产品越往下游附加值越高，尤其是应用于航空航天领域的高端碳纤维复材，因下游客户对其可靠性、稳定性要求十分严苛，产品价格也较普通碳纤维呈几何倍数增长。

　　据江苏恒神公开转让说明书（2015 年）统计，同一品种原丝、碳纤维、预浸料、民用复材、汽车复材和航空复材每公斤价格分别约为 40 元、180 元、600 元、不到 1000 元、3000 元和 8000 元，每经一级深加工产品价格都将实现飞跃，航空复材价格较原丝更是翻了 200 倍。

　　碳纤维生产成本分布

　　碳纤维生产成本较高，是新兴材料，更是“贵族”材料。可设计性较强的碳纤维属于新兴材料，但较高的原丝生产成本、环保投入及生产运输费用为其贴上了“贵族材料”的标签。据《碳纤维产业化发展及成本分析》论述，较高质量的 PAN 原丝投入与碳纤维产出比约 2.2:1，较低质量的原丝与碳纤维产出比约 2.5:1，叠加聚合、喷丝、碳化氧化等过程对环境、综合技术等要求较高，进一步导致碳纤维生产成本居高不下。

　　制造费用通常占碳纤维生产总成本的 70%以上。根据中简科技、光威复材公司年报，其碳纤维生产成本主要由材料、人工、制造费用等构成，2016-2019 年上述两公司碳纤维产品制造费用占其成本均在 70%以上，成为生产过程中的主要开支。

　　2016-2019 年中简科技碳纤维产品主要成本 2016-2019 年光威复材碳纤维产品主要成本