一、碳纖維發展現狀分析

    碳纖維是由有機纖維（粘膠基、瀝青基、聚丙烯腈基纖維等）在1000℃以上的高溫環境下裂解碳化形成的一種含碳量高于90%的無機纖維。根據原絲種類，碳纖維主要可分為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纖維占據主流地位，產量占碳纖維總量的90%以上，粘膠基碳纖維還不足1%，瀝青基碳纖維約占8%

碳纖維按照原絲的分類

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    碳纖維具有低密度、高強度、耐高溫、高化學穩定性、抗疲勞、耐摩擦等優異的基本物理及化學性能，并有高振動衰減性，良好的導電導熱性能、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數等特性。

碳纖維材料的特點

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    碳纖維材料除按照原絲進行分類外，還可以按照制造方法分為碳纖維（800-1600°C）、石墨纖維（2000-3000°C）、氧化纖維（預氧絲200-300°C）、活性碳纖維、氣相生長碳纖維。按照力學性能分為高強型、高強中型、高模型和高強高模型四類。按照絲束大小，把48K及以下的碳纖維稱為小絲束碳纖維（宇航級），48K以上的成為大絲束碳纖維（工業級），其中K數是指不加捻的連續絲束中所含單絲的數量
我國積極鼓勵支持碳纖維產業發展。2015年5月，國務院正式發布《中國制造2025》，把新材料作為重點領域之一進行大力推動和發展，其中高性能結構材料、先進復合材料是新材料領域的發展重點。2015年10月，工信部正式公布了《中國制造2025重點領域技術路線圖》，將“高性能纖維及其復合材料”作為關鍵戰略材料，2020年的目標為“國產碳纖維復合材料滿足大飛機等重要裝備的技術要求”。2016年11月，國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》，明確指出加強新材料產業上下游協作配套，在碳纖維復合材料等領域開展協同應用試點示范，搭建協同應用平臺。2017年1月，工信部、發改委、科技部、財政部聯合制定《新材料產業發展指南》，提出到2020年，“在碳纖維復合材料、高品質特殊鋼、先進輕合金材料等領域實現70種以上重點新材料產業化及應用，建成與我國新材料產業發展水平相匹配的工藝裝備保障體系。

近年來我國碳纖維行業相關政策文件

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    目前我國碳纖維產業正處于產業整合階段，現已建立起國產聚丙烯腈碳纖維技術體系，確立了主流技術方向；初步形成了從實驗室研制到產業化的國產碳纖維研發生產平臺，并同時建立了國產高強碳纖維應用評價、符合材料制備與應用體系。從產能上看，我國碳纖維產能2006年至2009年增速較快，在經歷2010年增速觸底后，2011年至今，我國碳纖維產能始終保持穩定增長。受國內中復神鷹、吉林精功等碳纖維生產企業千噸級生產線建成投產以及吉林化纖等企業原絲產能提升影響，我國碳纖維理論產能在2017年同比大幅增長44%，達到2.60萬噸。在未來2-3年中，碳纖維生產廠商仍有多條千噸級生產線將陸續建成，我國碳纖維理論產能預計仍將保持較快增長態勢。隨著中國在碳纖維領域投入的不斷增大，中國碳纖維產量占世界份額也不斷提高。

    我國碳纖維產業在產業化和規模化發展方面取得了重大突破。從2014年開始，中國市場的碳纖維產業進入前所未有的新的發展階段，在我國完整的碳纖維研發鏈條下的碳纖維工程化研發出現了加速發展的勢頭，初步形成了以山東、江蘇和吉林等地為主的碳纖維產業聚集地，培育了威海拓展、中復神鷹和江蘇恒神等碳纖維生產骨干企業和一批碳纖維復合材料及制品企業。

    其中中復神鷹產能達6000噸，江蘇恒神公司4650噸，精功集團3500噸，光威復材3100噸。另外，中安信、蘭州藍星、太鋼鋼科、中油吉化、吉林江城、上海石化、中簡科技等公司也具備較強的碳纖維研發生產能力。按產線產能級別劃分，千噸線有11條、100~400噸線有17條、500噸線有9條。

國內碳纖維生產線類型

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2017中國碳纖維企業理論產能分布（千噸）

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    智研咨詢發布的《2019-2025年中國碳纖維材料行業市場發展模式調研及投資趨勢分析研究報告》顯示：2010年至2014年期間，我國碳纖維產量從1500噸增至3200噸，增長了1倍，年均增長20.9%。據測算，近年來我國碳纖維產量保持較快的增長速度，2015年我國碳纖維產量約為3840噸，2017年產量已經提升至7000噸左右。

