氯化锌做催化剂的作用(碳纤维行业150页深度研究报告：高端制造业换装首选材料)

Posted 2023-05-30

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氯化锌做催化剂的作用(碳纤维行业150页深度研究报告：高端制造业换装首选材料)

（报告出品方/作者：华安证券，郑小霞、邓承佯）

1 碳纤维：黑色黄金，高性能纤维之王

1.1 碳纤维是现代高科技领域的战略新材料

碳纤维是国际认可的现代高科技领域的战略新材料，被誉为“黑色黄金”。碳纤维（CarbonFiber，CF）是一种含碳量高于 90%的纤维状碳化产物，通过有机纤维原丝（先驱体）在高温（1000-3000℃）惰性气体保护的条件下经过热解、碳化等一系列物理化学变化而制得。从分子结构上看，碳纤维可以看成是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向排列而成，但真正的碳纤维达不到石墨的理想状态，且石墨层平面呈波浪状，平面间距明显大于石墨的 0.335nm。碳纤维具有显著的各向异性，沿其纤维轴向模量高，强度高，是一种高性能的增强纤维，具有良好的导电、导热、耐腐蚀、耐超高温等特性，同时还兼备纺织纤维的柔软可编织性。

碳纤维及其复合材料同其他金属及合金类材料相比，主要具备以下优势：（1）通常高模量碳纤维复合材料的单向材料比模量比铝合金大 5-7 倍，所制备的结构件可满足高刚度需求；（2）以高模量碳纤维为增强材料，通过合理的复合材料结构设计可获得热膨胀系数几乎为零的材料，满足高低温交变的应用场景中尺寸稳定性要求；（3）碳纤维的比重不足钢材的 1/4，可满足结构件的轻量化要求。

碳纤维的大力发展，对国家的国防、经济、民生都起到更加重要的作用。碳纤维既具有碳材料质轻、高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、导热、导电等优异的综合性能，同时还兼备纺织纤维的柔软可加工性，是国际认可的现代高科技领域的战略新材料，被誉为“黑色黄金”。由于人类对于生活质量的需求渐高，以及科技不断进步，尤其是在航空航天、军工制造等高尖端领域和汽车工业、建筑体育等民用领域对于先进材料的需求，传统材料及其复合材料渐渐无法满足，以碳纤维为代表的新型材料的出现和发展，促进了这些行业的发展，同时，伴随着能源的日益紧缺，在新能源领域，轻量化需求中，碳纤维也占据了一席之地。

PAN 基碳纤维占碳纤维总量的 90%以上，目前碳纤维一般指 PAN 基碳纤维。碳纤维可以按照状态、力学性能、丝束规格、原丝种类等不同维度进行分类。碳纤维按照状态可分为长丝、短纤维、短切纤维，按力学性能可分为通用型和高性能型，按照丝束规格可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，按照原丝类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维。

由于碳纤维的产业链长，关键控制点多，生产过程中的每一个步骤带来的缺陷均将传递到下一步并影响最终碳纤维的性能。因此，各工序精确调控及之间的精密配合是制备出稳定的高性能碳纤维的关键，了解并熟悉碳纤维的制备工艺显得尤其重要。

1.2 PAN 基碳纤维：应用最为广泛的一类碳纤维

PAN 基碳纤维是以丙烯腈为前驱体，经聚合、纺丝、氧化稳定、碳化和石墨化等一系列复杂工艺制得，每个过程均涉及流体力学、传热、传质、结构和聚集态等多个单元过程同时进行，又相互联系的过程，影响因素较为复杂。

18 世纪中，英国人斯旺和美国人爱迪生利用竹子和纤维素等经过一系列后处理制成了最早的碳纤维，将其用作灯丝并申请了专利。20 世纪 50 年代，美国开始研究粘胶基碳纤维，1959 年生产出品名“Thormei-25”的粘胶基碳纤维。同年日本进藤昭男首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。1962 年日本东丽公司开始研制生产碳纤维的优质原丝，在 1967 年成功开发出 T300 聚丙烯腈基碳纤维。1966 年，英国皇家航空研究所的 Watt 等人改进技术，开创了生产高强度、高模量 PAN 基碳纤维的新途径。1969 年，日本东丽公司成功研究出用特殊单体共聚而成的聚丙烯腈制备碳纤维的原丝，结合美国联合碳化物公司的碳化技术，生产出高强高模碳纤维。此后，美、法、德也都引进技术或自主研发生产 PAN 基原丝及碳纤维，但日本东丽公司的碳纤维研发与生产技术一直保持世界领先水平。根据碳纤维及其复合材料技术微信公众号 2021 年 8 月 11 日一文可以看出，东丽 2021 年碳纤维产品已推出了三十余款型号，覆盖领域已从航空航天延伸至了交通轨道、海洋、压力容器、医疗、土木、电子电力等领域。

PAN基碳纤维生产过程比较繁琐并涉及诸多复杂的化学反应过程，要经历聚合、纺丝、预氧化、碳化、石墨化、表面处理等多个步骤，其中，每个步骤又包含多个工艺，每个工艺参数都会对最终碳纤维的结构与性能产生一定的影响。生产过程则涉及了高分子化学、高分子物理、物理化学、无机化学、高分子加工、自动化控制等不同的学科、技术交叉和融合，是一个复杂的系统工程，最终所得到的 PAN 基碳纤维结构和性能强烈依赖于每一个过程中的工艺控制和结构调控。

1.2.1 聚丙烯腈共聚物制备：聚合反应中参与物及设备是核心

聚合是指丙烯腈（AN）单体通过自由基链式聚合反应得到长链 PAN 的过程。聚合过程按照工艺流程先后顺序大致分为原料准备、聚合反应等。原料准备过程，制备 PAN 共聚物的原料包括单体、共聚单体、引发剂、链转移剂和溶剂等。

单体方面，丙烯腈（AN）是制备 PAN 共聚物的主要单体。由丙烯腈制得聚丙烯腈纤维即腈纶，其性能极似羊毛，因此也叫合成羊毛。丙烯腈与丁二烯共聚可制得丁腈橡胶，具有良好的耐油性，耐寒性，耐磨性，和电绝缘性能，并且在大多数化学溶剂，阳光和热作用下，性能比较稳定。

共聚单体方面，由于 PAN 均聚物在预氧化初始阶段温度较高，且会集中放热，从而导致预氧化过程工艺难于控制。此外，集中放热会导致原丝中 PAN 分子链的断裂，并形成大孔缺陷结构，影响生产工艺稳定性和碳纤维质量。在实际生产中，通常将丙烯腈与共聚单体进行共聚，以有效控制预氧化过程中放热反应，共聚单体的总含量一般在 5%左右。对于制备 PAN 基碳纤维而言，所采用的共聚单体大多为丙烯酸甲酯（MA）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、甲基丙烯酸（MAA）和衣康酸（IA）。

引发剂及链转移剂方面，国内外碳纤维生产厂商多采用偶氮类型的引发剂，其中偶氮二异丁腈（AIBN）为常用的引发剂，其主要作用是提供自由基与 AN 分子作用生成单体自由基进而完成链增长。根据《聚丙烯腈基碳纤维》一书数据显示，使用 AIBN 引发剂时，聚合温度一般控制在 55-65℃内，引发剂用量相对单体的质量浓度不超过 0.5%，最好在 0.3%以下。链转移剂又称分子量调节剂，是一种能够调节和控制聚合物分子量、分子量分布和减少链支化度的物质。在 AN 聚合时，采用醇类或者硫醇类作为链转移剂，且加入量相对单体 AN 的质量浓度控制在 0.1%-0.2%之间时，可显著调控聚合物 PAN 的分子量、支化度及提高可纺性。

溶剂方面，PAN 基均相溶液聚合可选用的溶剂可分为无机和有机两类，无机溶剂有硫氰酸钠、氯化锌、硝酸等，有机溶剂有二甲基酰胺、二甲基乙酰胺及二甲基亚砜。其中二甲基亚砜的腐蚀性相对较低，链转移常数较小，且毒性小且无金属残留，成为 AN 溶液聚合最常选用的溶剂。

原丝的质量对碳纤维的性能至关重要，而得到适宜的纺丝原液又是制备高性能原丝的必要条件，因此得到性能优异的 PAN 溶液成为影响后续工艺的源头。目前合成 PAN 共聚物的方法主要有溶液聚合（也称为均相溶液聚合）、水相沉淀聚合（也称为非均相溶液聚合）、水相悬浮聚合以及乳液聚合等。

碳纤维用 PAN 聚合产物主要有以下要求：（1）较高的平均分子量（需达到 10 5级），分子量分布在 2-3 之间并尽可能小一些；（2）含有理想的共聚单体，共聚单体的含量合适（摩尔分数约为 2%）；（3）含杂质尽量少及最少的各层次分子结构缺陷。因此，单体浓度、引发剂浓度、聚合温度、聚合时间和聚合搅拌形式等是影响聚合反应的因素。

聚合反应中，聚合设备是实施聚合反应的关键设备。先进、合理的反应器对提高产品质量十分关键。

溶液反应，由于所得的聚合液经过脱单及脱泡后可直接用于纺丝，故也称之为一步法。其聚合反应釜几乎都是搅拌釜式反应器。此外，聚合反应制得的不同批次原液在混合时，要混合均匀以减少各批次原液之间的差异、保证原液质量的稳定。

相较于溶液聚合反应，由于水相沉淀聚合工艺得到的是粉末状或者颗粒状 PAN 聚合物，而非可以直接纺丝的 PAN 原液，因而多了一道“溶解”工艺，故水相沉淀聚合工艺也被称之为二步法。目前水相沉淀聚合法得到的腈纶纤维质量好，因而更适合在工业中操作。

1.2.2 聚丙烯腈原丝制备：有效规避不同纺丝路线缺点是关键

碳纤维原丝是指用特定的高分子化合物（如丙烯腈）为原料，经过纺丝原液制备、纺丝和后处理等工序制得的化学纤维。在碳纤维制备过程中，PAN 原丝的结构与其性能有着非常密切的关系，而且是最终碳纤维结构形成基础和高性能的根本来源。原丝的各级结构将被有选择性的遗传至后续预氧化阶段直至碳化阶段中，因此要获得具有优异性能的 PAN 基碳纤维就必须控制好原丝的结构。

常见的 PAN 基碳纤维原丝的生产方式包括湿法、干喷湿纺（干湿）法等。湿法、干喷湿纺（干湿）法主要适用于需要经过溶剂溶解后方可挤出成丝的高分子聚合物。

湿法纺丝是开发时间最早、应用最广的一种方法。纺丝过程是从喷丝孔喷出的纺丝液进入凝固浴，发生传质、传热和相分离等物理变化，从而导致 PAN 析出形成凝胶结构的丝条。

干喷湿纺是适用于高浓、高粘的 PAN 溶液，最高可以适用粘度十几倍于通常湿法纺丝工艺所使用的 PAN 溶液。

原料方面，主要包括聚丙烯腈纺丝溶液、溶剂、沉淀剂、油剂等四部分。

PAN 原丝是 PAN 溶液通过纺丝得到，溶液纺丝是当今高性能 PAN 基碳纤维原丝制备的唯一工艺。一般而言，分子量越大，承载外力的能力越强，引发缺陷的概率越低。

