近年來，受利好政策及市場需求的雙重推動，碳纖維行業呈現出迅猛增長趨勢。文章介紹了國內外碳纖維行業的運行情況及產品應用現狀，分析了碳纖維原絲、預氧化／碳化技術等的新進展，總結了碳纖維行業面臨的挑戰與發展機遇，并從政策、人才、技術、產業和市場等方面提出相應建議。
碳纖維作為國民經濟和國防建設的關鍵基礎材料之一，是先進復合材料重要的增強體，可廣泛應用于航空航天、光伏、風電、氫能、汽車輕量化、體育休閑等領域。經過數年的技術攻關和產業化發展，我國已形成具有自主知識產權的碳纖維技術體系，實現了技術、產品、應用和產業鏈多元化發展，成為全球碳纖維生產和供應第一大國。
一、國內外碳纖維供需概況
根據廣州賽奧碳纖維技術股份有限公司發布的《2023全球碳纖維復合材料市場報告》，2023年全球碳纖維總產能超過29萬t，總需求量11.5萬t。2021年，我國成為碳纖維產能、用量第一大國；2023年，我國碳纖維產能13.8萬t，需求量6.9萬t（圖 1），國內產量5.3萬t，同比增長17.8%，進口量同比下降45.4%。據中商產業研究院預測，2024年我國碳纖維需求量達到7.2萬t左右。
圖 1 2008 — 2025年我國碳纖維需求量
2023年，全球航空航天領域的碳纖維需求量占總需求量的50%左右，我國碳纖維需求則主要以風電葉片和體育休閑為主（圖 2），兩者合計占比約50%。隨著制備技術的進步和纖維性能的提升，碳纖維將成為替代傳統材料的重要新材料之一，新興行業需求快速釋放。
二、碳纖維主要制造商經營情況
截至2024年 6 月30日，國內外各大碳纖維企業陸續公布了銷售業績。全球碳纖維市場在航空航天等高端領域顯著回暖，但在風電、汽車等領域存在增長不及預期、產能過剩等問題。國內主要碳纖維企業的碳纖維業務利潤均有一定程度下降。
相比之下，國外碳纖維企業抗風險能力較強，其中日本東麗公司2024年 1 — 6 月碳纖維業務再次呈現兩位數增長，主要受益于航天航空領域對飛機輕量化需求的進一步增加。而我國碳纖維行業出現供需關系不平衡、產能過剩、庫存積壓等現象，導致價格下跌、利潤倒掛。根據各公司年報，2024年 1 — 6 月，中復神鷹、吉林碳谷、光威復材、中簡科技等我國碳纖維龍頭企業實現營收合計468.93億元，歸母凈利潤5.49億元。
三、碳纖維生產技術進展
聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）基碳纖維的制造工藝主要包括原絲生產和氧化碳化階段（圖 3）。隨著技術和市場需求發展，碳纖維生產正朝著低成本化和綠色化方向發展。
3.1 原絲制備技術
在引發劑的作用下，丙烯腈與共聚單體反應生成碳纖維前驅體（又稱“碳纖維原絲”），其中聚合液生產分為一步法和兩步法，原絲生產又分為濕紡法和干噴濕紡法。隨著碳纖維生產進一步向規模化、低成本化發展，其原絲規格也從小絲束向大絲束、巨絲束轉變。此外，生物基原料日益受到研究者關注。
開發具有更優力學性能的大絲束或巨絲束產品，已成為碳纖維工業化發展的重要任務和客觀要求。如吉林碳谷發布的大絲束75K碳纖維原絲及其制備方法（CN118792744A《一種75K碳纖維原絲及其制備方法》），解決了因單絲線密度不均勻導致的力學性能下降問題，滿足了風電等應用領域對大絲束產品的需求。生物基聚合物產能和產量持續增長，2023年其全球總產能為480萬t，預計2023 — 2028年間年均復合增長率在17%左右。德國戈平根勞博霍爾茨技術研究所利用濕法紡絲工藝進行了木質素基碳纖維的研究（圖 4），該技術使用可再生資源硬木，通過一種新型溶解技術對木質素進行結構優化和重構，實現了對堿木質素溫和且有效的溶解，是一種產率較高的高強度碳纖維前驅體制備方法。
