據(jù)了解，碳纖維是具備優(yōu)異力學性能和化學穩(wěn)定性的戰(zhàn)略物資。碳纖維是一種絲狀碳素材料，它是由有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，直徑5-10微米，含碳量高于 95%的無機高分子纖維。
碳纖維具備優(yōu)異力學性能和化學穩(wěn)定性，相比傳統(tǒng)材料最大的優(yōu)勢是其在具有所需強度的前提下具有最高的比模量(彈性模量與密度之比)，同時具有導電、導熱、耐高溫、耐腐蝕等性能，是鋁、鎂合金等傳統(tǒng)金屬材料的優(yōu)良替代品。
碳纖維作為脆性材料，常在復合材料中作增強材料以實現(xiàn)工業(yè)化應用，CFRP在航空航天高端應用廣、節(jié)能效益明顯。作為脆性材料，碳纖維直接使用場景較少，主要場景在復合材料中作增強材料，根據(jù)使用目的不同選用不同基體材料和復合方式來達到所要求的復合效果。
碳纖維可用來增強金屬基體及非金屬基體，目前使用得最多、最廣泛的是碳纖維增強樹脂基復合材料(CFRP)，其最大的優(yōu)點是輕質、高強，航空航天高端應用仍是其主要發(fā)展方向，根據(jù)《航空航天復合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景》，用 CFRP 制造飛機的結構件，同鋁合金相比減重效果可達 20%-40%。目前 CFRP應用已迅速擴大到能源、交通、海洋、機械等領域。
碳纖維國產(chǎn)化有望提升
1879年愛迪生發(fā)明碳絲為發(fā)光體的白熾燈，碳纖維以此為起點。1959 年日本大阪工業(yè)試驗所的近藤昭男發(fā)明了 PAN 基碳纖維制備技術，從此拉開全球碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展序幕。
上世紀60年代，日、英主導開啟實驗室技術研發(fā)，而美國當時仍致力于攻克粘膠基技術，因此美國聚丙烯腈(PAN)基碳纖維發(fā)展晚于日本與英國。至70年代，行業(yè)開啟工程化技術的研發(fā)及應用，英、美、日三國技術合作頻繁，碳纖維技術先后應用于發(fā)動機風扇葉片、高爾夫球桿、釣魚竿等，同時也實現(xiàn)復合材料在航空航天結構的工程化應用。
隨后的 80-90 年代，行業(yè)正式進入工業(yè)化時代，行業(yè)并購搶占市場成為主旋律。此時的日本東麗公司已基本開發(fā)完成現(xiàn)有絕大多數(shù)產(chǎn)品型號;美國波音公司將碳纖維應用于航天飛機，并提出商用飛機對碳纖維的需求;而缺乏應用支撐的英國則轉以銷售技術。
進入21 世紀后，碳纖維在風電、汽車輕量化等方面的需求得到快速擴增，海外企業(yè)由于較早將技術與產(chǎn)業(yè)發(fā)展相融合，在產(chǎn)業(yè)地位上形成壟斷地位
根據(jù)《2019 年全球碳纖維復合材料市場報告》，中國碳纖維發(fā)展起點實際與海外基本同步，20 世紀 60 年代研究起步，中科院長春應用化學院及沈陽金屬研究所啟動開展對碳纖維的研究。70 年代舉國研發(fā)碳纖維。
為滿足國防需求，時任國防科委主任張愛萍將軍于 1975 年部署國內(nèi)碳纖維研究工作;隨后 5 年時間，中央各部委實現(xiàn)建成 PAN 原絲試制能力 50噸/年，碳纖維長絲的試制能力 1.5-2.0 噸/年。
80 年代的主基調(diào)是引進。國家科委為鼓勵引進國外先進技術、設備，承諾給予資金支持;但受限于國外技術封鎖，引進過程并不順利。90 年代碳纖維發(fā)展有所停滯。由于缺乏產(chǎn)業(yè)支撐，國內(nèi)碳纖維行業(yè)發(fā)展陷入停滯，大廠勉強維持、小廠撤出經(jīng)營。
進入 21 世紀初，由于歐美實施禁運致使碳纖維價格大幅上漲，并影響到國內(nèi)軍機生產(chǎn)，國內(nèi)開啟“大干快上”，掀起碳纖維投資浪潮，10 年間累計投資超 300 億元。然而由于眾多企業(yè)并未掌握核心技術，且投資大/周期長，導致超半數(shù)企業(yè)淘汰出局，國內(nèi)碳纖維企業(yè)數(shù)量自高峰時期的 40 家演變?yōu)槿缃竦?10 余家。
根據(jù)《2021全球碳纖維復合材料市場報告》統(tǒng)計，2021年全球碳纖維運行產(chǎn)能約 20.76