溶剂可分为无机和有机两类，无机溶剂有硫氰酸钠、氯化锌、硝酸等，有机溶剂有二甲基酰胺、二甲基乙酰胺及二甲基亚砜。

PAN 溶液通过凝固过程转变为纤维，凝固过程需要沉淀剂，即 PAN 的非溶剂。常用的沉淀剂一般有水及其他小分子物质。

碳纤维的表面缺陷是影响其力学性能的重要因素之一，使用油剂的目的是减少碳纤维原丝及预氧化过程引入的表面缺陷，从而提升碳纤维的性能。

干喷湿纺是适用于高浓、高粘的 PAN 溶液，最高可以适用粘度十几倍于通常湿法纺丝工艺所使用的 PAN 溶液。

设备方面，纺丝装置、水洗装置、拉伸装置及辅助装置是主要的设备。

纺丝装置方面，纺丝机是整条纺丝生产线的关键设备，根据不同的纺丝方法选择适合的纺丝系统，其相关机械及电器自动控制也随工艺改变而改变。虽然不同纺丝方法选用不同的纺丝系统，但纺丝机、凝固浴、计量泵及温度控制器是必不可少的组成部分。

水洗装置方面，初生丝中含有一定量的溶剂，如果不把这些溶剂除去，容易导致纤维手感粗硬、色泽灰暗、发粘，干燥和热定型纤维容易发黄。

拉伸装置方面，凝固浴中形成的初生纤维凝固还不够充分，必须经过一系列的后续处理，对 PAN 纤维施加一定程度的拉伸过程，以消除纤维表面及内部的溶剂，确保纤维质量。通常拉伸装置包括水洗前的预拉伸及之后的废水拉伸和蒸汽拉伸装置。

辅助装置方面，上油装置、烘干致密化装置、热定型装置及收丝装置是较为常见的辅助装置，上油装置主要为了增加纤维的抗静电能力，并在预氧化时能耐高温；烘干致密化装置可消除内应力和纤维内存在的缺陷；热定型装置可改善纤维的超分子结构，提高纤维的性状稳定性和力学性能；收丝装置则将 PAN 原丝打包成辊。

1.2.3 聚丙烯腈预氧纤维制备：提高预氧化的效率是降本难点

PAN 原丝在 200-300℃的空气中加热，线型的 PAN 分子链转变为能耐高温的含氮的梯形结构的过程为预氧化。

预氧化过程中原丝受到牵伸力作用,聚丙烯腈线形分子结构转化为耐热的非塑性梯型结构，这也是其在碳化过程中能够耐上千度高温而不熔不燃的原因。预氧化过程主要发生环化、脱氢、氧化和裂解等反应,以脱除非碳元素。预氧化程度的表征参量有芳构化指数又称碳化指数、预氧化纤维的含水率、密度及极限氧指数。在预氧化过程,聚丙烯腈线形分子结构转变十分剧烈,极易产生缺陷,如果工艺参数控制不当会对碳纤维力学性能造成很大的影响,因此,控制好预氧化过程对改善碳纤维的结构和提高力学性能意义重大。控制预氧化阶段的参数有处理时间、处理温度以及牵伸力等。

预氧化温度、预氧化时间、预氧化张力、预氧化氛围及预氧化当量时间等是预氧化过程的主要影响因素。

预氧化温度及其梯度是 PAN 原丝预氧化工艺中最重要的控制因素，在很大程度上决定了纤维的预氧化程度及最终碳纤维的性能。在实际制备过程中，对于 PAN 原丝预氧化温度的设定，可参考 PAN 原丝的扫描量热差示分析（DSC）放热曲线。

预氧化过程 PAN 梯形结构的形成是一个复杂的化学反应过程，与普通化学反应类似，预氧化中发生的环化、脱氢和氧化反应具有很强的时间效应，反应的完成需要有一定的时间。合理控制预氧化时间对提高生产效率、降低生产成本极为重要。

在 PAN 原丝预氧化过程中，纤维会产生一定的收缩，这是由于原丝在热作用下解取向和聚合物大分子链环化反应引起的，因而会产生相应的应力。在一定的张力作用下进行预氧化处理是制备高性能碳纤维的必要条件，其目的在于防止聚合物分子链的松弛以保持取向结构。

PAN 原丝的预氧化通常在空气氛围中进行，但空气中的湿度会影响其预氧化效果。一方面，空气湿度可以对原丝起到塑化作用，有利于纤维在张力作用下的择优取向，另一方面，空气湿度对原丝起到钝化作用，阻碍大分子链段的构象调整，因此在工业生产中需要控制气氛的湿度并保持稳定。

设备方面，送丝装置及预氧化装置是主要的设备。供丝机具有张力控制装置以保证丝张力稳定，避免造成原丝单丝供丝不均匀，提高了 PAN 基碳纤维的生产工艺质量。根据设计产能的不同，一条大型碳纤维生产线通常有 6-8 台大型预氧化装备，以满足不同丝束的工艺要求。

1.2.4 聚丙烯腈碳纤维制备：依据下游需求合理选择对应方式

碳化过程在专门的碳化炉内进行并需要惰性气氛。将预氧化丝从 400℃逐步加热到 1600℃，经过低温碳化（400-1000℃）和高温碳化（1100-1600℃）两个阶段。在碳化过程中必须施加一定牵伸张力，从而可以优化碳分子的结晶，以生产出含碳量超过 90％的碳纤维。

该环节主要包括碳化、高温石墨化、表面处理及上浆处理等步骤。 PAN 原丝在经历了预氧化反应以后，形成的预氧化纤维具有耐高温的梯形结构，但此时纤维内依然是有机物组成，含碳量较低，N、H、O 等杂原子占据很大比例，碳化过程的作用就是将纤维中非碳元素脱除，由有机物向无机物的转变，最终形成六角网状类石墨结构的 PAN 基碳纤维，在此过程中一般分为两个阶段，即低温碳化和高温碳化，两个阶段都在惰性气氛（一般为高纯氮气）保护下进行，防止高温下与空气发生副反应。碳化温度、碳化时间及碳化张力是主要影响因素。

碳纤维的石墨化处理是指将碳纤维在 2200–3000℃的氩气氛围中进行热处理的过程。在石墨化过程中，碳纤维中无规结构的碳转化为三维石墨结构，同时伴随着高温热解，在如此高的温度下，氮气可以和碳发生反应生成氮化物，因此不能使用氮气作为保护气体。石墨化得到的碳纤维中碳含量在 99%以上。石墨纤维相比碳纤维密度增加，伸长率减小，拉伸模量升高，同时导电、热稳定和导热性能进一步提高。热处理温度的升高有利于提高石墨结构的有序度、厚度和面积，通常表现为石墨晶体结构沿纤维轴向方向增大，石墨晶体的面间距减小，纤维中微孔的含量增加，同时纤维的模量增大。模量的增大主要来源于高温处理时纤维的石墨化程度提高，纤维中形成更加有序的石墨结构。

表面处理目的是在处理后纤维表面活性增加，从而提高可用于界面纤维/基体粘结的表面积，并添加反应性化学基团等增强碳纤维与基体间的结合。

上浆是碳纤维经过表面处理后收绕成卷成为碳纤维成品前的最后一道工艺工序。其主要作用是对碳纤维进行集束，类似于粘合剂使碳纤维聚集在一起，改善工艺性能便于加工，同时起到保护作用，减少碳纤维之间的摩擦，使其在后续收卷、包装、运输过程中减少对纤维的损失。

设备方面，碳化装置、石墨化装置、表面处理装置及上浆装置是主要设备。碳化工艺和预氧化工艺一样，常采用多段碳化和多段牵引工艺，目前国内常用的是二段碳化和二段拉伸工艺，低温碳化炉和高温碳化炉有一定区别。影响碳纤维石墨化的关键因素在于石墨化设备及高温热处理技术。目前国内外大规模生产厂商上普遍采用的碳纤维石墨化设备多为高温管式石墨化电阻炉。碳纤维表面处理很多，主要有气相氧化、液相氧化、电解氧化、等离子体处理及涂层处理等方式。碳纤维的上浆方法主要有转移法、浸渍法和喷涂法等，其中常用的是浸渍法。

1.3 其他类基体碳纤维：特定领域满足特定需求

1.3.1 沥青基碳纤维：弥补 PAN 基碳纤维不能及的高技术领域

沥青基碳纤维以石油沥青或煤焦油沥青为原料，经沥青精制、纺丝、预氧化、碳化或石墨化等工艺过程，生产出具有弹性模量高、优异的导热率、遇热不易膨胀等性能的沥青基碳纤维。一般地，沥青基碳纤维分为通用型和高性能型沥青基碳纤维，然而通用型沥青基碳纤维对原料的预处理要求不高，所以主要应用于体育、吸附剂等民用方面。高性能型沥青基碳纤维的原料不同，主要为中间相沥青，石墨晶体有序度高，因此具有十分突出的热导率和模量，是性能优异的热管理材料被应用于航天、卫星、雷达等军用领域。

市面上 PAN 基碳纤维的最高抗拉强度为 6500 MPa，拉伸模量范围从 230 到 300 GPa 为标准类型，高模量型最高可以到 600 GPa。对于沥青基碳纤维，模量可以从 50 GPa 到 900 Gpa 以上。以中间相沥青为起始材料制备的碳纤维具有定向石墨层纤维轴，石墨晶体通过位于石墨层内方向(称为“a”方向)的碳碳双键具有极高的强度和刚性，这种晶体结构反映在最终碳纤维的强度和刚性上，此外极低的热膨胀系数和极高的导热系数，也是体现在“a”方向上的特性。相反，各向同性的沥青，在“a” 方向上，没有足够的结晶度，所以只能表现出低模量和低导热性能。沥青基碳纤维的这些特性，与传统的 PAN 基碳纤维有很大的区别。可以通过控制沥青原料特性以及纺丝工艺条件，来控制最终沥青纤维的性能，来制备规格多样化的沥青纤维。

由于沥青基碳纤维的热膨胀系数为负，通过与其他基质的结合，可以很容易地实现零热膨胀系数的材料。沥青基碳纤维作为利用其高导热性和负热膨胀系数的新应用领域，被广泛应用于卫星的天线反射器和太阳能电池板等部件。其高导热性在电子设备领域也有广泛的应用，如热接口、高导热性线路板等。

通用级碳纤维是由各向同性沥青制备而成，高性能碳纤维则是由中间相沥青制备而成。其制备工艺与 PAN 基纤维略有不同，主要包括原料调制、熔融纺丝、预氧化、碳化、石墨化及表面处理。

在制备流程与 PAN 基碳纤维不同的工艺过程为沥青的调制过程。沥青化学成分相对复杂，因此需要经过一系列的净化及纯化处理，改善其流变性能及调控分子量以满足纺丝要求。其中，供氢溶剂加氢法存在加氢程度不深、无法有效脱除杂原子、供氢溶剂成本高昂等问题，造成其工业化规模极低。

各向同性沥青的制备方法包括减压搅拌热缩聚法、刮膜蒸发器法、空气鼓入氧化法、硫化法等。各向同性沥青制备的本质是在热解反应过程中，体系发生脱氢、交联、缩合等反应，除去沥青中的轻组分，形成高软化点缩合物，同时抑制各向异性结构的产生。