利用丙烯腈/巴豆酸胍共聚物制備碳纖維前驅體，共聚單體巴豆酸胍的加入有效降低聚合物環化反應的活化能，同時促進環化反應的進行。其TGA分析表明，引入巴豆酸胍提高了共聚物的熱穩定性，800 ℃碳化條件下的產率超過54%，比PAN均聚物提高19%以上，具有替代當前碳纖維前驅體的潛力。陳友汜等開發了一種連續聚烯烴基碳纖維的制備方法，該連續聚烯烴基碳纖維由改性聚烯烴制成的纖維先經過多級磺化處理、水洗、上油處理、干燥熱輥后再進行碳化處理后制得。為減少氧化穩定處理階段的能耗，張麗雯等開發了芳綸基碳纖維低溫直接碳化方法，其以具有優異力學性能的芳綸直接碳化形成碳纖維，碳化后仍能保持較高的力學性能。
3.2 氧化、碳化技術進展
原絲氧化、碳化環節主要包括預氧化、低/高溫碳化、電解、上漿等工序，生產高模型碳纖維時，在高溫碳化后需進行石墨化處理。其中預氧化過程通常需要50 ～ 90 min，占碳纖維加工總時長的75% ～ 90%，用電成本約占總能耗的70%。為了滿足碳纖維生產的低成本化、高效化需求，出現了紫外預處理、電子束/等離子體退火、微波退火等前沿性工藝。
2020年，美國4M碳纖維公司利用其與田納西州橡樹嶺碳國家實驗室（ORNL）合作開發的大氣等離子體氧化技術加工臺塑公司的聚丙烯腈前驅體，初步試驗結果表明，由該工藝生產的碳纖維比傳統工藝生產的碳纖維具有更高的拉伸性能。近期美國4M碳纖維公司宣布啟動年產50 t等離子體氧化試驗線項目，初始投資450萬美元。據介紹，與目前行業標準相比，該技術可將生產能力提高至 3 倍，在氧化過程中減少75%能耗、節約50%的加工成本和30%的運營費用。
為了研究不同海拔下氧分壓對工業碳纖維生產線氧化穩定性的影響，ZHU等對PAN纖維在中微觀結構演化和力學性能指標方面進行了比較，發現較高氧分壓氣氛下可生成更均勻和交聯的結構，并使穩定后的纖維具有較低的皮芯比，而低氧分壓下纖維出現嚴重的皮芯結構；在海拔100 m、21.11 kPa和海拔2 275 m、16.23 kPa的氧分壓條件下，工業化生產T700－12K碳纖維的拉伸強度和拉伸模量可達4 810 MPa/226 GPa、4 907 MPa/245 GPa。
預氧化工序的時間決定了碳纖維的生產效率和性能，鑒于此，澳大利亞迪肯大學研究了濕紡PAN纖維高速預氧化微觀結構對碳纖維拉伸和壓縮性能的影響。研究表明，當PAN前驅體纖維中丙烯腈、甲基丙烯酸酯、共聚體衣康酸的質量分數分別為94%、3%、3%時，可制備具有較高拉伸強度的碳纖維，且能耗更低，適合快速預氧化處理，當預氧化時間縮短至32 min時，碳纖維拉伸強度和模量降低，但抗壓強度提高。在縮短預氧化時間方面，HSU等設計的研究方案采用一種準行波輻射器（圖 5），PAN基纖維通過熱場的輻射器封閉端進入，經電磁場作用后從另一端退出，在輻射器內吸收傳播波能量，形成一個不完全的駐波，由于準行波具有行波特性和高熱導率，有利于產生長度變化較大且相當均勻的加熱場。對于不同長度的SiC管，可以施加不同的微波輸出功率來維持相同的溫度。該研究可實現13 min超快預氧化。
為了解決碳纖維石墨化均勻性和模量波動的問題，萬凱等采用碳纖維的單邊和雙側高斯激光輻照方法，明確溫度對碳纖維石墨化均勻性的影響。結果表明，與直接高斯激光輻照相比，平頂激光輻照下薄層碳纖維石墨化平均性顯著提升，拉伸模量由227.37 GPa增至311.90GPa；平頂激光輻照薄層化碳纖維可以有效提高碳纖維石墨化的均勻性，其中展纖均勻性成為影響碳纖維激光石墨化均勻性的關鍵因素；高功率激光輻照下碳纖維表面存在大量的缺陷，這些缺陷導致了碳纖維強度的降低，同時也限制了碳纖維模量的進一步提高。
