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2021中国碳纤维产业研究报告

基础化工2021-12-30亿欧智库机构上传
2021中国碳纤维产业研究报告

2021中国碳纤维产业研究报告亿欧智库https://www.iyiou.com/researchCopyright reserved to EqualOceanIntelligence, December2021 报告节选纺丝聚丙烯腈丙烯腈丙烷水溶剂油剂聚氧化乙烯预氧化碳化表面处理碳纤维预氧化炉PAN原丝碳化炉上浆剂溶液EP树脂电解质溶液碳酸氨废弃处理碳纤维织物碳纤维预浸料碳纤维复合材料下游应用u碳纤维生产工艺复杂,对设备、技术等条件要求极高。碳纤维生产环节中,原丝质量、性能水平是决定碳纤维的最终性能的核心。碳化、氧化环节的温度控制是关键,该环节需对温度的精度、范围进行准确控制,否则将显著影响碳纤维成品的质量甚至导致断丝。48.8519.44420202018201920162015201320172012201120142010中国碳纤维需求量(吨)2010—2020CAGR:18%39.10%22.50%18.99%19.41%其他广东山东江苏u我国碳纤维需求由2010年的9444吨暴涨到2020年的48851吨,10年间CAGR达18%,远超全球同期水平的9%,增长势头强劲;在区域需求层面,江苏、山东、广东位列前三位,2020年碳纤维需求均达万吨级。40012073140,9%1.2002,5%1.2002,5%1.7003,5%1.7002.2004,5%电子电器2.00020.0003.000船舶6,1%14.60029,9%航空航天其他4,1%压力容器电缆芯混配模成型汽车碳碳复材体育休闲0,2%3,5%1,5%0,8%建筑补强风电叶片需求量(吨)需求量占比u风电叶片、体育休闲是我国碳纤维下游应用的主要领域,需求量达20000吨和14600吨,占全国碳纤维总需求的40.9%和29.9%。1,2761,7212,4681,6693,06910,99513,16219,41419,00727,42120202019201820172016光威复材研发支出(万元)中简科技研发支出(万元)u我国碳纤维企业竞争格局当前形成了“强者恒强”式相对稳定的局面。光威复材、中复神鹰、江苏恒神、中复神鹰、吉林碳谷等企业凭借先发优势,持续多年深耕碳纤维生产制造研发,研发支出逐年上涨。 目录CONTENTS1.碳纤维定义及分类2.碳纤维原丝及复合材料生产工艺3.中国碳纤维产业政策及产业集聚5.中国碳纤维产业未来应用趋势4.中国碳纤维产业发展现状 碳纤维是新材料之王,具备出色的力学性能和化学性能4u碳纤维是一种含碳量高于90%的高强度高模量纤维材料。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,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;u碳纤维生产工艺复杂,对设备、技术等条件要求极高。生产环节中,精度、温度和时间的控制都将影响最终碳纤维成品的质量。碳纤维生产环节中,原丝质量、性能水平是决定碳纤维的最终性能的核心。碳化、氧化环节的温度控制是关键,该环节需对温度的精度、范围进行准确控制,否则将显著影响碳纤维成品的质量甚至导致断丝。亿欧智库:碳纤维生产流程来源:《我国碳纤维工业现状和碳纤维应用》,亿欧智库分析亿欧智库:碳纤维八大特征来源:亿欧智库根据公开资料整理高强度碳纤维抗拉强度3,500MPa以上。高模量碳纤维比模量是其他结构材料的1.3-12.3倍,弹性模量在230GPa以上。小密度碳纤维密度是钢的1/4,是铝合金的1/2,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%。高比强度碳纤维比强度比钢大16 倍,比铝合金大12 倍。耐高温碳纤维在非氧化气氛条件下,可在2,000°C 时使用,在3,000°C 的高温下部熔融软化。耐低温在-180°C 低温下,钢铁变得比玻璃脆,而碳纤维依旧具有弹性。