碳纖維是高性能纖維的典型代表，具有密度低、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞以及良好的阻尼、減震、降噪等特點(diǎn)，特別突出的是具有高比強(qiáng)度和高比模量?jī)纱筇匦浴Ｗ鳛檐娒駜捎玫母呒夹g(shù)材料， 碳纖維已廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事等尖端領(lǐng)域以及體育休閑用品、醫(yī)療器械、建筑、海洋工程、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、壓力容器等民用行業(yè)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有關(guān)鍵性和決定性的作用。按原材料類(lèi)型分類(lèi)，主要分為聚丙烯腈基（PAN基）碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。PAN基碳纖維因成品品質(zhì)優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單及力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)勢(shì)，成為碳纖維主流，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上，因此，目前提到碳纖維一般指PAN基碳纖維。除此之外，其按力學(xué)性能分類(lèi)，碳纖維可分為高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高模型、高強(qiáng)高模型；按絲束規(guī)格分類(lèi)，又可分為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維。
從全球碳纖維的應(yīng)用端來(lái)看，碳纖維廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、新能源裝備、工程機(jī)械、交通設(shè)施等領(lǐng)域，總量一半以上應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，是一種應(yīng)用前景十分廣闊的戰(zhàn)略性新材料。其中，風(fēng)電葉片領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、體育休閑領(lǐng)域、汽車(chē)工業(yè)領(lǐng)域總計(jì)占比約70%。下面就一些重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行展開(kāi)講解。聚丙烯腈基碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
基于碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)輕量化中無(wú)可替代的材料性能，在航空中得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，從1969年起美國(guó)戰(zhàn)機(jī)碳纖維的使用量比重開(kāi)始持續(xù)增加達(dá)到36%，美國(guó)B2隱身戰(zhàn)略機(jī)上碳纖維復(fù)合材料占比超過(guò)了50%。目前國(guó)外先進(jìn)導(dǎo)彈武器結(jié)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全面復(fù)合材料化，而我國(guó)導(dǎo)彈復(fù)合材料應(yīng)用比例還有較大提升空間。一般來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)模量通用型T300級(jí)碳纖維主要應(yīng)用導(dǎo)彈主次承力結(jié)構(gòu)件和防隔熱部件。高強(qiáng)中模T800級(jí)和高模碳纖維主要用于飛行器和導(dǎo)彈等主承力結(jié)構(gòu)件，而高強(qiáng)高模碳纖維主要應(yīng)用于衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)件。隨著近年民用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，民用飛機(jī)對(duì)于 碳纖維復(fù)合材料的使用量也逐步上升，如 B787和A350等，以及我國(guó)商飛的C919等。航空主要使用3K、6K、12K碳纖維。預(yù)計(jì)2020-2023年需求量不變；到2025年需求量將達(dá)到2.63萬(wàn)噸，貢獻(xiàn)全球增量的10.6%（以2020年為基準(zhǔn)）。航空航天市場(chǎng)中的民用航空市 場(chǎng)，至少需要3年才可能恢復(fù)到2019年的應(yīng)用數(shù)量。當(dāng)疫情得到進(jìn)一步控制，市場(chǎng)復(fù)蘇加上單通道飛機(jī)廣泛采用碳纖維對(duì)市場(chǎng)的激增作用，航 空航天市場(chǎng)依然將會(huì)是碳纖維應(yīng)用中舉足輕重的一環(huán)。C919