高性能沥青基碳纤维制备的关键就在于可纺性中间相沥青的制备，要求中间相沥青即具有高度各向异性，又具有良好的纺丝性，因此，必须选择合适的中间相沥青制备方法。中间相沥青制备的本质是在热解过程中，体系发生裂解、脱氢、缩合等一系列反应，形成相对分子质量在 370-2000 之间的具有各向异性结构的向列型液晶物质。

调制好的沥青在纺丝之前要进行充分过滤和脱泡，除去一切杂质和气泡，因为它们的存在严重影响纺丝和碳纤维的力学性能。沥青纺丝可以采用一般合成纤维工业采用中常用的熔融纺丝法，如喷吹法、挤压式、离心式、涡流式等。

纺丝压力和纺丝速率也是纺丝工艺中重要的影响参数。纺丝压力太小，熔体流量难以满足纺丝的连续性，容易发生断丝现象；纺丝压力太大，所得纤维直径太粗又会导致纤维物理性能的大大降低纺丝速率，对纤维的直径及取向度产生影响；纺丝速率越大，纤维受到的牵伸力增大，取向度越高。沥青熔体固化速度很快，且固化后由于纤维本身的脆性难以再次牵伸，因此为得到性能较高的碳纤维，在纺丝阶段需要对纺丝压力和纺丝速率进行调控，得到合适直径的纤维原丝。

沥青纤维必须通过碳化，充分除去其中非碳原子，最终发展碳元素所固有的特性；但由于沥青的可溶性和粘性，在刚开始加温时就会粘合在一起，而不能形成单丝的碳纤维，所以必须先进行碳纤维的预氧化处理。另外预氧化还可以提高沥青纤维的力学性能，增加碳化前的抗拉强度。沥青纤维在氧化过程中发生了十分显著的化学变化和物理变化,其中最主要的变化是分子之间产生了交联，使纤维具有不溶解、不熔融的性能。目前，预氧化有气相法和液相法两种，气相法氧化剂通常采用空气、 NO2、SO3、臭氧和富氧气体等；液相法氧化剂采用硝酸、硫酸、高锰酸钾和过氧化氢等溶液。

不熔化后沥青纤维应送到惰性气氛中进行碳化或石墨化处理，以提高最终力学性能。碳化是指在1200℃左右进行处理，而石墨化则是在接近3000℃的条件下进行。碳化时，单分子间产生缩聚，同时伴随着脱氢、脱甲烷、脱水反应，由于非碳原子不断被脱除，碳化后的纤维中碳含量可达到 92％以上，碳的固有特性得到发展，单丝的拉伸强度、模量增加。随着碳纤维应用领域的拓宽，比如说将其组装成锂离子电池和超级电容器，使得对其性质的要求更高，于是进一步石墨化便变得不可缺少，进一步增加碳含量。

1.3.2 粘胶基碳纤维：航天工业及尖端军工技术领域专用纤维

粘胶基碳纤维是指以粘胶纤维经过预氧化、碳化所制备的碳纤维。粘胶纤维是一种再生纤维素纤维，又称人造丝，它是利用天然纤维，如木材、麻和棉花等，经制浆粕、磺化、熟化和纺丝等处理而成。与聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维相比，粘胶基碳纤维具有独特的性能。粘胶基碳纤维密度较低，制造的构件更轻。粘胶基碳纤维石墨化程度较低，导热系数小，是理想的隔热材料。粘胶基碳纤维碱金属及碱土金属含量低，飞行过程中因燃烧产生的钠光弱，不容易被雷达发现。粘胶基碳纤维生物相容性好，可以用于制造医用生物材料，如医用电机、韧带、骨夹板和假骨等。

但是，粘胶基碳纤维也有一些不足，最主要的就是在实际生产过程中，往往会因操作条件难以控制，生成左旋葡萄糖等副产物造成实际碳收率较低，碳纤维强度不理想。因此，该材料目前只用于航空航天非承压部件及民用领域。美国阿拉巴马大学开发出一种新型、绿色的可用于针对火箭喷嘴处烧蚀和隔热的碳纤维材料制备方法，该方法已获专利授权。这种全新的“绿色”离子处理工艺是可靠性与失效分析实验室开发。为制备固体燃料火箭喷嘴，可在碳化的粘胶基碳纤维层合织物上涂覆沥青并进行芯轴缠绕，经热处理使表面的沥青转变成固体碳，最终得到由碳纤维增强复合材料制备的喷嘴。用于航天飞行助推器的单型固体火箭发动机的碳纤维用量可达 35t。

粘胶纤维转化为碳纤维是十分复杂的物理化学反应,其脱水和热裂过程主要可粗略地划为四个阶段：

第一阶段(25-150℃):主要脱掉物理吸附的水分。粘胶纤维物理吸附的水分大约在 10%-14%之间,低温脱除掉这些水分有利于高温脱除结构水。

第二阶段(150-240℃):主要是分子结构内脱水,生成含有羟基、酮基、烯醇基或羧基的链段(片)。

第三阶段(240-400℃):为激烈反应区,主要有两个竞争反应。一是,1,4-苷键热裂生成脱水环,l,6-键脱水生成左旋葡萄糖,并在较高温下转化为焦油; 二是,脱水纤维素环进一步深层次地脱水生成脱水纤维素,环内热稳定性差的 C-C 键和 C-O 键热裂生成碳四残链。

第四阶段(400-700℃):进行碳四残键的芳构化,缩聚为六碳原子的石墨层片。当温度高于 700℃时,缩聚层面迅速增大,排列逐步有序化,转化为乱层石墨结构。

强化脱除羟基是结构转化的关键。在纤维素的化学结构中有三个羟基、氧杂环中氧原子和苷键氧含氧量高达 49.39%。在实际转化过程中，未脱水部分转化为左旋葡萄糖及焦油，热裂而逸走的小分子挥发产物 CO、CO2、HCOOH、CH4等也会带走碳原子。特别是左旋葡萄糖和焦油的生成不仅使碳收率降低，而且对纤维造成严重污染，导致单纤维之间的粘连，碳化后变硬发脆和断丝。因此，如何有效地抑制左旋葡萄糖的生成是一技术关键。

抑制左旋葡萄糖生成的关键是充分脱水。为使充分脱水，采用催化脱水剂是行之有效的方法，也是目前生产粘胶基碳纤维普遍采用的方法。引入催化脱水剂的作用主要是降低热解热以及使结构脱水、热解反应向低温侧移动，从而缓和了热解和脱水反应，给生产工艺参数的控制带来许多方便。从这种意义上来讲粘胶纤维的催化脱水剂引入的作用类似 PAN 树脂的共聚引发单体（如衣康酸等）。

粘胶纤维生产碳纤维的工艺流程与 PAN 基碳纤维的流程相比增加了两段工序, 即水洗和催化浸渍。无疑,这将增大粘胶基碳纤维的生产成本。粘胶纤维经水洗和催化浸渍后,再经预氧化和碳化工序就可转化为碳纤维。催化浸渍和预氧化处理是制造粘胶基碳纤维的重要工序,是有机粘胶纤维转化为无机碳纤维的关键所在。

催化浸渍。催化浸渍主要是浸渍催化脱水剂。对无机催化脱水剂的浸渍量一般为 20％-62％，有机催化脱水剂的浸渍量一般为 2%-20%。

预氧化工序。预氧化工序主要是在催化剂的作用下进行脱水、热裂和结构转化，使白色粘胶纤维转化为黑色预氧丝，并赋予其阻燃性。预氧化炉的温度分布梯度相当重要，要根据纤维的 TG 和 DTG 谱图来确定。分析测试数据表明由粘胶纤维转化为预氧丝后抗拉强度下降74%-84%，含氧量下降到40%- 50%。这表明结构与性能发生了本质性变化。

低温碳化工序发生的反应主要是深度脱水、热裂和芳构化，此时逸出的废气和产生的焦油相当多。因此，如何瞬时排出废气和焦油成为一个重要的设计参数。

高温碳化工序产生的废气和焦油就少得多，废气的主要组成是缩聚、芳构化的小分子挥发物，如 H2、CH4、C2H6、C2H4以及 CO、CO2等。

2 应用端：极致的性价比是永恒的目标

2.1 性能角度：与其他材料复合实现性能互补共振是大趋势

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。碳纤维复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。碳纤维复合材料是一种两相复合材料，是由有机纤维转化而成，其具有优异的力学性能，同时还具备碳材料的原本特性，属于一种新型增强纤维。

2.1.1 碳纤维+聚合物：中高温下金属材料最佳替代者

以各种聚合物材料为基体的碳纤维复合材料统称为碳纤维聚合物基复合材料，也可称为碳纤维树脂基复合材料。按照树脂基体材料的性能可将复合材料分为通用性树脂基复合材料、耐高温型树脂基复合材料、耐化学腐蚀型树脂基复合材料以及阻燃型树脂基复合材料等。按照聚合物材料机构形式划分可分为热固性树脂基复合材料、热塑性树脂基复合材料及橡胶基复合材料。高比强度、高比模量。高强高模碳纤维/环氧树脂的比强度是钢的 5 倍、铝合金的 4 倍。耐疲劳性能好。树脂基复合材料的疲劳极限可达其拉伸强度的 70%-80%。耐烧蚀性能好。树脂基复合材料的界面有很好的阻尼功效，减震能力强。加工工艺性好。树脂基复合材料可以采用多种成型方法制造，工艺技术相对简单。

聚合物基复合材料的制备、成型工艺与其他材料相比具有鲜明特点。聚合物基复合材料的形成与制品的成型是同时完成的，该材料的制备过程也就是其制品的生产过程，因而可以使得大型的制品一次整体成型，从而简化制品结构，减少了组成零件和连接件的数量，进而减轻制品质量并降低工艺消耗。其次，由于树脂在固化前具有一定的流动性，纤维又很柔软，依靠模具容易形成要求的形状和尺寸，因此树脂基复合材料的成型较为方便，可制造单件和小批量产品。聚合物基复合材料的制造大体包括预浸料的制造、成型及制件的后处理与机械加工。预浸料是树脂基体（热固性或热塑性）在严格控制条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物，是制备复合材料的中间材料，可广泛用于手糊成型、自动铺层或缠绕成型等复合材料制备工艺中。目前世界上大部分碳纤维都是以预浸料形式应用的，复合材料制品的力学及化学性质在很大程度上取决于预浸料的质量。但预浸料一般在低温下储存以保证使用时具有合适的粘度、铺覆性和凝胶时间等工艺性能。成型工艺方面，手糊成型、热压罐成型、模压成型、缠绕成型、拉挤成型及树脂传递成型为使用较为普遍的方式。

加工方面，由于结构的特殊性，碳纤维增强树脂基复合材料通常直接纺织成产品形状，但很多情况下纺织成型的产品并不能很好地满足精度或者装配的要求，因此还需对其进行二次加工。现阶段已经存在多种比较成熟的 CFRP 的加工方式，其中应用最为广泛的就是机械加工。机械加工 CFRP 经过长时间的发展已经具备了成熟的加工工艺和专用的加工设备，基本能够满足使用要求，但随着应用的规模化，高精加工的需求越来越多，机械加工 CFRP 显现出了一些弊端：加工时材料本身的结构会被破坏，造成纤维断裂，还伴随有切削热损伤问题，同时刀具的严重磨损增加了生产的成本。超声振动辅助加工、电火花加工、水射流加工及激光加工等方式逐步被开发利用。

