化學纖維行業(yè)報告：碳纖維，國產(chǎn)替代進行時

2022-12-23 11:37 作者:報告派 0人讀過 | 我要投稿

報告出品/作者：廣發(fā)證券、李凌芳、鄧先河

以下為報告原文節(jié)選

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一、碳纖維行業(yè)概況

（一）碳纖維：性能優(yōu)越，用途廣泛前景光明

性能優(yōu)異。碳纖維被稱為“新材料之王”，是由聚丙烯腈（PAN）（或瀝青、粘膠）等有機纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主鏈結(jié)構(gòu)無機纖維。碳纖維具有出色的力學性能和化學穩(wěn)定性，密度是鋼的1/4，比強度比鋼大16倍，是目前已大規(guī)模生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高比強度和最高比模量的纖維，同時具有導電、導熱、耐腐蝕、耐疲勞、耐高溫、膨脹系數(shù)小等一系列其他材料所不可替代的優(yōu)良性能。

原材料種類多樣滿足應用需求。碳纖維根據(jù)原絲種類主要分為PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。PAN基碳纖維由于生產(chǎn)工藝相對簡單，產(chǎn)品力學性能優(yōu)異，是碳纖維中用途最廣、用量最大、性能最好的纖維，聚丙烯腈(PAN)基碳纖維在碳纖維的生產(chǎn)中占有絕對優(yōu)勢，自20世紀60年代問世以來，迅速占據(jù)主流地位；瀝青基、粘膠基的產(chǎn)量規(guī)模較小，目前碳纖維一般指PAN基碳纖維。

PAN基碳纖維強度絲束分類。根據(jù)力學性能分類，碳纖維可分為高強型（GQ）、高強中模型（QZ）、高模型（GM）、高強高模型（QM）。根據(jù)絲束數(shù)量，碳纖維主要有3K、12K、24K、48K等規(guī)格，分為大絲束和小絲束，3-24K（含）為小絲束產(chǎn)品，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、導彈、火箭、衛(wèi)星和釣魚桿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等，24K以上為大絲束產(chǎn)品，主要應用于風電葉片和民用包括土木建筑、交通運輸和能源等行業(yè)，主要下游產(chǎn)品包括風電葉片、建筑補強產(chǎn)品、抽油桿、壓力容器等。

（二）碳纖維下游應用不斷延伸拓展，產(chǎn)品附加值不斷提升

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈由上游的原油化工產(chǎn)業(yè)，中游的原絲加工、碳纖維相關(guān)產(chǎn)物以及碳纖維復合材料生產(chǎn)加工以及下游的應用市場組成。

（1）上游原材料丙烯腈豐富易得。通過從石油、煤炭、天然氣等化石燃料中制備丙烯，并經(jīng)氨氧化后得到碳纖維生產(chǎn)的主要原材料丙烯腈。丙烯腈經(jīng)過聚合階段形成聚丙烯腈溶液進入紡絲階段得到碳纖維原絲。

（2）中游形成性能完善的復合材料。將碳纖維原絲進行預氧化、氧化、低溫和高溫碳化后生產(chǎn)出碳纖維及碳纖維產(chǎn)品，與不同的基體材料結(jié)合形成碳纖維復合材料。根據(jù)基體材料類型劃分，可分為樹脂基、金屬基、陶瓷基、橡膠基等復合材料，不同分類的基體材料性能優(yōu)勢不同且差異巨大。

樹脂基復合材料較大程度的保留了碳纖維的高強度和高模量性能，主要應用于建筑、化學、交通、醫(yī)療和航空航天領(lǐng)域，是高端行業(yè)提升設備性能和追求輕量化優(yōu)勢的必備材料之一。金屬基復合材料完善了硬度等方面的性能，在航空航天、汽車制造和體育裝備上應用較多，彌補了碳纖維樹脂基復合材料劇烈碰撞后崩碎的缺陷。樹脂基和金屬基材料無法面對超高溫場合，因此無法應用于發(fā)動機相關(guān)的領(lǐng)域，陶瓷基復合材料完善了耐高溫方面的性能，碳纖維陶瓷基復合材料就是針對這一高端領(lǐng)域而特制的一種復合材料。橡膠基復合材料完善了耐摩擦方面的性能，是工業(yè)耐磨領(lǐng)域上的一個重要應用方式，廣泛應用于耐磨襯輪、特殊密封件。

（3）下游應用領(lǐng)域快速拓展，產(chǎn)品附加值大幅提升。碳纖維復合材料經(jīng)過各種成型工藝得到下游應用所需的最終產(chǎn)品。隨著科技的進步與發(fā)展，碳纖維下游應用市場歷經(jīng)起步、成長、擴張和全面發(fā)展四階段，發(fā)展可持續(xù)性強，應用領(lǐng)域覆蓋范圍廣，目前已經(jīng)應用于航空航天、風電葉片、體育休閑、壓力容器、碳/碳復合材料、交通建設、海洋等領(lǐng)域，是國防軍工和國民經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的重要戰(zhàn)略物資。碳纖維產(chǎn)品的經(jīng)濟屬性在于其附加值高，技術(shù)創(chuàng)造的價值在產(chǎn)品附加值中占主要比重，因而具有較高的價值增長和經(jīng)濟效益，其中以航空復合材料增值最多。

