國產(chǎn)化碳纖維正在悄然崛起。

10月10日，我國首個(gè)萬噸級(jí)48K大絲束碳纖維工程第一套國產(chǎn)線在中國石化上海石化碳纖維產(chǎn)業(yè)基地投料開車，并生產(chǎn)出合格產(chǎn)品。產(chǎn)品性能媲美國外同級(jí)別產(chǎn)品，質(zhì)量達(dá)到國際先進(jìn)水平。這標(biāo)志中國石化大絲束碳纖維從關(guān)鍵技術(shù)突破、工業(yè)試生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)化成功走向規(guī)模化和關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化，一舉破除我國碳纖維生產(chǎn)和裝備受制于人的被動(dòng)局面，真正實(shí)現(xiàn)自主可控。

碳纖維地位之“重”

碳纖維是由聚丙烯腈等有機(jī)纖維在高溫的惰性氣體氛圍中經(jīng)氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的無機(jī)高分子纖維，是目前可以獲得的最輕的無機(jī)材料之一。碳纖維在可量產(chǎn)纖維材料中性能最佳，是目前工程上可以大規(guī)模應(yīng)用的比強(qiáng)度最高的材料，其具有優(yōu)異的物理、化學(xué)性能，被稱為21世紀(jì)的“黑色黃金”。

碳纖維是最重要的無機(jī)高性能纖維，這點(diǎn)是由其材料本性、產(chǎn)業(yè)技術(shù)復(fù)雜性、應(yīng)用領(lǐng)域重要性和市場規(guī)模性等因素決定的，其首個(gè)市場化應(yīng)用是1972年市售的碳纖維增強(qiáng)樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應(yīng)用快速向以航空航天器主結(jié)構(gòu)材料為代表的高端化發(fā)展。碳纖維最主要的應(yīng)用形式是作為樹脂材料的增強(qiáng)體，所形成的碳纖維增強(qiáng)樹脂（CFRP）具有優(yōu)異的綜合性能，其在航空器、軌道交通車輛、風(fēng)電葉片、燃料電池等眾多領(lǐng)域有著實(shí)際和潛在的應(yīng)用。

碳纖維是現(xiàn)代宇航工業(yè)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有不可替代性。CFRP被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈武器、空間平臺(tái)和運(yùn)載火箭等航天領(lǐng)域。在大型先進(jìn)飛機(jī)中，CFRP被廣泛用作主承力結(jié)構(gòu)材料。此外，CFRP是制造大型葉片的關(guān)鍵材料，其可彌補(bǔ)玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）的性能不足。

對(duì)于氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)而言，碳纖維的存在直接關(guān)乎到國產(chǎn)化進(jìn)程的速率。燃料電池氣體擴(kuò)散層受原料碳纖維的制約，國內(nèi)市場一直嚴(yán)重依賴進(jìn)口。另外就是儲(chǔ)氫瓶的技術(shù)突破，高性能纖維是全纏繞纖維增強(qiáng)復(fù)合壓力容器的主要增強(qiáng)體。車用高壓Ш型氫氣瓶（金屬內(nèi)膽全纏繞）的材料成本中，近70%為增強(qiáng)纖維，其余約30%為內(nèi)膽和其他材料。

碳纖維技術(shù)之“難”

國內(nèi)氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)正面臨國產(chǎn)化替代的艱難困境。而碳纖維技術(shù)的兩大難題便是燃料電池核心零部件和高壓儲(chǔ)氫瓶。

碳纖維紙作為一種高性能復(fù)合材料，是制造燃料電池質(zhì)子交換膜電極中氣體擴(kuò)散層必不可少的多孔擴(kuò)散材料。氣體擴(kuò)散層（GDL）構(gòu)成氣體從流動(dòng)槽擴(kuò)散到催化劑層的通道，是燃料電池的心臟，是膜電極組（MEA）中非常重要的支撐材料，其主要功能是作為連接膜電極組和石墨板的橋梁。

氣體擴(kuò)散層可幫助催化劑層外部生成的副產(chǎn)品——水盡快流走，避免積水造成溢流；還可幫助在膜的表面保持一定水份，確保膜的導(dǎo)電率；燃料電池運(yùn)行過程中，幫助維持熱傳導(dǎo)；此外，提供足夠的力學(xué)強(qiáng)度，在吸水?dāng)U展時(shí)保持膜電極組的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

在質(zhì)子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池中，同時(shí)使用碳纖維紙和碳纖維布作為氣體擴(kuò)散層的綜合效果更好。每輛燃料電池電動(dòng)汽車約需消耗碳纖維紙100 m2（即8 kg）。