四、行業面臨的挑戰與發展機遇
當前我國碳纖維行業產業規模穩居全球第一，且產品性能穩步提升、高端應用逐步拓展，需緊抓下游應用新增長點，重點攻克碳纖維工藝技術方面的瓶頸。
4.1 面臨的挑戰
4.1.1 行業階段性承壓
在“雙碳”政策的催化下，大量資本涌入，導致行業出現產需錯配現象。同時，航空航天、風電、體育休閑三大應用領域的周期性調整，進一步加劇了行業競爭，出現卷價格、增收不增利等現象，企業業績承壓，行業發展出現階段性壓力。據調研，從2022年 4 月至2024年上半年，一些主要品類的價格跌幅超過50%。碳纖維行業正遭遇“弱周期”。
4.1.2 核心競爭力仍需提升
目前，與國際碳纖維龍頭企業日本東麗公司相比，我國碳纖維產品無論是原絲生產技術、關鍵裝備制造、高端分析測試設備，還是碳纖維樹脂基復合材料制造工藝、裝備自動化/規模化、復合材料設計/工藝技術、復合材料性能離散/減重效率/成品率/成本，甚至碳纖維相關的專業工程技術人才，仍存在不小的差距。
4.2 發展機遇
面對逐漸加劇的供需矛盾，提升競爭力的核心是發展細分定位產品、高端產品和精益降本，加強下游制品技術的研發將成為碳纖維企業的戰略選擇。目前來看，航空航天領域市場需求依然強勁，“低空經濟”為行業發展注入新動力；面向綠色和“雙碳”戰略，風電、新能源汽車、軌道交通等行業對材料體系提出了低成本、輕量化、高效率制備需求，碳纖維復合材料的潛力不斷被挖掘。
4.2.1 民用航空
據了解，空客A350、波音B787的碳纖維復合材料用量均在50%以上，我國國產大飛機C919復合材料用量占比約為12%，主要應用在水平、垂直尾翼等部位，C929復材用量將達51%以上，主要應用在機身、機翼和尾翼部位。
近年來，包括我國在內的多個國家將目光瞄向“低空經濟”，認為其將為碳纖維復合材料帶來增量市場。2024年兩會期間，“低空經濟”首次被寫入政府工作報告；3 月，工業和信息化部、科學技術部、財政部、中國民用航空局印發《通用航空裝備創新應用實施方案（2024 — 2030年）》，提出到2030年，推動“低空經濟”形成萬億級市場規模。電動垂直起降飛行器（e－VTOL）作為“低空經濟”的重要載體，其主流的設計方案均采用碳纖維作為主要機身結構材料，碳纖維復合材料占比70%以上，預計該行業2030年對碳纖維復合材料的需求將達11 750 t。
小鵬匯天將T700級高性能碳纖維應用于其飛行汽車的相關部件，計劃生產分體式飛行汽車“陸地航母”1 萬架。全球最大的無人貨運飛機W5000機身使用了寶威新材料自主研發生產的T700級碳纖維復合材料，減重效果明顯，能讓機體重量有效降低40%，最大載貨量提升至 5 t，航程超2 600 km。
4.2.2 其他應用領域
（1）風電領域
傳統應用領域對碳纖維的需求仍將持續增長。風機大型化是未來的發展趨勢，葉片重量隨著長度增加呈幾何級數增長，使得風機載荷增大、風機部件成本增加。根據國海證券資料，在滿足剛度和強度的前提下，采用碳纖維的風輪葉片比玻璃鋼葉片質量輕30%以上，雖然碳纖葉片成本上升，但其帶來的傳動鏈上相關部件以及塔筒的優化減重，使得風電機組的整體成本降低10%以上。
（2）軌道交通領域
