它，为何能被称为“黑色黄金”？

原创 RZC 材料PLUS

碳

纤

维

产

业

链

碳纤维生产流程长且工艺复杂，技术壁垒极高，完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。产业链的上游主要为石油化工产业，以石油原油为原料，经过裂解、提炼、氨气氧化等一系列工序获取丙烯腈，再经聚合反应得到聚丙烯腈，再将其纺丝即可获取聚丙烯腈原丝，原丝经预氧化，低温、高温碳化后可得碳纤维，上游来提供原材料；中游是获得的碳纤维再进行加工，生产出一系列碳纤维产品，如碳纤维织物、碳纤维预浸料，与陶瓷、树脂、金属等结合，即可形成碳纤维复合材料，这些复合材料经成型加工可获得一系列下游终端产品，以应用于航空航天、体育休闲、风电叶片、新能源汽车等多个领域。

中游产品是产业链的核心

碳纤维织物是最常见的碳纤维应用产品，因为其“软硬兼备”的性质，将碳纤维制造成碳纤维束，将它们编织成织物，根据纤维束的含量，可对碳纤维织物的强度进行评级，按生产工艺可将织物分为碳纤维机织物、碳纤维针织物、碳纤维毡和碳纤维异型织造织物，国内则主要以碳纤维机织物为主，在织机上织成织物，最常见的编织形式有平纹、斜纹和缎纹缎布，平纹编织物是纤维束以上、下的模式编织，可使其具备高稳定性，但其柔软度不高，不适合复杂的轮廓，常应用在平板、管材和二维曲线；斜纹编织物是最常见的编织类型，柔韧性好，使其具备良好的稳定性外，还可形成复杂的轮廓；缎纹编织物可轻松在复杂的轮廓周围形成，但其稳定性较差。

碳纤维织物生产流程图（来源：光威复材招股说明书）

碳纤维预浸料也是一种重要的中间产品，碳纤维预浸料是由碳纤维纱、树脂基体、离型纸等增强体，经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺加工而成的复合材料，又名碳纤维预浸布。它具有强度高、密度小；可塑性好：成型容易，便于加工；耐腐蚀、寿命长等特性。

涂膜

预浸

碳纤维预浸料生产流程图（来源：光威复材招股说明书）

碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷等作为基体材料，经过复合制成的一种结构或功能材料。目前，市场占有率最高的是以树脂基为基体的碳纤维复合材料，占有率已达90%以上，急速增长的是碳碳复合材料，主要受益于光伏行业的快速发展，因为其具备良好的耐热性，现在在国内的应用市场上已占据第三的位置。

来源：光威复材招股说明书

碳

纤

维

应

用

领

域

碳纤维具备一系列优异的性能，如高强度、轻质量、耐疲劳、耐高温、强导电和导热性等，其很少被直接应用，常被加工成复合材料得以应用，其应用范围主要集中于高端军用与民用，如航空航天、体育休闲、压力容器、新能源汽车等。

碳纤维应用之航空航天

航空航天涉及到民用与军用，在军事领域，武器的先进性及战斗力决定了一个国家的国防实力，可见对于用于制造导弹、军用飞机的材料要求极高，而碳纤维的特性符合它们的需求：质轻、高强度，而且碳纤维在航空航天领域的应用已达成熟状态，但对高性能的材料追求不会停息，因此，在安全的前提下，对飞机、火箭、导弹的质量需求越轻越好，没有最轻，只有更轻，高性能的碳纤维可以减轻它们的重量、节约能耗、续航能力增强、提升其负载能力、延长飞行寿命等。最早把碳纤维应用于航天领域的是美国，由于当时的石油危机，减轻飞机的重量势在必行，但是减轻机身重量一直也是一个挑战，当时限于工艺和造价的障碍，F-14A战斗机使用的碳纤维复合材料仅是整机质量的1%，随着技术的突破，碳纤维的使用比例越来越高，已高达30%-40%，在无人机领域，碳纤维的使用量已高达90%。在民用航天方面，碳纤维复合材料使用量达到15%~50%，受疫情的影响，民用航天的需求量大大减少，预计恢复期在2025年。

