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碳纤维是由有机纤维在1000℃以上裂解碳化形成的含碳量高于90%的无机纤维,碳纤维呈黑色,其质轻、强度高,同时具有易于成型、耐腐蚀、耐高温等多种优良性质,已经被广泛应用于军工、航空航天、体育用品、汽车工业等诸多领域。
碳纤维可分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶丝碳纤维,其中前两者在工业生产中较为普遍,PAN 纤维原丝制成的高性能碳纤维因其生产工业简单、制得碳纤维性能优良,产量占据全球碳纤维市场的 90%以上;而粘胶纤维制得的高性能碳纤维,生产难度较大、设备复杂,未被广泛使用。碳纤维的制造工艺分为三步:一般用聚丙烯腈、人造丝、粘胶纤维等聚合物原料,先在 200-300 摄氏度的空气中进行预氧化,继而在氩气等惰性气体的保护下,用约 1700 摄氏度的高温完成驱除非非碳原子的过程(碳化),最后加热到 2600-3000 摄氏度成碳纤维。碳纤维的长丝可能被进一步处理以提高品质性能,最后卷绕到筒管上。碳纤维通常与其他材料结合以形成复合材料,当混合塑料树脂并缠绕或模塑后具有非常高的强度-重量比的碳纤维增强聚合物(CFPR),通常也被称为碳纤维材料。
三种主要碳纤维对比
资料来源:智研咨询整理
碳纤维按照原丝类型分类可分为 PAN 基、沥青基和粘胶基等,按照制造条件可以分为碳纤维(800-1600 摄氏度)、石墨纤维(2000-3000 摄氏度)、活性碳纤维以及气相生长碳纤维等。因为碳纤维的最大应用价值是其优良的力学性能,目前一般按照碳纤维的力学性能进行分类,包括高强型(GQ)、高强中模型(QZ)、高模型(GM)、高强高模型(QM)等。
也有时会按照丝束大小划分为小丝束和大丝束,通常将 24000 根细丝及以下组成的碳纤维称为小丝束碳纤维,主要应用于国防军工等高科技领域,以及航空航天、体育休闲用品等;将 48000 根以上细丝组成的碳纤维称为大丝束碳纤维,主要应用于工业领域如纺织、机电、土木建筑、交通运输和能源等,小丝束碳纤维具有更好的性能,大丝束碳纤维具有更低的制造成本。
碳纤维产业发展历程
资料来源:智研咨询整理
全球碳纤维的生产应用起源于 20 世纪 60 年代,日本和美国是该领域的领先者,早期工业应用主要在军工及宇航领域。我国碳纤维研究与日本同时起步,但产业化进程较缓, 2017年我国碳纤维产能为26000吨,主要生产企业包括中复神鹰、江苏恒神、威海拓展(光威复材子公司)等。其中中复神鹰碳纤维产能为6000吨,江苏恒神碳纤维产能为4650吨,精工集团碳纤维产能为3500吨,光威复材碳纤维产能为3100吨,中安信碳纤维产能为1800吨,兰州蓝星碳纤维产能为1800吨,太钢钢科碳纤维产能为1200吨。
2016年我国碳纤维需求总量为19563吨,2017年我国碳纤维需求总量为23487吨,需求总量同比增长20.06%。
2008-2017年我国碳纤维需求总量走势图
资料来源:智研咨询整理
2017年我国23487吨的碳纤维需求总量中,国产产品数量为7400吨,进口数量为16087吨,我国国产碳纤维市场份额从2008年的2.4%增长至2017年的31.5%。
2008-2017年我国国产及进口碳纤维需求数量变动趋势
资料来源:智研咨询整理
2008-2017年我国碳纤维市场国产产品市场份额分析
资料来源:智研咨询整理
碳纤维下游应用领域广阔,主要有风电叶片、航天航空、体育休闲和汽车等领域,2017年我国体育产业碳纤维需求总量为12000吨,较2016年的9700吨增长23.7%;2017年我国风机叶片领域碳纤维需求总量为3060吨,建筑补强领域碳纤维需求量为1800吨。
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