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1、碳纤维行业分析报告一、概述碳纤维（CF）是指含碳量高于90的无机高分子纤维，一般作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成具有强度高、模量高（模量即材料在受力状态下应力与应变之比）、重量轻、抗疲劳、耐腐蚀等一系列优异性能的新型复合材料（见表1）。表1 碳纤维与金属材料的主要性能比较种类密度抗拉强度模量E线膨胀系数碳纤维1.615013500-0.1铝2.855724020.9钢7.81832040011.3钛合金4.4112112007.2碳纤维根据原丝类型可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基和粘胶基、木质素纤维基、其他有机纤维基等；根据力学性能可分为通用型、高性能型两种。按碳纤维
2、的功能可分为受力结构用碳纤维、耐焰用碳纤维、导电用碳纤维、润滑用碳纤维、耐磨用碳纤维和活性碳纤维等。按制造条件和方法分为碳纤维、石墨纤维、活性碳纤维、气相生长碳纤维。碳纤维主要有四种产品形式：纤维、布料、预浸料坯和短切纤维。布料是指由碳纤维制成的织品；预浸料坯是将碳纤维按照一个方向一致排列，并将碳纤维或布料经树脂浸泡使其转化成片状；短切纤维指的是短丝（见表2）。表2 碳纤维和深加工制品及其应用概况碳纤维长丝预浸料单项预浸料(无纬布)双向预浸料(带、布)束丝预浸料织物二维织物三维织物多维织物短切纤维碳纤维纸粒料微纤(研磨)镀、喷金属各种浸渍物短切复合纤维包覆塑料导线电缆二、国内外发展现状全球碳纤
3、维生产中以聚丙烯腈基为主。高性能碳纤维作为制造先进复合材料最重要的增强材料，世界各国都十分重视其应用开发，其应用范围也从满足性能要求高的航空、航天领域逐步向民用和文体领域推广。（一）全球碳纤维产业现状国际上 PAN 基碳纤维的生产，从20 世纪60 年代起步，经过7080 年代的稳定，90 年代的飞速发展，到21 世纪初其生产工艺技术已经成熟。起初，碳纤维主要用于军工和宇航，经过40 余年的发展，其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。现已发展成为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维两大种类。PAN 基碳纤维分大丝束碳纤维(LT: 48K480K)主要有以美国为代表的和小丝束碳纤维(CT: 1K24
4、K)以日本为代表的两大类。大丝束碳纤维对前驱体要求较低，产品成本低，较适合于一般民用产品T-700 及以下系列产品开发。小丝束碳纤维追求高性能，代表着国际碳纤维发展的先进水平。聚丙烯腈基碳纤维是目前碳纤维发展的主流，占据主要市场份额，世界上几条著名的PAN基碳纤维生产线大多是从原丝开始，直到碳纤维以及中、下游产品开发。例如：日本东丽、东邦、三菱人造丝公司，美国的赫克利公司和阿莫科公司，以及中国台湾地区的台塑都是从聚合、纺丝开始，国外原丝主要生产工艺路线（见表3）。表3 国外PAN基碳纤维原丝生产工艺 研制单位 溶剂工艺路线纺丝方法 日本东丽 二甲基亚砜一步法湿纺 日本东邦 氯化锌水溶液一步法湿
5、纺美国BASF熔纺 日本三菱人造丝二甲基乙酰胺二步法湿纺二甲基甲酰胺 一步法 湿纺日本爱克纶 NaSCN二步法湿纺二甲基甲酰胺二步法湿纺 英国考特尔兹 NaSCN一步法湿纺日本旭化成二甲基亚砜二步法干喷湿纺 目前PAN基碳纤维的主要生产方法有硝酸法、硫氰酸钠法、DMF法和二甲基亚砜(DMSO)法等。 硝酸法操作不易控制，规模难以放大，安全性差，污染严重等，不具备工程化的条件。 硫氰酸钠法由于反应介质中含有大量的碱金属离子，对碳纤维原丝的质量影响较大，难以做出T300以上的更高强度的碳纤维产品。 DMF法可以做出很好的碳纤维产品，日本、台湾的企业，都有采用该工艺的成功经验，但由于DMF毒性较大，
6、已经被限制使用。 二甲基亚砜(DMSO)法是目前国内外公认的最先进的工艺，DMSO腐蚀性小，可以靠简单的减压蒸馏提纯，日本东丽公司采用了该工艺。世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国的台湾省（见表4）。表4 世界PAN基碳纤维名义生产能力单位：吨生产商2008年2009年2010年2011年2012年2013年2014年东丽17960182001920019200192001920019200东邦13100158001580015800158001580015800卓尔泰克10950134501625016750172501825018500三菱人造丝760
7、096001230012300123001230012300爱思奇爱尔（SGL）500060007000800090001100012000台塑集团5000600070008000800080008000赫克塞尔3900515070007000700070007000苏泰克1950200030004000400040004000中国4004008001600200050006000其他1100370047006700760081009100合计66960803009305099350102150108650111900碳纤维原丝原料主要有三种：粘胶丝、聚丙烯腈、沥青。其中，以聚丙烯腈为原料的碳
