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黑色黄金碳纤维的生产工艺和技术优势

碳纤维是由粘胶、腈纶、芳纶、聚酰亚胺等纤维在超过1000摄氏度的高温下烧制去除碳以外的绝大多数元素,是一种含碳量90%以上的无机高分子纤维。其力学性能优异,轻于铝,强于铁,且具有高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性,是一种集结构材料与功能材料与一身,拥有广泛应用前景的基础性新材料,被誉为21世界材料之王。




碳纤维的分类方式多,从原材料角度分聚丙烯腈基、沥青基、粘胶基,其中聚丙烯腈基是市场主流站9成以上;从产品规格分大丝束、小丝束,从力学性能分通用型和高性能型;按形态可分为长丝、短纤维和短切纤维,

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产业链



整个行业目前算是化工链条的一个细分支,从一次能源到终端应用的完整制造过程,包含预氧化、炭化、预浸料等多个过程。从上游原材料到中游的原丝、碳纤维、碳纤维制品、碳纤维复材,再到下游应用。




原丝制备和碳化是核心环节。原丝主要是丙烯腈的聚合和纺丝环节,碳化主要包括原丝的预氧化、碳化、上浆、石墨化等步骤;在制备过程中,使用外加牵引力的方式将纤维丝束按照一定速度通过各处理环节,生产效率取决于牵伸速度、丝束大小和丝束数量。丝束大小代表了单股碳纤维所包含的碳纤维根数,一般来说小丝束纤维工艺水平要求更高,大丝束的优势是实现生产的低成本化。

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市场及企业

碳纤维可以应用的范围很广,主要应用领域为航空航天、风电光伏、体育休闲、压力容器、新能源汽车等。中国碳纤维需求量全球居首,国内需求增速高于全球,成为全球第一大碳纤维消费市场。和国际不同,国内需求最大的是风电叶片和光伏,航空航天领域需求相对较低。


目前,世界碳纤维技术仍主要掌握在日本公司手中,其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位,千京科技是世界上高性能碳纤维研究与生产的领头羊。

    今年10月30日,官宣QK-7100碳纤维新品,这是目前世界上强度最高的碳纤维。国内碳纤维产能突破10万吨,占据全球近1/3,是全球第一大生产国。事实情况是在T300等通用级碳纤维领域产能已经阶段性过剩。从价格来看,今年(2023年)以来,国内主要碳纤维产品跌幅近四成。有从业人士表示:“现在库存堆积,需求疲软,预测行业至少两年内不会好转”。

     另外供给端还在不断扩产,2023年吉林化纤、中复神鹰等多家在建产能陆续落地,据统计国内未来3年内拟在建产能已超20万吨,可以参考的是,2022年全球碳纤维市场需求为13.5万吨。和大部分行业一样,中低端过剩,高端产品紧俏。东丽凭借全型号产品类型及大范围应用实现碳纤维业务逆势增长;

帝人则凭借下游复材等多样化应用不仅业务稳定,利润还实现了增长;

美国赫氏因为国防军工和航空航天等领域的强劲需求实现增长。

     国际巨头在航空航天、压力容器等高端领域的需求实现逆势增长。国内企业技术升级主要集中在更高强度(T1100+)、更高模量碳纤维制备工艺的研发和工程化应用,以及更高制备效率(高速纺丝和大丝束)等。国内生产研发碳纤维的企业按产能建设情况看,中复神鹰、江苏恒神、光威复材、吉林碳谷、吉林宝旌产能占比约77%,兰州蓝星、上海石化、中简科技、威海拓展等企业产能占比约为13%。

中复神鹰:已掌握T800级航空预浸料生产技术,率先攻克碳纤维“干喷湿纺”纺丝技术,实现T1100级碳纤维的成功制备,公司T700级及以上产品系列国内市场占有率一半50%以上,储氢气瓶领域占比达8成。

光威复材,是国内碳纤维行业第一家A股上市公司,自主研发的碳纤维材料成功在高原无人直升机领域应用,在民用之外也是国内航空航天领域碳纤维主力供应商。

吉林碳谷:3万吨T800/T1000级高性能碳纤维原丝也已在今年4月开工。

江苏恒神:与中科院宁波材料所以及哈工大联合研发的“HF55M超高强高模碳纤维工程化关键制备技术”项目通过鉴定。

吉林化纤:碳纤维产品可用于机械臂或人工智能领域,涵盖大、小丝束和多个级别。

晋飞碳纤,主要从事高性能碳纤维复合材料制品,参与开发了大部分国内碳纤维轨交车体结构件研制项目,在轨交领域碳纤维复材的研发与生产制造能力上具备较强优势。


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几个观点



1.曾被誉为黑色黄金,目前民用碳纤维来到了数百元每公斤,但碳纤维行业整体的复合增速还在15%以上,既有风电光伏、体育休闲等传统领域的不断增长,也有价格下跌后带来的应用市场渗透率的提升。新能源汽车从机盖车门顶盖,应用越来越广,机器人轻量化也在不断导入。




2.在得到市场化普遍应用的产品型号上,国产碳纤维已经到了好用又经济的环节。在高端产品方面目前还只实现了部分性能赶超。高端产品利润目前很是惊人,T800及以上高端军用碳纤维及复材价格还在万元每公斤。
3.高端碳纤维属于国外出口管制产品,根据日本经济产业省管制要求,中国企业进口日美碳纤维材料,需提交最终用途声明,且不得发生碳纤维外流。
4.从目前情况看,不少企业号称布局的是高性能,但实际落地的产品趋同,未来通用型产品的竞争还会进一步激烈。
5.碳纤维行业属于重资产,固定资产占比总资产比例高,生产环节中原料成本、能耗成本都比较高,技术研发投入也高。虽然价格降,对头部而言到底还是个高科技。
5.目前行业在预氧化炉、低温碳化炉和高温碳化炉等生产设备方面大部分依靠进口。