碳纖維行業(yè)專題研究-風電主導各領域多點開花

碳纖維行業(yè)專題研究：風電主導，各領域多點開花1、碳纖維——備受矚目的輕量化材料1.1、“黑金”——潛力深厚的材料明星碳纖維屬于新一代增強纖維，百年發(fā)展鑄就高技術壁壘碳纖維（CarbonFiber）是由有機纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈結構，含碳量高于90%的無機高性能纖維，具體含碳量隨種類不同而不同。碳纖維是一種力學性能優(yōu)異的新材料，一方面其具有碳材料的固有本性特征，如耐高溫、耐摩擦、導電、導熱及耐腐蝕等，另一方面其又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，屬于新一代增強纖維?；仡櫶祭w維技術百余年的發(fā)展歷史，碳纖維材料的研發(fā)初期進展緩慢，成果寥寥，但中期取得重大技術突破后便迎來了快速發(fā)展期。碳纖維最早萌芽于1880年愛迪生等人發(fā)明的碳絲，直至20世紀中期高性能碳纖維才正式在美國問世。20世紀70年代以后，碳纖維憑借其優(yōu)異的性能在下游產業(yè)中迅速商業(yè)化，更多企業(yè)嘗試將碳纖維應用于體育休閑、航空航天產業(yè)，獲得了良好的市場反響。進入21世紀，碳纖維更是廣泛應用于新能源裝備、工業(yè)機器、建筑和汽車等多個領域，成為當今世界不可或缺的戰(zhàn)略性新材料。碳纖維性能優(yōu)異，下游應用場景多元在力學性能方面，碳纖維較金屬、塑料和玻璃纖維有更高的拉伸模量和拉伸強度，其拉伸模量一般是玻璃纖維的3倍、鈦合金的2倍，拉伸強度至少是鋁合金的9倍、鋼材的6倍。同時，碳纖維的密度僅約為鋼的25%，鈦合金的40%。因此碳纖維屬于性能優(yōu)越的輕量化材料，將其應用在風電、航空航天等領域中不僅可以提升產品的強度，還可以實現(xiàn)顯著的減重。在極端環(huán)境的適應力方面，碳纖維同樣有出色的性能表現(xiàn)。碳纖維耐超高溫，非氧化氣氛條件下可在2000℃時使用，在3000℃的高溫下不會發(fā)生熔融軟化。碳纖維也耐低溫，在-180℃低溫下鋼鐵會變得比玻璃脆，而碳纖維依舊具有彈性。此外，碳纖維耐濃鹽酸、磷酸等介質侵蝕，耐腐蝕性超過黃金和鉑金，同時也擁有較好的耐油性能。碳纖維還具有熱膨脹系數(shù)小、導熱系數(shù)大的特征，可以耐急冷急熱，即使從3000℃的高溫突然降到室溫也不會炸裂。優(yōu)異的力學性能加之出色的環(huán)境適應力，使碳纖維成為眾多生產、生活領域不可替代的新材料。比如，以碳纖維增強材料的樹脂基復合材料（CFRP）既能應用于宇宙飛行器等尖端領域，也在風電葉片、體育休閑和建筑結構補強等方面發(fā)揮了重要作用。碳/碳復合材料（碳纖維及其制品制成的增強復合材料，C/C）以其低密度、耐燒蝕、高導熱的優(yōu)異性能在導彈、火箭、航天飛機等產品中得到了有效運用。伴隨著社會經濟的發(fā)展，碳纖維的應用場景有望持續(xù)拓寬，市場潛力有望進一步提升。碳纖維分類標準多樣，大小絲束碳纖維技術逐個突破碳纖維可以根據原絲類型、力學性能和單絲數(shù)量進行分類。依據原絲類型的不同，碳纖維可以分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。聚丙烯腈基碳纖維成品性能優(yōu)異，工藝簡單，是碳纖維市場的主力產品，在世界碳纖維總產量中的占比約為90%；瀝青基碳纖維雖然原料來源豐富，但產品性能較差，目前應用規(guī)模較?。徽衬z基碳纖維技術難度大，制備成本高，但具有耐高溫的性能，主要用于耐燒蝕材料等領域。依據拉伸強度和拉伸模量兩大力學性能指標，碳纖維可以分為通用型碳纖維

