碳纖維行業(yè)研究報告

碳纖維行業(yè)研究報告導語從全球的角度來看，2020年全球碳纖維需求總量為10.69萬噸，風電葉片、航空航天及體育休閑為碳纖維需求量前三的應用領域，需求量分別為

3.06、1.65、15.4萬噸。1、碳纖維綜合性能超群，被譽為“材料之王”碳纖維是一種含碳量在90%以上的碳主鏈結構無機纖維，通過高溫分解法去除除碳以外絕大多數(shù)元素，由有機纖維（聚丙烯腈基（PAN）、瀝青基、粘膠基纖維等）在1000℃高溫以上的惰性氣體中裂解碳化制成，其中全球90%以上的碳纖維是由PAN制成。碳纖維具有出色的力學性能和化學穩(wěn)定性，強度高（強度約為鋼的10倍）、模量高、密度?。芏葹殇摰?/5、鋁合金的1/2）造就其輕量化的特點。除此之外，碳纖維還具備耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、電及熱導性高等特點。因為碳纖維擁有超群的綜合性能，被譽為“材料之王”和“黑色黃金”。作為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的高科技新型材料，碳纖維被廣泛應用于航空航天、新能源裝備、汽車、體育用品、交通運輸、工程器械、醫(yī)療器械、建筑及其結構補強等領域。碳纖維有諸多分類標準，通常按照原絲類型、力學性能、絲束大小這三種維度進行分類。按照原絲類型分類：（1）瀝青基碳纖維：以瀝青為原料，提高瀝青的使用價值，尺寸穩(wěn)定性好。瀝青基碳纖維與氰酸酯樹脂制成的復合材料熱膨脹系數(shù)小，可以用作人造衛(wèi)星材料或其他精密材料；（2）粘膠基碳纖維：由含纖維素的粘膠纖維組成，石墨化程度低、導熱系數(shù)小，適合作為隔熱材料；（3）聚丙烯腈基碳纖維：以聚丙烯腈（PAN）為原料，是所有碳纖維中用途最廣、用量最大、性能最好的品種。聚丙烯腈碳纖維占據(jù)主流地位，其產(chǎn)量占碳纖維總產(chǎn)量的90%以上。按照力學性能分為通用型和高性能型：（1）通用型碳纖維強度一般在1000MPa、模量一般在100GPa左右；（2）高性能型碳纖維還可以細分成高強型、高模量型、超高強型及超高模型。拉伸強度及模量是國際碳纖維的主要分類標準，行業(yè)內(nèi)一般采用日本東麗（TORAY）分類法，而全國纖維增強塑料標準化技術委員會在2020年正式發(fā)布了我國的碳纖維分類標準。按照絲束大小分類：碳纖維可以按照每束含有的纖維數(shù)量來劃分成小絲束和大絲束。單束纖維數(shù)量通常在48K以上的是大絲束碳纖維（1K意味著1束碳纖維含有1000根絲），因為性能及制備成本相對較低，也被稱為工業(yè)級碳纖維，包括48K、50K、60K、80K等，主要應用于紡織、醫(yī)藥衛(wèi)生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等領域；小絲束碳纖維工藝要求嚴格，綜合性能更為優(yōu)異，但生產(chǎn)成本較高，也被稱為宇航級碳纖維，一般包括1K、3K、6K、12K和24K等產(chǎn)品，主要應用領域包括國防工業(yè)、高技術以及體育休閑用品，如飛機、衛(wèi)星、高爾夫球桿等。2、需求端：雙碳政策刺激下游需求，市場空間具有擴張前景2.1、國內(nèi)需求結構有別于海外，新能源將是主要驅動力從全球的角度來看，2020年全球碳纖維需求總量為10.69萬噸，風電葉片、航空航天及體育休閑為碳纖維需求量前三的應用領域，需求量分別為3.06、1.65、15.4萬噸。2020年初，全球范圍內(nèi)爆發(fā)新冠疫情，對實體經(jīng)濟產(chǎn)生了巨大沖擊，民用航空首當其中。