微信客服
微信公众号
国产化碳纤维正在悄然崛起。
10月10日，我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料开车，并生产出合格产品。产品性能媲美国外同级别产品，质量达到国际先进水平。这标志中国石化大丝束碳纤维从关键技术突破、工业试生产、产业化成功走向规模化和关键装备国产化，一举破除我国碳纤维生产和装备受制于人的被动局面，真正实现自主可控。
碳纤维地位之“重”
碳纤维是由聚丙烯腈等有机纤维在高温的惰性气体氛围中经氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的无机高分子纤维，是目前可以获得的最轻的无机材料之一。碳纤维在可量产纤维材料中性能最佳，是目前工程上可以大规模应用的比强度最高的材料，其具有优异的物理、化学性能，被称为21世纪的“黑色黄金”。
碳纤维是最重要的无机高性能纤维，这点是由其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素决定的，其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用快速向以航空航天器主结构材料为代表的高端化发展。碳纤维最主要的应用形式是作为树脂材料的增强体，所形成的碳纤维增强树脂（CFRP）具有优异的综合性能，其在航空器、轨道交通车辆、风电叶片、燃料电池等众多领域有着实际和潜在的应用。
碳纤维是现代宇航工业的物质基础，具有不可替代性。CFRP被广泛应用于导弹武器、空间平台和运载火箭等航天领域。在大型先进飞机中，CFRP被广泛用作主承力结构材料。此外，CFRP是制造大型叶片的关键材料，其可弥补玻璃纤维复合材料（GFRP）的性能不足。
对于氢能与燃料电池产业而言，碳纤维的存在直接关乎到国产化进程的速率。燃料电池气体扩散层受原料碳纤维的制约，国内市场一直严重依赖进口。另外就是储氢瓶的技术突破，高性能纤维是全缠绕纤维增强复合压力容器的主要增强体。车用高压Ш型氢气瓶（金属内胆全缠绕）的材料成本中，近70%为增强纤维，其余约30%为内胆和其他材料。
碳纤维技术之“难”
国内氢能与燃料电池产业正面临国产化替代的艰难困境。而碳纤维技术的两大难题便是燃料电池核心零部件和高压储氢瓶。
碳纤维纸作为一种高性能复合材料，是制造燃料电池质子交换膜电极中气体扩散层必不可少的多孔扩散材料。气体扩散层（GDL）构成气体从流动槽扩散到催化剂层的通道，是燃料电池的心脏，是膜电极组（MEA）中非常重要的支撑材料，其主要功能是作为连接膜电极组和石墨板的桥梁。
气体扩散层可帮助催化剂层外部生成的副产品——水尽快流走，避免积水造成溢流；还可帮助在膜的表面保持一定水份，确保膜的导电率；燃料电池运行过程中，帮助维持热传导；此外，提供足够的力学强度，在吸水扩展时保持膜电极组的结构稳定性。
在质子交换膜燃料电池和直接甲醇燃料电池中，同时使用碳纤维纸和碳纤维布作为气体扩散层的综合效果更好。每辆燃料电池电动汽车约需消耗碳纤维纸100 m2（即8 kg）。
储氢瓶生产流程可大致分为内胆成型和纤维缠绕两个环节，总体来看技术难度较大、工艺参数众多、关键原材料及装备仍部分依赖进口、精细化生产管理有待提升，存在一定的技术壁垒。储氢瓶当前成本较高，单瓶售价在 2 万以上，其成本构成中碳纤维复合材料占比超 60%。当下国内储氢瓶所用原材料主要为 T700 以上小丝束碳纤维，未来若能逐步替换为大丝束碳纤维（国外普遍做法），则有望推动气瓶成本进一步降低。
铝内胆纤维缠绕瓶（III型）内胆为金属（通常为铝合金），但厚度较 II 型瓶有减薄，外部进行了全瓶身的碳纤维复合材料缠绕，包裹形式为两极铺设或螺旋形铺设。III 型瓶重量轻、抗压性能好、适用于氢燃料电池汽车等移动设备，目前主要的压力规格为 35MPa 和 70MPa 两种，国内现阶段 35MPa 已实现量产。
储氢瓶剖面图-碳纤维复合材料
塑料内胆纤维缠绕瓶（IV 型）内胆为塑料，瓶身全缠绕碳纤维复合材料，包裹采用两极铺设和螺旋形铺设混合的形式。IV 型瓶瓶壁厚度略薄于 III 型瓶，储气压力则与之一致，主要包括 35MPa和 70MPa 两种规格型号，目前国外已投入商业化运用，如日本丰田的 Mirai 与韩国现代的 Nexo 均采用了 IV 型瓶，但国内技术仍有欠缺，尚未达到量产条件。IV 型瓶也主要应用于氢燃料车等移动场景。