2.1.2 碳纤维+金属：可有效改善金属材料的高温性能

以金属、合金和金属间化合物为基体、以碳纤维为增强体，通过浸渗、固结工艺制作而成的复合材料称为碳纤维金属基复合材料。基体一般在连续纤维增强金属基复合材料中占据50%-70%体积，在短纤维增强金属基复合材料中占据70%以上体积。典型的碳纤维强化金属复合材料有：碳纤维-银复合材料、碳纤维-铜复合材料、碳纤维-铅复合材料、碳纤维-铝复合材料。

树脂基复合材料通常只能在 350℃以下的不同温度范围内使用，金属基复合材料则适用于 350℃～1200℃温度区间。铝、镁及其合金使用温度在 450℃以下，钛合金使用温度在 450-650℃之间，金属间化合物、镍基、铁基耐热合金使用温度在 650- 1200℃之间。碳纤维/金属基复合材料的制备方法分为两大类：固态法、液态法，但两种方法均需要对纤维进行表面处理或制作纤维/基体预制丝。纤维增强金属基复合材料的制造较困难，需要考虑增强材料的排布，界面反应、经济性及残余应力等多方面的因素。为了顺利地进行最终成型，做出质量强度等性能优良的纤维增强金属基复合材料制品，其成型方法大致有四种路线，分别是纤维直接编织成型、纤维经表面处理成型、纤维制成预制带与金属基体复合成型、纤维与基体制成复合预制带然后成型。

碳纤维的表面性能取决于其粗糙度的大小、活性官能团的种类和数量的多少、微晶结构尺寸的大小以及酸碱相互作用的强弱等。从碳纤维表面形貌上看,其表面有很多微孔、异物、晶体等，这些是影响复合材料中基体与增强体之间的结合性能的重要因素。未经处理的碳纤维表面光滑、化学惰性大、表面能低、活性官能团（羟基、羰基等极性官能团）极少，与复合材料中的基体浸润性差，从而降低复合材料的界面结合能力，阻碍增强纤维性能的最大化表现。而经表面处理后，碳纤维增强材料的力学性能（如层间剪切强度、界面剪切强度）会提高，目前常用的表面处理方法有：气相氧化法（空气、臭氧、惰性气体）、液相氧化法（浓硝酸、混合酸和强氧化剂）、阳极氧化法（电化学氧化）、等离子体氧化法（等离子体氧、等离子体氨）、表面涂层改性法以及采用两种或两种以上方法对碳纤维进行表面处理的复合表面处理法。

固态法是指基体金属基本上处于固态。由于固态法的制造温度低，所以金属基体与增强体之间的界面反应不严重。常用的方法有粉末合金、固态热压法、热等静压法、轧制法、热挤压法、热拉拔法和爆炸焊接法等。

液态法是指基体金属基本上处于熔融状态下与固态的增强体复合的制造方法。液态法的制造温度较高，在制造过程中须严格控制浸渍温度、液态基体与固态增强体的接触时间等工艺参数。液态法包括真空压力浸渍法、挤压铸造法、搅拌铸造法、液态金属浸渍法、共喷沉积法、热喷涂法等。

制造碳纤维增强金属基复合材料的主要技术难点是界面结合，难以形成稳定有效的界面结合，导致复合材料的整体性能下降，限制了碳纤维/金属基复合材料的推广应用。

纤维增强金属基复合材料的界面类型可分为五类：简单的机械琐合：基体与增强体之间无化学反应，如铜/钨丝、铜/碳纤维、铝/碳化硅等，单纯靠机械连接。这种是单纯靠表面粗糙形态产生的摩擦力实现的。溶解与浸润结合：液态金属浸润增强纤维，发生扩散、溶解、结合，形成犬牙交错的溶解扩散型界面。比如镍/碳纤维等。但纤维表面常常有氧化物膜，往往需要进行纤维表面改性，才能互溶增强结合力。反应结合：即发生化学反应，在界面上生成化合物。这类界面结合层往往不是一种化合物，厚度一般为亚微米级。交换反应结合：纤维与金属基体发生化学反应，生成化合物，还通过扩散发生元素交换。混合结合：纤维增强金属基复合材料的结合往往不是单一的一种结合方式，而是以上四种的几个。

2.1.3 碳纤维+陶瓷：理想的高温结构材料及摩擦材料

碳纤维陶瓷基复合材料将整体式陶瓷的耐热和耐化学性与碳材料的机械强度结合在一起。陶瓷一类的无机材料在耐热、抗氧化、耐磨、耐腐蚀、电性能等方面有很多突出的优点，但是抗机械冲击、抗热震性能较差，“脆性”是致命的弱点。用碳纤维与陶瓷组成复合材料能大幅度地提高断裂功和抗热震性能，改善陶瓷的脆性。而陶瓷又保护了碳纤维，使它在高温下不受氧化，因而具有很高的高温强度和弹性模量。如碳纤维增强的氮化硅陶瓷可在 1400℃的温度下长期使用，可用作喷气飞机的涡轮叶片。

按照纤维在陶瓷基体中的排布方式的不同，可将其分为纤维单向增强及纤维多向增强复合材料。单向长纤维增强复合材料具有各向异性，一般具有良好的抗热震性能，因而在航天器放热部位有着广泛的应用前景。多向长纤维增强复合材料在多个维度上具备均有较高的性能，可用于平板构件或者曲率半径较大的壳体构件。短纤维增强复合材料具有一定的各向异性，可制作高性能的复合材料。

陶瓷基复合材料的制造通常分增强体材料掺入未固结的基体材料及基体固结两个步骤，普遍采用的技术是料浆浸渍工艺后再热压烧结。连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要制造方法有料浆浸渍及热压烧结、原位化学反应法、直接氧化沉积法、先驱体热解法、熔融浸熔法和反应烧结法。短纤维增强陶瓷基复合材料的制作流程可以包括为：短纤维分散→纤维与基体材料混合→成型→烧结→制品。成型方法常采用加压渗透法、反应烧结、热等压烧结、微波烧结等。碳纤维陶瓷基复合材料具有两个主要缺点。其一是，大多数多晶陶瓷纤维的热稳定性太低，无法在高于 1200℃的温度下使用；其二是，用碳纤维或碳间相制成的碳纤维陶瓷基复合材料的抗氧化性低。针对第一个缺点，大多数从基体类别及工艺进行改进，而第二个缺点则可从碳纤维的改性、基体的抗氧化、界面层的抗氧化和表面涂层切入进行改善。

2.1.4 碳纤维+碳材料：超高温下结构-功能一体化材料

C/C 复合材料是一类以碳纤维为增强体骨架、以碳为基体经过液相法或气相法制备而成的复合材料。它不仅具有炭素材料优异的耐烧蚀、高温强度高等特点，而且具有纤维增强复合材料可设计性强，优异的力学、热物理和抗热冲击性能，是唯一能够在 2500℃以上保持较高机械性能的材料。自 1958 年被首次发现至今，C/C 复合材料以其突出的综合性能，一直被认为航空航天领域首选的高温热防护材料，被广泛应用于战略导弹弹头端头、发动机喷管、航天飞机鼻锥/前缘、高超声速飞行器鼻锥等关键热端部件。

C/C 复合材料的制备分为碳纤维选择、预制体成型、致密化、石墨化处理等步骤。

碳纤维选择方面，应根据材料的服役环境、用途等使用需求选择合适的 CF、设计合理的预制体空间结构制备 C/C 复合材料，不同种类的碳纤维和不同结构的预制体（纤维束的取向、纤维的体积含量等），材料的性能表现具有显著的差异。故应该保证所选择的碳纤维能够满足其特殊使用要求，如需满足不同需求，也可将不同类型的碳纤维束交叉混用。

预制体成型工艺应根据产品的使用需求确定，比较常见的成型工艺包括：短纤维模压、织物叠层、三维编织、Novoltex 技术等。

致密化即将基体碳填入到预制体内部的孔隙，常用方法有化学气相沉积法、高压液相法。其中高压液相法因可将致密化周期由几个月缩短至几小时而备受关注。

C/C 复合材料在 400℃以上开始氧化，严重制约了其在高温有氧环境下的长时间可靠使用，目前常用的方式有基体改性技术及抗氧化涂层技术。基体改性技术，在 C/C 复合材料内部添加抗氧化组元，利用“吸氧+阻氧” 热防护机制可以大幅提高 C/C 复合材料的抗氧化性能与抗烧蚀性能。抗氧化涂层技术即通过在 C/C 复合材料外表面形成有效的氧化防护涂层，将环境氧与材料隔离，避免材料因氧化烧蚀导致力学性能下降和外形变化。由于工艺简单、周期短，抗氧化涂层的抗氧化防护效果、耐温等级、自愈合能力等决定了 C/C 复合材料所能使用的温度等级和环境。

2.2 价格角度：工艺设备革新及回收推动成本下降是主旋律

2.2.1 成本端：工艺设备及规模是其成本控制的核心

碳纤维产品制备环节，按照生产流程来看，根据产业信息网数据，原丝制备环节成本占比最高，达到 51%，其次是碳化，成本占比约为 23%。按照成本要素来看，原材料及燃料成本占比均达到了 30%。

碳纤维复合材料制备环节，不同阶段产品价格大幅增值，同一品种原丝的售价约 40 元/公斤，碳纤维约 180 元/公斤，预浸料约 600 元/公斤，民用复合材料约在 1000 元以下/公斤，汽车复合材料约 3000 元/公斤，航空复合材料约 8000 元/公斤，每一级的深加工都有大幅度的增值。从国内上市公司报表角度，原丝端以主营碳纤维原丝的吉林碳谷为例。吉林碳谷在招股书中指出公司主要产品碳纤维原丝生产过程中直接材料占比最大，材料中以丙烯腈及油剂为主，丙烯腈及油剂成本占总材料成本的 90%左右。

碳纤维端以主营碳纤维的中复神鹰为例。中复神鹰在招股书中指出碳纤维生产所需的原材料和能源消耗较多，且具有占地面积大、设备价值高的特点，导致折旧摊销费用较大，因此主营业务成本主要由直接材料、制造费用构成。

碳纤维复材端以拥有碳纤维复材的恒神股份为例。恒神股份在招股书中指出通过对碳纤维复合材料的成本结果分析，最大的成本空间是在复合材料结构件的设计和制造工艺上。

从各环节来看，丙烯腈价格、纤维制造、制品设计制造及能耗是主要成本点。丙烯腈方面，根据恒神股份招股书披露，丙烯腈为石油化工产品，采购价格受国际石油价格波动影响。石油为大宗商品，其价格受供需关系、世界经济政治环境等多重因素影响。故丙烯腈成本碳纤维企业难以自我控制。

制造费用方面，根据中复神鹰招股说明书披露，制造费用高主因在于碳纤维生产所需设备价值较高，折旧金额较大，一般通过工艺改进、规模效应来尽可能降低成本。对于规模效应而言，生产 1kg 碳纤维需要消耗 2.2kg PAN 原丝，即生产 500t 碳纤维需配备 1100tPAN 原丝生产能力。在碳纤维生产制备过程中，即使规模很小，其辅助工程、生产装备也必须齐全，因而规模效益在碳纤维生产制备过程中显得异常突出。