由于疫情影響，航空公司受到重挫，考慮到未來近幾年旅客數(shù)量急劇減少，隨即減少飛機的訂單數(shù)量，直接導致碳纖維航空復材的需求急劇下滑，同比增速為-30%。與此同時，風電葉片、壓力容器、碳碳復合材料（單晶硅熱場材料）等應用領域不受疫情的影響，依然保持了高速增長，同比增速為20%、19%、79%。總的來說，在航空航天、體育休閑等傳統(tǒng)應用領域受到疫情影響導致需求大幅下滑之時，憑借風電葉片、壓力容器、碳碳復材等領域的高速增長，2020年全球碳纖維需求總量同比增速依然為正，達到了3%。未來隨著疫情影響邊際減弱，下游需求將會全面開花，行業(yè)空間具有擴張前景，2025年全球碳纖維需求量預計將會達到20萬噸，2020年-2025年CAGR為13.36%。從我國的角度來看，2020年我國碳纖維需求總量為4.9萬噸，同比增速高達28.97%。盡管2020年年初，全球都陷入新冠疫情爆發(fā)的恐慌當中，但憑借行之有效的管理措施，中國率先擺脫疫情，各項生產(chǎn)經(jīng)營活動有序恢復，從而保證了碳纖維下游需求的穩(wěn)定增長。細分需求結構來看，2020年我國碳纖維下游需求主要來源于風電葉片以及體育休閑，需求量分別為2、1.46萬噸，其中風電葉片領域的需求增速達到了44.93%，貢獻主要需求增量。在“2030年碳達峰、2060年碳中和”的“雙碳”背景下，國家將采取強有力的政策，著手優(yōu)化能源結構，提高清潔能源的比重。風電、氫能、光伏均迎來發(fā)展機遇，葉片對于輕量化的要求將是碳纖維需求的關鍵引擎。由于西方國家加強了高端碳纖維及生產(chǎn)設備對我國的限制，我國碳纖維在航空航天領域的應用占比僅為3.48%，現(xiàn)如今民用碳纖維需求高增將會積極推動國內(nèi)企業(yè)實現(xiàn)制造工藝和生產(chǎn)設備的自主化，進而為今后具備生產(chǎn)高端碳纖維的能力創(chuàng)造先決條件。2.2、風電領域：海上風電迎機遇，未來增長空間廣闊2.2.1、碳中和頂層設計政策落地，清潔能源發(fā)展力度加碼碳達峰具體行動方案出臺，清潔能源長期發(fā)展目標明確。雙碳目標發(fā)布以來，關于碳達峰的各種具體政策持續(xù)出臺，風光等清潔能源長遠發(fā)展目標明確。2021年10月24日，中共中央、國務院正式印發(fā)《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，要求：（1）到2025年，非化石能源消費比重達到20%左右；（2）到2030年，非化石能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發(fā)電總裝機容量達到12億千瓦以上；（3）到2060年，非化石能源消費比重達到80%以上。2021年10月26日，國務院關于印發(fā)《2030年前碳達峰行動方案的通知》，提出堅持陸海并重，推動風電協(xié)調(diào)快速發(fā)展，完善海上風電產(chǎn)業(yè)鏈，鼓勵建設海上風電基地;推進退役風電機組葉片等新興產(chǎn)業(yè)廢物循環(huán)利用，以及“海上風電+海洋牧場”等低碳農(nóng)業(yè)模式。大基地項目規(guī)劃，托底風光行業(yè)發(fā)展?！笆奈濉逼陂g規(guī)劃九大清潔能源基地和五大海上風電基地，2021年3月公布的《“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出，要建設九大清潔能源基地和五大海上風電基地。九大清潔能源基地包括金沙江上游、金沙江下游、雅礱江流域、黃河上游、黃河幾字灣、河西走廊、新疆、冀北、松遼等清潔能源基地；五大海上風電基地為廣東、福建、浙江、江蘇、山東等海上風電基地。