2010-2017年我國碳纖維產量走勢

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2008-2017年我國碳纖維需求總量走勢圖

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    二、碳纖維復合材料帶來產業鏈變革

    碳纖維復合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼并稱為飛機機體的四大先進結構材料，在小型商務飛機和直升飛機上的使用量達到70％~80％，在軍用飛機上占30％~40％，在大型客機上占15％~50％。

碳纖維復合材料在飛機上的使用量

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    碳纖維是由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，與其它材料具有很高的相容性，兼備紡織纖維的柔軟可加工性，并且容易復合，具有很大的設計自由度。目前碳纖維復合材料以樹脂基復合材料（CFRP）為主，占全部碳纖維復合材料市場份額的90%以上。CFRP具有質量輕等一系列突出的性能，在對重量、剛度、疲勞特性等有嚴格要求的領域以及要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都具有很大優勢。

    三、我國飛機產業鏈碳纖維需求空間巨大

    由于具有質輕、高強度的屬性，碳纖維在航空航天領域有廣泛應用。碳纖維相對于鋼或鋁，減重效果可以達到20%至40%，在航空航天領域，主要應用于飛機的結構材料（占飛機重量的30%左右），使飛機重量減輕6%至12%，從而顯著地降低飛機的燃油成本，此外碳纖維也能夠克服金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點，增強飛機的耐用性；復合材料的良好成型性可以使結構設計成本和制造成本大幅度降低。飛機產業對碳纖維的需求增量主要來自兩大因素：一是碳纖維復合材料在飛機結構材料中的應用比例不斷提高，二是飛機訂單的增長。

碳纖維需求空間巨大

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    碳纖維復合材料應用于客機具備四大優勢：

    安全性：與鋁合金相比，復合材料的損傷容限和抗腐蝕性能更好，提高了耐久性，同時也提高了安全性。另外，碳纖維復合材料首先應用于軍機，為民用飛機積累了可貴的經驗，30多年的研究和應用使得技術上已十分成熟，復合材料在客機上的用量逐步擴大是安全的。

    經濟性：飛機的成本不僅僅是一次性的購買費用，還要考慮油耗、維修成本、壽命等，成本的概念已經擴大成為全壽命成本。雖然碳纖維復合材料比鋁合金貴得多，但飛機結構重量大幅降低所帶來的的經濟效益（包括油耗的降低等）遠遠超過了它的負面效應。空客A38作為全球體積最大的民用飛機,創造了飛機史上的奇跡:排放少、油耗低,飛機機身有大約25%的復合材料,使用了22%的CFRP。之所以要應用CFRP,就是由于在飛行時間的增加下,碳纖維增強樹脂材料會受損,使用CFRP可以有效延長飛機的使用壽命。與傳統材料制作而成的飛機相比,此類機型排放少、油耗低、使用時間長,可以有效降低民用航空企業的運營成本。

    舒適性：由于采用了整體結構的復合材料機身，B787客艙的舷窗尺寸加大了30%，這意味著旅客可以擁有更大的視野。由于碳纖維復合材料具有優于鋁合金的抗疲勞和抗腐蝕特性，可以使客艙濕度和氣壓有所提高，從現有客機相當于外界2400m高度的氣壓改善至相當于外界1800m高度的氣壓，可以讓旅客享受到更舒適的空中旅行。

    環保性：B787在首次向世界隆重亮相前就已獲得677架訂單，總價值逾千億美元，能夠獲得如此好的市場效應，非常重要的原因是機身輕便而且發動機特性好，可節省20%的燃油，環保性能十分強大，這是通過發動機、氣動、復合材料等多方設計共同達到的，其中油耗降低的20%中有8%是通過應用碳纖維復合材料達到的。

碳纖維復合材料優勢

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    碳纖維復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為衡量飛機結構先進性的重要指標,也是航空公司購買飛機時的重要參考指標。大力發展航空復合材料技術已經成為國內外航空制造企業的共識。

    由于碳纖維復合材料具有低密度、高比強度、高比模量、可設計性強、等優點,在飛機上采用先進復合材料可以大幅度減輕機體結構質量、改善氣動彈性,提高飛機的綜合性能,大批量飛機零部件相繼采用碳纖維復合材料，并且采用復合材料的面積、部位和重量也日趨增加。將碳纖維復合材料應用于飛機結構中可相應減重20%-30%，這是其他先進技術很難達到的效果，而且還可以帶來結構和性能的改善,以及運營成本下降的綜合效益。因此，復合材料在軍民用飛機上的用量正逐年增加。但由于民機對安全性、可靠性、經濟型的要求高于軍機，因此在應用上更加保守和延后。

國外民用飛機復合材料結構應用歷程

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    截至2017年底，民航全行業運輸飛機期末在冊架數3296架，比上年底增加346架。