制品设计制造方面，碳纤维复合材料结构成型与材料成型同时完成，下游产品性能受纤维与树脂匹配性、工艺性等影响较大，因此必须发展由原丝到碳纤维再到复合材料的全产业链。下游产品的开发，要与碳纤维的研发形成一个良性互动的过程。在“生产→应用→改进→扩大应用→提高→稳定”循环中发现问题，解决问题，从不稳定到逐步稳定。一般通过工艺改进来降低成本。

能耗方面，生产过程需要高温加热环节，因而耗用大量燃料动力。考虑到天然气、电力、蒸汽等价格由政府统一调控，价格相对稳定。因而碳纤维企业一般通过工艺改进来进行降本。

2.2.2 纤维端：吃透工艺设备、降低能耗是主切入点

工艺设备方面，工艺没有绝对的优劣之分，吃透工艺原理、设备才能掌控定价主动权。碳纤维原丝制备及碳纤维制备方法多种多样，每一种工艺均存在优劣势，如何合理的规避工艺、设备的缺点成为关键。以近期上市的中复神鹰为例，工艺方面，招股书披露，公司“干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用”成果荣获 2017 年度国家科学技术进步一等奖，为国内碳纤维领域唯一获得该项殊荣的企业，奠定了公司在国内碳纤维领域的技术领先地位。

设备方面，招股书披露基于保护公司核心利益等因素的考虑，公司不宜从其他方采购聚合釜、纺丝机等公司拥有核心工艺技术的关键设备，同时，江苏鹰游生产的碳纤维机器设备仅向公司销售。

回顾全球企业，从专利申请可以看出碳纤维企业始终专注于工艺设备革新。1980 年开始，国外碳纤维技术步入发展期，每年专利申请量均超过 60 件，且在 1989 年达到 341 件之多;20 世纪 90 年代，日本经历经济萧条、美国遭遇经济危机，该领域的专利申请数量出现下降趋势;2000 年之后，国外碳纤维技术逐步恢复发展，并逐步进入快速发展阶段。中国 1985 年开始建立专利制度，因此在 1985 年之前没有专利申请;1985—2000 年，我国碳纤维专利技术初入萌芽期，每年专利申请量均不超过 5 件。2000 年之后，全球碳纤维技术领域专利申请量开始呈现增长态势，尤其是 2010 年之后，我国专利申请数量急速增长，每年专利申请量超过 300 件，标志着我国碳纤维技术迈入快速发展期。

海外企业以三菱丽阳为例，三菱丽阳公司 2007 年以来的专利申请涉及了制备过程中的各个环节，其中控制原丝质量、碳纤维质量占比非常大;碳纤维设备包括喷丝 /拉丝设备、热处理设备(碳化炉、石墨化炉)、预氧化炉、包装设备等，是实现碳纤维生产并进一步提高碳纤维质量的关键要素;随着聚合工艺的发展，与原液可纺性相关的研究例如共聚单体改性、聚合体系中引发剂的选择、共混改性、聚合工艺参数的选择、聚丙烯腈产物的分子量/PDI 的控制、聚合溶剂的选择、聚合具体工艺等逐渐趋于成熟，但仍有部分专利涉及相关工艺的完善。

能耗方面，预氧化时间约占生产总时间 90%以上。所以预氧化工序是控制产量和生产成本的关键。因此在保证质量的前提下，如何缩短预氧化时间是当前难点。在聚丙烯腈基碳纤维制备过程中，预氧化是决定碳纤维各项指标的关键步骤之一。温度和时间是预氧化过程中 2 个最为重要的参数，在工艺制定过程中，需要综合考虑温度和时间的影响，预氧化不仅控制碳纤维的产量，同时也控制碳纤维的质量。

工艺方面，如何缩短预氧化时间的同时降低皮芯结构的生成，对碳纤维生产成本的降低以及性能的提高具有十分重要的意义。

设备方面，目前工业化生产中的预氧化处理设备多为热风循环式预氧化炉，通过热风循环系统能够多次利用热风，减少热能量损失。已知为防止预氧化处理过程中单纤维间发生熔接，会采取给予前体纤维丝束油剂的方法，但油剂在预氧化热处理过程中易挥发，所产生的杂质长期滞留在热风循环系统内难以排出，很容易粘附在纤维丝上从而导致在后续碳化过程中发生起毛、单纤维断裂。如果不及时对预氧化炉内加以清洗，可能会导致排风口处用于风速整流的多孔板发生堵塞，阻碍热风循环，轻则引发断纱，重则导致火灾。但对预氧化炉进行清洗，需要停止设备的运行，十分影响生产效率，且清洗费用庞大。

2.2.3 制品端：新型工艺及设计制造一体化未来可期

当前复合材料低成本化技术发展方向主要有非热压罐成型工艺(Out-ofautoclave，简称 OOA)、液体成型工艺、快速固化成型技术、低温固化成型技术及设计制造一体化技术等，其中快速固化成型技术是当前发展的有效降低成本、提高效率的成型技术，具有非常重要的工程应用价值。据估算复合材料制造成本占总成本 50%以上，成本高的主要原因是原料贵、成型周期长、能耗大、生产效率低、工艺辅料昂贵等。根据《低成本非热压罐工艺在飞机复材结构上的应用》一文披露，对于采用热压罐固化的先进复合材料结构，材料成本占总成本约 15%左右，设计成本仅占总成本的 5%，其余成本大部分为复合材料铺贴、固化、修切和装配等制造成本，制造成本通常占复合材料制件总成本的 70-80%。美国飞机制造商统计结果表明，在复合材料产品成本比例中，铺层占 25%、装配占 45%、固化占 10%，可以看出，复合材料产品成本集中于与人工密切相关的部分。

非热压罐成型工艺(Out-of-autoclave，简称 OOA)技术方面，在复合材料构件快速发展应用及低成本、超大型的制造需求下，低成本的非热压罐成型技术已经成为复合材料领域的核心问题。而在众多非热压罐成型技术中，非热压罐-预浸料技术的铺贴和包覆过程与热压罐工艺相近，只是将固化场所转移到造价更便宜、尺寸受限更小的烘箱或固化炉中，基本继承了热压罐成型工艺的优点，被认为是最有可能大规模实现的非热压罐成型技术。

OOA 树脂相比于热压罐成型树脂自身挥发物含量应该更低、流变行为更精细可控。因此在树脂制备过程中，尽量采用真空条件制备，尽可能除去树脂体系中夹杂的空气、水汽和易挥发物，如果需要保存，则注意密封。

OOA 预浸料在浸渍程度和室温储存期两方面应具备更高的要求。此外，另外， OOA 成型技术突破了热压罐尺寸限制，适合于制造大型和超大型结构件，考虑到制造工期，预浸料应具备更长的室温储存期，目前主流 OOA 预浸料室温储存期一般都不少于 30d。

真空固化成型工艺步骤基本与热压罐固化工艺步骤相同，但需在预浸料铺覆时尽量减少夹杂、包裹气体，国际上常用的做法是长时间的预压实过程，每铺覆几层，即抽一次真空压实一定时间，尽可能多地排除铺层中夹裹的气体。但预压实过程并非必需步骤，可以用较低温度的短时恒温来替代漫长的预压实过程。

液体成型工艺（Liquid Composite Molding，LCM）是将液态树脂（或加热熔化预置的树脂膜）注入铺在模具上的纤维预成型体，树脂在流动的同时完成纤维的浸润并经固化成为制品，可以省略预浸料加工、预浸料低温储存和使用昂贵的热压罐 3 道工艺过程。LCM 工艺主要包括三大类：即树脂传递模塑成型（Resin Transfer Molded，RTM）、真空辅助树脂渗透成型（Vacuum Assisted Resin Infusion，VARI）和树脂膜渗透成型（Resin Film Infusion，RFI）。RTM 的特点是采用闭合模具；VARI 的特点是仅有单侧开放模具，并仅需真空袋压；RFI 的特点是树脂以薄膜形式铺放在干预制体的层间，只有单侧开放模具，仅需真空袋压（也有部分采用热压罐固化）。

液体成型工艺在航天结构中也得到了应用，如美国 Lockheed Martin（洛克希德·马丁）公司用液体成型工艺制造出 UGM－133A 三叉戟－2 弹道导弹结构件，使原来的 61 个部件减少到了 1 个，大大降低了制造成本；Hercules 公司使用玻璃纤维与碳纤维混编的预制体制造导弹机翼等部件，其成本仅为连续纤维缠绕工艺的 30%左右。我国航天材料及工艺研究所已将此工艺应用于帽形件、筒体、电缆罩和天线罩等部件的加工，采用 VARI 工艺制备了满足要求的大型复合材料贮运发射箱。

快速固化成型技术方面，快速固化成型的关键技术是指树脂体系在室温下有一定储存稳定性，当升高至特定温度时快速反应固化，温度越高固化速率越快，一般固化时间不足 20min，最快约 2min 可实现固化。采用快速固化成型复合材料技术在降低成本和提高效率方面已达成共识，世界上几家大的复合材料制造厂商都分别发展了各自的快速固化预浸料体系，主要有美国 Hexcel 公司的 M77 可实现 150℃下 2min 固化，固瑞特公司的 VelinoxTM100 可实现 130℃下 10min 固化，日本 Toray 公司的 P3831C 可实现 150℃下 10min 固化。2021 年 5 月 10 日，日本三菱化学公司宣布开发出 60s 快速固化碳纤维预浸料产品，并已正式开始销售。

考虑到预浸料需要冷藏运输，具有潜伏性的快速固化环氧树脂体系也逐步成为趋势。环氧树脂固化剂同样有很多种类，按照与树脂混合后，在常温常态下的储存稳定性可以分为两种：普通固化剂和潜伏性固化剂。普通固化剂主要包括：咪唑类、硫醇类、脂肪族多胺和脂环族多胺等。其室温下就可以固化环氧树脂，因此在使用之前必须与环氧树脂分开储存，并且在配制时因为流动性差，非常容易发生混合不均匀的现象。而潜伏性固化剂则能有效解决以上问题。潜伏性固化剂在常温常态下保持与环氧树脂体系的反应惰性，当达到特定条件时，才会大规模地引发环氧基团反应，因此，其与环氧树脂混合体系具有较长的储存期。

在产品应用方面，快速固化预浸料主要应用于汽车、体育、通用航空等领域，尤其是适于汽车制造领域。快速固化预浸料/复合材料正得到快速推广应用。如 HEXCEL 的快速固化复合材料体系正在汽车和体育用品领域大规模推广应用，GURIT 快速固化预浸料/复合材料产品已经应用于汽车引擎盖、前后保险杠等，日本三菱人造丝公司的碳纤维快速固化预浸料 R02 用于生产斯巴鲁翼豹（impreza）汽车的引擎盖，使用后比原来钢制引擎盖轻 63%，减质量 9.2kg；东邦公司与丰田（TOYOTA）汽车公司合作，使用其 10min 内快速固化碳纤维预浸料生产 LEA 跑车。其他掌握快速固化预浸料技术的企业如三菱也都把快速固化预浸料技术应用于汽车作为一项重要的研发推广内容，充分认识到该技术将对复合材料在汽车等工业领域中发挥重要作用，正在积极推广应用。