聚丙烯腈基碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),包括應(yīng)用于:汽車(chē)的車(chē)身材料、汽車(chē)頂及前后保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)罩、傳動(dòng)軸、剎車(chē)片、輪轂等；在建筑業(yè)，大絲束碳纖維應(yīng)用于增強(qiáng)水泥和修補(bǔ)加固建筑工程；在生物醫(yī)療方面，由于其優(yōu)良的生物相容性和力學(xué)相容性被應(yīng)用于人工假肢或骨材，并有望于應(yīng)用于人體其他部位；在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中，碳纖維增強(qiáng)塑料應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片部位正逐漸大受歡迎;在電力工業(yè)中，應(yīng)用于輸電導(dǎo)線(xiàn)的芯材;在油田工業(yè)中，應(yīng)用于抽油桿。其中風(fēng)電領(lǐng)域：預(yù)計(jì)到2023年、2025年全球碳纖維需求將增長(zhǎng)至15萬(wàn)噸、20萬(wàn)噸，增長(zhǎng)主要受風(fēng)電葉片領(lǐng)域需求驅(qū)動(dòng)。風(fēng)電葉片領(lǐng)域2023年、2025年對(duì)碳纖維的需求量或?qū)⑦_(dá)到6萬(wàn)噸、9.3萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的68.2%、67.4%（以2020年為基準(zhǔn)）。碳中和背景下，能源結(jié)構(gòu)型調(diào)整勢(shì)在必行，利好風(fēng)電領(lǐng)域。中國(guó)明確提出了“碳中和碳達(dá)峰”的目標(biāo)，美國(guó)將重新加入“巴黎氣候協(xié)定”，并制定“2035 無(wú)碳發(fā)電，2050 讓美國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，歐盟則提出了2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。政策驅(qū)動(dòng)下，預(yù)計(jì)未來(lái)5年中國(guó)及全球風(fēng)電新增項(xiàng)目容量將持續(xù)增長(zhǎng)，中國(guó)新增容量將增長(zhǎng)至66GW，全球增長(zhǎng)至119GW。風(fēng)機(jī)大型化趨勢(shì)，疊加Vesta專(zhuān)利到期影響，將拉動(dòng)大絲束碳纖維需求增長(zhǎng)。大絲束碳纖維性能優(yōu)越，可以使得葉片減重30%，因此超過(guò)3MW的風(fēng)機(jī)和超過(guò)50米的風(fēng)電葉片需要運(yùn)用到大絲束碳纖維。同時(shí)Vestas將碳纖維風(fēng)電葉片制作低成本化，隨著專(zhuān)利即將到期，國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠(chǎng)將積極開(kāi)發(fā)此類(lèi)風(fēng)電葉片，大絲束碳纖維需求將快速增長(zhǎng)。Vestas碳纖維風(fēng)電葉片
聚丙烯腈基碳纖維在儲(chǔ)氫領(lǐng)域的應(yīng)用