儲(chǔ)氫瓶生產(chǎn)流程可大致分為內(nèi)膽成型和纖維纏繞兩個(gè)環(huán)節(jié)，總體來看技術(shù)難度較大、工藝參數(shù)眾多、關(guān)鍵原材料及裝備仍部分依賴進(jìn)口、精細(xì)化生產(chǎn)管理有待提升，存在一定的技術(shù)壁壘。儲(chǔ)氫瓶當(dāng)前成本較高，單瓶售價(jià)在 2 萬以上，其成本構(gòu)成中碳纖維復(fù)合材料占比超 60%。當(dāng)下國內(nèi)儲(chǔ)氫瓶所用原材料主要為 T700 以上小絲束碳纖維，未來若能逐步替換為大絲束碳纖維（國外普遍做法），則有望推動(dòng)氣瓶成本進(jìn)一步降低。

鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶（III型）內(nèi)膽為金屬（通常為鋁合金），但厚度較 II 型瓶有減薄，外部進(jìn)行了全瓶身的碳纖維復(fù)合材料纏繞，包裹形式為兩極鋪設(shè)或螺旋形鋪設(shè)。III 型瓶重量輕、抗壓性能好、適用于氫燃料電池汽車等移動(dòng)設(shè)備，目前主要的壓力規(guī)格為 35MPa 和 70MPa 兩種，國內(nèi)現(xiàn)階段 35MPa 已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

儲(chǔ)氫瓶剖面圖-碳纖維復(fù)合材料

塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶（IV 型）內(nèi)膽為塑料，瓶身全纏繞碳纖維復(fù)合材料，包裹采用兩極鋪設(shè)和螺旋形鋪設(shè)混合的形式。IV 型瓶瓶壁厚度略薄于 III 型瓶，儲(chǔ)氣壓力則與之一致，主要包括 35MPa和 70MPa 兩種規(guī)格型號(hào)，目前國外已投入商業(yè)化運(yùn)用，如日本豐田的 Mirai 與韓國現(xiàn)代的 Nexo 均采用了 IV 型瓶，但國內(nèi)技術(shù)仍有欠缺，尚未達(dá)到量產(chǎn)條件。IV 型瓶也主要應(yīng)用于氫燃料車等移動(dòng)場景。

碳纖維供求之“艱”

我國碳纖維市場正處于嚴(yán)重的供不應(yīng)求狀態(tài)。數(shù)據(jù)顯示，2021年中國碳纖維產(chǎn)量達(dá)2.43萬噸，預(yù)計(jì)2022年我國碳纖維產(chǎn)能及產(chǎn)量可達(dá)2.77萬噸。未來碳纖維需求未來或?qū)⒊掷m(xù)處于高速增長期，預(yù)計(jì)2025年全球碳纖維消費(fèi)量將達(dá)到20.0萬噸，增長驅(qū)動(dòng)力主要來自于風(fēng)電葉片、航空航天等。

當(dāng)前我國國內(nèi)主要的碳纖維（及原絲）制造商為吉林碳谷、吉林寶旌、中復(fù)神鷹、江蘇恒神、光威復(fù)材、蘭州藍(lán)星和上海石化等。其中，吉林碳谷以原絲生產(chǎn)為主；吉林寶旌和蘭州藍(lán)星以大絲束碳纖維生產(chǎn)為主，江蘇恒神和蘭州藍(lán)星兼?zhèn)湓z生產(chǎn)和碳纖維生產(chǎn)能力；其他公司產(chǎn)能主要集中在高性能碳和小絲束碳纖維。

東麗是全球碳纖維行業(yè)的領(lǐng)軍企業(yè)，是最早實(shí)現(xiàn)碳纖維工業(yè)化生產(chǎn)的公司。其各種型號(hào)的產(chǎn)品，如T300、T800等，產(chǎn)品名稱已成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，全球各公司生產(chǎn)的碳纖維產(chǎn)品均以此來標(biāo)注性能。根據(jù)2020年數(shù)據(jù)，東麗在碳纖維整體市場的占有率達(dá)到42%，其中小絲束碳纖維占比17%，大絲束占比25%；若將小絲束及大絲束市場分開來看，東麗在小絲束市場的占有率為33%，大絲束市場占有率則達(dá)到51%。無論以整體市場還是以分市場來看，東麗市占率均為全球第一。

