碳纤维行业专题报告：碳纤维概览及生产壁垒详解
获取报告请登录未来智库www.vzkoo.com 。
碳纤维作为高性能纤维的翘楚 ， 一直以来民和军事领域高端应用场景的核心材料之一 。 鉴于碳纤维的重要战略意义 ， 上世60年代今 ， 从政府层面到产业层面 ， 对碳纤维行业的发展都倾注了大量的心血 ， 一代一代的科学家和工程师为中国碳纤维独立自主发展贡献了自己的力量 。 在2008年以前 ， 国内碳纤维生产产量小、品质稳定性不高、性价比优势不明显 。 2008年后 ， 中国的碳纤维企业在军品纤维生产方面实现了真正的突破 ， 并在低成本民品纤维的研发开发上进行大量投入、以与海外产品展开正面竞争 。 同时长期的研发和生产经验的积累也让中国碳纤维企业开始冲击高端民用碳纤维领域 ， 与常规产品一道 ， 丰富了中国碳纤维行业的生命力 。 供应与需求相互映衬 ， 国内碳纤维下游市场快速启动 ， 包括航空航天、风电叶片、汽车、压力容器等领域 ， 对碳纤维的需求正快速涌现 ， 中国成为全球碳纤维需求增长最快的市场 。
中国碳纤维行业已经迎来了最佳发展时期 ， 这也是我们撰写本篇报告的出发点和初心 ， 希望通过我们对行业资料的梳理 ， 帮投资者了解中国碳纤维行业 ， 并发现其中的投资价值 。
文章图片
1.碳纤维的分类
1.1.按强度模量分类 ， T系列碳纤维应用最广
碳纤维按拉伸强度和拉伸模量这两项力学性能指标来分 ， 碳纤维可分为通用型碳纤维、高强碳纤维、高模碳纤维、超高强碳纤维、超高模纤维这几种 。 目前业内没有统一的碳纤维型号划分标准 ， 在实际使用中 ， 龙头企业日本东丽公司的产品编号常被作为行业标准 ， 如东丽的碳纤维产品编号有T300、T800、M30等多种 ， 其中T表示强度 ， M表示模量 。 强度上 ， T后缀的数字越大代表产品的强度越大 ， 因此强度是T300<T600<T700<T800<T1000<T1100；模量上 ， M后缀的数字越大代表产品的模量越大 ， 因此模量是M30<M40<M46<M50<M60<M65 。 根据模量大小可分为标模、中模和高模 。 标准模量的拉伸模量为230-265GPA；中等模量的指拉伸模量为270-315GPA；高模量的指拉伸模量超过315GPA 。 在实际生产和应用中 ， 碳纤维并非以单根形式独立存在 ， 而是由一定数量的碳纤维丝束组成的 ， 公司提供的产品信息中都会表明其碳纤维品为几K 。 其中1K就代表在一束碳纤维丝束中有1000根丝 ， 通常小于24K（含）的碳纤维被称为小丝束 ， 小丝束碳纤维主要应用于航空航天、武器装备和体育休闲领域 ， 因此又被称为“宇航级”碳纤维 。 24K以上的碳纤维被称为大丝束碳纤维 ， 大丝束碳纤维的粘连、断丝现象相对多 ， 强度和刚度方面的性能比小丝束碳纤维差 ， 为通用级碳纤维 ， 主要用于汽车、风电叶片等一般工业领域 ， 因此被称为“工业级”碳纤维 。 小丝束碳纤维的生产成本比大丝束碳纤维高 ， 性能也更加优越 ， 因此价格比大丝束碳纤维更加昂贵 。 目前标模碳纤维有大丝束与小丝束的区分 ， 标模以上的碳纤维尚无大丝束出现 。 但未来大丝束可能向中模的方向发展 ， 特别是飞机的大梁、风电的梁帽和汽车的车身结构 ， 中模大丝束可以为航空航天、风电叶片和新能源汽车领域带来更多轻量化应用 。
文章图片
style="text-align:start">
1.2.按原料分类 ， PAN基碳纤维是主流
碳纤维按不同的原材料分类 ， 可以分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维或粘胶基碳纤维 。 PAN基碳纤维的原料来源丰富 ， 且其抗拉强度其他二者优越 ， 因此PAN基碳纤维应用领域最广 ， 比如航空航天、体育休闲、风电叶片、汽车工业、建筑补强等领域 ， 市场份额占90%以上 。 沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维的用途较为窄、产量小 。 通用级沥青碳纤维强度和模量较低 ， 主要应用于保温材料领域；高性能沥青基碳纤维多用于航空航天的工程材料 。 粘胶基碳纤维主要用于制作耐烧蚀和隔热材料 。
