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碳纤维行业深度报告：高成长、广空间的新材料优质赛道1.碳纤维——材料“黑金”，行业壁垒高、产品附加值大1.1碳纤维刚柔并济，下游应用广泛材料发展史与人类发展史紧密相连，而新材料更是推动人类从“自然王国”走向“自由王国”的强大动力。材料通常被定义为用来制作有用物件的物质，人类对材料的认知和利用能力直接决定了社会形态与人类生活水平。在当代，材料、能源和信息已经成为构成社会文明和国民经济的三大支柱，而其中材料更是科学技术发展的物质基础和技术先导。纵观整个材料发展史，以时间为维度可将其归纳为石器/青铜器/铁器/钢铁/硅/新材料这六个发展时期。其中，随着20世纪下半叶新技术革命的开启，新材料已然成为各高新技术领域发展的助推器，例如计算机技术依赖于半导体材料的工业化生产，宇航工业则需要大量高温高强度结构材料与之配套，而现代光纤通信更是以低消耗的光导纤维为基石。碳纤维被誉为21世纪新材料之王，是材料皇冠上的一颗璀璨明珠。碳纤维（CarbonFiber，简称CF）是一种含碳量高于90%的无机纤维。由有机纤维（粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等）在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构而制得。作为新一代增强纤维，碳纤维具有出色的力学性能和化学性能，既具有碳材料固有的本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，因此被广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域：质量轻：作为一种性能优异的战略性新材料，碳纤维密度与镁和铍基本相当，不到钢的1/4，采用碳纤维复合材料作为结构件材料可使结构质量减轻30%-40%。高强度、高模量：碳纤维的比强度比钢高5倍，比铝合金高4倍；比模量则是其他结构材料的1.3-12.3倍。膨胀系数小：大多数碳纤维在室温下的热膨胀系数为负数，在200-400℃时为0，在小于1000℃时仅为1.5×10-6/K，不易因工作温度高而膨胀变形。耐化学腐蚀性好：碳纤维纯碳含量高，而碳又是最稳定的化学元素之一，导致其在酸、碱环境中表现均十分稳定，可制成各类化学防腐制品。抗疲劳能力强：碳纤维结构稳定，据高分子网统计，其复合材料经应力疲劳数百万次循环试验后，强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，玻璃钢则只有20%-25%。碳纤维复合材料是碳纤维基础上的再次强化。虽然碳纤维可单独使用并发挥特定功能，然而其终究属于脆性材料，只有与基体材料结合形成碳纤维复合材料，才能更好地发挥力学性能，承载更多负荷。碳纤维可按照原丝类型、制造方法、性能等不同维度分类：按原丝类型分类：聚丙烯腈（PAN）基、沥青基（各向同性、中间相）；粘胶基（纤维素基、人造丝基）。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的90%以上，粘胶基碳纤维还不足1%。按照制造条件和方法分类：碳纤维（800-1600℃）、石墨纤维（2000-3000℃）、活性碳纤维、气相生长碳纤维。按力学性能可分为通用型和高性能型：通用型碳纤维强度在1000MPa、模量在100GPa左右；高性能型又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上），其中强度大于4000MPa的又称为超高强型，模量大于450GPa的称为超高模型。按丝束大小可分为小丝束和大丝束：小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于航空航天、体育休闲等领域。通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等，主要应用于工业领域。拉伸强度和拉伸模量是衡量碳纤维性能最主要的两大指标。以此为依据，我国2011年颁布了《聚丙烯腈（PAN）基碳纤维国家标准（GB/T26752-2011）》。同时，由于日本东丽在全球碳纤维行业具有绝对领先优势，国内厂商大多也同步采用日本东丽的分类标准作为参考。1.2高壁垒带来高附加值，提升工艺、实现批量化生产可显著降本增效1.2.1行业技术壁垒高，原丝生产是核心，碳化氧化是关键碳纤维生产流程复杂，对设备和技术要求极高。各环节精度、温度和时间的控制都将极大影响最终成品质量。聚丙烯腈碳纤维因制备流程相对简单、生产成本低、三废处便捷等特点成为现阶段应用领域最广、产量最高的碳纤维。其主要原料丙烷可从原油中制得，聚丙烯腈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。从原油中制得丙烷后，丙烷经选择性催化脱氢(PDH)可得到丙烯；丙烯经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝;聚丙烯腈经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，用于生产碳纤维复合材料；碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合，形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品；原丝质量、性能水平直接决定了碳纤维的最终性能。因此，提高纺丝液的质量，优化原丝成型的各项因素成为制备高品质碳纤维的