耐腐蚀碳纤维纯碳含量高,而碳又是最稳定的化学元素之一,能耐浓盐酸、磷酸等介质侵蚀,其耐腐蚀性能超过黄金和铂金。热膨胀系数小导热系数大碳纤维室温下的热膨胀系数为负数,在200-400°C时为0,不易因温度高而膨胀变形。可耐急冷急热,即使从3,000°C 的高温突然降到室温也不会炸裂。纺丝聚丙烯腈丙烯腈丙烷水溶剂油剂聚氧化乙烯预氧化碳化表面处理碳纤维预氧化炉PAN原丝碳化炉上浆剂溶液EP树脂电解质溶液碳酸氨废弃处理碳纤维织物碳纤维预浸料碳纤维复合材料下游应用 5u碳纤维拥有多种分类标准。按照不同的原料分类,可以分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维;u其中,聚丙烯腈(PAN)基碳纤维因原料丰富和力学性能优良,应用领域最广,占市场份额的九成以上;沥青基原料来源丰富,生产成本仅为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的1/3-1/4,但调制复杂、性能低,因此规模较小;粘胶基耐高温但技术难度大、成本高,制造过程中的热解反应使得粘胶基碳纤维生产效率只有10%-30%,主要用于耐烧蚀材料及隔热保温材料的生产制作。亿欧智库:不同原料碳纤维性能特征来源:亿欧智库根据公开资料整理亿欧智库:不同原料碳纤维市场份额占比来源:中国化学纤维协会,亿欧智库分析聚丙烯腈基碳纤维沥青基碳纤维粘胶基碳纤维抗拉强度/Mpa抗拉模量/Gpa断后延伸率/%密度/g·cm-3主要应用代表企业•>3.5•1.6•2.1~2.8•>230•379•414~552•>1.76~1.94•1.7•2•>0.6~1.2•1•0.7•航空航天、体育用品、风电叶片、汽车工业、建筑•航空航天工程材料、保温材料•隔热材料、防电磁波服装、防静电材料91,00%8,00%1,00%PAN基碳纤维沥青基碳纤维粘胶基碳纤维碳纤维多种分类标准并存,按原料分类,聚丙烯腈基碳纤维占据主流地位— 按力学性能,碳纤维可分为高强型、高强中模型、高模型和高强高模型6u碳纤维按力学性能分类,根据国家现行标准GB/T 26752-2020,可分为高强型、高强中模型、高模型和高强高模型这几种。其主要依据为拉伸强度和拉伸弹性模量两项指标;u当前全球范围内并没有统一的碳纤维型号划分口径,由于日本东丽长期处于行业领先,产品知名度极高,所以其产品型号具有相对通用性。日本东丽的碳纤维产品型号大体上有T 系列和M 系列两类,T 表示强度,M 表示模量。T 后缀的数字越大代表碳纤维的强度越大,M 后缀的数字越大代表碳纤维的模量越大。我国现行的碳纤维国家标准型号也可与日本东丽碳纤维型号进行匹配。亿欧智库:我国现行碳纤维标准型号与日本东丽碳纤维型号对应情况来源:GB/T 26752-2020 国家聚丙烯腈基碳纤维标准,东丽官网,亿欧智库分析亿欧智库:不同力学性能种类碳纤维对应拉伸模量、拉伸强度指标来源:《中国高性能碳纤维产业的创新发展》,亿欧智库根据公开资料整理5008,0001007,0004,0006504501,0006,0007505,0001507003,0006005503502,000400300250200拉伸模量/GPa拉伸强度/MPa高强高模型高模型高强型高强中模型高强高模型高模型高强型分类我国标准型号日本东丽型号拉伸强度/MPa拉伸模量/GPa高强型GQ3522GQ4522T300T7003500~<45004500~<5500220~<260220~<260高强中模型GQ4526GQ5026GQ5526GQ6026GQ6526GQ7026M35JT800T800T1000T1100T11004500~<50005000~<55005500~<60006000~<65006500~<70007000~<7500220~<260220~<260220~<260220~<260220~<260220~<260高模型GM3040M403000~<3500350~<400高强高模型QM5535QM4035QM4040QM4045QM4050QM3555QM3560QM3565—M40JM46JM50JM55JM60J——5500~<70004000~<55004000~<55004000~<55004000~<55003500~<40003500~<40003500~<4000350~<400350~<400400~<450450~<500500~<550550~<600600~<650650~<700 7u碳纤维按丝束规格,可分为大丝束和小丝束两种。