8、纤维是当今世界碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场份额75%，技术主要集中在日本的东丽、东邦人造丝、三菱人造丝，美国的ZOLTEK（卓尔泰克）、Amoco（阿克苏）、ALDILI（阿尔迪拉）等手中。以粘胶丝及沥青为原料的技术，主要由美国联合碳化物公司(UCC)掌握，生产厂商有日本Mitsubishi Chem(三菱化学)、Kureha (吴羽)、Donac 与美国Amoco（阿克苏）公司。国际上，碳纤维最大生产商东丽、东邦人造丝、三菱人造丝的产量合计2004年占全球产量的69%（如图1），2011年仍然占47%（如图2）接近一半。图1 2004 年PAN 基碳纤维产量份额图2 2011年世界PA
9、N基碳纤维名义生产能力日本东丽工业公司今年3月份表示，公司将投资450亿日元（5.5亿美元）扩大法国、日本、韩国和美国的碳纤维生产能力，合计产能将增加6000吨/年。此次东丽工业宣布的4个扩能项目将在2015年3月前全部完成，届时公司碳纤维总生产能力将达到2.71万吨/年，随着碳纤维应用领域的不断扩大，碳纤维的市场需求日趋增加，碳纤维及其复合材料产业呈现良好发展态势（见表5）。表5 碳纤维应用领域及增长率应用领域应用实例5年增长率平均增长率航空航天飞机、卫星等军用飞机、BOEING777、空客380等15-20%15-20%运动休闲GOLF球棒GOLF球杆（60-90%）5-7%4-6%羽毛球
10、拍等美日市场成熟、亚洲等国扩大3-5%钓鱼竿等美日市场成熟、亚洲等国扩大5-7%工业应用能源太阳能、风力发电15-20%20-25%高压容器CNG、医用氧气瓶30-35%土木建筑桥梁增强、建筑材料25-30%交通运输船舶、汽车20-25%机械管、集装箱15-20%其他钻井平台、医疗器械15-20%2010年，包括体育休闲和宇航在内的工业应用大约消耗了总产量31000t中的20000t，已占到碳纤维消费量的2/3（见图3）。到2015年，体育休闲消费量将超过7000t/年，同时工业消费量应从20000t/年增长到47000t/年，到2020年，甚至达到110000t/年（见图4）。从中期看，风电
11、叶片可能是碳纤维需求的主要动力，而从长期看，汽车行业将促进碳纤维的需求。仅靠汽车行业就能改变碳纤维复合材料生产企业的面貌。图3 2008-2015年主要行业碳纤维消费量图4 2008-2020年工业碳纤维消费量世界碳纤维需求将以每年大约16%的速度飞速增长， 2015年将达到6.7万吨。东丽工业公司称，2011年全球聚丙烯腈基碳纤维需求已达到3.7万吨， （2） 国内碳纤维产业现状中国对碳纤维的研究开始于20世纪60年代，80年代开始研究高强型碳纤维。多年来进展缓慢，但也取得了一定成绩。进入21世纪以来发展较快，安徽华皖碳纤维公司率先引进了500吨/年原丝、200吨/年PAN基碳纤维（只有东丽
12、碳纤维T300水平），使中国碳纤维工业进入了产业化。随后，一些厂家相继加入碳纤维生产行列。据不完全统计，中国已有30多家生产规模大小不一（5800吨/年）的PAN基碳纤维生产厂家，规划产能高达7万8万吨/年，实际产量却仅有2000吨左右，大部分尚达不到T300水平，产品规格为1K、3K、6K、12K。但由于一些企业没有原丝可烧，实际国内碳纤维的总产量不足40吨/年。据有关资料提供，2007我国从事碳纤维主业发展的企业有10多户，其中生产原丝的仅有5户（见表6）。国内碳纤维生产企业主要有中复神鹰碳纤维有限责任公司年产2500吨PAN基原丝和1000吨碳纤维生产线、威海拓展纤维有限公司年产千吨级碳
13、纤维生产线、吉林石化碳纤维厂百吨级碳纤维生产基地等。据报道，中复神鹰碳纤维有限公司已经生产出T700的碳纤维，估计不久后将能工业化量产。表6 2007我国从事碳纤维主业发展的主要企业公司名称碳纤维原丝（吨）碳纤维（吨）预浸布（万平方米）最终消费品华皖碳纤维600200未投产山西恒天纺织新纤维科技有限公司200大连兴科碳纤维有限公司100嘉兴中宝碳纤维300吉林东方神舟碳纤维10吉林石化公司20山东光威集团1540不祥GOLF球棒、钓鱼杆等厦门扬大碳纤维有限公司不祥GOLF球棒、钓鱼杆等山西煤化所2010北京化工研究院10其它4020合计875410约1200随着近年来中国对碳纤维的需求量日益增
14、长，碳纤维已被列为国家化纤行业重点扶持的新产品，成为国内新材料行业研发的热点。据不完全统计，目前拟建和在建的碳纤维生产企业有11家，合计生产能力为原丝7100吨/年、碳纤维1560吨/年，其中在建企业为4家，合计生产能力为原丝1100吨/年、碳纤维470吨/年。其中：2010年1月吉林市被科技部认定为国家碳纤维高新技术产业化基地，已有一批原丝碳化企业聚集到吉林市，如中钢江城碳纤维制品有限公司、吉研高科技有限公司。吉林化纤集团投资5.5 亿元，成立了吉林碳谷碳纤维有限公司，引进国外最先进设备，建设“年产5000吨聚丙烯腈基碳纤维原丝”项目。2011年9月，吉林化纤集团公司年产5000吨聚丙烯腈基碳纤维原丝生产线一次试车成功
