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碳纤维被称为“新材料之王”，也被称为“黑色黄金”，是一种新型高科技材料，其比重不足钢的四分之一，强度却是钢的7至10倍，具有耐疲劳及耐腐蚀等优点，被广泛用于航天航空、新能源、交通及国防等领域。基于“双碳”政策推动下新能源大发展、航空航天等高端制造领域国产化推进，以及消费升级带动的高端休闲体育需求，我国碳纤维行业需求持续快速增长可期。
为了摆脱核心技术受制于人的局面，我国在2000年后开始大力发展碳纤维产业，并将其列为国家重点发展的战略性新兴产业之一，“十四五”规划和2035年远景目标纲要更是将在碳纤维复合材料领域开展协同应用试点示范和加强碳纤维及其复合材料的研发应用列入其中。
目前，我国已实现多个系列和级别的碳纤维国产化，解决了高性能碳纤维自主保障问题，成为继日本、美国之后第三个掌握高性能碳纤维技术的国家。
国产碳纤维击破国外技术、装备、产品三重封锁，实现从无到有、摆脱受制于人的背后，可以看到我国科研力量和工业力量的长期积累，也能观察到举国体制的强大优势。
跨越碳纤维“天堑”
在很多人的印象中，碳纤维性能神奇、价格昂贵，是一种“神坛”上的材料。
这种含碳量大于92%的纤维材料，兼具碳材料的强抗拉力和纺织纤维材料的柔软可加工性，由聚丙烯腈纤维、黏胶纤维、沥青纤维等有机纤维在高温下碳化制得。
碳纤维细如发丝、轻若鸿毛。其直径大概5～7微米，十来根合在一起才有一根头发丝粗；并且密度仅有钢的1/5、钛的2/5、铝的3/5，具有轻质特性。
纤细轻量的碳纤维，同时又强如钢铁。一束标准12K（1K表示一束碳纤维丝中含有1000根原丝）聚丙烯腈基碳纤维，可承受约130公斤重量。特别是在3000摄氏度的无氧高温下，别的纤维早已化为灰烬，碳纤维却安然无恙。
碳纤维优异的力学性能，加上耐腐蚀、抗氧化、不生锈等诸多令其他材料望尘莫及的能力，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中构成复合材料，是当之无愧的新一代增强纤维之王。
碳纤维在国内的首个市场化应用是1972年上市的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用向高端工业制造和尖端科技领域拓展，目前在航空航天、风电叶片、燃料电池、体育休闲等广阔领域均大显身手。
按照纤维丝束大小分类，碳纤维可分为小丝束（≤24K）和大丝束（>24K）两类。小丝束生产工艺控制难度大、价格较高，通常用于国防军工、航空航天领域。大丝束生产成本低、性价比高，主要用于清洁能源、建筑工程等工业民用领域。
在山东大学高分子材料研究所所长、碳纤维资深专家朱波看来，碳纤维是一种有“天资”的材料：“大家都说21世纪是碳的时代，碳纤维首当其任。在某种意义上，碳纤维将是第四次工业革命的重要支撑材料之一。在即将到来的星际航行、清洁能源和人工智能时代，碳纤维和碳纤维复合材料将发挥越来越重要的作用。”
外表纤细、用途广大的碳纤维，其研发制备却异常艰难。
据朱波介绍，碳纤维装备技术集材料学、化学、纺织学、机械自动化等多个学科为一体且高度交叉，是极其复杂的系统工程。从原辅料的质量，到原丝及碳化的各个工序，都蕴含有大量的基础研究、工艺及装备等“卡脖子”技术。仅以制备为例，其流程就包括上百个细分工序，涉及两千多个控制参数，每个控制点的参数变化都可能引起连锁反应，进而导致产品质量波动，甚至功亏一篑。
原丝质量决定碳纤维性能。朱波说，碳纤维的性能严重依赖于原丝的微观结构形态及原子序列规整性，如果原丝的分子结构和聚集态结构存在缺陷，对碳纤维的质量和性能影响巨大。
更严苛的是，要保证原丝性能稳定，需要确保每一根丝质量过关。“以一束标准12K的碳纤维为例，其12000根丝都得质量可靠。只有不断摸索、不断试验，才能找出相对科学合理的工艺组合。没有千锤百炼的功夫，做不出高性能碳纤维。”朱波说。
繁难的制备工艺，让碳纤维成为一道横亘在材料学人面前的“天堑”。垄断相关技术的日美两国，对碳纤维实施严格的专利保护和全面的技术封锁。“通知性涨价、赏赐性供给”，是彼时国际碳纤维市场的写照。
中国就是在日美对碳纤维技术、装备、产品三封锁的情况下，改变了全球碳纤维格局——2005年，光威复材（光威集团旗下威海光威复合材料股份有限公司，下称光威）研制的CCF-1级（相当于日本东丽的T300级碳纤维，T指高强型碳纤维，后面的数字越高表明强度越好）碳纤维通过国家“863计划”碳纤维专项验收，标志着我国摸索出一条成功的技术路线，首次拥有了自己的产业化碳纤维。
此后，国产化的碳纤维一路猛进、放量建设，谋求“从无到有”后“从小到大”的跃升。据广州赛奥发布的《2021全球碳纤维复合材料市场报告》，2021年国内碳纤维运行产能6.34万吨，占全球总产能20.76万吨的30.5%。同时，我国首次超越美国成为全球碳纤维最大产能国。
中国已然成为全球碳纤维版图的第三极。