二、碳纖維技術(shù)、資金構(gòu)筑高門檻，大小絲束各放異彩

（一）碳纖維生產(chǎn)具備高技術(shù)門檻

原絲制備和氧化、碳化是碳纖維制備的三個核心工藝，高質(zhì)量的原絲是實現(xiàn)高性能和批量生產(chǎn)碳纖維的關(guān)鍵，氧化過程需要使原絲形成在高溫下不溶不熔的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，碳化過程的控制則與碳纖維的拉伸強度和彈性模量直接相關(guān)。原絲制備包括聚合、紡絲工段，碳絲制備包括預氧化、碳化工段。

（1）在聚合工段，通過將原料丙烯腈單體、共聚單體、引發(fā)劑偶氮二異丁腈和溶劑DMSO（二甲基亞砜）按照一定的配比投料進入聚合釜，在一定溫度下進行溶液聚合反應，隨后進行脫單、脫泡等處理得到聚丙烯腈原液，聚合物分子量、分子量分布、立構(gòu)規(guī)整性、共聚單體序列分布、雜質(zhì)等都是影響碳纖維結(jié)構(gòu)性能的重要參數(shù)。

（2）在紡絲工段，聚丙烯腈原液通過紡絲技術(shù)形成原絲，成型后的原絲再經(jīng)過多段水洗，降低原絲中DMSO的殘留量，隨后進行熱水牽伸，再經(jīng)過上油、干燥致密化，達到防黏隔離和降低摩擦的作用，最后再經(jīng)過蒸汽牽伸工段，最終原絲卷繞成軸。紡絲所涉及的問題有高分子溶液流變學、雙擴散及高分子結(jié)晶等。在噴絲環(huán)節(jié)，解決噴絲孔口脹大效應是主要技術(shù)突破方向；因凝固對纖維的初生結(jié)構(gòu)及性能起關(guān)鍵影響，在凝固環(huán)節(jié)雙擴散過程控制及牽引力的控制至關(guān)重要；牽伸環(huán)節(jié)的目的是提高纖維中高分子沿纖維軸向的擇優(yōu)取向，并誘導纖維結(jié)晶，主要有噴頭牽伸、熱水牽伸、蒸汽牽伸三步。目前碳纖維原絲主流的紡絲有濕法紡絲和干噴絲紡兩種。

干噴濕紡紡絲具備高紡絲速度和低成本的特點，是PAN紡絲未來的發(fā)展趨勢之一。原液紡絲包括濕法紡絲、干法紡絲、熔融紡絲、靜電紡絲和干噴濕紡紡絲。目前濕法紡絲和干噴濕紡是主流的技術(shù)工藝。干噴濕紡與濕法最大的不同在于噴絲口存在一段長度為3-10nm的空氣干燥層，可使原絲表面形成致密疏水層，避免了濕法紡絲凝固浴中實施的負牽伸，紡絲速度可以達到濕法速度的2-8倍，不僅提高紡絲速度，降低了單位生產(chǎn)成本，同時還有利于大分子鏈的取向，原絲結(jié)構(gòu)相比直接進入凝固浴更為均勻致密，同時截面也更容易成圓形，從而提高力學性能。干噴濕紡對紡絲原液的要求比較高，需要采用雙螺桿溶解機組對PAN顆粒進行溶解，進而對生產(chǎn)企業(yè)的設備、操作、環(huán)境等提出更高要求，更適用于小絲束的生產(chǎn)。中復神鷹于2013年在國內(nèi)率先突破干噴濕紡關(guān)鍵技術(shù)，國內(nèi)大部分碳纖維制造企業(yè)仍以濕法紡絲工藝為主。

（3）碳絲制備包括預氧化、碳化工段。原絲中聚丙烯腈分子沿纖維軸向的取向度和氧化環(huán)節(jié)對纖維軸向取向的影響是決定碳纖維拉伸性能的主要因素。（1）原絲經(jīng)多段氧化爐在空氣氣氛下反應得到預氧絲，原絲在氧化過程中聚丙烯腈分子主要發(fā)生環(huán)化、脫氫和交聯(lián)三種反應，生成梯形、交聯(lián)的結(jié)構(gòu)。氧化過程中因氧化和交聯(lián)程度不同造成的纖維皮部和芯部性質(zhì)結(jié)構(gòu)（簡稱皮芯結(jié)構(gòu)），預氧絲主要衡量指標有體密度和含氧量、環(huán)化指數(shù)等；（2）預氧絲在氮氣保護下，經(jīng)過300-1500度的低溫碳化、高溫碳化，進行脫水、脫焦油、其他含碳氣體及氮原子等非碳原子脫除，碳含量逐漸提高到94%左右得到碳絲，碳化區(qū)各個溫區(qū)的溫度設置及停留時間、張力、爐內(nèi)氣體純度是碳化過程中最重要的工藝參數(shù)。