2009-2017年我國民航全行業運輸飛機期末在冊架數

資料來源：民航總局

    2017年底，全國獲得通用航空經營許可證的企業365家。通航機隊在冊總數為2984架（其中固定翼1865架，旋翼機1017架），新增300多架，比上年增長15.0%。

2006-2017年中國通用航空在冊總數

資料來源：民航局

    近日，中國在T-1000級超高強度碳纖維領域的研究取得了重大突破。中國科學院山西煤炭化學研究所研究員張壽春團隊所制備的聚丙烯腈基超高強度碳纖維順利通過驗收，并成功開發聚丙烯腈基新型中空碳纖維。這些技術長期被日本和美國公司壟斷，特別是T-1000及其以上級別的超高強度碳纖維更是高端產品，是對我國封鎖的重中之重。此次取得的研究突破將有助于我國高性能碳纖維多品種、系列化發展，對于結構輕量化和多功能化應用具有積極意義。同時這對于我國飛機碳纖維行業具有非常重要的意義，是提高國產武器裝備性能的重要物質基礎之一

    國外將碳纖維/環氧和碳纖維/雙馬復合材料應用在戰機機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明顯的減重作用,大大提高了抗疲勞、耐腐蝕等性能,數據顯示采用復合材料結構的前機身段,可比金屬結構減輕質量31.5%,減少零件61.5%,減少緊固件61.3%；復合材料垂直安定面可減輕質量32.24%。用軍機戰術技術性能的重要指標結構重量系數來衡量,國外第四代軍機的結構重量系數已達到27~28%。

    根據飛行國際發布的《worldairforces2018》顯示：2017年底全球軍用飛機總數為53545架，其中美國軍機總數為13407架，中國軍機總數為3036架。

2016-2017年全球主要國家和地區軍機數量統計圖

資料來源：《worldairforces2018》

    2017年底我國海軍飛機總數為409架，空軍飛機總數為1790架，陸軍軍用飛機總數為836架。

2017年我國不同軍種軍用飛機總數統計圖

資料來源：《worldairforces2018》

幾種軍用飛機CFRP應用情況

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    未來以F-22為目標的背景機復合材料用量比例需求為35%左右,其中碳纖維復合材料將成為主體材料。國外一些輕型飛機和無人駕駛飛機,已實現了結構的復合材料化。目前主要使用的是T300級和T700級小絲束碳纖維增強的復合材料。

    四、碳纖維復合材料發展前景

    碳纖維復合材料屬于高新技術產品,它具有碳素材料的固有本性,又具有金屬材料的導電和導熱性,陶瓷材料的耐熱和耐蝕性、耐疲勞、材料尺寸穩定;由于熱膨脹、摩擦系數小等一系列優異性能,是一種多能和多用的功能材料和結構材料。現在,碳纖維復合材料已廣泛應用于航天、航空、能源、交通、石油、化肥、農藥、紡織機械、建筑材料、環境工程、電子工程、醫療器械、文體器材和勞動保護等領域。

    考慮到我國碳纖維的應用還在不斷發展，許多用途還有待開發，如碳纖維在工程修補增強方面、飛機和汽車剎車片、汽車和其他機械零部件的應用以及電子設備套殼、集裝箱、醫療器械、深海勘探和新能源的開發等方面都將是我國碳纖維未來的潛在消費市場，對碳纖維的需求量將更大。因此，未來我國碳纖維的市場需求前景廣闊，潛力極大。

    1）制訂我國碳纖維發展的總體規劃，考慮國內研制與國外引進相結合。碳纖維是一種可以形成龐大產業帶的基礎產品，并隨其成本的降低而在金屬、陶瓷、玻纖等材料的傳統應用領域得到廣泛應用。同時因其高科技含量，又可在一定時期形成相對壟斷產品。因此，碳纖維及其復合材料的開發，可為企業帶來長期、穩定的投資收益，是大企業較好的投資方向。

    2）開發低成本碳纖維技術，目前，國內外很多國家都致力于開發低成本碳纖維及其復合材料，如日本三菱和東麗公司開發了大絲束碳纖維；美國開發出先進的碳纖維制備技術并尋求PAN以外的原料來制備碳纖維；中國也開始研究低成本碳纖維的制備及先進的復合材料制備技術以求降低碳纖維復合材料的成本。

    3）解決碳纖維生產廠家小而散的問題，以提高競爭力。像日本3家碳纖維公司的總產能占世界的75%，而我國的碳纖維企業生產技術仍然與國外的企業有較大的差距。

    4）研究擴大碳纖維的應用范圍，開發宇航級與一般工業級的碳纖維和軍用碳纖維系列。碳纖維要降低價格必須擴大用量，必須擴大碳纖維的應用范圍。軍用高性能碳纖維的用量畢竟是有限的，必須開發新的應用范圍，包括交通運輸、汽車、能源和土木建筑等領域。