波音 B787 机身材料应用情况

碳纤维应用之风电叶片

在双碳目标的背景下，风力作为一种清洁能源且可再生，对风力的应用近几十年呈高速增长的趋势，风电叶片是风力发电机的关键组成部件，风电叶片的尺寸、结构和使用材料均会影响风能资源的转换效率，最初风电叶片的材料使用的是玻璃钢，但为了追随风机大型化的趋势，不得不着眼于轻质的材料—碳纤维复合材料，因为其无可比拟的性能，减轻的同时还能满足相应的强度和刚度。碳纤维复合材料比玻璃纤维价格高，完全都使用碳纤维也达不到最好的性价比，所以会采用混合使用的方式，碳纤维则用在关键部位，如横梁、叶片表面等。

来源：新材料在线

随着海上发电的快速发展，中国已发展成为第一大风电市场，风电叶片越来越大型化，叶片的直径也随之巨大化。叶片直径的增大意味着扫风面积增大，从而有效增强捕风能力，提高其发电效率。从叶片直径来看，目前直径占比较多的是111 -130米的叶片，达57%，已成为行业主流，现在，安装的风电机的叶片的直径平均已达120米。2021年，全球新增安装风电机达93.6GW，中国的风电市场发展迅猛，占到全球的50%以上，其中陆上新增安装量为30.7GW，海上风电新增安装量为16.9GW，海上风电近几年的发展势头良好，2021年的新增量已占到全球的80%。

碳纤维应用之体育休闲

因碳纤维的轻量化、耐腐蚀、耐疲劳、高强度、高模量等优异性能，使得其在体育用品中被广泛应用，可制造高尔夫球杆、羽毛球拍、钓鱼竿、滑雪板、曲棍球棍、赛艇等。由应用范围可看出，在体育休闲这个领域，碳纤维的应用存在高低端并行的局面，目前，在国内的体育休闲领域，需求以T300级、T700级为主，规格的话以小丝束（3K、12K等）为主。体育休闲对碳纤维的需求量在疫情期间大幅度增长，是因其疫情期间，大家无法出门，以刺激了运动休闲市场，体育器材需求量带动碳纤维的发展，在国内碳纤维需求量的排名中，体育休闲已占领前3的位置。

碳纤维应用之碳/碳复材

碳/碳复材是以碳或者石墨为基体材料，碳纤维及其织物为增强材料，经过加工处理后制成的复合材料。碳/碳复合材料的主要应用领域为刹车盘市场、航天部件、热场部件这三个领域，而受光伏行业的迅猛发展影响，热场部件需求迅猛增长，近几年，光伏行业竞争激烈，为了考虑综合成本优势，采用碳/碳复合材料替代传统的石墨材料，因其具有优异的性能，如保温性良好、高强度、高损伤容限、强可设计性、耐烧蚀、耐高温等，其强度还会随着温度的增高而增强，因此，其耐高温性是迄今为止已知材料中最好的。热场部件主要包含导流筒、保温筒、加热器、坩埚等，这些均是拉制单晶硅棒所使用的单晶炉热场的关键部件，由于单晶炉热度高，这些部件的替换频率较高，所以相比传统石墨材质，碳/碳复合材料展现出了无法代替的优势。碳基复合材料单晶拉制炉热场系统产品，作为光伏、半导体单晶硅棒制造成本降低的重要一环，伴随碳纤维市场发展，份额也快速增长。据 2021 全球碳纤维复合材料市场报告预测，未来 4 年碳碳复材领域全球碳纤维需求增速有望达到 30%。

碳纤维应用之压力容器

氢燃料作为清洁能源，在全球双碳政策的大背景下，会呈现需求高速增长的趋势，氢气可以以气、液、固三种形式储存在储氢罐中进行运输，因此得益于碳纤维的优异性能，可将其缠绕在氢气瓶上，使得其高强度的性质发挥出来，这样就可以通过高压压缩更多的气态氢，从而使得成本降低、能耗减少、充放气速度快等。储氢技术千千万，但目前商用储氢技术只有一种方式，就是高压气态储氢，且朝着轻质高压、高质量或高体积储氢密度方向发展。2018-2020年间，政府出台了一系列的政策去鼓励氢能源的发展，从而带动下游的碳纤维需求量高速增长，2021年，在压力容器领域的需求量就达到3000吨左右，其中储氢气瓶为1900吨，因此，储氢气瓶会大幅度带动碳纤维的蓬勃发展。

免责声明：本公众号致力于打造专属材料人士的平台，分享材料资讯，相关内容仅供参考学习，所有转载内容，均不代表【材料PLUS】赞同其观点，不能完全保证其真实性。如若本公众号无意侵犯媒体或个人知识产权，请联系【材料PLUS】小助手：19139706172，我们将立即予以删除。