2018年中國(guó)碳纖維供需持續(xù)增長(zhǎng)，飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈碳纖維需求空間巨大【圖】

    一、碳纖維發(fā)展現(xiàn)狀分析

    碳纖維是由有機(jī)纖維（粘膠基、瀝青基、聚丙烯腈基纖維等）在1000℃以上的高溫環(huán)境下裂解碳化形成的一種含碳量高于90%的無(wú)機(jī)纖維。根據(jù)原絲種類(lèi)，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(jù)主流地位，產(chǎn)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(lèi)

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    碳纖維具有低密度、高強(qiáng)度、耐高溫、高化學(xué)穩(wěn)定性、抗疲勞、耐摩擦等優(yōu)異的基本物理及化學(xué)性能，并有高振動(dòng)衰減性，良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、電磁屏蔽性能以及較低的熱膨脹系數(shù)等特性。

碳纖維材料的特點(diǎn)

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    碳纖維材料除按照原絲進(jìn)行分類(lèi)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(yù)氧絲200-300°C）、活性碳纖維、氣相生長(zhǎng)碳纖維。按照力學(xué)性能分為高強(qiáng)型、高強(qiáng)中型、高模型和高強(qiáng)高模型四類(lèi)。按照絲束大小，把48K及以下的碳纖維稱(chēng)為小絲束碳纖維（宇航級(jí)），48K以上的成為大絲束碳纖維（工業(yè)級(jí)），其中K數(shù)是指不加捻的連續(xù)絲束中所含單絲的數(shù)量
我國(guó)積極鼓勵(lì)支持碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展。2015年5月，國(guó)務(wù)院正式發(fā)布《中國(guó)制造2025》，把新材料作為重點(diǎn)領(lǐng)域之一進(jìn)行大力推動(dòng)和發(fā)展，其中高性能結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)復(fù)合材料是新材料領(lǐng)域的發(fā)展重點(diǎn)。2015年10月，工信部正式公布了《中國(guó)制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線(xiàn)圖》，將“高性能纖維及其復(fù)合材料”作為關(guān)鍵戰(zhàn)略材料，2020年的目標(biāo)為“國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料滿(mǎn)足大飛機(jī)等重要裝備的技術(shù)要求”。2016年11月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《“十三五”國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，明確指出加強(qiáng)新材料產(chǎn)業(yè)上下游協(xié)作配套，在碳纖維復(fù)合材料等領(lǐng)域開(kāi)展協(xié)同應(yīng)用試點(diǎn)示范，搭建協(xié)同應(yīng)用平臺(tái)。2017年1月，工信部、發(fā)改委、科技部、財(cái)政部聯(lián)合制定《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》，提出到2020年，“在碳纖維復(fù)合材料、高品質(zhì)特殊鋼、先進(jìn)輕合金材料等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)70種以上重點(diǎn)新材料產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用，建成與我國(guó)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平相匹配的工藝裝備保障體系。

近年來(lái)我國(guó)碳纖維行業(yè)相關(guān)政策文件

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    目前我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)整合階段，現(xiàn)已建立起國(guó)產(chǎn)聚丙烯腈碳纖維技術(shù)體系，確立了主流技術(shù)方向；初步形成了從實(shí)驗(yàn)室研制到產(chǎn)業(yè)化的國(guó)產(chǎn)碳纖維研發(fā)生產(chǎn)平臺(tái)，并同時(shí)建立了國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)碳纖維應(yīng)用評(píng)價(jià)、符合材料制備與應(yīng)用體系。從產(chǎn)能上看，我國(guó)碳纖維產(chǎn)能2006年至2009年增速較快，在經(jīng)歷2010年增速觸底后，2011年至今，我國(guó)碳纖維產(chǎn)能始終保持穩(wěn)定增長(zhǎng)。受?chē)?guó)內(nèi)中復(fù)神鷹、吉林精功等碳纖維生產(chǎn)企業(yè)千噸級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)建成投產(chǎn)以及吉林化纖等企業(yè)原絲產(chǎn)能提升影響，我國(guó)碳纖維理論產(chǎn)能在2017年同比大幅增長(zhǎng)44%，達(dá)到2.60萬(wàn)噸。在未來(lái)2-3年中，碳纖維生產(chǎn)廠(chǎng)商仍有多條千噸級(jí)生產(chǎn)線(xiàn)將陸續(xù)建成，我國(guó)碳纖維理論產(chǎn)能預(yù)計(jì)仍將保持較快增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。隨著中國(guó)在碳纖維領(lǐng)域投入的不斷增大，中國(guó)碳纖維產(chǎn)量占世界份額也不斷提高。