壓力容器領(lǐng)域2023年、2025年對(duì)碳纖維的需求量或?qū)⑦_(dá)到1.5萬(wàn)噸、2.19萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的14.37%、14.06%（以2020年為基準(zhǔn)）。碳纖維纏繞復(fù)合材料儲(chǔ)氫氣瓶，是利用碳纖維絲束浸在環(huán)氧樹(shù)脂后，與鋁合金或 者高分子內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，再將其固化成型脫模，從而具有質(zhì)量輕，耐疲勞，抗高低溫沖擊，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。同時(shí)較三型瓶，四型瓶碳纖維雖用量提升，但總成本下降。在同等工作壓力狀態(tài)下，四型瓶成本較三型瓶低7%-11%，因此儲(chǔ)氫瓶大絲束碳纖維的需求量將實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。在天然氣汽車(chē)（NGV）和燃料電池汽車(chē)（FCV）中，Ⅳ型高壓儲(chǔ)氣瓶可以有效降低重量，還可以?xún)?chǔ)存更多燃料，有效提升汽車(chē)?yán)m(xù)航里程，經(jīng)濟(jì)性明顯，未來(lái)幾年天然氣汽車(chē)和燃料電池汽車(chē)將會(huì)是Ⅲ型、Ⅳ型高壓儲(chǔ)氫瓶的主要應(yīng)用方向。碳纖維儲(chǔ)氫瓶
聚丙烯腈基碳纖維在體育領(lǐng)域的應(yīng)用
碳纖維在體育休閑市場(chǎng)中，主要使用于高爾夫球桿、曲棍球棍、網(wǎng)球拍、釣魚(yú)竿、自行車(chē)架、滑雪板、賽艇等高端體育休閑市場(chǎng)。該塊應(yīng)用主要基于碳纖維的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕等特點(diǎn)。例如碳纖維復(fù)合材料制作的高爾夫球桿比金屬桿減重近50%，碳纖維自 行車(chē)較鋁材減重40%且實(shí)現(xiàn)更高的車(chē)架精度。釣魚(yú)竿、球拍、滑雪板、高爾夫球桿等體育用品的碳纖維多使用大絲束碳纖維（≥24K）。在亞洲，用于制造運(yùn)動(dòng)休閑產(chǎn)品的碳纖維比世界上任何其他地區(qū)都多。在亞洲，特別是在中國(guó)，碳纖維越來(lái)越多地用于制造管狀復(fù)合材料物體，如高爾夫俱樂(lè)部和網(wǎng)球拍，其他體育用品包括釣魚(yú)桿、箭頭、滑雪裝備、賽車(chē)、自行車(chē)架、球拍、棒球棒和運(yùn)動(dòng)墻。體育休閑領(lǐng)域碳纖維需求：預(yù)計(jì)2023年、2025年對(duì)碳纖維的需求量將達(dá)到約1.8萬(wàn)噸、2.0萬(wàn)噸，對(duì)應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的6.0%、4.6% （以2020年為基準(zhǔn)）。疫情之下，群體運(yùn)動(dòng)的碳纖維器材，如曲棍（冰）球桿、滑雪桿等，有較大幅度的下滑；而個(gè)人運(yùn)動(dòng)休閑的器材反而上升，主要有高爾夫球桿，自行車(chē)及釣魚(yú)竿。另外，歐美這些年一直流行健康、綠色出行，對(duì)電動(dòng)自行車(chē)也有較大的需求增長(zhǎng)。碳纖維高爾夫球桿
聚丙烯腈基碳纖維在樂(lè)器領(lǐng)域中的應(yīng)用
傳統(tǒng)木質(zhì)小提琴一般都需要在恒溫恒濕的條件下保存，并且溫度和濕度不能太高，即使是這樣木質(zhì)小提琴在空氣中受水分及微生物等的作用會(huì)發(fā)生破裂及腐蝕，其聲學(xué)品質(zhì)隨時(shí)間延長(zhǎng)下降嚴(yán)重。而碳纖維小提琴就可以避免木質(zhì)小提琴的這些缺點(diǎn)，主要是由于碳纖維復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕、防潮、尺寸穩(wěn)定及抗微生物等特點(diǎn)，假如用碳纖維制作，小提琴音色在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍能保持很好的原始特點(diǎn)。共鳴音板是鋼琴的重要部件，起到對(duì)琴弦振動(dòng)聲音的共振、美化與輻射作用傳統(tǒng)的鋼琴實(shí)木音板主要有實(shí)木音板及三層實(shí)木復(fù)合音板，前者選材極其苛刻，如對(duì)木材所含的天然缺陷數(shù)目、木材間的紋理色差、木材的生長(zhǎng)輪寬度與變異系數(shù)等有極高的要求，且穩(wěn)定性差；后者降低了選材的要求，尺寸穩(wěn)定性有所提高，但仍存在出材率低，整塊音板振動(dòng)均勻性差等缺點(diǎn)。目前，采用碳纖維復(fù)合材料的音板具有很好的振動(dòng)傳導(dǎo)性及力學(xué)性能，尺寸穩(wěn)定性以發(fā)音效果穩(wěn)定，音板各個(gè)方向的振動(dòng)傳播均勻，成本有所降低。
碳纖維小提琴
市場(chǎng)現(xiàn)狀
