2020年全球及中國(guó)碳纖維行業(yè)概述及市場(chǎng)需求分析[圖]

    一、碳纖維——性能優(yōu)異工業(yè)材料，制造全環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘高

    碳纖維是由有機(jī)纖維（主要是聚丙烯腈纖維）經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料纖維。碳纖維的含碳量在90%以上，具有強(qiáng)度高、比模量高（強(qiáng)度為鋼鐵的10倍，質(zhì)量?jī)H有鋁材的一半）、質(zhì)量輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數(shù)小、耐高低溫等優(yōu)越性能，是軍民用重要基礎(chǔ)材料，應(yīng)用于航空航天、體育、汽車(chē)、建筑及其結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域。相比傳統(tǒng)金屬材料，樹(shù)脂基碳纖維模量高于鈦合金等傳統(tǒng)工業(yè)材料，強(qiáng)度通過(guò)設(shè)計(jì)可達(dá)到高強(qiáng)鋼水平、明顯高于鈦合金，在性能和輕量化兩方面優(yōu)勢(shì)都非常明顯。然而碳纖維成本也相對(duì)較高，雖然目前在航空航天等高精尖領(lǐng)域已部分取代傳統(tǒng)材料，但對(duì)力學(xué)性能要求相對(duì)不高的傳統(tǒng)行業(yè)則更看重經(jīng)濟(jì)效益，傳統(tǒng)材料依然為主力軍。

碳纖維力學(xué)性能出色，是軍民用重要基礎(chǔ)材料

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    碳纖維在部分性能上不劣于其他主要工業(yè)材料

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    全產(chǎn)業(yè)鏈看，制造碳纖維產(chǎn)品的上游原絲端與中游復(fù)合材料均是碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈的核心環(huán)節(jié)，整個(gè)制造的全環(huán)節(jié)技術(shù)壁壘均高。作為碳纖維的前驅(qū)體，高質(zhì)量的PAN原絲是制備高性能碳纖維的前提條件，但其中的聚合、紡絲、碳化、氧化等工藝并非朝夕能夠達(dá)成，其產(chǎn)業(yè)化工藝以及反應(yīng)裝置核心技術(shù)是關(guān)鍵。例如據(jù)《合成纖維工業(yè)》2019年第42卷，碳纖維設(shè)備生產(chǎn)技術(shù)幾乎被國(guó)外壟斷，且嚴(yán)格限制對(duì)華出口，如碳化爐、石墨化爐等關(guān)鍵設(shè)備研發(fā)滯后。碳纖維一般不是單獨(dú)使用，而是以復(fù)合材料的形式被使用，一般以樹(shù)脂碳纖維居多。除PAN原絲外，碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造、評(píng)價(jià)是碳纖維應(yīng)用的基礎(chǔ)，亦制約著碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料中主要成分除碳纖維外，還有樹(shù)脂基材。碳纖維原絲即PAN原絲質(zhì)量固然重要，但若在中游復(fù)材環(huán)節(jié)，沒(méi)有質(zhì)量與性能突出、產(chǎn)業(yè)化規(guī)模的樹(shù)脂基材，以及沒(méi)有用于配套生產(chǎn)復(fù)材的核心設(shè)備，碳纖維仍然無(wú)法得到大規(guī)模的應(yīng)用。

碳纖維原絲及碳纖維復(fù)合材料均是產(chǎn)業(yè)鏈上重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)

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    碳纖維制備過(guò)程中，質(zhì)量過(guò)關(guān)的原絲是產(chǎn)業(yè)化的前提。碳纖維的強(qiáng)度顯著地依賴(lài)于原絲的致密性和微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)，質(zhì)量過(guò)關(guān)的原絲是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前提，是穩(wěn)定生產(chǎn)的基礎(chǔ)。目前，比較常用的紡絲工藝是濕法紡絲、干濕法（干噴濕紡）紡絲。在致密性方面，干噴濕紡紡絲工藝是高性能碳纖維原絲的主流制備方法，且成本相比于濕法較低。在同樣的紡絲裝備及能源消耗條件下，干濕法紡絲的綜合產(chǎn)量是濕法紡絲的2-8倍，PAN基碳纖維絲束的生產(chǎn)成本可降低75%。干噴濕紡中，紡絲液從噴絲孔噴出形成細(xì)流后，先經(jīng)過(guò)一段空氣層（1-20厘米），再進(jìn)入凝固浴，在凝固浴中完成固化，可實(shí)現(xiàn)高速紡絲，用于生產(chǎn)高性能的纖維，同時(shí)具有干法和濕法的優(yōu)點(diǎn)。干噴濕紡也是當(dāng)前國(guó)際碳纖維巨頭的主要紡絲方法，日本東麗的主流型號(hào)T700、T800、T1000碳纖維都是采用干噴濕紡制備而成。截止2018年，國(guó)內(nèi)企業(yè)的碳纖維大部分仍采用濕法紡絲制備，頂尖龍頭已成功掌握干噴濕紡工藝。

