碳纖維行業(yè)專題報告長期需求看好國內(nèi)有效供給有待持續(xù)釋放

碳纖維行業(yè)專題報告-長期需求看好國內(nèi)有效供給有待持續(xù)釋放1碳纖維具備戰(zhàn)略地位，我國仍處于追趕階段1.1碳纖維是重要戰(zhàn)略物資，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛碳纖維（CarbonFiber，簡稱CF）是由聚丙烯腈（PAN）（或瀝青、粘膠）等有機(jī)母體纖維采用高溫分解法在1,000攝氏度以上高溫的惰性氣體下裂解碳化（其結(jié)果是去除除碳以外絕大多數(shù)元素）形成碳主鏈機(jī)構(gòu)制成的無機(jī)纖維，是一種含碳量在90%以上的無機(jī)高分子纖維。碳纖維具有出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，密度比鋁低，強(qiáng)度比鋼高，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，并具有低密度、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱導(dǎo)性高、熱及濕膨脹系數(shù)低、X光穿透性高、非磁體但有電磁屏蔽效應(yīng)等特點(diǎn)，是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，應(yīng)用于國防工業(yè)以及高性能民用領(lǐng)域，涉及軍工、航空航天、海洋工程、體育用品、汽車工業(yè)、新能源裝備、醫(yī)療器械、工程機(jī)械、交通運(yùn)輸、建筑及其結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等領(lǐng)域。1.2碳纖維的分類碳纖維可以按照原絲種類、力學(xué)性能、絲束規(guī)格、原絲制備工藝等不同維度分為不同種類。按照原絲種類，目前已實現(xiàn)工業(yè)化的碳纖維原絲主要有聚丙烯腈（PAN）原絲、瀝青纖維和粘膠絲，由這三大類原絲生產(chǎn)出的碳纖維分別稱為聚丙烯腈（PAN）基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，粘膠基碳纖維因制造工藝復(fù)雜、碳化得率低僅有20-30%，成本高、產(chǎn)量小。瀝青基碳纖維盡管原料來源豐富，碳化得率高達(dá)80-90%、成本低，但強(qiáng)度較低致使其應(yīng)用領(lǐng)域受限。PAN基碳纖維由于生產(chǎn)工藝相對簡單，產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)異，用途廣泛，自20世紀(jì)60年代問世以來，迅速占據(jù)主流地位，占碳纖維總量的90%以上，瀝青基、粘膠基的產(chǎn)量規(guī)模較小。因此，目前碳纖維一般指PAN基碳纖維。按力學(xué)性能分，碳纖維分為通用型和高性能型。通用型碳纖維強(qiáng)度為1000MPa、模量為100GPa左右；高性能型碳纖維又分為高強(qiáng)型（強(qiáng)度大于2000MPa、模量大于250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。強(qiáng)度大于4000MPa的又稱為超高強(qiáng)型；模量大于450GPa的稱為超高模型。碳纖維因其優(yōu)異的力學(xué)性能作為增強(qiáng)材料而廣泛應(yīng)用，因此業(yè)內(nèi)主要采用力學(xué)性能進(jìn)行分類。業(yè)內(nèi)產(chǎn)品分類主要參考日本東麗的牌號，并以此為基礎(chǔ)確定自身產(chǎn)品的牌號及級別。按照現(xiàn)行聚丙烯腈基碳纖維國家標(biāo)準(zhǔn)的力學(xué)性能分類，PAN碳纖維分為高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高模型、高強(qiáng)高模型四類。按照絲束規(guī)格，亦即每束碳纖維中單絲根數(shù)，碳纖維可以分為小絲束和大絲束兩大類別，一般按照碳纖維中單絲根數(shù)與1,000的比值命名。早期小絲束碳纖維以1K、3K、6K為主，逐漸發(fā)展出12K和24K。小絲束碳纖維性能優(yōu)異但價格較高，一般用于航天軍工等高科技領(lǐng)域，以及體育用品中產(chǎn)品附加值較高的產(chǎn)品類別，主要下游產(chǎn)品包括飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等。一般認(rèn)為40K以上的型號為大絲束，包括48K、50K、60K等。大絲束產(chǎn)品性能相對較低但制備成本亦較低，因此往往運(yùn)用于基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域，包括土木建筑、交通運(yùn)輸和能源等。隨著目前碳纖維制作工藝的提升及產(chǎn)品價格的下降，小絲束在工業(yè)領(lǐng)域的運(yùn)用已逐步拓寬。PAN基碳纖維原絲是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的技術(shù)關(guān)鍵，原絲品質(zhì)缺陷，如表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等，在后續(xù)加工中很難消除，從而造成碳纖維力學(xué)性能的下降。PAN基碳纖維原絲的生產(chǎn)過程為將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型。