    我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)在產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展方面取得了重大突破。從2014年開(kāi)始，中國(guó)市場(chǎng)的碳纖維產(chǎn)業(yè)進(jìn)入前所未有的新的發(fā)展階段，在我國(guó)完整的碳纖維研發(fā)鏈條下的碳纖維工程化研發(fā)出現(xiàn)了加速發(fā)展的勢(shì)頭，初步形成了以山東、江蘇和吉林等地為主的碳纖維產(chǎn)業(yè)聚集地，培育了威海拓展、中復(fù)神鷹和江蘇恒神等碳纖維生產(chǎn)骨干企業(yè)和一批碳纖維復(fù)合材料及制品企業(yè)。

    其中中復(fù)神鷹產(chǎn)能達(dá)6000噸，江蘇恒神公司4650噸，精功集團(tuán)3500噸，光威復(fù)材3100噸。另外，中安信、蘭州藍(lán)星、太鋼鋼科、中油吉化、吉林江城、上海石化、中簡(jiǎn)科技等公司也具備較強(qiáng)的碳纖維研發(fā)生產(chǎn)能力。按產(chǎn)線(xiàn)產(chǎn)能級(jí)別劃分，千噸線(xiàn)有11條、100~400噸線(xiàn)有17條、500噸線(xiàn)有9條。

國(guó)內(nèi)碳纖維生產(chǎn)線(xiàn)類(lèi)型

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2017中國(guó)碳纖維企業(yè)理論產(chǎn)能分布（千噸）

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    智研咨詢(xún)發(fā)布的《2019-2025年中國(guó)碳纖維材料行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展模式調(diào)研及投資趨勢(shì)分析研究報(bào)告》顯示：2010年至2014年期間，我國(guó)碳纖維產(chǎn)量從1500噸增至3200噸，增長(zhǎng)了1倍，年均增長(zhǎng)20.9%。據(jù)測(cè)算，近年來(lái)我國(guó)碳纖維產(chǎn)量保持較快的增長(zhǎng)速度，2015年我國(guó)碳纖維產(chǎn)量約為3840噸，2017年產(chǎn)量已經(jīng)提升至7000噸左右。

2010-2017年我國(guó)碳纖維產(chǎn)量走勢(shì)

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2008-2017年我國(guó)碳纖維需求總量走勢(shì)圖

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    二、碳纖維復(fù)合材料帶來(lái)產(chǎn)業(yè)鏈變革

    碳纖維復(fù)合材料與鋁合金、鈦合金、合金鋼并稱(chēng)為飛機(jī)機(jī)體的四大先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料，在小型商務(wù)飛機(jī)和直升飛機(jī)上的使用量達(dá)到70％~80％，在軍用飛機(jī)上占30％~40％，在大型客機(jī)上占15％~50％。

碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的使用量

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    碳纖維是由有機(jī)纖維經(jīng)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?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，并且容易復(fù)合，具有很大的設(shè)計(jì)自由度。目前碳纖維復(fù)合材料以樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）為主，占全部碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)份額的90%以上。CFRP具有質(zhì)量輕等一系列突出的性能，在對(duì)重量、剛度、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域以及要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都具有很大優(yōu)勢(shì)。

    三、我國(guó)飛機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈碳纖維需求空間巨大

    由于具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度的屬性，碳纖維在航空航天領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。碳纖維相對(duì)于鋼或鋁，減重效果可以達(dá)到20%至40%，在航空航天領(lǐng)域，主要應(yīng)用于飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料（占飛機(jī)重量的30%左右），使飛機(jī)重量減輕6%至12%，從而顯著地降低飛機(jī)的燃油成本，此外碳纖維也能夠克服金屬材料容易出現(xiàn)疲勞和被腐蝕的缺點(diǎn)，增強(qiáng)飛機(jī)的耐用性；復(fù)合材料的良好成型性可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成本和制造成本大幅度降低。飛機(jī)產(chǎn)業(yè)對(duì)碳纖維的需求增量主要來(lái)自?xún)纱笠蛩兀阂皇翘祭w維復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用比例不斷提高，二是飛機(jī)訂單的增長(zhǎng)。

碳纖維需求空間巨大

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    碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于客機(jī)具備四大優(yōu)勢(shì)：

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

    經(jīng)濟(jì)性：飛機(jī)的成本不僅僅是一次性的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用，還要考慮油耗、維修成本、壽命等，成本的概念已經(jīng)擴(kuò)大成為全壽命成本。雖然碳纖維復(fù)合材料比鋁合金貴得多，但飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量大幅降低所帶來(lái)的的經(jīng)濟(jì)效益（包括油耗的降低等）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了它的負(fù)面效應(yīng)?？湛虯38作為全球體積最大的民用飛機(jī),創(chuàng)造了飛機(jī)史上的奇跡:排放少、油耗低,飛機(jī)機(jī)身有大約25%的復(fù)合材料,使用了22%的CFRP。之所以要應(yīng)用CFRP,就是由于在飛行時(shí)間的增加下,碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料會(huì)受損,使用CFRP可以有效延長(zhǎng)飛機(jī)的使用壽命。與傳統(tǒng)材料制作而成的飛機(jī)相比,此類(lèi)機(jī)型排放少、油耗低、使用時(shí)間長(zhǎng),可以有效降低民用航空企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本。