（強度在1000MPa、模量在100GPa左右）和高性能型碳纖維。而高性能型碳纖維又分為高強型（拉伸強度大于2000MPa）和高模型（拉伸模量大于300GPa），其中拉伸強度大于4000MPa的稱作超高強型，拉伸模量大于450GPa的為超高模型。碳纖維在應用時多是作為增強材料而利用其優(yōu)良的力學性能，因而在實踐中拉伸強度及模量是國際碳纖維分類的主要標準，多采用日本東麗（TORAY）的分類法。按照每束碳纖維中的單絲根數(shù)，碳纖維可以分為小絲束和大絲束兩大類別。一般按照碳纖維中單絲根數(shù)與1000的比值命名，例如，12K指單束碳纖維中含有12000根單絲的碳纖維。通常將24K及以下型號的碳纖維歸為小絲束。小絲束碳纖維早期以1K、3K、6K等型號為主，而后逐漸發(fā)展出12K和24K的品種。小絲束碳纖維性能優(yōu)異但價格較高，一般用于航天軍工等高科技領域，同時產品附加值較高的體育用品中也有所使用。小絲束碳纖維常見的下游產品包括有飛機、導彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、高爾夫球桿、網球拍等。一般48K及以上型號的碳纖維屬于大絲束，包括48K、50K、60K等型號。早期大絲束碳纖維產品性能與小絲束差距較大，沒有得到廣泛運用，但臨近21世紀大絲束碳纖維技術取得重大突破，拉伸強度可達到3600MPa，隨后大絲束產業(yè)迎來了高速發(fā)展期，生產成本和售價也不斷降低。2020年國際市場大絲束碳纖維的售價約為13.5-14.5美元/千克，而小絲束碳纖維的售價則約為20-22美元/千克。大絲束產品往往運用于基礎工業(yè)領域，包括土木建筑、交通運輸和新能源裝備等。如果以“性能價格比（每美元的拉伸強度和拉伸模量）”這一指標來衡量，大絲束產品通常更具優(yōu)勢。以ZOLTEK的大絲束碳纖維產品PANEX33?48K為例，它每美元的拉伸強度和拉伸模量分別達到205MPa和13GPa；而小絲束碳纖維T300-12K每美元的拉伸強度和拉伸模量僅為107MPa和7GPa。近年來大絲束產品的性能不斷提升，性能價格比的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，應用領域持續(xù)拓寬。束產品的性能不斷提升，性能價格比的優(yōu)勢愈發(fā)凸顯，應用領域持續(xù)拓寬。在國際碳纖維產業(yè)發(fā)展初期，由于小絲束碳纖維的性能普遍優(yōu)于大絲束碳纖維，率先開拓了碳纖維的下游應用場景，因此制備小絲束的生產技術更早成熟，我國碳纖維產業(yè)也遵循類似的發(fā)展路徑。目前我國企業(yè)已掌握多種小絲束碳纖維的生產工藝，但在大絲束產品方面起步較晚，產業(yè)實力與美國、日本的國際碳纖維巨頭仍有一定差距。在攻克大絲束技術難關時，國內企業(yè)往往面臨缺乏標準、CV值（條干不勻變異系數(shù)）不穩(wěn)定、毛絲占比高和碳化環(huán)節(jié)毛絲凸顯四大挑戰(zhàn)。直到2017年后，吉林碳谷等少數(shù)企業(yè)才實現(xiàn)了大絲束碳纖維的技術突破。1.2、產業(yè)鏈及工藝流程1.2.1、碳纖維產業(yè)鏈全貌一覽完整的聚丙烯腈基碳纖維產業(yè)鏈包括從原油開采加工到終端工業(yè)品應用的七大環(huán)節(jié)。詳細工藝流程。原油經過精煉、裂解等一系列工藝得到丙烯，再通過氨氧化獲得丙烯腈，丙烯腈（ACN）經過聚合、紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲。原絲經過預氧化、低溫和高溫碳化、表面處理、上漿等環(huán)節(jié)得到碳纖維，同時可制造碳纖維織物和碳纖維預浸料。最終，將碳纖維與樹脂、金屬和陶瓷等基體材料結合可生產碳纖維復合材料，再通過相應成型工藝制成不同終端客戶需要的工業(yè)產品。1.2.2、上游緊密承接石化行業(yè)，以丙烯腈為核心原材料對于碳纖維生產企業(yè)而言，丙烯腈是其首要的原材料，它由丙烯和氨經氨氧化反應和精煉工藝制成。目前國內丙烯腈主要用于生產ABS樹脂/塑料、AS樹脂、丙烯酰胺、聚丙烯腈纖維（腈綸）等，同時還是丁腈橡膠、聚醚多元醇等許多石化產品必不可少的原料或中間體。丙烯腈的下游產品廣泛應用于家電、服裝、汽車、醫(yī)藥等國民經濟中的各個領域。2016年之前，中國丙烯腈進口依存度長期保持在28%以上，隨著斯爾邦丙烯腈裝置于2016年投產，我國丙烯腈的進口依存度有所下降。之后我國丙烯腈產業(yè)國產替代步伐不斷加快，產能供應持續(xù)發(fā)力，2021年1-11月丙烯腈總進口量僅為18.7萬噸，已經低于丙烯腈出口數(shù)量。截至2021年10月，國內丙烯腈前四大廠商均具備45萬噸以上的年產能，其中斯爾邦、上海賽科石化和浙江石化均擁有52萬噸的年產能，居國內前列。斯爾邦、利華益集團和天辰齊翔等均有丙烯腈在建產能。