多应用领域齐发力，碳纤维需求增长空间可观
根据赛奥碳纤维，2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片28%、体育休闲16%、航空航天14%，国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片36%、体育休闲28%、碳碳复材11%。
从市场规模看，航空航天价值量高，超风电领域和体育休闲应用的总和。航空航天领域应用的碳纤维均价最高，达到72美元/Kg，风电领域应用均价最低，仅17美元/Kg，主因是由于航空航天级碳纤维通常采用高性能小束，各方面性能要求最高，因此在消费量上虽然排名第三，但是市场规模达到最大。
当前，氢能源和光伏是高端碳纤维产品的主要应用领域，围绕风光氢等下游产业链需求，碳纤维企业正加快推动制造技术成熟，提升新能源应用领域原材料的保供率，加强企业竞争力。
赛奥碳纤维则预计，到2025年国内碳纤维需求总量将达到15.9万吨，市场空间在250亿元左右。
吉林化纤集团国兴碳纤维公司生产车间，工人在整理碳纤维原丝。
国内厂商产能快速铺出，未来的发力点在哪？
碳纤维行业的技术、资金和产品验证门槛高，大多数企业都拥有较为悠久的历史，企业数量有限。2011-2021年，全球碳纤维产能从9.3 万吨增加至20.7万吨，年均扩产约1.14万吨。2021年以前扩张产能主要来自日本东丽、Zoltek、Hexcel、SGL等海外厂商。
根据赛奥碳纤维统计，2021年中国大陆首次超越美国，成为全球最大产能国，且从扩产计划上看，我国有望较长期保持产能第一的地位。
当前我国主要的碳纤维制造商有吉林碳谷、吉林宝旌、中复神鹰、江苏恒神、光威复材、兰州蓝星和上海石化等。其中，吉林碳谷以原丝生产为主；吉林宝旌和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主，江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳纤维生产能力；其他公司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。数据显示，吉林碳谷+吉林宝笙、中复神鹰产能占比均为24%，其次江苏恒神占比15%、光威复材14%。
近年来，在政策发力和企业努力下，我国不断取得碳纤维制备和应用关键技术的新突破，相关产能持续跃升，自给率不断提高。
我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程生产线在上海石化碳纤维产业基地投料开车；山西钢科已形成覆盖国内高性能碳纤维领域主要品种的生产能力；为保障国产大飞机关键原材料自主可控，中复神鹰持续攻关，成功突破了T800级碳纤维预浸料生产技术，产品主要性能达到国产大飞机要求，目前正在开展工艺性能评价与验证……经过行业企业的不断努力，国产碳纤维的市场份额从2019年的31.7%攀升至2021年的46.9%。
由于较多国产碳纤维企业尚未实现关键技术的突破，生产线运行及产品质量不稳定，国产碳纤维行业曾长期存在“有产能，无产量”的现象。有关专家表示，国产碳纤维的性能与质量稳定性尚有提升空间，短期内碳纤维核心装备仍需依赖进口。
近年来随着越来越多企业实现规模化稳定量产，国内碳纤维行业低产能利用率情况显著好转，已由2017年仅28.5%提升至2022年55.8%，而国际产能利用率通常为65%-85%，仍有一定差距。
在关键核心技术上打造创新矩阵，加快形成具有国际竞争优势的运行产能，是我国碳纤维产业面临的挑战，也是实现高质量发展的长远目标。
从中复神鹰和我国主要企业碳纤维产品结构看，国内碳纤维产品主要为小丝束，相比而言，大丝束生产更有利于降低成本，因此随着我国大丝束产能扩张，我国碳纤维生产成本优势有望进一步凸显。预计到2025碳纤维生产成本还有19.7%左右的下探空间。
根据各公司扩产计划，2025年大丝束原丝产能可达37.2万吨，大丝束碳纤维产能可达20.8万吨，小丝束碳纤维产能可达11.9万吨。
“围绕国家重大战略和国民经济主战场，央企应充分发挥科技创新‘国家队’作用，为提升我国关键材料和技术的自主可控，维护产业链、供应链的安全稳定作出重要贡献。”中国建材集团党委书记、董事长周育先说。
周育先表示，中复神鹰是中国建材集团新材料板块的重要一员，中国建材集团将一如既往地支持中复神鹰抓住全球碳纤维产业结构和布局调整过程中的宝贵机遇，不断开辟新领域、制胜新赛道，打造出具有全球竞争力的世界一流碳纤维企业。“未来，中国建材集团将继续支持中复神鹰把握碳纤维产业结构和布局调整过程中的新机遇，加快形成绿色制造新动能，将生态优势、技术优势转变为企业发展优势，推动产业上下游深度耦合，聚力打造高质量产业集群。”
来源：塑连网-小郭，新华社，中国新闻网
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