目前全球碳纖維市場(chǎng)：300億元規(guī)模，11%復(fù)合增速，是一個(gè)長(zhǎng)期成長(zhǎng)賽道。2022年全球碳纖維市場(chǎng)規(guī)模44億美元（約合人民幣300億元），2014-2022年CAGR 約11%；需求量13.5萬(wàn)噸，2008-2022年CAGR約10%，應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)拓寬帶動(dòng)市場(chǎng)穩(wěn)定擴(kuò)容。2022全球碳纖維需求-應(yīng)用（百萬(wàn)美元）碳纖維的需求特點(diǎn)：降本和創(chuàng)新供給驅(qū)動(dòng)需求持續(xù)成長(zhǎng)。縱觀(guān)碳纖維的需求成長(zhǎng)歷史：①一方面源自降本驅(qū)動(dòng)，碳纖維價(jià)格由1970年約260美元/kg持續(xù)下降至2010年代15-30美元/kg，從而適用更多領(lǐng)域。②另一方面源自創(chuàng)新供給驅(qū)動(dòng)，碳纖維產(chǎn)品的創(chuàng)新性、定制性強(qiáng)，在相關(guān)應(yīng)用得以被研發(fā)、驗(yàn)證、生產(chǎn)前往往沒(méi)有相應(yīng)的需求，也因此碳纖維的需求快速增長(zhǎng)往往伴隨著產(chǎn)能的快速增長(zhǎng)，而產(chǎn)能的增長(zhǎng)又與研發(fā)的推進(jìn)情況較同步。國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)對(duì)比—總量：中國(guó)大陸需求量占全球55%，近年增速中樞26%高于海外。2017-2022年中國(guó)大陸的需求量占全球的比例從28%提升至55%。2018-2022年中國(guó)大陸碳纖維需求量增速中樞達(dá)到26%，處于快速滲透期，而海外發(fā)達(dá)國(guó)家市場(chǎng)自1960年代發(fā)展至今，需求量增長(zhǎng)相對(duì)更為穩(wěn)定。行業(yè)專(zhuān)家預(yù)計(jì)，到2030年，航空航天市場(chǎng)：8-10萬(wàn)噸；風(fēng)電：19-20萬(wàn)噸；氫氣瓶及CNG氣瓶：18萬(wàn)噸；汽車(chē)+軌道交通：9-10萬(wàn)噸，功能材料：5-6萬(wàn)噸。可以預(yù)期，未來(lái)10年，從商業(yè)上，碳纖維的應(yīng)用主驅(qū)動(dòng)是工業(yè)，輔驅(qū)動(dòng)是航空航天；從技術(shù)發(fā)展上，碳纖維依然是航空航天及工業(yè)的雙驅(qū)動(dòng)模式。國(guó)家政策
“十二五”規(guī)劃提出重點(diǎn)圍繞聚丙烯氰基碳纖維技術(shù)開(kāi)展技術(shù)提升;“十三五”規(guī)劃時(shí)期將高性能碳纖維列入高端材料;“十四五”規(guī)劃提出要加強(qiáng)碳纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用，為未來(lái)碳纖維行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了良好的政策環(huán)境。根據(jù)《化纖工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》，“十四五”時(shí)期，提高碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維、連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用水平，提升高性能纖維質(zhì)量一致性和批次穩(wěn)定性。進(jìn)一步擴(kuò)大高性能纖維在航空航天、風(fēng)力和光伏發(fā)電、海洋工程、環(huán)境保護(hù)、安全防護(hù)、土工建筑、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用。具體碳纖維復(fù)合材料行業(yè)規(guī)劃圍繞碳纖維復(fù)合材料以及高性能纖維創(chuàng)新平臺(tái)展開(kāi)。未來(lái)展望
經(jīng)過(guò)多年的奮力攻關(guān)，國(guó)內(nèi)PAN基碳纖維取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，面對(duì)國(guó)家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，碳纖維產(chǎn)業(yè)必將進(jìn)入前所未有的新的發(fā)展階段，勢(shì)必在“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案中大有可為。在新形勢(shì)下要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，還要做到：