碳化后的纖維隨后根據(jù)不同的復合材料基體對于碳纖維表面性質(zhì)要求進行不同的表面處理，表層涂覆不同的漿液，最后經(jīng)烘干得到高強型碳纖維產(chǎn)品。為進一步提升產(chǎn)品的彈性模量，將高強型、高強中模型碳纖維在惰性氣氛下經(jīng)高溫石墨化處理，得到石墨纖維。綜上，碳纖維生產(chǎn)技術(shù)及生產(chǎn)工藝極為復雜，生產(chǎn)控制精度要求高，只有具備生產(chǎn)線長周期連續(xù)穩(wěn)定運行的技術(shù)水平及管理能力，才能保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，加上對生產(chǎn)設備的高要求、研發(fā)投入大，行業(yè)最終形成較高的技術(shù)壁壘。

（二）國外引領(lǐng)碳纖維技術(shù)迭代，國內(nèi)打破國外技術(shù)壟斷聚丙烯腈碳纖維研究始于1959年日本大阪工業(yè)研究所的近藤昭男對民用腈綸的熱處理。1970年，日本東麗（Toray）看好碳纖維的發(fā)展前景購買了近藤昭男的專利技術(shù)，并與美國聯(lián)邦碳化物公司交換了碳化技術(shù)，興建了一條年產(chǎn)12噸的聚丙烯腈碳纖維生產(chǎn)線，產(chǎn)品定名為T300。

目前海外碳纖維主要廠商中，日本除東麗外，還有日本東邦和三菱的技術(shù)水平達到世界領(lǐng)先，其次，美國也是世界上碳纖維發(fā)展早、技術(shù)領(lǐng)先的國家，特別是在低成本、大絲束方面具有獨到之處，主要代表企業(yè)有赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec，被索爾維收購）和卓爾泰克（Zoltek，被日本東麗收購）。此外，德國的SGL也是擅長大絲束制造的主要企業(yè)。

碳纖維技術(shù)經(jīng)歷三代技術(shù)，從單一通用型性能向綜合高性能型方向發(fā)展，先后形成T300、T800、T1100G等代表性產(chǎn)品，目前應用最廣泛的是第二代高強度中等模量碳纖維。但由于第二代碳纖維模量偏低，且碳纖維材料脆性大，易導致復合材料結(jié)構(gòu)部件的疲勞損傷，甚至發(fā)生災難性破壞，限制了航空、軍工裝備性能的提升，第三代碳纖維技術(shù)應運而生，第三代碳纖維技術(shù)能夠同時實現(xiàn)高拉伸強度和高彈性模量，碳纖維生產(chǎn)技術(shù)難度進一步提升。憑借多年的技術(shù)優(yōu)勢積累，近年來日美在第三代碳纖維上取得技術(shù)突破，日本東麗、美國Hexcel分別成功研發(fā)出M40X型、HM50型、HM54型等新型高模量碳纖維。

我國的碳纖維行業(yè)起步于20世紀60年代，幾乎和日美等國家同時起步，但由于相關(guān)知識儲備不足、知識產(chǎn)權(quán)歸屬、國外實施嚴格技術(shù)及設備封鎖等問題，發(fā)展緩慢，在生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平上整體落后于國外，無法滿足國家重大裝備等高端領(lǐng)域的需求。進入2000年以后，隨著國家對高性能碳纖維領(lǐng)域重視程度提升以及持續(xù)不斷的科研投入，產(chǎn)業(yè)化程度加快，應用領(lǐng)域擴大，國產(chǎn)化成效顯著，已形成以江蘇、山東和吉林等區(qū)域為主的碳纖維聚集地，主要參與企業(yè)有江蘇中復神鷹、中簡科技、山東的光威復材、吉林的吉林化纖和吉林碳谷、上海石化。近年國產(chǎn)碳纖維技術(shù)水平再攀高峰，已經(jīng)形成了M40J、M55J級高模量碳纖維工程化技術(shù)，突破了M60J、M65J級高模量碳纖維實驗室技術(shù)，在兼具高強度、高模量、高伸長特性的新一代PAN基高模量碳纖維領(lǐng)域持續(xù)攻關(guān)中。

（三）碳纖維屬于資金密集投入行業(yè)

碳纖維高資金門檻之一：初始投入。（1）碳纖維生產(chǎn)屬于重資產(chǎn)行業(yè)，生產(chǎn)線的初始投入成本大，各公司固定資產(chǎn)占比總資產(chǎn)比例高，固定資產(chǎn)中設備涉及到反應釜、牽引設備、氧化爐、碳化爐等核心設備。根據(jù)各主要企業(yè)環(huán)評報告及公告看，單萬噸投資額在20-100億元。