    舒適性：由于采用了整體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料機(jī)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(fù)合材料具有優(yōu)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(xiàn)有客機(jī)相當(dāng)于外界2400m高度的氣壓改善至相當(dāng)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(huán)保性：B787在首次向世界隆重亮相前就已獲得677架訂單，總價(jià)值逾千億美元，能夠獲得如此好的市場(chǎng)效應(yīng)，非常重要的原因是機(jī)身輕便而且發(fā)動(dòng)機(jī)特性好，可節(jié)省20%的燃油，環(huán)保性能十分強(qiáng)大，這是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)、氣動(dòng)、復(fù)合材料等多方設(shè)計(jì)共同達(dá)到的，其中油耗降低的20%中有8%是通過(guò)應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料達(dá)到的。

碳纖維復(fù)合材料優(yōu)勢(shì)

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    碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量和應(yīng)用部位已成為衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要指標(biāo),也是航空公司購(gòu)買(mǎi)飛機(jī)時(shí)的重要參考指標(biāo)。大力發(fā)展航空復(fù)合材料技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外航空制造企業(yè)的共識(shí)。

    由于碳纖維復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、等優(yōu)點(diǎn),在飛機(jī)上采用先進(jìn)復(fù)合材料可以大幅度減輕機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量、改善氣動(dòng)彈性,提高飛機(jī)的綜合性能,大批量飛機(jī)零部件相繼采用碳纖維復(fù)合材料，并且采用復(fù)合材料的面積、部位和重量也日趨增加。將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)中可相應(yīng)減重20%-30%，這是其他先進(jìn)技術(shù)很難達(dá)到的效果，而且還可以帶來(lái)結(jié)構(gòu)和性能的改善,以及運(yùn)營(yíng)成本下降的綜合效益。因此，復(fù)合材料在軍民用飛機(jī)上的用量正逐年增加。但由于民機(jī)對(duì)安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)型的要求高于軍機(jī)，因此在應(yīng)用上更加保守和延后。

國(guó)外民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用歷程

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    截至2017年底，民航全行業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)期末在冊(cè)架數(shù)3296架，比上年底增加346架。

2009-2017年我國(guó)民航全行業(yè)運(yùn)輸飛機(jī)期末在冊(cè)架數(shù)

資料來(lái)源：民航總局

    2017年底，全國(guó)獲得通用航空經(jīng)營(yíng)許可證的企業(yè)365家。通航機(jī)隊(duì)在冊(cè)總數(shù)為2984架（其中固定翼1865架，旋翼機(jī)1017架），新增300多架，比上年增長(zhǎng)15.0%。

2006-2017年中國(guó)通用航空在冊(cè)總數(shù)

資料來(lái)源：民航局

    近日，中國(guó)在T-1000級(jí)超高強(qiáng)度碳纖維領(lǐng)域的研究取得了重大突破。中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所研究員張壽春團(tuán)隊(duì)所制備的聚丙烯腈基超高強(qiáng)度碳纖維順利通過(guò)驗(yàn)收，并成功開(kāi)發(fā)聚丙烯腈基新型中空碳纖維。這些技術(shù)長(zhǎng)期被日本和美國(guó)公司壟斷，特別是T-1000及其以上級(jí)別的超高強(qiáng)度碳纖維更是高端產(chǎn)品，是對(duì)我國(guó)封鎖的重中之重。此次取得的研究突破將有助于我國(guó)高性能碳纖維多品種、系列化發(fā)展，對(duì)于結(jié)構(gòu)輕量化和多功能化應(yīng)用具有積極意義。同時(shí)這對(duì)于我國(guó)飛機(jī)碳纖維行業(yè)具有非常重要的意義，是提高國(guó)產(chǎn)武器裝備性能的重要物質(zhì)基礎(chǔ)之一

    國(guó)外將碳纖維/環(huán)氧和碳纖維/雙馬復(fù)合材料應(yīng)用在戰(zhàn)機(jī)機(jī)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(shù)據(jù)顯示采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的前機(jī)身段,可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%,減少零件61.5%,減少緊固件61.3%；復(fù)合材料垂直安定面可減輕質(zhì)量32.24%。用軍機(jī)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能的重要指標(biāo)結(jié)構(gòu)重量系數(shù)來(lái)衡量,國(guó)外第四代軍機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)已達(dá)到27~28%。