國(guó)內(nèi)企業(yè)碳纖維紡絲工藝主要以濕法為主

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    碳纖維技術(shù)發(fā)展至今已經(jīng)歷三代變遷，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高的拉伸強(qiáng)度和彈性模量是目前碳纖維研制過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)。近年來(lái)日美從兩條不同技術(shù)路徑在第三代碳纖維上取得技術(shù)突破，并有望在未來(lái)5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)于提高戰(zhàn)機(jī)、武器的作戰(zhàn)能力意義重大。東麗利用傳統(tǒng)的PAN溶液紡絲技術(shù)使得碳纖維強(qiáng)度和彈性模量都得到大幅提升，是通過(guò)精細(xì)控制碳化過(guò)程，在納米尺度上改善碳纖維的微結(jié)構(gòu)，對(duì)碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進(jìn)行控制。以當(dāng)前東麗較為先進(jìn)的碳纖維制品T1100G為例，T1100G的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別為6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段。美國(guó)佐治亞理工學(xué)院從原絲制備工藝入手，利用創(chuàng)新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術(shù)，通過(guò)凝膠把聚合物聯(lián)結(jié)在一起，產(chǎn)生強(qiáng)勁的鏈內(nèi)力和微晶取向的定向性，保證在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下，仍具備高強(qiáng)度，從而將碳纖維拉伸強(qiáng)度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達(dá)354～375GPa。

三代碳纖維技術(shù)變遷主要集中在碳纖維微結(jié)構(gòu)和紡絲技術(shù)

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    中游的碳纖維復(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。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過(guò)物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料以滿足各種不同的要求。復(fù)合材料根據(jù)不同物相在空間上的連續(xù)性，可以將其分為基體與增強(qiáng)材料。一般而言，碳纖維不單獨(dú)應(yīng)用于下游領(lǐng)域，常作為增強(qiáng)材料形成復(fù)合材料。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。在CFRP中，受力的是碳纖維，樹(shù)脂在其中起到粘結(jié)的作用。CFRP以其明顯的減重增強(qiáng)的作用而廣泛應(yīng)用于航天航空、體育娛樂(lè)用品等領(lǐng)域。換句話說(shuō)，碳纖維復(fù)合材料才是直接接觸下游市場(chǎng)的應(yīng)用形式。

碳纖維復(fù)合材料種類(lèi)繁多，應(yīng)用廣泛

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    碳纖維復(fù)合材料的制備難度，一方面在于基體樹(shù)脂材料的選擇，另一方面在于成型技術(shù)?；w樹(shù)脂材料的性能以及相對(duì)應(yīng)的與碳纖維的配套體系，決定的是材料設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。但在該環(huán)節(jié)完成之后，無(wú)論制作試樣還是量產(chǎn)，都離不開(kāi)成型以及相關(guān)技術(shù)，雖然實(shí)際上兩個(gè)環(huán)節(jié)不能完全分開(kāi)。成型加工過(guò)程賦予材料一定的形態(tài)，使之體現(xiàn)出必要的特性。與此同時(shí)，碳纖維復(fù)合材料成型中部分技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，是碳纖維在商業(yè)航空領(lǐng)域得以規(guī)?；瘧?yīng)用的前提。用于航空航天領(lǐng)域的CFRP構(gòu)件此前大多使用預(yù)浸料工藝，但是預(yù)浸料工藝的成本較高，因預(yù)浸料的裁減和鋪疊過(guò)程是人工成本和工藝時(shí)間消耗最大的環(huán)節(jié)。為改進(jìn)這一局面，由飛機(jī)制造商與材料供應(yīng)商共同研究開(kāi)發(fā)出來(lái)的成型技術(shù)——自動(dòng)鋪放技術(shù)，達(dá)到了通過(guò)自動(dòng)化和高速化完成對(duì)大型復(fù)合材料部件的成型、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本的目的。通常使用鋪放成型技術(shù)可以比其他的成型工藝減少成本至少30%-50%。正是由于自動(dòng)鋪放成型技術(shù)的出現(xiàn)，CFRP在商用客機(jī)上的規(guī)?；瘧?yīng)用才能夠成為現(xiàn)實(shí)。