萬噸，分區(qū)域來看，中國大陸運行產(chǎn)能 6.34 萬噸，占比 30.5%，首次超過美國成為全球最大產(chǎn)能國;美國運行產(chǎn)能 4.87 萬噸，占全球 23.5%;日本位列第三，運行產(chǎn)能 2.5 萬噸，占比 12.0%。
全球前五大的企業(yè)為日本東麗(美國卓爾泰克被東麗收購)、吉林化纖、美國赫氏、東邦/帝人和三菱，2021 年合計運行產(chǎn)能及并購產(chǎn)能為 11.83 萬噸，合計市占率 57%。根據(jù)《全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)，國內(nèi)玩家數(shù)量更少，集中度相較海外更高，2021 年中國碳纖維行業(yè)的產(chǎn)能 CR5為 79%，其中產(chǎn)能靠前的廠商主要為吉林化纖、中復神鷹、寶旌、新創(chuàng)碳谷和江蘇恒神等。
軍用碳纖維需求有望大幅釋放
先進軍機復材用量大幅提升。國外軍機的復合材料應用經(jīng)歷了“小受力件→次承力件→主承力件→起落架應用”4 個階段：
第一階段主要應用于非承力或受力較小的部件，如艙門、口蓋、整流罩以及襟副翼、方向舵等;第二階段開始應用于垂直尾翼、水平尾翼的壁板等受力較大、規(guī)模較大的部件;第三階段逐步應用于機翼、機身等主要承力結構;第四階段開始推進起落架上試用研究。
根據(jù)《先進復合材料在軍用固定翼飛機上的發(fā)展歷程及前景展望》，目前在 F22、F35 及 EF2000 等四代機上，復材用量達 20%-40%;先進直升機上復材用量高達 90%;各類無人機上復材用量約為 50%-80%，部分機型甚至全結構均使用復合材料。
四代機之前，國內(nèi)軍機復材應用僅限于尾翼、鴨翼等次承力結構，用量占比不到 10%;四代機復材用量實現(xiàn)明顯突破，約達整機結構件的 20%。自 20 世紀 60 年代末70 年代初，國內(nèi)相關單位開始將先進復材應用于國產(chǎn)戰(zhàn)斗機，先后開展殲-8、強-5 的尾翼和前機身的復材應用研究。
此后新設計的軍機均應用了復合材料，但一般用量占比均未超過 10%，如殲-10 用量占比 6%，殲-11 用量占比 9%。最新研制成功的四代戰(zhàn)機復材用量有了較明顯的突破，約占整機結構件的 20%，并且將目標用量增至 29%，將超過美國F-22的復材用量水平。
國產(chǎn)替代市場前景廣闊
民用航空碳纖維需求總量大，新型民機復材應用占比不斷提升。根據(jù)《構建“硬科技”優(yōu)勢——2021 全球碳纖維復合材料市場報告》，2021 年全球商用飛機碳纖維需求總量達 5800 噸，占航空航天碳纖維需求總量的35.3%，較疫情前需求占比(69%)份額有所萎縮。
先進復合材料質量占比已成為民用飛機先進程度和市場競爭力的重要衡量指標，根據(jù)《先進復合材料在航空領域的應用》，波音 B787 和空客 A350 代表當今世界民用飛機制造技術最高水平，復合材料質量占比分別高達 50%和 52%。
復合材料能夠降低民用飛機重量、提高結構效率、減小燃油損耗，經(jīng)濟收益顯著。以波音 B787 為例，復合材料的大量使用是該機型最大的亮點和難點，該機在機翼、機身、垂尾、整流罩甚至起落架后撐桿、發(fā)動機機匣、葉片等部位均使用復合材料，結構質量大幅降低，燃油效率提升 20%，維護成本較 B767下降 30%。
目前全球民航客機市場中，美國波音、歐洲空客雙寡頭位于第一梯隊，巴西航空工業(yè)、加拿大龐巴迪公司和法國ART公司位于第二梯隊，國產(chǎn)民航客機起步較晚，目前市場占有率較低。
2017年5月5日，中國商飛制造的 C919 大飛機首飛成功，整體國產(chǎn)化率達到 50%以上，定位市場占有率和需求最大的單通道噴氣客機，市場布局為與波音 B737、空客 A320競爭的機型。截至 2021 年 3 月，C919 已累計獲得815架訂單量。
在第十四屆珠海航展上，國銀金租、工銀金租、建信金租、交銀金租、招銀金租、浦銀租賃和蘇銀金租七家租賃公司與中國商飛公司簽署 300 架 C919 飛機確認訂單。C919 中復合材料用量占比約12%，主要分布于水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小翼、后機身等部件。CR929
中復合材料用量占比預計超過 50%，并將應用于機身、機翼等主承力構件。
海上風電開發(fā)化驅動碳纖維迅速放量