大基地建設規(guī)劃將成為“十四五”期間風光新增裝機的重要源頭。大基地拉開序幕，百萬、千萬千瓦基地項目浮出水面。目前九大清潔能源基地和五大海上風電基地所涉及的相關省份均已出臺“十四五”期間風電和光伏的規(guī)劃，不少地區(qū)規(guī)劃了百萬千瓦乃至千萬的新能源大基地項目。根據(jù)北極星太陽能光伏網(wǎng)統(tǒng)計，目前各?。▍^(qū)/市）規(guī)劃百萬千瓦大基地項目46個，千萬千瓦大基地項目41個。首批100GW風光大基地項目有序開工建設，預計風光各占一半。目前，首批100GW風光大基地項目已經(jīng)有序開工，預計風光各占一半。根據(jù)北極星太陽能光伏網(wǎng)統(tǒng)計，自2021年10月中旬以來，全國已有超過46.34GW風光大基地項目陸續(xù)開工建設，已公布的總投資達2068億元。2.2.2、全球風電蓬勃發(fā)展，海上風電裝機量持續(xù)高增全球風電累計裝機規(guī)模穩(wěn)步增長，海上風電始終維持高速增長。根據(jù)全球風能理事會（GWEC）發(fā)布的數(shù)據(jù)，過去十年間全球風電累計裝機規(guī)模由2010年的198GW增長至2020年的743GW，CAGR為14%。其中陸上風電累計裝機規(guī)模為707GW。2020年，全球風電新增裝機規(guī)模93GW，同比增長54%，新增裝機規(guī)模創(chuàng)歷史新高。近年來，隨著陸上富風區(qū)域的逐漸飽和，海上風電發(fā)展迅速，一直維持較高增速。截至2020年末，全球海上風電累計裝機規(guī)模達35GW，2016-2020年CAGR為24%。我國風電累計裝機規(guī)模穩(wěn)步增長，海上風電勢頭迅猛后來居上。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截至2021年11月，我國風電累計裝機規(guī)模為305GW，2011-2020年的CAGR為22%。經(jīng)歷了2020年陸上風電搶裝行情之后，2021年風電新增裝機速度有所放緩。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2021年1-11月我國風電新增裝機容量24.7GW，同比增長8%。雖然我國海上風電起步較晚，但近五年來發(fā)展勢頭迅猛，每年新增裝機量都持續(xù)刷新記錄，2020年的裝機量更是超越歐洲，占全球新增總量的50.4%。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，截至2021年6月底，我國海上風電總裝機量突破11GW，與陸上風電一樣，躍居全球首位。2.2.3、風電葉片趨于大型化，輕量化需求驅動碳纖維發(fā)展風機的大型化是未來發(fā)展的趨勢。風電項目建設成本主要來源于風電機組、電力設施和安裝工程等環(huán)節(jié)。根據(jù)北極星電力網(wǎng)數(shù)據(jù)，風電機組、電力設施和安裝工程占陸上風電建設成本的85%、占海上風電建設成本的63%。陸上風電建設成本中風電機組占70-80%，因此風電機組降本是推動陸上風電項目建設成本降低的關鍵。海上風電由于其安裝和樁基建設的復雜性，使得風電機組成本只占30%左右，而安裝和樁基共占30-40%。因而，風電機組、安裝工程和樁基建設三方面同時降本才能有效推動海上風電項目建設成本降低。由于中央不再對海上風電進行補貼，降低風電成本及提高經(jīng)濟性勢在必行。