碳纖維復(fù)合材料成型加工過(guò)程，其中成型階段以及基體樹(shù)脂為關(guān)鍵要素

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    二、碳纖維應(yīng)用增長(zhǎng)較快，航空航天、風(fēng)電領(lǐng)域潛力大

    1、全球碳纖維需求保持穩(wěn)定增長(zhǎng)

    1）全球碳纖維需求保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，2020年或達(dá)11.21萬(wàn)噸

    碳纖維復(fù)合材料由于其優(yōu)良的材料性能，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于航空航天（國(guó)防）、風(fēng)電葉片、汽車(chē)、船舶、壓力容器、建筑、電纜芯等不同行業(yè)。2017年全球碳纖維復(fù)合材料需求達(dá)到8.42萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)2020年全球總需求將達(dá)到11.21萬(wàn)噸，復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到10%。

全球碳纖維需求量（千噸）

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    2017年全球碳纖維需求量最大的三個(gè)行業(yè)分別是風(fēng)電葉片1.98萬(wàn)噸（23.52%）、航空航天1.92萬(wàn)噸（22.80%）、休閑體育1.32萬(wàn)噸（15.68%），除此之外，汽車(chē)、混配模成型、壓力容器等行業(yè)需求較大。按照價(jià)值占比情況來(lái)看，航空航天占比接近49.14%，附加值最高。

    2）我國(guó)碳纖維需求增長(zhǎng)快，航空航天（國(guó)防）、風(fēng)電領(lǐng)域潛力大

    2017年我國(guó)碳纖維需求達(dá)2.35萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)達(dá)20.06%，遠(yuǎn)超全球增速（約10%），整體上延續(xù)了近期年碳纖維需求快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中有7400噸是由國(guó)產(chǎn)碳纖維企業(yè)生產(chǎn)商提供，進(jìn)口碳纖維總量（1.61萬(wàn)噸）仍然明顯高于國(guó)產(chǎn)量，進(jìn)口替代空間巨大。未來(lái)隨著國(guó)內(nèi)碳纖維需求的不斷增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)2020年我國(guó)碳纖維總需求達(dá)3.30萬(wàn)噸，復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)11%，隨著國(guó)產(chǎn)碳纖維技術(shù)水平提高，我國(guó)國(guó)產(chǎn)碳纖維市場(chǎng)占比有望不斷提升。

我國(guó)碳纖維需求變化情況

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    對(duì)比我國(guó)碳纖維需求行業(yè)分布與全球碳纖維需求行業(yè)分布，可以發(fā)現(xiàn)我國(guó)當(dāng)前碳纖維應(yīng)用主要還是集中在體育休閑領(lǐng)域占比達(dá)51.09%，而在航空航天、風(fēng)電葉片、汽車(chē)等高附加值領(lǐng)域結(jié)構(gòu)占比要遠(yuǎn)低于全球相應(yīng)部分碳纖維使用占比。全球航空航天碳纖維需求量雖僅占19.20%，但是其價(jià)值占比卻高達(dá)49.14%，未來(lái)我國(guó)在航空航天、風(fēng)電葉片、汽車(chē)等行業(yè)碳纖維需求市場(chǎng)空間廣闊。