丝束是指用来切断成短纤维或经牵切法而制成化纤条的大量根数的连续长丝集合而成的基本无捻的长条碳纤维束。碳纤维纺丝后,由相当多的单股长丝集合成为丝束。碳纤维主要经上浆剂将单丝束成一束,可以显著增强碳纤维浸润性、减少加工滚轴对纤维的伤害;K 代表单丝数量,1K 是1000 根单丝,初期小丝束碳纤维以1K、3K、6K 为主,逐渐发展为12K 和24K。通常将48K 以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括48K、60K、80K 、120K、360K等;u大丝束碳纤维生产成本低,性价比高,广泛用于一般工业制品及民用制品;小丝束碳纤维生产工艺难度大,控制上要求高,通常用于高精尖产品,如国防军工和航空航天等高科技领域。当前全球小丝束碳纤维行业标准制定权和定价权牢牢掌握在美日企业手中,且因其用途的敏感性,美日往往对我国的小丝束碳纤维出口实施严格管制,掣肘我国军用飞机及航天器的突破发展。亿欧智库:2020年全球大小丝束碳纤维主要生产企业产能占比来源:中国化学纤维协会,亿欧智库分析亿欧智库:大小丝束碳纤维特性来源:《碳纤维及石墨纤维》,吉林碳谷公开发行说明书,亿欧智库分析按丝束规格,碳纤维可分为大丝束和小丝束,美日出口我国小丝束管制严格大丝束碳纤维小丝束碳纤维丝束数量特点应用领域变异系数价格<48K≥48K•工艺控制要求高,生产设备造价高,性能强•生产成本相对较低,性价比高,性能相比小丝束较差•国防军工、航空航天、医疗器械•土木建筑、汽车部件、轨道交通、风电叶片、体育用品等<5%15%—18%较低较高58.00%31.00%9.00%1.00%1.00%SGL(德)Hexcel(美)东丽(日)蓝星三菱(日)26.00%13.00%10.00%8.00%26.00%6.00%7.00%4.00%其他台塑Hexcel(美)三菱(日)Cytec(美)东邦(日)AKSA(土)东丽(日) 中国碳纤维产业全景图谱8上游原材料碳纤维原材料聚丙烯腈纤维沥青纤维黏胶纤维碳纤维相关生产设备台湾聚川碳纤维复合材料航空航天汽车部件风电叶片体育休闲压力容器电线电缆电子产品...备注:上图由于篇幅原因仅显示各分类下部分企业,且排名不分先后来源:亿欧智库根据公开资料整理上游原材料 碳纤维复合材料在军用机、民用机制造上的应用比例逐步提高9来源:全球及经济科技瞭望,亿欧智库分析亿欧智库:碳纤维复合材料对于飞机的减重效果(以航空钢材为基准)u由于碳纤维具备出色的力学性能和化学性能,在航空领域,其复合材料的使用可以轻量机体结构、增强耐用性并降低飞机的生产、设计成本,基于以上优势,近年来碳纤维复合材料在军用机、民用机制造上的应用比例逐步提高。由最初仅应用在飞机的次级结构件,发展为广泛用于航空飞机的初级结构件。u在军用机领域,各国最先进战机碳纤维复合材料使用比例也随着更新换代不断提高。如美国F系列战机碳纤维复合材料用量比例由F15系列的2%暴增到F35系列的35%。航空钢材1200210航空铝材航空钛合金碳纤维复合材料抗拉强度(MPa)弹性模量(GPa)密度(Kg.m-3)减重比例785004207027001.7%1000120450031.2%1500140145085.2%亿欧智库:飞行器减重经济效益来源:中简科技招股书,亿欧智库分析飞行器种类轻型民航机直升机航空发动机战斗机干线飞机超音速民航机近地轨道卫星同步轨道卫星航天飞机经济效益(美元/Kg)60100450450450100020002000030000亿欧智库:美国各代F系列战机碳纤维复合材料用量比例来源:《航空复合材料技术》,《碳纤维及其复合材料技术

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