根據(jù)財政部、國家發(fā)改委、國家能源局在2020年1月發(fā)布的《關于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》，自2020年起新增的海上風電項目將不再納入中央財政補貼范圍之中，而存量項目需要在2021年12月31日前完成全部機組并網(wǎng)才能享受補貼。風機大型化是風電長期降本的有效途徑。風電機組功率大型化主要從三方面推動風電長期降本：（1）降低風機單瓦制造成本；（2）降低風電場建設成本；（3）提高風機利用小時數(shù)和發(fā)電效率，增加發(fā)電量，從而降低度電成本。（1）降低單瓦制造成本：制造大功率風機時，功率增加速度要大于零部件用量的增加速度，從而單瓦成本隨著功率的提升而下降。此外，目前整機企業(yè)采用平臺化、模塊化設計理念，不同型號的風機許多零部件可以通用，這樣還可以帶來規(guī)?；当?。例如VestasV112機型相比V82機型功率提升了82%，而整體材料用量反而下降了9.7%；明陽智能MySE5.0-166機型相比MySE2.5-121機型功率提升了1倍，而關鍵部件提升只有20-45%。（2）降低風電場建設成本：在滿足風場總體裝機規(guī)模的情況下，風機數(shù)量與單機功率成反比。盡管單機功率提升會導致風電機組的成本略有上升，但是風電機組的成本只占整個風場成本的40%，如果風機數(shù)量能夠減少，可以有效降低建設成本，包括平臺基礎、安裝施工等。根據(jù)《平價時代風電項目投資特點與趨勢》中的數(shù)據(jù)，當風機功率由2.0MW提升4.5MW時，風電項目靜態(tài)投資成本降低14.5%，LCOE下降13.6%，全投資IRR增加2.4pct。（3）提升發(fā)電效率：通過增加葉片的長度來擴大受風面積，捕捉更多的風能。在同等風速下，風機發(fā)電量與受風面積成正比。根據(jù)GE《2025中國風電度電成本》，掃風面積增加一倍，可以提高一倍的發(fā)電量，使得度電成本下降30%。同時，掃風面積的提升使得超低風速資源也具備了開發(fā)價值，尤其是現(xiàn)在陸上富風區(qū)域逐漸飽和疊加海上風場天氣變幻無常，捕捉低風速資源能夠有效提升風力發(fā)電的經(jīng)濟性。葉片大型化對復合材料提出了更高標準，碳纖維能夠滿足其要求。近年來，為了提高風電的經(jīng)濟性，風電機組單機功率呈上漲態(tài)勢，而風電葉片長度與風機功率成正比。大型化風機對于葉片提出了更高的要求，而碳纖維材料能夠滿足大型化所需輕量化、高強度、高模量的要求。傳統(tǒng)的玻璃纖維葉片在長度超過一定閾值之后，質(zhì)量過大導致性能降低，出現(xiàn)共振扭轉等問題。相較于玻纖，碳纖維的密度小30%，強度大40%，模量高3-8倍。高性能碳纖維復合材料受到平面的沖擊力時，內(nèi)部縱橫交錯的碳纖維絲能夠有效地分散受力，避免破裂的發(fā)生。兼顧強度、剛度的同時，材料密度越小單位體積質(zhì)量越輕。根據(jù)中復神鷹招股說明書，在滿足剛度和強度的前提下，碳纖維比玻璃鋼葉片質(zhì)量輕30%以上；當前風輪直徑已突破120m，葉片重量達18噸，采用碳纖維的120m風輪葉片可以有效減少總體自重達38%，成本下降14%，從而保證風電機組的運行狀態(tài)和轉換效率。全球風電巨頭Vestas專利即將到期，碳纖維滲透率有望進一步提高。風電葉片主梁所用碳纖維有預浸料、真空灌注、拉擠成型三種工藝。前兩種工藝缺點較為明顯，成本高且效率低：預浸料長期儲存需要冷凍環(huán)境，額外增加了葉片的生產(chǎn)成本；真空灌注是閉模成型工藝，準備工作繁瑣，而且真空程度對于材料質(zhì)量有很大影響。