    2、航空航天領(lǐng)域：價(jià)值占比高，市場(chǎng)潛力大

    1）我國(guó)航空航天碳纖維應(yīng)用需求迫切，價(jià)值占比高

    我國(guó)航空裝備與美國(guó)相比仍有較大差距。全球目前共有53545架軍用飛機(jī)，其中美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)軍機(jī)數(shù)量分居前三，我國(guó)軍機(jī)數(shù)量不足美國(guó)的四分之一，其中在作戰(zhàn)飛機(jī)、武裝直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等方面差距尤其明顯。以戰(zhàn)斗機(jī)為例我國(guó)仍有約50%（561架）的二代機(jī)（殲-7、殲-8），三代機(jī)、四代機(jī)遠(yuǎn)落后于美國(guó)，而武裝直升機(jī)數(shù)量884架，僅為占美國(guó)武裝直升機(jī)的16.29%（5427架）。伴隨國(guó)防和軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)要求，且我國(guó)殲-20、殲-16、殲-10C、運(yùn)-20、新型武裝直升機(jī)等新型號(hào)的研制成功并交付使用，軍用航空領(lǐng)域未來(lái)市場(chǎng)空間巨大。

中美不同類(lèi)型軍機(jī)數(shù)量及占比

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中國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)量及占比

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美國(guó)戰(zhàn)斗機(jī)數(shù)量及占比

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    由于碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)輕量化中無(wú)可替代的材料性能，在軍用航空的應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，國(guó)外軍用飛機(jī)從最初將復(fù)合材料用于尾翼級(jí)的部件制造到今天用于機(jī)翼、口蓋、前機(jī)身、中機(jī)身、整流罩等，碳纖維復(fù)材用量不斷提升，以美國(guó)F-22和F35為代表的第四代戰(zhàn)斗機(jī)上碳纖維復(fù)合材料用量達(dá)到24%和36%，在美國(guó)B-2隱身戰(zhàn)略轟炸機(jī)上，碳纖維復(fù)合材料占比更是超過(guò)了50%。

    我國(guó)現(xiàn)役的第三代戰(zhàn)斗機(jī)碳纖維占比約為3%，與美國(guó)第四代戰(zhàn)機(jī)30%的平均碳纖維用量仍有較大差距，我軍碳纖維使用比例仍有巨大提升空間。目前我軍直-10、直-19武裝直升機(jī)則大量使用由國(guó)產(chǎn)軍用碳纖維復(fù)合材料制作的機(jī)身框架結(jié)構(gòu)、直升機(jī)旋翼、機(jī)翼蒙皮和直升機(jī)尾翼部件。未來(lái)隨著軍機(jī)批產(chǎn)上量，以及碳纖維比例逐步上升，對(duì)國(guó)產(chǎn)碳纖維的需求將越來(lái)越大。

    近年來(lái)無(wú)人機(jī)（UAV）包括無(wú)人作戰(zhàn)機(jī)（UCAV）發(fā)展迅速。出無(wú)人機(jī)系統(tǒng)是當(dāng)今世界航空工業(yè)最具活力的發(fā)展領(lǐng)域，無(wú)論是在國(guó)防還是空中攝影、氣象觀察等民用領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)正被越來(lái)越廣泛使用。目前全球無(wú)人機(jī)系統(tǒng)年產(chǎn)值約150億美元，其中100億美元來(lái)自軍用需求，預(yù)計(jì)未來(lái)10年全球無(wú)人機(jī)系統(tǒng)領(lǐng)域年均增速將在20%以上，產(chǎn)值累計(jì)超過(guò)4000億美元。美國(guó)全球鷹（GlobalHawk）高空長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人偵察機(jī)共用復(fù)合材料達(dá)65%，X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”的復(fù)合材料使用比例都為90%。2018年12月23日，“翼龍”I-D無(wú)人機(jī)成功首飛，這是我國(guó)自主研發(fā)的第一型全機(jī)身復(fù)材無(wú)人機(jī)，機(jī)體復(fù)合材料比例達(dá)到約75%。隨著無(wú)人機(jī)需求的快速增長(zhǎng)及復(fù)材使用比例的提升，碳纖維復(fù)材在無(wú)人機(jī)領(lǐng)域需求有望成為我國(guó)新亮點(diǎn)。