按紡絲溶劑區(qū)分，包括DMSO（二甲基亞砜）、DMAC（N,N-二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸鈉）等不同類別；按照聚合工藝的連續(xù)性，可以分為一步法、兩步法；按照紡絲工藝，可以分為濕法和干噴濕紡法。1.3碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈價值逐環(huán)增大，碳纖維制備工藝流程復(fù)雜完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應(yīng)用的完整制造過程。從石油、煤炭、天然氣均可以得到丙烯，丙烯經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲，再經(jīng)過預(yù)氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維，并可制成碳纖維織物和碳纖維預(yù)浸料，作為生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的原材料；碳纖維經(jīng)與樹脂、陶瓷等材料結(jié)合，形成碳纖維復(fù)合材料，最后由各種成型工藝得到下游應(yīng)用需要的最終產(chǎn)品。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈下游價值逐環(huán)放大。根據(jù)《中國碳纖維行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢》（俞勝華，2016），在碳纖維整體產(chǎn)業(yè)鏈中，不同階段產(chǎn)品價格大幅增值，同一品種原絲的售價約40元/公斤，碳纖維約180元/公斤，預(yù)浸料約600元/公斤，民用復(fù)合材料約在1,000元以下/公斤，汽車復(fù)合材料約3,000元/公斤，航空復(fù)合材料約8,000元/公斤，每一級的深加工都有大幅度的增值。碳纖維制備環(huán)節(jié)工藝流程復(fù)雜，原絲質(zhì)量決定碳纖維性能高低，氧化碳化工藝決定碳纖維最終力學(xué)性能。進(jìn)入21世紀(jì)，碳纖維生產(chǎn)工藝技術(shù)己經(jīng)成熟，其中PAN基碳纖維產(chǎn)能最大、應(yīng)用最為廣泛，工藝技術(shù)也相對更加成熟，其生產(chǎn)關(guān)鍵包括單體聚合、紡絲、預(yù)氧化、碳化、表面處理等環(huán)節(jié)。丙烯腈自由基共聚制備紡絲原液，原液通過紡絲工藝得到PAN原絲，原絲再經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、石墨化及后處理等一系列工序得到具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的高性能碳纖維。其中PAN原絲的質(zhì)量控制是生產(chǎn)高性能碳纖維的基礎(chǔ)，而預(yù)氧化和碳化工藝則決定碳纖維最終的力學(xué)性能。單體聚合階段，制備紡絲原液有一步法和二步法，一步法是采用均相溶液聚合的方法，直接獲得均一的PAN溶液，再經(jīng)洗滌、脫單、脫泡一系列處理后得到紡絲原液，優(yōu)點(diǎn)是黏度低、可直接紡絲，而缺點(diǎn)是產(chǎn)物收率低，溶劑不易再回收，需要有洗滌、精制等工序。二步法是通過非均相聚合工藝，制得PAN固體粒子，粉料再經(jīng)清洗、干燥、粉碎和溶解后制得均勻的PAN溶液，再經(jīng)后續(xù)的脫單、脫泡處理，獲得紡絲原液，相對于溶液聚合，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得分子量較高、分子量分布比較均勻的聚合物，并且聚合速率較快、轉(zhuǎn)化率較高。缺點(diǎn)是紡絲前需要重新溶解，相較于一步法增加一道程序，同時ＰＡＮ固體粒子的分離和干燥耗能較大。紡絲：在制備PAN原絲過程中，紡絲工藝主要有濕法紡絲和干噴濕紡。濕法紡絲是紡絲原液從噴絲頭出來后直接浸入凝固液中，這種方法工藝簡單，容易控制，典型代表是東麗T300、T800，通過這種方法制備的碳纖維表面有沿纖維軸向排布的溝槽，這種溝槽增大了碳纖維表面積有利于碳纖維與樹脂的物理嚙合，提高復(fù)合材料界面結(jié)合性能，但同時溝槽也是碳纖維表面的缺陷，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，影響碳纖維的拉伸強(qiáng)度。干噴濕紡是原液從噴絲頭流出后先經(jīng)過空氣再浸入凝液中，紡絲速度快，纖維致密，表面光滑，PAN分子鏈段沿纖維方向排列取向優(yōu)化，拉伸強(qiáng)度更高，但缺點(diǎn)是紡絲原液細(xì)流斷裂后原液容易沿噴絲頭漫流，嚴(yán)重影響紡絲過程的連續(xù)性，同時容易殘留的有機(jī)溶劑。預(yù)氧化：原絲碳化前，為防止PAN纖維在高溫中熔融，要對原絲進(jìn)行預(yù)氧化處理，即將原絲置于200-300℃預(yù)氧化爐的氧化氣氛中，分子鏈延纖維軸向取向，形成熱穩(wěn)定性能好的梯形結(jié)構(gòu)。預(yù)氧化工藝的關(guān)鍵在于溫度控制及設(shè)備排風(fēng)，要及時排除爐內(nèi)反應(yīng)熱防止局部過熱導(dǎo)致纖維斷裂。碳化：經(jīng)過預(yù)氧化處理后，預(yù)氧絲要在高純度氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下進(jìn)行兩次碳化處理，分別是低溫碳化，溫度一般為300-900℃；高溫碳化，溫度一般為1200-1800℃。預(yù)氧化過程中產(chǎn)生的熱穩(wěn)定性梯形大分子發(fā)生交聯(lián)，氫、氮、氧等元素隨著碳化溫度升高逐漸裂解排出，纖維中碳元素含量從