在国内，中航复合材料有限责任公司推出的 ACTECH® 1201 快速固化复合材料已经在电动大巴车主承力结构上得到验证和应用，并与国内多家碳纤维厂商及汽车厂商合作联手推动碳纤维复合材料在汽车零部件领域的应用。快速固化预浸料在某电动汽车电池箱、某新能源汽车引擎盖、某无人机螺旋桨等汽车及民用航空领域获得考核应用，获得用户的高度评价：“ACTECH 1201 系列预浸料可实现快速固化成型，可在 130℃-150℃、3-15 分钟完成固化，该预浸料铺覆性好，室温储存期长，耐热性良好（Tg≥140℃），复合材料生产周期可由原来的 360 分钟缩短到 50 分钟。通过改造模具和固化工艺可进一步缩短成型周期，以满足大批量、快节奏生产的需要。” 低温固化成型技术方面，目前高性能环氧树脂复合材料制造大多采用预浸料形式，在中高温固化（120-180℃）成型。较高的固化温度不但增加了复材的内应力，影响制件的尺寸精度，而且还使得制造成本较高，即使小批量制造，成本也在 60%- 70%，其中的高能耗、长成型周期、耐温工装模具和辅料都提高了制造成本。中低温固化一般是在 70-90℃固化，可以采用非热压罐固化，有效降低固化应力，大幅度降低复合材料制造成本。

低温固化复合材料具有固化温度低，固化过程中产生的内应力小，制备成本较低等优势，并可通过脱模后的自由高温后处理工艺来提升复合材料的力学性能和耐热性，是复合材料低成本制造技术的重要发展方向之一。常见的低温固化复合材料多见于湿法缠绕工艺及 RTM 工艺和真空灌注工艺制备，其采用的树脂体系适用期一般为几个小时。采用预浸料形式来制备低温固化复合材料并不多见，主要是由于一般的低温固化树脂体系适用期只有几个小时，做成预浸料后很快就会发生固化，无法满足某些零部件采用预浸料制造时预浸、裁切、铺叠等工序的时间要求。因此低温固化预浸料需要解决低温固化和室温适用期之间的矛盾，即要求树脂体系满足固化温度低，室温适用期长等要求，同时低温预浸料的制备尤其是采用热熔法工艺制备时还要满足预浸料的制备工艺要求，即在低温下能够制备树脂胶膜和进行胶膜与纤维的预浸。因此，市面上见诸报道的热熔法制备的低温预浸料非常少。

材料-制造一体化的快速固化工艺方面，为适应汽车制造工业的特点和需要，必须实现复合材料的低成本快速成型。为降低材料和制造成本，汽车用复合材料零部件的生产需要实现材料-制造的一体化自动化低成本制造。

模压工艺、高压 RTM 工艺（HP-RTM）等工艺目前应用最为广泛。树脂方面，聚氨酯、环氧等具备快速固化性质的树脂是当前的研究热点，环氧树脂适合于预浸料模压及 HP-RTM 等多种工艺世界生产 HP-RTM 设备的厂商包括 DIEFFENBACHER、SCHULER、TECNALIA 等企业。

GIM（Gap Impregnation System）工艺是由德国 BREYER 公司与亚琛工业大学联合针对汽车复合材料零件快速成型开发的工艺。将纤维编织物垂直放置于模具上，树脂在真空下注射，两端模具和模固化。该成型工艺的主要特点是产品固化时间短（ 5-15 min）、注射压力低（＜1MPa）、可做夹芯结构（芯材为闭孔泡沫）。目前 GIM 成型生产线已经在福特某车型的引擎盖得到应用。

与传统的工艺相比，3D 打印技术在结构设计方面具有很大的优势。3D 打印可以更简单方便地制造出传统工艺难以加工制造复杂结构，在结构的设计空间更广的同时也具备结构可定制化的优势，通过结构的设计和制造一体化流程，每个人都可以设计并制造出自己需要的结构。虽然 3D 打印技术在结构设计方面的优势表现突出，但在材料方面，主流的聚合物 3D 打印材料无法满足模型在力学性能上的要求，而纤维增强 3D 打印复合材料可以弥补 3D 打印技术在力学性能上的不足。

常用的纤维增强复合材料 3D 打印成型工艺根据实现方法不同，主要分为材料挤出成型、液态沉积成型、光固化成型、粉末烧结成型和分层实体制造成型等。

材料挤出成型是采用喷嘴挤出熔融线材的一种成型方法，又称为熔融沉积成型或熔融线材制造(FFF)成型方法。FFF 是目前应用最为广泛的 3D 打印方法，具有成本低、打印速度快、材料选择范围广等优点，但其成型的尺寸稳定性一般偏低、打印制品的层间性能偏弱。利用 FFF 方法可直接采用含有短纤维的热塑性树脂线材代替纯树脂线材，打印制备短纤维增强热塑性复合材料。而连续纤维增强热塑性复合材料的 FFF 制备工艺则相对复杂，一般分为实时浸渍法和预浸丝法两类。目前主流的纤维增强复合材料打印设备都是基于此方法进行设计的。

2014 年 Local Motors 3D 打印汽车公司在国际制造技术展览会现场利用碳纤维 3D 打印技术打印了一辆汽车，该 3D 打印设备可以以每小时 40 磅碳纤维增强复合材料的打印速度进行 3D 打印。碳纤维增强复合材料的 3D 打印汽车拥有较高的强度质量比和刚度，可降低打印过程中的扭曲变形。2016 年 Local Motors 公司，制造了一辆 3D 打印自动驾驶电动公交车 Olli，该车的部分材料是可回收的碳纤维增强塑料。

2.2.4 回收端：环保及降本或推动回收行业登上舞台

节能环保及经济效应是碳纤维回收的主要推力。

在碳纤维增强热固性复合材料中，树脂基体固化后形成三维交联网状结构，常规条件下不溶于溶剂，也无法自然降解。如果不进行回收处理，将会造成环境污染，并且随着碳纤维用量增加，污染将会越来越严重。

碳纤维增强聚合物基复合材料在制造过程中预计产生 40%的边角废料，每 100kg 碳纤维复合材料废弃物中，约有 60-70kg 碳纤维，如果按 200 元/kg 计算，废弃碳纤维增强聚合物基复合材料中碳纤维价值将有望突破百亿元。此外，英国再生材料 ELG 碳纤维公司总经理 Frazer Barnes 认为使用可回收的碳纤维有可能将纤维的成本降低 40%左右。

碳纤维废弃物的回收方法主要分为热分解法、物理回收法、溶剂分解法及组合回收法。

物理回收法又称二次回收，是指利用切割、碾压、研磨等机械力来粉碎 CFRP 废弃物，破坏碳纤维与树脂基体之间界面粘合力，从而使得碳纤维从树脂基体中剥离，随后通过筛分得到富含树脂基体细粉末及短切碳纤维回收料。物理回收法简单易行、成本低，回收过程不产生新的污染，是一种高效绿色回收方法。机械回收法降解回收 CFRP 废弃物可以产生一些新的材料进行应用，例如，炼铁的还原剂、公路铺设的原材料等。但是，该方法只能得到短切碳纤维，且表面仍然有树脂残留，纤维性能损伤较大，回收产物价值显著减小。

热分解是指在高温加热条件下使聚合物断链分解。聚合物基复合材料所用基体树脂种类很多，还包括各类附属组成，这些物质均可以在加热条件下分解成小分子化合物，因而热分解法是目前聚合物复合材料的主要方法，也是目前回收树脂基聚合物的主要商业化方法。热分解法根据反应气氛、反应器和加热方式的不同分为热裂解、流化床、真空裂解及微波裂解等。

溶剂分解法是利用各种化学溶剂将已固化树脂基体或可溶性物质分解，对余下的碳纤维进行回收，也称为溶剂法。根据溶剂的使用状态，分为普通溶剂法、超临界流体法和亚临界流体法等。

组合工艺进行回收是针对采用一种回收方法无法处理的废弃复合材料的极佳选择。

回收的碳纤维其形态上都是去浆、杂乱分布的蓬松短纤维，但仍保留了原始纤维优异的力学性能及电磁性能。对废料进行分离回收处理可以获得高价值的碳纤维，但所需投入较大，短时间内实现工业化尚有难度，需要成本更低、耗能更少的环境友好型材料再利用技术。目前回收的纤维一般均采用降级再利用方式，主要应用于次级结构或低端领域。

回收碳纤维的用途与普通商业碳纤维一样，可用作树脂的增强材料制备复合材料。目前回收碳纤维的处理主要包括直接成型和碳纤维处理后成型两种技术。《碳纤维复合材料的回收与再利用技术》一文指出，树脂基碳纤维在汽车、航天、风电等行业的应用愈加广泛，其废弃物回收再利用将成为必要面临的问题，欧美和日本等发达国家对此已取得相关研究成果。我国近年相继发布一系列政策文件支持碳纤维复合材料的回收再利用，但整体与外国仍存在一定差距，在实际应用中，面临诸多问题：目前废弃物部件回收比较困难，尚未形成完整供应链条，保障废料来源，应加强研发者、生产商与回收者之间的相互协作关系；目前回收再利用技术大多需要高压、高温、高腐蚀性条件，存在一定危险性，需要进一步研究改进提高回收再利用技术的安全性与稳定性；国内缺乏相关行业回收标准，尚未制定废弃物分类标准和回收分类标准。

3 市场端：需求旺盛，国内企业逐步发力

根据碳纤维国内知名企业广州赛奥碳纤维技术股份有限公司发布的《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，全球碳纤维市场需求保持增长的主力是风电、体育器材、碳碳复材及压力容器。

2021 年中国碳纤维的总需求为 62,379 吨，对比 2020 年的 48,851 吨，同比增长了 27.7%，其中，进口量为 33,129 吨（占总需求的 53.1%，比 2020 增长了 9.2%），国产纤维供应量为 29,250 吨（占总需求的 46.9%，比 2020 年增长了 58.1%）。2021 年的中国市场的总体情况是：供不应求，无论是进口还是国产纤维。价格方面，2021 年，由于整个碳纤维市场的紧缺，价格行情在 2020 年基础上持续走高。进口碳纤维及其制品，数量同比仅仅增加了 9.15%，而金额同比增加了 26.02%，国产碳纤维“毫不示弱”，价格增加幅度不输进口产品，大丝束市场，也同样面临紧缺。价格稍微提升，在 13.5-14.5 美元/公斤的水平上。这个价位是大批量的采购价格，对于小批量的用户，这些厂家经常报出 17-18 美元/公斤价格。

3.1 需求端：替换传统材料创造万吨需求

3.1.1 航空航天：可替换部分金属及合金

在极端环境（高真空、强腐蚀介质）、交变载荷和交变温度联合作用下，飞行器机体材料的设计选材的重要决定因素是轻质高强、耐超高温和耐腐蚀性。

飞机机体结构：减重是不变的追求

根据国际航协的数据，燃油成本大约占航空总成本的 26%，而在国内部分航空公司，燃油成本甚至要占到 40%。机体结构材料每减轻一磅，便可带来近百万美元的经济效率，因此低密度就成为飞行器结构材料选材的重要原则。此外，飞行器长期在大气层或者外层空间运行，在极端环境服役还要求具有极高可靠性及优良的飞行性能，因而飞行器的设计需要尽可能提高结构效率，且避免付出更多的重量代价，高比强度、高比模量等特性便成为选材的考量关键因素。综合比较下，低密度、高比模量及高比强度的碳纤维复合材料是当下最优选择。其在军用飞机和民用飞机中的占比也逐年大幅提升，已替代原有结构钢及铝材，成为飞行器结构材料的首选。