    2）2018年我國(guó)完成39次航天發(fā)射，碳纖維航天應(yīng)用將不斷提升

    在航天領(lǐng)域，航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運(yùn)載火箭減輕500公斤，因此，在航空航天工業(yè)中普遍采用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料。美國(guó)、歐洲的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總重量的10%，原因就在于廣泛使用了高性能復(fù)合材料。而在運(yùn)載火箭和戰(zhàn)略導(dǎo)彈方面，碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能得到了較好的應(yīng)用與發(fā)展，先后成功用于“飛馬座”、“德?tīng)査?rdquo;運(yùn)載火箭、“三叉戟”Ⅱ（D5）、“侏儒”導(dǎo)彈等型號(hào)；美國(guó)的戰(zhàn)略導(dǎo)彈MX洲際導(dǎo)彈，俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊”M導(dǎo)彈均采用先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)射筒。2018年我國(guó)共計(jì)完成航天發(fā)射任務(wù)39次，據(jù)世界首位，上升趨勢(shì)明顯。隨著中國(guó)航天實(shí)力增強(qiáng)以及科技發(fā)展的需要，碳纖維復(fù)合材料的運(yùn)用將不斷擴(kuò)大。

近五年航天發(fā)射次數(shù)

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    3、風(fēng)電葉片：大功率風(fēng)電機(jī)組推動(dòng)碳纖維復(fù)材占比不斷提升

    我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)，且呈大型化發(fā)展。2017年新增裝機(jī)容量中，3MW及以上機(jī)組占比達(dá)7.60%，其中4MW及以上占比達(dá)4.7%，而2MW以下的風(fēng)機(jī)占比僅7.30%，2-3MW級(jí)是當(dāng)前新增裝機(jī)的主力。從累計(jì)裝機(jī)情況來(lái)看，2MW及以上級(jí)別裝機(jī)容量占比不斷提升，而1.5MW級(jí)別累計(jì)風(fēng)機(jī)占比將不斷的減少，風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)呈現(xiàn)大型化發(fā)展趨勢(shì)，尤其是在大型海上風(fēng)電場(chǎng)及低速風(fēng)機(jī)區(qū)域占比將更高。

    隨著低速風(fēng)機(jī)和海上風(fēng)機(jī)的不斷發(fā)展，葉片長(zhǎng)度的不斷增加，葉輪直徑的增加對(duì)葉片的質(zhì)量及抗拉強(qiáng)力提出了更輕、更高的要求。全球風(fēng)電葉片長(zhǎng)度，目前以45-59.9米為主導(dǎo)，占比超過(guò)70%，預(yù)計(jì)未來(lái)，到2021年，60-69.9米的葉片占比將提升到20%。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是制造大型葉片的關(guān)鍵材料，其可彌補(bǔ)玻璃纖維復(fù)合材料（GFRP）的性能不足。但長(zhǎng)期以來(lái)，出于成本因素，CFRP在葉片制造中只被用于樑帽、葉根、葉尖和蒙皮等關(guān)鍵部位。近年，隨著碳纖維價(jià)格穩(wěn)中有降，加之葉片長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，CFRP的應(yīng)用部位增加，用量也有較大提升。

    當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用主要以國(guó)外的先進(jìn)主機(jī)廠較多，如維斯塔斯、GE等，國(guó)內(nèi)中材科技也已經(jīng)有相關(guān)供應(yīng)，但是整體占比不高，工藝方面相對(duì)于國(guó)外成熟拉擠工藝可能還是存在一定的差距。光威復(fù)材已經(jīng)為維斯塔斯提供碳纖維復(fù)合材料碳梁。2017年全球風(fēng)電碳纖維需求為1.98萬(wàn)噸，我國(guó)風(fēng)電碳纖維需求3060噸，隨著相關(guān)風(fēng)電葉片的工藝逐漸成熟，我們認(rèn)為我國(guó)風(fēng)電碳纖維的需求將繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)趨勢(shì)。

全球風(fēng)電葉片碳纖維需求量及預(yù)測(cè)（噸）

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    除了航空航天（國(guó)防）、風(fēng)電領(lǐng)域外，碳纖維復(fù)合材料還被廣泛應(yīng)用于包括民用飛機(jī)、汽車(chē)、體育休閑、混配模成型、電纜芯、建筑建材、壓力容器、船舶、電子電器等多個(gè)領(lǐng)域。當(dāng)然目前由于碳纖維材料本身的成本相對(duì)較高，限制了其大面積應(yīng)用，但是我們認(rèn)為隨著我國(guó)在民機(jī)制造領(lǐng)域、新能源汽車(chē)以及國(guó)內(nèi)風(fēng)電領(lǐng)域工藝技術(shù)的不斷改進(jìn)，以及碳纖維制造成本的持續(xù)下降，未來(lái)我國(guó)碳纖維市場(chǎng)需求將保持快速增長(zhǎng)。

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