光威復(fù)材為民營碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈龍頭，具備碳纖維生產(chǎn)線及關(guān)鍵設(shè)備、預(yù)浸料生產(chǎn)線以及復(fù)合材料成型設(shè)備等自主設(shè)計(jì)與制造能力，主要產(chǎn)品包括碳纖維及織物、預(yù)浸料、碳梁等，軍品方面光威復(fù)材具有日本東麗性能相當(dāng)?shù)奶祭w維產(chǎn)品，民品方面以碳梁為主，占維斯塔斯份額約30%。目前光威復(fù)材正在擴(kuò)充碳纖維與碳梁產(chǎn)能，有望在需求高景氣中進(jìn)一步成長。

中復(fù)神鷹屬于中國建材集團(tuán)，以民品3K至24K小絲束碳纖維生產(chǎn)銷售為主，2020年國內(nèi)碳纖維產(chǎn)量國內(nèi)占比達(dá)20.98%，位居第二。公司碳纖維生產(chǎn)設(shè)備主要向關(guān)聯(lián)方江蘇鷹游定制采購，采用提出核心設(shè)備工藝技術(shù)要求，鷹游集團(tuán)進(jìn)行裝備設(shè)計(jì)制造的模式。2013年，公司在國內(nèi)率先突破了千噸級(jí)碳纖維原絲干噴濕紡工業(yè)化制造技術(shù)，建成了國內(nèi)首條千噸級(jí)干噴濕紡碳纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)線，并放棄了濕法T300碳纖維生產(chǎn)路線，目前已實(shí)現(xiàn)了干噴濕紡400米/分鐘產(chǎn)業(yè)化。公司碳纖維產(chǎn)品涵蓋了高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高強(qiáng)高模型等，已基本實(shí)現(xiàn)對(duì)行業(yè)龍頭日本東麗的主要碳纖維產(chǎn)品的對(duì)標(biāo)。

去年上半年，國內(nèi)氫燃料電池市場迅速爆發(fā)。但受疫情影響，全球貿(mào)易被極大沖擊，國外企業(yè)交付能力跟不上國內(nèi)需求，而全球市場也正在積極擴(kuò)張，碳纖維需求不斷上升，但是國外進(jìn)出口卻受到極大影響。

隨著碳纖維生產(chǎn)企業(yè)不斷在高性能碳纖維領(lǐng)域取得技術(shù)突破，我國碳纖維的進(jìn)口替代步伐有望進(jìn)一步加速。“十四五”期間，我國碳纖維及原絲的產(chǎn)能正在快速擴(kuò)張。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國已規(guī)劃及在建的碳纖維產(chǎn)能共計(jì)14.07萬噸/年，數(shù)量十分可觀，我國碳纖維產(chǎn)能正逐步擴(kuò)張，國產(chǎn)替代道路光明。

10月15日，吉林化纖集團(tuán)15萬噸原絲項(xiàng)目一期5萬噸實(shí)現(xiàn)開車達(dá)產(chǎn)。技術(shù)創(chuàng)新促進(jìn)資源效率充分釋放，15萬噸原絲項(xiàng)目一期5萬噸的開車達(dá)產(chǎn)，標(biāo)志著吉林化纖在全面掌握大絲束“卡脖子”關(guān)鍵技術(shù)的同時(shí)，將帶動(dòng)風(fēng)電葉片、高壓氣瓶纏繞、預(yù)浸料等領(lǐng)域生產(chǎn)效率提高40%，生產(chǎn)成本大幅降低，使國產(chǎn)化自主制造、大絲束工藝創(chuàng)新升級(jí)、下游有效應(yīng)用的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈在補(bǔ)鏈、延鏈、強(qiáng)鏈中提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值，預(yù)計(jì)到今年年底吉林化纖碳纖維原絲產(chǎn)能將達(dá)到16萬噸 。

中國碳纖維市場規(guī)模一直保持增長趨勢(shì)，從2016年的4.82億美元增長至2021年的15.88億美元，年均復(fù)合增長率達(dá)26.9%。2020年底國家提出的“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略，對(duì)碳纖維產(chǎn)業(yè)將有深遠(yuǎn)的影響，新的能源戰(zhàn)略將極大刺激風(fēng)電、光伏、氫能等再生或新能源的發(fā)展。隨著下游各應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展壯大，我國碳纖維市場規(guī)模將進(jìn)一步增長。

作為不可或缺的高性能材料，碳纖維市場前景十分光明。面臨國內(nèi)對(duì)碳纖維的需求與日俱增的局面，加速國產(chǎn)化替代刻不容緩。