碳纤维增强复合材料是航空工业应用比较广泛的复合材料之一,由于其密度仅为铝合金的 60%,在飞机结构设计中大量使用可以使结构质量减少 20-25%。飞机上最常用的是碳纤维增强复合材料是树脂基复合材料(CFRP)。军用飞机方面，碳纤维增强复合材料主要应用于飞机的非承力部件上,如飞机雷达罩、舱门、整流罩、飞机尾翼的垂直尾翼、水平尾翼及方向舵等,例如法国幻影 2000 战斗机尾翼的设计采用了复合材料。民用飞机方面，波音公司生产 B787 客机中碳纤维增强复合材料和玻璃纤维增强材料已占全机结构重量的 50%,可节省燃油 20%。

与传统固定翼飞机相比,直升机的飞行速度慢、飞行高度较低,并且在湿热、干旱、沙尘等恶劣环境条件下工作的情况较多,这对直升机结构的耐候性、耐蚀性提出了更高的要求。1974 年首飞的美国 CH-53E 重型多功能直升机使用的复合材料仅约占 5%,而它的接替者 V-22 倾转旋翼机的机身和尾翼采用的是 AS4/3501-6 复合材料, 使用量占比为 41%,使整体减重 13%,零件数减少 35%,成本降低 22%。2020 年获得欧洲航空安全局的型号合格证的 H-160 直升机则成为了世界上第一款全复合材料民用直升机,其桨毂中央件采用碳纤维增强聚醚醚酮树脂基热塑性复合材料设计制备。

无人机的轻量化需求促使其机体材料不断地更新换代，继铝合金、钛合金等轻质化金属材料之后，碳纤维复合材料成为无人机的“主力”材料，可以说，以碳纤维复合材料为核心的无人机结构设计、制造技术成为无人机发展的关键性技术。美国先进 RQ-4 全球鹰无人侦察机的机翼、尾翼、发动机短舱、后机身都是由碳纤维增强复合材料制造的。AAI 公司影子无人机的机身使用的是碳纤维增强环氧树脂复合材料,尾翼使用的是碳纤维或芳纶纤维增强环氧树脂复合材料,机翼则是由碳纤维增强环氧树脂复合材料面板-蜂窝夹层结构制造的。

火箭、导弹、卫星：耐高温、轻质高强是坚定的目标

航天装备如火箭、导弹等一般飞行速度较高，根据资料显示，当导弹飞行速度达 4-10 马赫时，表面温度范围可达 445-3173℃，普通的铝合金甚至钛合金都难以满足要求。综合考量对比下，密度仅有高温合金的 1/4-1/3 且能在高温下依然保持优异力学性能的碳纤维复合材料无疑是未来最佳选择。在大型运载火箭上，碳纤维应用多用于整流罩、发动机壳体等结构中，特别是上面级结构中广泛采用碳纤维，有效地减轻了上面级结构质量，对提高运载火箭发射有效载荷的能力具有十分明显的效果。美国的“大力神”火箭采用碳纤维作为整流罩、级间段舱体和锥形尾舱承载结构材料，级间段蒙皮和锥形尾舱壳体采用的是 IM7 /8552 复合材料。另外美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维，如美国“三叉戟”－2 导弹、“战斧”式巡航导弹、“大力神”－4 火箭、法国的“阿里安娜 2”型火箭、日本的 M－5 火箭等发动机壳体，其中使用量最大的是美国赫氏公司生产的 IM －7 中模高强碳纤维，抗拉强度为 5.3GPa。

碳纤维大量使用可以减轻导弹的质量,增加导弹的射程,提高落点的精度,因此碳纤维复合材料常应用于导弹壳体、发射筒等结构中。俄罗斯圆锤潜艇发射导弹、白杨-M 型导弹的发动机喷管及大面积防热层均使用粘胶基碳纤维增强的酚醛复合材料。美国的 PAC-3 发动机壳体使用 IM-7 碳纤维、战斗部壳体使用 T300 碳纤维。 THAAD 萨德导弹采用了高强中模碳纤维树脂基复合材料作为发动机壳体材料,并在其拦截器舱体结构中使用了高模高强碳纤维。法国 M51 弹道导弹使用由碳纤维复合材料编织而成的发动机外壳。高模量碳纤维增强碳复合材料常用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。

发动机：减重兼顾耐高温

提高推重比、降低服役成本一直是军用发动机的研制焦点。当前最先进的 F119 涡轮发动机进气口温度已高达到 1700℃左右，目前耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度在 1100℃左右，因而必须采用隔热涂层以及设计最先进的冷却结构才能满足先进航发的热结构用材需求，寻找下一代耐高温性能优异的材料便成为了航空发动机设计的关键。

市场规模方面，根据《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年航空航天市场对碳纤维的需求量为 16450 吨，预计 2025 年需求量将攀升至 20635 吨。

3.1.2 风电领域：可替换部分纤维及金属

风能作为清洁、可再生能源中的一员，具有单机容量大、占地面积小以及技术相对成熟的独特优势。相对核能，风能具有更高的安全性；相对水能，风能具有更大的发展潜力；相对太阳能，风能具有更低的开发成本。

风力发电具有发展速度快、成本低、污染小、可持续发展强等一系列显著的优点，所以目前已经成为最具有开发规模和商业发展前景的能源转化技术之一。进入 21 世纪，由于全球多个国家达成共识并积极采取行动，使得风力发电技术得以快速发展，风电装机容量也在高速扩增，这进一步促使风力发电在世界范围内日益成为一个迅速增长的新兴产业。风电的原理便是风力机将空气的动能转化成旋转机械能。当来流接近风轮后，速度逐渐降低，流动面积逐渐增加，空气压力逐渐增加，将动能转变成压力能；当气流经过风轮后，压力能转变成旋转机械能后，压力下降，气流速度减小，面积增加，同时由于尾流损失的存在使部分动能转化成压力能使压力与远处大气压相等。

根据风能密度公式，风机功率与叶片长度关系式为 P=1/2ρπr 2 V 3 Cp（ρ-空气密度；V-风速；Cp-风能利用系数；r-叶片长度），即叶片长度与功率呈正比关系。

风电叶片的形状一直没有发生太大的变化，但是叶片的材料却发生了质的变化，叶片材料的发展过程大致经过了三个阶段：木质叶片阶段、金属叶片阶段和复合材料阶段。不管是陆上风电还是海上风电叶片都向着更长更大的方向发展，伴随而来的则是要求叶片的质量不能增加太多，且模量要更高，材料就是其中的关键因素。叶片材料要满足密度－性能－成本三方面的平衡关系，叶片材料的发展过程其实是材料的轻量化、高性能化和低成本化的发展过程。

早期使用木质叶片主要出于两个原因：第一，当时的技术制造出来的风力发电机组的容量很小，所以叶片的尺寸不能太大，相对于金属，选用木材制备叶片更合适。第二，木材的密度显然要小于金属，所以使用木材制备的叶片更加轻便。但是木质叶片的主要缺点是难以加工成型，且强度较低，受自然环境的影响很大。伴随着技术的发展，木质叶片的尺寸渐渐不能与发电机组的容量相匹配，木质叶片逐步被金属叶片所取代。

风力发电机组容量的增大使得金属叶片逐步被开出来。金属叶片相较于木质叶片更容易加工成型，而且采用金属制备的叶片的尺寸大于采用木村制备的叶片的尺寸，发电量进一步增加，使金属叶片—度被认为是风电叶片最理想的材料。但是金属叶片有其固有的内在缺点，如不耐腐蚀、密度较大等。在金属叶片之后，由于叶片材料没有得到发展，叶片在很长一段时间内没有得到进一步的发展。

二十世纪五十年代左右伴随着纤维增强复合材料的出现，开始使用复合材料替代金属材料制造叶片，风力发电才开始大规模投产。复合材料叶片几乎没有木质叶片和金属叶片的缺点。首先，复合材料的密度小，不管是使用玻璃纤维还是碳纤维增强的复合材料的密度都要显著小于金属。其次，虽然复合材料的模量比金属的模量稍低。第三，复合材料比金属耐腐蚀，使用寿命更长。第四，复合材料的可设计性强。

风电领域碳纤维成型方法主要是拉挤法。目前复合材料主梁的成型工艺主要有三种：预浸料工艺、灌注工艺和拉挤工艺，利用拉挤工艺来生产主梁是近年新发展出来的。由于叶片长度达几十米到上百米，其中的主梁的长度与叶片差不多，采用预浸料工艺生产主梁时，由于能耗及设备制约，只能使用低温固化的预浸料，生产工艺复杂，生产效率较低。另外，预浸料的运输和储存过程都需要在低温下进行。相较前述两种方法，拉挤工艺制备的复合材料制件纤维含量高，质量稳定，适合大批量生产。

市场规模方面，根据《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年风电对碳纤维的需求量为 33000 吨，预计 2025 年需求量将攀升至 80566 吨。

3.1.3 氢能领域：可替换部分高强度钢材

环保压力及能源战略安全逐步推动氢能的发展。自 1970 年以来，全球平均气温以每世纪 1.7°C 的速度上升，而在过去 7000 年中，全球平均气温以每世纪 0.01°C 的速度下降。目前全球每年排放 250 多亿吨 CO2，空气中的 CO2浓度，从工业化 150 多年以来，已从 280ppm 增至 380ppm。温室气体对地球将形成灾难性的后果，全世界都在采取多种措施减排 CO2。根据 IPPC 及 IEA 数据可知，2020 年石油、煤炭及天然气等排放的二氧化碳占比总燃料燃烧总排放量分别为 31%、42%及 23%。目前全球变暖已经带来了大量极端灾害事件，特别在北半球高纬度气度。目前各国已经达成了共识，并于 2015 年 12 月签订了《巴黎协定》，主要目标为将世界温度升温限制在 1.5℃以内。

氢能以低依赖资源矿产及零碳排放被视为未来能源架构的重要组成部分。

部分金属矿产我国产量低，未来或将无法满足部分可再生能源的大规模应用,而氢能所依赖的金属矿产均可回收，有望成为未来能源架构搭建的重要部分。

清洁低碳。不论氢燃烧还是通过燃料电池的电化学反应，产物只有水，没有传统能源利用所产生的污染物及碳排放。此外，生成的水还可继续制氢，反复循环使用，真正实现低碳甚至零碳排放，有效缓解温室效应和环境污染。

目前，碳纤维在氢能领域的应用主要在于储氢罐及燃料电池气体扩散层。

高压气态储氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点。碳纤维缠绕高压氢瓶技术的开发应用实现了高压气态储氢由固定式应用向车载应用的转变。