    根據(jù)飛行國(guó)際發(fā)布的《worldairforces2018》顯示：2017年底全球軍用飛機(jī)總數(shù)為53545架，其中美國(guó)軍機(jī)總數(shù)為13407架，中國(guó)軍機(jī)總數(shù)為3036架。

2016-2017年全球主要國(guó)家和地區(qū)軍機(jī)數(shù)量統(tǒng)計(jì)圖

資料來(lái)源：《worldairforces2018》

    2017年底我國(guó)海軍飛機(jī)總數(shù)為409架，空軍飛機(jī)總數(shù)為1790架，陸軍軍用飛機(jī)總數(shù)為836架。

2017年我國(guó)不同軍種軍用飛機(jī)總數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

資料來(lái)源：《worldairforces2018》

幾種軍用飛機(jī)CFRP應(yīng)用情況

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    未來(lái)以F-22為目標(biāo)的背景機(jī)復(fù)合材料用量比例需求為35%左右,其中碳纖維復(fù)合材料將成為主體材料。國(guó)外一些輕型飛機(jī)和無(wú)人駕駛飛機(jī),已實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料化。目前主要使用的是T300級(jí)和T700級(jí)小絲束碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料。

    四、碳纖維復(fù)合材料發(fā)展前景

    碳纖維復(fù)合材料屬于高新技術(shù)產(chǎn)品,它具有碳素材料的固有本性,又具有金屬材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性,陶瓷材料的耐熱和耐蝕性、耐疲勞、材料尺寸穩(wěn)定;由于熱膨脹、摩擦系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能,是一種多能和多用的功能材料和結(jié)構(gòu)材料?，F(xiàn)在,碳纖維復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航天、航空、能源、交通、石油、化肥、農(nóng)藥、紡織機(jī)械、建筑材料、環(huán)境工程、電子工程、醫(yī)療器械、文體器材和勞動(dòng)保護(hù)等領(lǐng)域。

    考慮到我國(guó)碳纖維的應(yīng)用還在不斷發(fā)展，許多用途還有待開(kāi)發(fā)，如碳纖維在工程修補(bǔ)增強(qiáng)方面、飛機(jī)和汽車(chē)剎車(chē)片、汽車(chē)和其他機(jī)械零部件的應(yīng)用以及電子設(shè)備套殼、集裝箱、醫(yī)療器械、深?？碧胶托履茉吹拈_(kāi)發(fā)等方面都將是我國(guó)碳纖維未來(lái)的潛在消費(fèi)市場(chǎng)，對(duì)碳纖維的需求量將更大。因此，未來(lái)我國(guó)碳纖維的市場(chǎng)需求前景廣闊，潛力極大。

    1）制訂我國(guó)碳纖維發(fā)展的總體規(guī)劃，考慮國(guó)內(nèi)研制與國(guó)外引進(jìn)相結(jié)合。碳纖維是一種可以形成龐大產(chǎn)業(yè)帶的基礎(chǔ)產(chǎn)品，并隨其成本的降低而在金屬、陶瓷、玻纖等材料的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)因其高科技含量，又可在一定時(shí)期形成相對(duì)壟斷產(chǎn)品。因此，碳纖維及其復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)，可為企業(yè)帶來(lái)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的投資收益，是大企業(yè)較好的投資方向。

    2）開(kāi)發(fā)低成本碳纖維技術(shù)，目前，國(guó)內(nèi)外很多國(guó)家都致力于開(kāi)發(fā)低成本碳纖維及其復(fù)合材料，如日本三菱和東麗公司開(kāi)發(fā)了大絲束碳纖維；美國(guó)開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的碳纖維制備技術(shù)并尋求PAN以外的原料來(lái)制備碳纖維；中國(guó)也開(kāi)始研究低成本碳纖維的制備及先進(jìn)的復(fù)合材料制備技術(shù)以求降低碳纖維復(fù)合材料的成本。

    3）解決碳纖維生產(chǎn)廠(chǎng)家小而散的問(wèn)題，以提高競(jìng)爭(zhēng)力。像日本3家碳纖維公司的總產(chǎn)能占世界的75%，而我國(guó)的碳纖維企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)仍然與國(guó)外的企業(yè)有較大的差距。

    4）研究擴(kuò)大碳纖維的應(yīng)用范圍，開(kāi)發(fā)宇航級(jí)與一般工業(yè)級(jí)的碳纖維和軍用碳纖維系列。碳纖維要降低價(jià)格必須擴(kuò)大用量，必須擴(kuò)大碳纖維的應(yīng)用范圍。軍用高性能碳纖維的用量畢竟是有限的，必須開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用范圍，包括交通運(yùn)輸、汽車(chē)、能源和土木建筑等領(lǐng)域。