碳纤维供求之“艰”
我国碳纤维市场正处于严重的供不应求状态。数据显示，2021年中国碳纤维产量达2.43万吨，预计2022年我国碳纤维产能及产量可达2.77万吨。未来碳纤维需求未来或将持续处于高速增长期，预计2025年全球碳纤维消费量将达到20.0万吨，增长驱动力主要来自于风电叶片、航空航天等。
当前我国国内主要的碳纤维（及原丝）制造商为吉林碳谷、吉林宝旌、中复神鹰、江苏恒神、光威复材、兰州蓝星和上海石化等。其中，吉林碳谷以原丝生产为主；吉林宝旌和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主，江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳纤维生产能力；其他公司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。
东丽是全球碳纤维行业的领军企业，是最早实现碳纤维工业化生产的公司。其各种型号的产品，如T300、T800等，产品名称已成为行业标准，全球各公司生产的碳纤维产品均以此来标注性能。根据2020年数据，东丽在碳纤维整体市场的占有率达到42%，其中小丝束碳纤维占比17%，大丝束占比25%；若将小丝束及大丝束市场分开来看，东丽在小丝束市场的占有率为33%，大丝束市场占有率则达到51%。无论以整体市场还是以分市场来看，东丽市占率均为全球第一。
光威复材为民营碳纤维全产业链龙头，具备碳纤维生产线及关键设备、预浸料生产线以及复合材料成型设备等自主设计与制造能力，主要产品包括碳纤维及织物、预浸料、碳梁等，军品方面光威复材具有日本东丽性能相当的碳纤维产品，民品方面以碳梁为主，占维斯塔斯份额约30%。目前光威复材正在扩充碳纤维与碳梁产能，有望在需求高景气中进一步成长。
中复神鹰属于中国建材集团，以民品3K至24K小丝束碳纤维生产销售为主，2020年国内碳纤维产量国内占比达20.98%，位居第二。公司碳纤维生产设备主要向关联方江苏鹰游定制采购，采用提出核心设备工艺技术要求，鹰游集团进行装备设计制造的模式。2013年，公司在国内率先突破了千吨级碳纤维原丝干喷湿纺工业化制造技术，建成了国内首条千吨级干喷湿纺碳纤维产业化生产线，并放弃了湿法T300碳纤维生产路线，目前已实现了干喷湿纺400米/分钟产业化。公司碳纤维产品涵盖了高强型、高强中模型、高强高模型等，已基本实现对行业龙头日本东丽的主要碳纤维产品的对标。
去年上半年，国内氢燃料电池市场迅速爆发。但受疫情影响，全球贸易被极大冲击，国外企业交付能力跟不上国内需求，而全球市场也正在积极扩张，碳纤维需求不断上升，但是国外进出口却受到极大影响。
随着碳纤维生产企业不断在高性能碳纤维领域取得技术突破，我国碳纤维的进口替代步伐有望进一步加速。“十四五”期间，我国碳纤维及原丝的产能正在快速扩张。据不完全统计，我国已规划及在建的碳纤维产能共计14.07万吨/年，数量十分可观，我国碳纤维产能正逐步扩张，国产替代道路光明。
10月15日，吉林化纤集团15万吨原丝项目一期5万吨实现开车达产。技术创新促进资源效率充分释放，15万吨原丝项目一期5万吨的开车达产，标志着吉林化纤在全面掌握大丝束“卡脖子”关键技术的同时，将带动风电叶片、高压气瓶缠绕、预浸料等领域生产效率提高40%，生产成本大幅降低，使国产化自主制造、大丝束工艺创新升级、下游有效应用的碳纤维产业链在补链、延链、强链中提升产业价值，预计到今年年底吉林化纤碳纤维原丝产能将达到16万吨 。
中国碳纤维市场规模一直保持增长趋势，从2016年的4.82亿美元增长至2021年的15.88亿美元，年均复合增长率达26.9%。2020年底国家提出的“碳达峰、碳中和”战略，对碳纤维产业将有深远的影响，新的能源战略将极大刺激风电、光伏、氢能等再生或新能源的发展。随着下游各应用领域的不断发展壮大，我国碳纤维市场规模将进一步增长。
作为不可或缺的高性能材料，碳纤维市场前景十分光明。面临国内对碳纤维的需求与日俱增的局面，加速国产化替代刻不容缓。
0 条