在燃料电池中，气体扩散层材料主要是碳纸，位于膜电极两端，其作用一是支撑质子交换膜，二是涂挂催化剂，三是连接膜电极与双极板。燃料电池碳纸是以短切碳纤维为原料制造而成，具有机械强度好、质量轻、孔隙率高、透气性优，以及优良的导电性、耐高温性、抗氧化性、耐腐蚀性等特点。

市场规模方面，根据《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年储氢气瓶用量约为 1900 吨，2022 年中国预计将至少新增 10000 辆氢能源车，主要在物流车、重卡和大巴领域，其中重卡为 6000 台。重卡储氢气瓶为 210L-385L，单个瓶子碳纤维用量在 40-45 公斤之间，单车一般配置 6-8 个瓶组，重卡领域碳纤维用量大约 1700-1900 吨，加上其他物流车、客车领域的用量，氢燃料电池汽车用碳纤维预计总量能到使用到 2500 吨以上。

3.1.4 汽车领域：可替换部分塑料及金属

美国能源部门和机构对汽车轻量化进行研究的数据中显示，汽车整体质量每下降 10%，油量的消耗可下降 6%-8% ，排放可降低 5%-6%。此数据可表明，汽车轻量化是当前减少油量消耗及保护环境的有效途径。碳纤维复合材料凭借自身多种优势，被广泛应用于汽车工业领域，该材料在汽车中的潜在应用比例为:车身结构 35%、底盘部件 20%、转向及悬挂系统 17%、覆盖件 10%、内饰件 18%。

汽车中运用碳纤维复合材料最多的地方应是车身构件。车身构件主要包括引擎盖、车架、车顶框架以及 A/B/C/D 立柱等部分，各部分均将碳纤维复合材料作为核心制造材料。将碳纤维复合材料与传统金属材料进行对比可知，复合材料的比强度及比刚度明显高于普通金属材料。在相同结构强度条件下，采用碳纤维复合材料制作汽车零部件，其质量可减轻 50%，对于汽车的动力学性能具有重要提升作用。

轮毂是维持汽车正常运转的关键部件之一，可承受汽车的整体质量以及载重。因此，为保证汽车的稳定运行，应使其具备良好的抗冲击性、耐久性、耐热性以及安全性。而碳纤维复合材料可有效满足轮毂的实际需求，有利于实现汽车轻量化。英国 Kahm 公司利用碳纤维复合材料制成的 RX-X 型高级汽车专用轮毂，可充分体现该材料的优势，其质量仅 6kg，具有高速行驶以及降低车轮径向惯性力的作用。

为保证汽车的稳定运行，要求传动轴应具有良好的传动能力、耐疲劳性等优势。而碳纤维复合材料独特的各向异性、比强度高等特点，将该材料应用于传动轴中，可将传动轴的质量减至原来的一半以上。在各项条件均相同的情况下，将该材料与传统金属材料相比，其扭矩力可达到钢材的 170% 以上。并且碳纤维复合材料的使用，可使汽车传动轴的耐久性以及耐疲劳性得到显著提升。

短切碳纤维制动衬片摩擦系数稳定、磨损率低、良好的冲击强度和硬度、良好的制动无噪声，有利于环境保护，在刹车温度高于 200℃以上时，不仅可以无热裂解、无热膨胀、无热衰退现象，反而由于摩擦系数的增高，使轿车在快速行驶中刹车更具有平稳性、安全性、舒适性。

由于复合材料的可塑性好，模块化、集成度高，随着成型技术和自动化装备的进步，复合材料汽车在工艺技术方面的优势将进一步显现。四大工艺实现颠覆式创新，工艺投资减少，同样的经济规模，人员较传统工艺可减少 2/3～4/5。特别是材料的防腐性高，可实现绿色制造，更容易实现 CKD 制造、零部件集中生产、异地总装和开拓海外市场。

纤维复合材料无论热固型或热塑型都可以通过多种方法进行梯度回收再利用，同时车身零部件发生损坏有相应的维修措施，满足绿色经济、循环经济的发展要求。

市场规模方面，根据《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年汽车应用市场对碳纤维的需求量为 9500 吨，预计 2025 年需求量将攀升至 12645 吨。

3.1.5 其他领域：未来有望开辟出新市场

体育、建筑、电子电气等领域也是碳纤维未来极具应用前景的领域。

体育领域

传统的体育设施及体育器材通常使用金属、木材等搭配塑料、橡胶等材料来进行设计和加工。然而，随着体育器材设计领域的不断进步以及国民对体育设施要求的不断提高，传统材料由于质量过大、性能落后、不环保、危险性较高的问题而饱受诟病。碳纤维材料由于具备耐高温、质量轻、不易形变、环保、使用安全的优点，自进入体育器材领域后获得了飞速发展。

此外，竞技体育项目中，当今世界的体育竞争实质上是科学技术的竞争，而先进、新颖的材料则是提高体育科学技术水平的重要条件之一。如今，在不少运动项目中，人的体能和精神的激发都几乎达到了极限，胜败往往只在毫厘之间，仅靠强健的肌肉和良好的竞技状态已很难获胜，运动员们越来越多地要依靠科学家的智慧，拼的是装备。人们期望通过运动器材的升级带动运动员挑战极限。

市场规模方面，根据《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年体育休闲应用市场对碳纤维的需求量为 18500 吨，预计 2025 年需求量将攀升至 22487 吨。

建筑领域

建筑领域较大，涵盖建筑机械、桥梁、隧道及工业管道等。复合材料的应用主要在建筑及桥梁结构的补强、艺术型建筑的主体结构、建筑机械、新建大跨/空间结构及管道补强等五大领域。

市场规模方面，根据《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年建筑应用市场对碳纤维的需求量为 4200 吨，预计 2025 年需求量将攀升至 6149 吨。

电子电气领域

碳纤维在电子电气领域的应用主要分为功能性应用及力学增强性应用。功能性应用方面，短切碳纤维增强塑料具有防静电、电磁屏蔽等功能，可应用在复印机、打印机、数码相机、数据传输电缆接头等产品中。力学增强应用方面，长碳纤维增强塑料（LFT）和连续碳纤维增强材料兼顾了成本与性能，可应用在笔记本等产品中。

市场规模方面，根据《2021 年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年电子电气应用市场对碳纤维的需求量为2000吨，预计2025年需求量将攀升至2928吨。此外，碳纤维及其制品还可以应用在轨道交通、半导体领域的硅单晶热系统设备及气凝胶领域。

3.2 供给端：国内起步晚，但追赶势头强

回顾碳纤维发展历程及专利布局，碳纤维领域短期内仍是海外企业将占据相当优势。《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》总结了碳纤维行业六十余年的发展历程，可以看出海外企业为碳纤维做出的贡献居多，国内企业起步较晚。

《基于专利分析的碳纤维技术发展研究》一文基于 Patsnap 数据库，并参考恒神碳纤维公司技术专家等人所确立的检索要素，对截至 2020 年 3 月 28 日共计 17552 条专利进行分析可知，中国在碳纤维技术领域的发展明显晚于国外，但近年来，中国专利申请量变化趋势与全球大致相同。

1980 年开始，国外碳纤维技术步入发展期，每年专利申请量均超过 60 件，且在 1989 年达到 341 件之多；20 世纪 90 年代，日本经历经济萧条、美国遭遇经济危机，该领域的专利申请数量出现下降趋势；2000 年之后，国外碳纤维技术逐步恢复发展，并逐步进入快速发展阶段。

中国 1985 年开始建立专利制度，因此在 1985 年之前没有专利申请;1985— 2000 年，我国碳纤维专利技术初入萌芽期，每年专利申请量均不超过 5 件。 2000 年之后，全球碳纤维技术领域专利申请量开始呈现增长态势，尤其是 2010 年之后，我国专利申请数量急速增长，每年专利申请量超过 300 件，标志着我国碳纤维技术迈入快速发展期。

从专利申请数量前十单位来看，中国石油化工股份有限公司、北京化工大学、东华大学和哈尔滨工业大学分别排在第五位、第七位、第九位和第十位，可以看出，相关科研机构在相关技术领域已经开始发力。从专利政策上来看，我国碳纤维产业的专利质量还有待提高，与日本和美国的专利布局模式还存在一定差距。

因此短期来看，国内企业仍需要努力追赶，主要原因在于国内相关技术起步及专利制度建设时间晚于海外。从产能的角度来看，中国近五年首度成为全球最大碳纤维产能国。根据《2021全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2021 年，全世界主要增加的产能是：吉林化纤集团增长近 16000 吨；常州新创碳谷新建产能 6000 吨；卓尔泰克增加 3000 吨；中复神鹰增加 8000 吨，宝旌增加 2000 吨;东邦增加 1900 吨。

国内碳纤维对外依赖程度逐年降低，未来相关企业扩产结束后将进一步增厚竞争力。国产碳纤维 2021 保持着进步，市场份额从 2019 年的 47%攀升到 2020 年的 58%。中国当前领先的碳纤维企业是中石化（上海石化）、中国建材（中复神鹰）、中国宝武（宝旌碳纤维及太钢钢科）、中化集团（蓝星）、陕煤（国企，恒神）、吉林化纤（国企）。

截止 2021 年末，国内吉林化纤、中复神鹰、上海石化等等企业也宣布了其扩产计划：吉林化纤集团计划在十四五期间完成 20 万吨原丝，6 万吨碳纤维及 1 万吨复合材料的扩产计划。2021 年完成了 1.6 万吨碳纤维的扩产，2022 年预计 2.7 万吨新增碳纤维产能；中复神鹰实施其西宁 20000 吨的扩产计划；宝武旗下的宝旌碳纤维 2022 年初宣布并开工了宝万原丝建设计划。 2021 年新创碳谷建设 1.8 万吨大丝束项目，完成了其中的 6000 吨产能建设，2022 年正在加紧安装调试另外 1.2 万吨的产能。上海石化 1.2 万吨大丝束项目正在抓紧建设，预计在 2022 年实现 6000 吨产能输出； 2021 年中简科技宣布了定增扩产的 18.67 亿元的 1500 吨碳纤维及制品计划。

展望未来，打造全产业链发展模式是重中之重，上下游精诚合作才能逐步推动碳纤维行业长期健康发展。《北京市碳纤维产业的全产业链发展模式构建》一文结合检索得到的专利数据以及产业调研数据，指出日本是碳纤维的传统强国，形成了以汽车为主要应用领域的完备产业链条，而且已经将碳纤维产业拓展到欧洲、美国、韩国及中国等其海外市场，依托其自身完备的产业结构和海外市场的巨大需求，逐步实现全球化市场扩张的产业发展模式。欧美在碳纤维产业发展初期，其技术相较于日本并不具备优势，但欧美以其航空航天产业需求为牵引，引进了日本东丽的先进技术及产品，带动其国内赫氏、氰特等企业发展碳纤维产业，逐渐完善形成完整的碳纤维产业结构。文中对于北京市碳纤维产业也提出了相应的意见，文中认为在碳纤维领域，北京市研发优势明显，相关技术在航空航天产业应用突出，但对于碳纤维制造生产发展也存在资源供给紧张、环保压力加剧等制条件，通过市内外协同发展，推动产业链采取更具深度的水平和垂直分工，加强产业链网络的密度和延展度，有利于增加整个产业链的附加值，同时充分发挥北京市在产业链中下端的优势，促进市内企业生产更加精细化、专业化发展。

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