碳纖維復合材料在軌道交通領域的應用正逐步擴大，據統計，2023年該領域碳纖維復合材料的市場規模約10億美元。碳纖維目前主要應用于列車的主承載結構，包括頂蓋、設備艙、車體等重要部分，能夠減重約30% ～ 40%。中車380BL碳纖維復材結構設備艙整體減重38%；2024年 6 月，中車四方與青島地鐵合作研制了全球首款商用碳纖維地鐵“CETROVO 1.0碳星快軌”，比常規地鐵減重了11%，顯著降低了整個生命周期的運維成本；2024年 9 月，中車齊車、國能鐵路裝備公司與北京低碳清潔能源研究院共同研發了碳纖維復合材料鐵路貨車，減重超過20%，具有更輕、更強、更節能、環境適應性更高等特點。
（3）汽車領域
碳纖維材料取代汽車鋼體車身減重高達60%，燃油效率提高30%以上，其典型應用于車門、頂蓋、前艙蓋、尾翼等；第二大類為A柱/B柱、車架/車殼、防撞梁等車身結構件；第三大類為輪轂、傳動軸/齒輪、制動盤/片等底盤部件；第四大類為座椅、地板等內飾件。
《節能與新能源汽車技術路線圖3.0》提出：到2030年，新能源汽車單車碳纖維使用能夠達到25%，整車重量降低30%。如比亞迪仰望U9車身以T700－12K碳纖維復合材料為原料，采用熱壓罐一體化成型工藝；全車身100%碳纖維覆蓋的廣汽埃安昊鉑SSR，其前內飾、方向盤等部位大量采用了碳纖維；6.5 kg碳纖維車頂的極氪001 FR，減重65%，強度提升67%；蔚來ES6的后地板總成、座椅板總成、后地板橫梁總成和電池包上殼體均采用了碳纖維材料；小米SU7 Ultra、奔馳SLR McLaren、帕加尼超跑Zonda R、寶馬i3和i8車身均采用了大量的碳纖維材料。
（4）儲氫壓力容器
氫能作為新一代清潔能源，其市場化推廣的關鍵在于降本。目前，氫儲運輸成本占終端用氫成本的30%以上，該環節對氫能產業的商業化和規模化發展具有決定作用。
碳纖維復合材料是Ⅲ、Ⅳ型儲氫瓶成本的主要部分，占比60% ～ 80%。早期，高壓儲氫瓶所使用的T700、T800碳纖維多由日本東麗供應。近年來，隨著我國碳纖維企業取得技術突破，國產高性能碳纖維在產能、質量等方面均有了顯著提升。中復神鷹已建成國內首條具有自主知識產權的千噸級干噴濕紡碳纖維產業化生產線，掌握了T300級、T700級、T800級等碳纖維的千噸級技術和T1000級百噸級技術；光威復材在2024年 2 月稱其T700S級/T800S級碳纖維的2 000 t產能處于滿產狀態。
五、發展建議
近年來，國內碳纖維自主供應能力仍在不斷加強，國產替代仍有一定空間。盡管國產碳纖維領域在技術、產能方面已取得不俗進展，但在技術成熟度、產品質量穩定性和復合材料應用等方面仍具有較大的提升空間，行業需結合國家戰略需求、相關產業政策和專項措施，繼續推動碳纖維行業高質量發展，具體建議如下。
（1）加強基礎研究，提升產業應用能力。碳纖維行業需集中資源從源頭上解決高端碳纖維“卡脖子”難題，提升產品質量、突破關鍵技術，并完善檢測評價方法，以增強核心技術創新能力。結合理論與應用研究，加強人才培養；重點攻克碳纖維產業化及應用的薄弱環節，推動整體技術水平和產業化能力的提升。
（2）提升創新能力，統籌產業健康發展。以市場需求為導向，提升生產效率和碳纖維產品品質，并推動數字化轉型；注重自主設計，推動與其他學科的交叉融合，優化產業布局，支持龍頭企業發揮“鏈主”作用，促進上下游企業的協同創新。同時避免過度投資和低水平重復建設，以實現規范有序發展。
（3）拓展產品應用，應對國際市場競爭。隨著新能源、商業航空等市場的增長，特別是航空航天和低空經濟將成為拉動高端碳纖維產品需求的新藍海，碳纖維的需求將進一步提升。此外，借助“中國制造”的影響力，打破技術壁壘，積極拓展國際市場，加快碳纖維及其制品的出口，推動國內碳纖維產品走向全球。(作者：馬祥林 王魯香)