風電行業(yè)增長，以及葉片大型化帶動碳纖維滲透率提升，驅動碳纖維在風電領域快速增長。一方面，隨著陸上風電平價上網(wǎng)時代的開啟，陸上風電裝機有望穩(wěn)健增長，2021 年全球陸上風電新增裝機為 72.5GW，根據(jù) GWEC 預測，到 2025 年全球陸上風電裝機有望達到 88.3GW。
2021年全球海上風電裝機為 21.1GW，得益于政策驅動和降本因素，海上風電有望快速增長，根據(jù) GWEC 預測，到 2025 年全球海上風電裝機有望達到 23.9GW。另一方面，隨著葉片大型化，從材料性能以及風電綜合成本方面考慮，碳纖維滲透率有望不斷提升。
風機大型化帶動葉片大型化。為了提高風電發(fā)電效率，風機逐漸大型化。一方面，大風機可以提高風輪直徑，增大掃風面積，提高效率;另一方面，風電機組重量的提升幅度小于機組功率的提升幅度，因此隨著風電機組功率提升，單位 MW 下原材料用量更少，以達到降本效果。
根據(jù)CWEA數(shù)據(jù) ， 2020年全國新增陸上/海上風電機組平均功率為2.6/4.9MW，較 2019 年 2.4/4.2MW 繼續(xù)提升。為匹配風電機組的大型化，風電葉片也呈現(xiàn)大型化的趨勢。
一方面，隨著葉片長度的增加，會使風輪在擺動方向受到較大載荷，導致扭轉變形。葉片大型化中，重量也會增加，會增加主梁帽層間失效的風險，若重量的增加大于剛度增加，葉片還易發(fā)生共振，破壞結構。
因此隨著葉片大型化，對材料性能的要求也會不斷提高。而碳纖維質量更輕、強度/模量更高，是風電葉片首選材料，根據(jù)《復合材料風電葉片技術的現(xiàn)狀與發(fā)展》，一個旋轉直徑為 120m 的風機葉片，梁結構采用碳纖維與采用全玻纖相比，質量可減輕 40%左右。
另一方面，風電葉片減重后，風機可對低風速的風資源得以利用，從而提高風電發(fā)電小時數(shù)，帶來發(fā)電效率的提升以及綜合成本的下降，也大大減弱了碳纖維價格較高對綜合成本帶來的影響。
因此從材料性能以及風電綜合成本方面考慮，隨著風電葉片的長度增加，碳纖維的使用需求將更為迫切，碳纖維滲透率有望逐步提升。
此外，根據(jù)賽奧碳纖維數(shù)據(jù)，2021 年全球風電碳纖維需求約 3.3 萬噸，由于維斯塔斯在 2002 年 7 月 19 日分別在中國/丹麥等國家申請了以碳纖維為主要材料的風力渦輪葉片的相關專利。后續(xù)隨著維斯塔斯專利到期，風電用碳纖維有望加快推廣，碳纖維滲透率有望加快提升。
通常海上風機功率高于陸上風機，相較陸上風電，海上風電葉片更長/更重;此外，海上風電面臨的環(huán)境更為惡劣，對材料性能要求更高，因此海上風電的碳纖維滲透率或遠高于陸上風電。
汽車、軌交輕量化驅動碳纖維需求提升
輕量化趨勢下，碳纖維成為最理想的車用材料之一，2025 年全球汽車用碳纖維市場將達 1.26 萬噸。節(jié)能和環(huán)保是汽車工業(yè)目前面臨的兩大難題，為實現(xiàn)雙碳目標，工信部制定了 GB27999-2019 標準，提出 2025年我國乘用車耗油量需低于 4L/100km，對應二氧化碳排放約為 95g/km。
汽車質量是耗油量的重要影響因素，根據(jù)《車身材料與車身輕量化》，對于三廂轎車和兩廂轎車，整車質量每降低 100kg，油耗量分別降低0.37L/100 km 和 0.31L/100 km。輕量化已成為汽車工業(yè)的重要趨勢，新材料的應用則是汽車減重的關鍵方式。
與傳統(tǒng)車用金屬相比，碳纖維復合材料的密度低、強度高、耐腐蝕性及可設計性強，是最有發(fā)展前景的汽車輕量化材料。2021 年全球車用碳纖維市場規(guī)模為 9500 噸，隨著中高端汽車市場的擴張、汽車輕量化的推進，疊加碳纖維技術水平與生產(chǎn)工藝的不斷成熟，車用碳纖維市場有望加速發(fā)展，根據(jù)賽奧碳纖維，2021-2025 年 CAGR 為 20.61%，2025 年將達 2.01 萬噸。
此外，碳纖維也是下一代軌道交通的理想材料。軌道交通車體材料經(jīng)歷了兩次代際更迭，即由普通碳素鋼發(fā)展到不銹鋼，再到鋁合金。相比于鋁合金等輕質材料，碳纖維復材比強度高、耐腐蝕性強，通過一體化成型工藝設計，能夠減少零件連接，提升制造效率與工藝穩(wěn)定性，進而成為下一代軌道交通的理想材料。
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