文章图片
文章图片
style="text-align:start">
1.2.1.PAN基碳纤维
大多数PAN基碳纤维生产企业具备由原丝生产开始到制作碳纤维到最终完成碳纤维产品的完整生产线 。 目前全球生产PAN碳纤维的企主要分布在日本和美国 ， 其中日本东丽是全球PAN基碳纤维最主要的生产企业之一 。
从PAN原丝到碳纤维 ， 需要经过碳化、表面处理、上浆处理等过程 。 碳化指的是去除材料中的非碳元素 ， 使其碳含量超过90% ， 由于PAN原丝的玻璃化温度低于100摄氏度 ， 因此不能直接碳化 ， 而需要先经过预氧化过程 。 碳化后 ， 为了赋予纤维更好的粘合性能 ， 需要对它们进行表面处理 ， 向纤维表面添加氧原子以提供更好的化学键合性 ， 使它们的表面被轻微氧化 ， 并且对表面进行蚀刻和粗糙化以获得更好的机械粘合性能 ， 可通过将纤维浸入各种气体如空气、二氧化碳或臭氧中以及各种液体 ， 如次氯酸钠或硝酸中可以实现氧化 。 在表面处理之后 ， 需要涂覆纤维以保护它们在缠绕或编织期间免受损坏 ， 此过程称为上浆处理 ， 涂层材料包括环氧树脂 ， 聚酯 ， 尼龙 ， 聚氨酯等 。
文章图片
style="text-align:start">
1.2.2.沥青基碳纤维
沥青基是制造碳纤维的第二大路线 ， 该路线原料来源丰富且碳化收率高 ， 根据王鹏《沥青基碳纤维工艺流程》学术报告 ， 沥青基碳纤维生产成本仅为PAN基碳纤维的1/3-1/4 ， 但因原料调制杂、产品性能较低而未得到大规模发展 。 沥青基碳纤维的制备工艺包括：原料沥青→沥青熔化处理→沥青过滤→沉降法或热滤法的调制→熔喷法或熔纺法纺丝→不熔化处理→炭化或石墨化处理 。 沥青基碳纤维最早于上世纪60年代末由日本吴羽化学公司实现工业化生产 ， 1970年美国联合碳化物公司也成功完成开发 ， 并于1982年投入工业化生产 。 与PAN碳纤维相比 ， 沥青基碳纤维强度方面不如PAN基碳纤维 ， 但高性能沥青基碳纤维在模量、摩擦和导热方面具有优势 ， 因此在航空航天领域具有不可替代的优势地位 。
1.2.3.粘胶基碳纤维
【碳纤维行业专题报告：碳纤维概览及生产壁垒详解】粘胶基碳纤维的制备工艺包括：粘胶原丝水洗→催化浸渍→预氧化→低温碳化→高温碳化 。 原料主要为木浆和棉浆 ， 美国、俄罗斯和白俄斯多用木浆 ， 我国则以棉浆为主 。 根据李辉《复合催化剂种有机硅组分在粘胶基碳纤维制备中的作用》学术报告 ， 由于粘胶纤维理论总碳量仅为44.5% ， 加上制造过程中的热解反应 ， 粘胶基碳纤维生产效率只有10%-30% ， 所以制备成本相对更高 。 且其强度较低 ， 不能像PAN基碳纤维那样以高倍张力进行预氧化 ， 只有在完成预氧化后的高温处理阶段才可以施加张力 。 粘胶基碳纤维的优点在于其原材料粘胶纤维是天然产物 ， 粘胶纤维加工过程中无需添加催化剂 ， 因此纤维中可以不含金属离子 。 凭借这个其他种类碳纤维不具备的优势 ， 在需要保证信号不受干扰的情况下、要求所用的碳纤维不能含有金属离子时（如战略武器的隔热材料、防静电和防电磁波服装的防护材料） ， 就必须使用粘胶基碳纤维 。 此外 ， 粘胶基碳纤维具有耐烧蚀的特点 ， 在制造隔热保温材料时不可替代 。
文章图片
2.碳纤维及复材生产工艺比较
推荐阅读
- 挺过上半年疫情冲击，中国电竞行业为啥更红火了？
- 锐博集团|IT行业人才招聘观察
- 中新网|挺过疫情冲击，中国电竞行业为啥更红火了？
- 人工智能|芯片行业再临暴风骤雨，巨头控制权或将更难撼动
- 行业互联网|乘风破浪的容联AI 助推5G新基建提速
- 行业互联网|易软信息盛情赞助“2020第五届中国国际物业管理高峰论坛”
- 云母|吃了个大瓜！美妆行业少为人知的秘密……
- 增速|京东第二季度净收入2011亿 创零售及互联网行业单季收入新纪录
- 猫眼|猫眼中报：强化布局 助力行业 短期影响未改长期逻辑
- 海信|中国电子信息行业最具影响力大奖揭晓 海信激光电视摘金