在2016年，Vestas在拉擠碳梁工藝上取得突破，這種工藝的優(yōu)點為：（1）通過拉擠工藝的生產(chǎn)方式有效提高了纖維體積含量，減輕了主體承載部分的質(zhì)量；（2）通過標準件的生產(chǎn)模式有效提高了生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性；（3）降低了運輸成本和最后組裝整體成型的生產(chǎn)成本；（4）預浸料和織物都有一定的邊角廢料，拉擠梁片及整體灌注極少。采用這種設計和工藝制造的碳纖維主梁，兆瓦級的葉片均可使用，擴展了碳纖維的使用范圍。Vestas在2002年7月向中國、丹麥、歐洲等國家或國際性知識產(chǎn)權局申請了以碳纖維條為主要材料生產(chǎn)風電葉片的相關專利，限制了其他企業(yè)使用碳纖維主梁制作葉片。風電裝機規(guī)模疊加碳纖維滲透率的提升，大絲束需求量有望迎來高速增長。在“雙碳”背景下，風電已經(jīng)成為全球重點發(fā)展領域。2020年全球新增風電裝機容量103GW，風電葉片用碳纖維的需求量為3.06萬噸，意味著1GW風電裝機需要約297噸碳纖維。根據(jù)中國巨石的數(shù)據(jù)，1GW風電裝機需用玻纖1萬噸，可得當前碳纖維滲透率僅為3%左右。未來隨著拉擠工藝的普及，碳纖維滲透率逐步提高，越來越多的葉片將會使用拉擠碳梁，風電機組單機功率有望進一步提高，海風新增裝機將會迎來放量。根據(jù)GWEC預測，未來中國海上風電蓬勃發(fā)展有望帶動全球海上風電新增裝機量大幅上漲，預計到2025年，全球海上風電新增裝機規(guī)模達23.9GW，2021-2025年CAGR為31%。2.3、儲氫瓶：氫能行業(yè)發(fā)展帶動儲氫瓶碳纖維的需求增長氫能的儲運根據(jù)氫或儲氫材料形態(tài)的不同主要分為氣態(tài)儲運、液態(tài)儲運、固態(tài)儲運及有機液體儲運等四種方式：（1）氣態(tài)儲運，主要包括近距離運輸?shù)母邏洪L管拖車以及長距離運輸?shù)墓艿肋\輸，其中管道運輸適用于大規(guī)模氫氣運輸；（2）液態(tài)儲運，低溫液態(tài)儲氫是將氫氣冷凍至零下252.72℃以變?yōu)橐后w加注到絕熱容器中進行儲運，儲運工具主要為用于長距離、大規(guī)模運輸?shù)囊簹洳酃捃?；?）固態(tài)儲運，是以金屬氫化物、化學氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學吸附和物理吸附的方式進行氫儲運，對儲運工具并無特殊要求；（4）有機液體儲運，是通過加氫反應將氫氣固定到芳香族有機化合物并形成穩(wěn)定的氫有機化合物液體，最終以液體槽罐車進行儲運。高壓氣態(tài)儲氫目前是國內(nèi)主流的儲氫方式。在主要的氫儲運技術中，最成熟的是高壓氣態(tài)儲運，也是現(xiàn)階段國內(nèi)最主要的氫儲運方式。氣態(tài)儲運常溫即可實現(xiàn)快速充放氫，成本較低，因此得到廣泛應用，但儲氫量較低，且對高壓儲氫罐存在較高的技術要求。另一方面，管道運輸是實現(xiàn)氫氣大規(guī)模、長距離運輸?shù)闹匾绞?，能耗小且成本較低。但類似于天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)建設，輸氫管道建設所需一次性投資較大，基建成本高昂且建設周期較長。相較于歐美國家已相對成熟的輸氫管網(wǎng)系統(tǒng)，中國輸氫管道建設仍處于起步階段。而在現(xiàn)有的天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中混入氫氣是初期管道輸氫的主要探索方向。國產(chǎn)IV型瓶技術取得突破，將帶動碳纖維需求提升。