其中，斯爾邦二期丙烷產業(yè)鏈項目共包含兩套26萬噸/年丙烯腈裝置，其中一套預計2022年投產，屆時總產能將達到78萬噸；兩套裝置全部投產后，公司丙烯腈總年產能將達到104萬噸，進一步鞏固其行業(yè)龍頭地位。1.2.3、原絲質量決定產品性能，原絲工藝成關鍵原絲質量直接決定碳纖維性能。原絲通常占碳纖維總生產成本的51%，因此在原絲生產環(huán)節(jié)采用先進工藝，以提高原絲質量并壓縮生產成本，對提升碳纖維企業(yè)市場競爭力至關重要。碳纖維紡絲工藝分為濕噴濕紡和干噴濕紡兩種。傳統(tǒng)濕法紡絲（濕噴濕紡）具體方法是將噴絲板浸入凝固浴中，紡絲液從噴絲頭擠出后，以細流的形態(tài)進入到凝固浴中，原液噴出后立即凝固。濕法紡絲的優(yōu)點是操作流程簡單易行，對生產環(huán)境和操作水平的要求較低，而且噴絲過程中的偶發(fā)性斷絲不影響整體流程的進行。但該方法的明顯缺點在于所得碳纖維性能不高。這種工藝得到的碳纖維表面有明顯的溝槽形貌，屬于徑向收縮表皮塌陷的結果，也反映了碳纖維原絲不均一不致密的內部結構。而這種不均一光滑的粗糙溝渠結構會降低最終所得碳纖維的力學性能。造成這一現(xiàn)象的原因主要是從噴絲孔中直接噴射到凝固浴中，纖維的脹大效應與體積收縮效應同時進行，形成了不規(guī)則的溝渠狀表面。由于濕法紡絲對碳纖維原絲的結構產生了負面影響，它一般用于生產T300、T400等性能較低的碳纖維生產。部分公司通過濕法紡絲生產高性能碳纖維，大多是在其他環(huán)節(jié)通過嚴控生產條件、研發(fā)新方法，才最終提高了碳纖維性能。但這些附加條件提高了企業(yè)生產成本，且因濕法紡絲工藝本身的束縛，碳纖維產品力學性能的提高空間較小。干噴濕紡干噴濕紡的具體方法是即將噴絲板與凝固浴脫離一段距離，使原液噴出后先經過一段空氣層，使其在未凝固的條件下被牽伸均勻，再進入凝固浴進行雙擴散。與濕噴濕紡相比，干噴濕紡主要有提效、增質兩大優(yōu)勢。一方面，它可以進行高倍的噴絲頭拉伸，紡絲速度是濕噴濕紡的3~4倍，可明顯提高生產效率，從而大幅降低碳纖維單位生產成本。另一方面，干噴濕紡技術中紡絲可在空氣層中形成一層致密的薄層，避免大孔洞的形成，因而質量優(yōu)于濕噴濕紡。用干噴濕紡技術得到的纖維，結構比較均勻，皮芯層差異小，強度和彈性均有提高，截面結構近似圓形，纖維表面光滑，纖維內部缺陷少。因此通過干噴濕紡紡出的原絲致密性好，體密度較高，可制得高性能碳纖維。但干噴濕紡對紡絲工藝和原液質量提出了很高的要求。在生產過程中，任何一根原液由于不穩(wěn)定因素斷流，都會立即附著在噴絲板并向四周漫流，進一步粘連到鄰近絲束，最終破壞整個噴絲板的正常生產。1.2.4、碳纖維工藝流程復雜，資本開支較高碳纖維工藝流程復雜，技術壁壘高筑碳纖維生產流程較長，同時各個制備環(huán)節(jié)的時間、精度和溫度會對成品質量產生較大影響，因而在完整的工藝流程中存在很多控制點，對企業(yè)的生產設備、技術要求很高。生產企業(yè)需要在生產中不斷探索每個控制點的精確參數(shù)，最終將各個控制點都調試到最佳狀態(tài)，才能制造出高性能的碳纖維產品。碳纖維生產技術整體上存在三大壁壘，分別為配方、工藝及工程壁壘，突破難度依次提升，從壁壘突破周期來看三大壁壘分別為1-2年、3-5年、5年以上。以碳纖維原絲的預氧化、碳化環(huán)節(jié)為例，生產過程中的溫度需要得到精確的控制，以保障碳纖維產品的拉伸強度。預氧化環(huán)節(jié)的溫度在200~300℃之間，通過在氧化性氣氛中施加一定壓力，對PAN原絲進行緩慢溫和的氧化，在PAN直鏈的基礎上形成大量環(huán)狀結構，從而達到可以耐受更高溫度的目的。碳化過程則需在惰性氣氛中進行。碳化初期PAN直鏈斷裂，開始進行交聯(lián)反應；隨著溫度逐漸上升，熱分解反應開始，釋放出大量小分子氣體，石墨結構開始形成；溫度進一步上升后，碳元素含量迅速提高，碳纖維開始成型。碳纖維行業(yè)資本投入巨大，高投入高回報如前所述，碳纖維生產工藝流程復雜，技術壁壘突破周期長，并伴隨著長期、高額的資本投入。例如上海石化“1.2萬噸/年48K大絲束碳纖維（配套2.4萬噸/年原絲）”項目，總投資額35億元，碳纖維成品每萬噸產能的投資額達29.2億元。新進入企業(yè)除了要通過漫長的積淀突破高筑的技術壁壘，還要承擔巨大的投資支出，這對企業(yè)的資本實