高壓氫氣瓶主要分為四個型號：（1）I型全金屬氣瓶，（2）II型金屬內(nèi)膽纖維環(huán)向纏繞氣瓶，（3）III型金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶，（4）IV型非金屬內(nèi)膽纖維全纏繞氣瓶。其中，I型、II型氣瓶由于質(zhì)量過大、儲氫密度低，難以滿足氫燃料電池汽車的儲氫需求，主要用于工業(yè)、加氫站等固定地點用途。而III型、IV型氣瓶采用了纖維全纏繞的方式，具有質(zhì)量輕、儲氫密度高、安全性高等優(yōu)點，已經(jīng)被廣泛應用于車載領域。目前，國內(nèi)主要采用III型儲氫瓶（35MPa），相較于國際主流的IV型70MPa高壓儲氫瓶仍存在一定的技術差距，但在2020年末我國國產(chǎn)IV型瓶技術取得了重大突破。沈陽斯林達安科新技術有限公司生產(chǎn)的70MPa氫氣瓶，已經(jīng)通過型式檢驗，各項參數(shù)均滿足《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》國家標準，成為國內(nèi)首家IV型瓶通過技術評審的企業(yè)。相同體積下，壓力與儲氫量成正比，IV型瓶成為氫燃料電池汽車的首選儲氫瓶，續(xù)航里程可以有效提高。根據(jù)中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部的數(shù)據(jù)，氫能商用車攜帶4個儲氫瓶，單個儲氫瓶碳纖維用量約80Kg；乘用車攜帶2個儲氫瓶，單瓶碳纖維用量為37.5kg。在燃料電池汽車示范應用政策的推動下，我國氫燃料電池汽車保有量將會逐步增加，從而帶動碳纖維需求的大幅提升。2.4、熱場材料：光伏發(fā)展帶動碳碳復材高速成長，對碳纖維有海量需求碳碳復材是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料，除了繼承碳纖維的高性能以外，還具備抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，力學特性隨著溫度升高而增大，是目前唯一能在2200℃以上保持高溫強度的復合材料，主要應用于剎車盤、航天部件以及熱場部件三個領域。近年來，前兩個應用領域發(fā)展平穩(wěn)，熱場部件的需求則是受到光伏行業(yè)高速發(fā)展的拉動。碳基復材性能優(yōu)于石墨，能夠契合光伏發(fā)展趨勢。熱場是硅片拉晶過程中的耗材，主要用于單晶硅爐內(nèi)的坩堝、導流筒、保溫筒、加熱器等部件。為熔化硅料，需要溫度達到1600℃以上，要求熱場材料要有較好的耐熱性能，因此長期以來熱場材料都以等靜壓石墨為主，碳基復材為輔。隨著光伏新增裝機規(guī)模的增長，硅片的需求逐年上升，單晶爐的投料量也從2016年的300kg提升至2020年的1900kg，坩堝尺寸也從原來的16-20英寸提高到現(xiàn)在的32-36英寸。坩堝容量的提升對于材料的承載性要求也更高，等靜壓石墨是由石墨顆粒壓制成型的脆性材料，而碳基復材抗折強度超過150MPa，能夠承載更大重量，保證了生產(chǎn)安全性，同時使用壽命也更長，更加契合熱場大型化的發(fā)展趨勢。隨著坩堝制作工藝、拉棒技術的提升，單晶爐投料量仍具備成長空間，碳碳熱場則是硅片企業(yè)必須的生產(chǎn)設備。國產(chǎn)碳基復材逐步替代進口高純度石墨，光伏持續(xù)高增將帶動碳纖維需求大幅提升。早期，國內(nèi)硅片企業(yè)的熱場材料主要依靠從德國西格里、日本東洋碳素進口高純、高強等靜壓石墨，不僅供貨周期長，而且成本較高。2016年伊始，金博股份和西安超碼等企業(yè)實現(xiàn)了碳基復材的低成本、規(guī)?；a(chǎn)，國內(nèi)硅片企業(yè)逐步轉向使用國產(chǎn)碳碳熱場。根據(jù)金博股份的招股說明書，碳基復材滲透率從2010年的10%以下提高至2019年的50%以上。“碳中和”時代來臨，光伏發(fā)電作為清潔能源，是全球重點發(fā)展的領域，未來光伏新增裝機規(guī)模預計維持較高的增速，硅片企業(yè)對碳碳熱場的需求有望繼續(xù)高速增長。

3、供給端：國內(nèi)企業(yè)技術突破擴建產(chǎn)能，國產(chǎn)替代空間可期3.1、國外企業(yè)占據(jù)高端產(chǎn)能，國內(nèi)企業(yè)正在奮力歐美日企業(yè)具有先發(fā)優(yōu)勢，碳纖維生產(chǎn)工藝已非常成熟。1959年日本大阪工業(yè)試驗所成功發(fā)明了PAN基碳纖維的制備技術，由此揭開了全球碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的序幕。國際上PAN基碳纖維的生產(chǎn)于上世紀60年開始起步，日本、英國是最先開啟實驗室研發(fā)碳纖維，而美國于當時專注攻克粘膠基碳纖維，所以在此方面發(fā)展稍晚一步。進入70年代，日、英、美三國企業(yè)開始頻繁合作，開始工程化技術的研發(fā)以及應用領域的開拓，成功將碳纖維應用在高爾夫球桿、釣魚竿等方面，同時碳纖維復合材料在航天航空結構上也取得突破，還實現(xiàn)了批量生產(chǎn)。90年代開始，碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展提速，行業(yè)正式進入了工業(yè)化時代，單線產(chǎn)能突破千噸/年。日本東麗公司作為行業(yè)翹楚，早在當時就基本完成了現(xiàn)有絕大部分產(chǎn)品型號的研發(fā)和生產(chǎn)，包括初期的T300、中期的T800和T1000、末期的M60J。進入21世紀之后，碳纖維的應用不再僅限于軍工和宇航，風電、汽車等領域的應用也在不斷擴大。總的來說，由于歐美日企業(yè)很早就開始研發(fā)碳纖維技術，并將技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相融合，具備先發(fā)優(yōu)勢，占據(jù)很大一部分的市場份額，對高端碳纖維的市場更是形成了壟斷。目前，世界碳纖維技術主要由日本企業(yè)掌握，其生產(chǎn)的碳纖維無論是質(zhì)量還是數(shù)量均處于世界領先地位。日本的三家碳纖維企業(yè)（東麗、東邦、三菱）占據(jù)全球PAN基碳纖維約50%的市場份額，日本東麗則是全球高性能碳纖維的龍頭企業(yè)。國內(nèi)發(fā)展稍有停滯，如今積極發(fā)展有望縮小差距。我國PAN基碳纖維的研究可以追溯到1962年，與日本同時起步。由于國外知名碳纖維企業(yè)囿于“巴黎統(tǒng)籌條約”的限制，不愿出售相關的生產(chǎn)設備，僅有英國RK公司愿意出售極小產(chǎn)量的中試線，中國碳纖維行業(yè)于上世紀90年代一直處于停滯狀態(tài)，直到進入新世紀之后，科技部設立碳纖維專項，將碳纖維列入863計劃新材料領域，才算是恢復發(fā)展。2008年，以國有企業(yè)為主的大量工業(yè)企業(yè)涌入碳纖維行業(yè)，但大多企業(yè)在一些關鍵技術上毫無突破，生產(chǎn)線運行效率較低且產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。2010年開始，碳纖維行業(yè)格局發(fā)生優(yōu)化，優(yōu)勝劣汰，從原先的40多家企業(yè)減少到了十多家企業(yè)。隨著下游應用的拓展，碳纖維的需求逐步提升，倒逼上游企業(yè)開始大力發(fā)展，一些企業(yè)在工業(yè)級大絲束碳纖維的生產(chǎn)工藝上取得突破，具備產(chǎn)業(yè)鏈自主化能力的產(chǎn)品類型。3.2、技術取得突破，為碳纖維國產(chǎn)替代奠定基礎完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從原油到終端應用的制造過程。上游企業(yè)從石油、天然氣等化石燃料中制取丙烯，并經(jīng)過氨氧化得到丙烯腈。丙烯腈通過聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型得到聚丙烯腈（PAN）原絲。原絲需要經(jīng)過多段氧化爐制成預氧絲，隨后在氮氣的保護下經(jīng)過低溫和高溫碳化后得到碳纖維。碳纖維可以制成碳纖維織物和碳纖維預浸料，也可以與樹脂、陶瓷等材料相結合制成碳纖維復合材料，最后由各種成型工藝得到下游應用需要的最終成品。3.2.1、原絲：碳纖維的核心原材料，直接決定其各項性能指標原絲制備是碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)。碳纖維原絲的質(zhì)量和成本很大程度上決定了碳纖維的性能和成本，PAN原絲需要經(jīng)過預氧化、碳化轉化成碳纖維，這是一個復雜的過程，碳纖維的缺陷主要源于各環(huán)節(jié)的誤差，其中90%的缺陷是從原絲遺傳而來。如果原絲的分子結構和聚集態(tài)結構存在不同程度的缺陷，將會對碳纖維的質(zhì)量和性能造成嚴重的影響。碳纖維的強度顯著依賴于原絲的微觀形態(tài)結構及致密性，線密度越低，原絲中存在的缺陷越少，提高均一性有助于獲取高強度的碳纖維。原絲制備的技術壁壘和工藝差別主要在紡絲環(huán)節(jié)。碳纖維原絲的工藝主要包含聚合、制膠、紡絲三個過程。經(jīng)過長期的技術研究與工程化實踐，碳纖維行業(yè)主要形成了兩種紡絲工藝：濕法紡絲和干噴濕法紡絲。干噴濕紡和濕法紡絲這兩種工藝存在較大差異：（1）濕法紡絲更適合制備大絲束：高溫的紡絲液從噴絲頭出來之后，直接進入了溫度較低的溶劑里會更容易冷卻和凝固下來，凝固之后更利于大絲束的紡絲，但在凝固之后還需要進行拉伸，表面容易起皮，所以大絲束碳纖維的強度相較于小絲束會差一些。（2）干噴濕紡工藝有效結合了干法和濕法，在紡絲速度和原絲性能方面均具有明顯優(yōu)勢，適合制備小絲束：相較于濕法紡絲，干噴濕紡的噴絲頭不會直接浸入凝固浴，噴頭溫度可以獨立精準控制，紡絲液由噴絲版噴出之后在進入凝固浴前會經(jīng)過一段空氣層，紡絲液在空氣層中會發(fā)生一定的拉伸流動，不僅提高紡絲速度，還有利于大分子鏈的取向。干噴濕紡制成的原絲結構相較于濕紡工藝更為均勻致密，截面更容易圓滑，從而提高力學性能。干噴濕紡工藝的難度較大，目前世界上也僅有少部分企業(yè)掌握了該工藝，并且已經(jīng)生產(chǎn)出了成熟的系列產(chǎn)品國際上日本東麗和美國赫氏率先實現(xiàn)了干噴濕紡工藝的突破，而國內(nèi)中復神鷹于2013年取得突破，恒神股份于2014年建成干噴濕紡的生產(chǎn)線，光威復材于2019年通過了T700級別碳纖維干噴濕紡產(chǎn)業(yè)化制備項目的鑒定，發(fā)展速度較快，未來可期。3.2.2、碳絲：受制于核心生產(chǎn)設備，國內(nèi)碳纖維在穩(wěn)定性方面稍有欠缺碳化環(huán)節(jié)壁壘較高，國產(chǎn)核心裝備與世界領先水平仍有差距。碳纖維原絲經(jīng)過多段氧化爐在空氣氣氛下反應得到預氧絲；預氧絲在氮氣保護下，分別經(jīng)過低溫碳化、高溫碳化得到碳絲；隨后經(jīng)表面處理后進行上漿，最后烘干得到碳纖維成品。預氧化是原絲