碳纖維(Carbon Fiber，簡稱CF)是由聚丙烯腈(PAN)(或瀝青、粘膠)等有機纖維采用高溫分解法在1,000℃以上高溫的惰性氣體下碳化(去除除碳以外絕大多數(shù)元素)制成的，是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維。
碳纖維發(fā)源于航空航天：材料行業(yè)的“黑色黃金”碳纖維（carbon fiber）簡單來說，就是以碳元素為主的一種纖維材料，專業(yè)一點說，它是一種含碳量在90%以上的高強度、高模量纖維，其耐高溫能力居所有化纖之首，能抵抗高達3500攝氏度的高溫，可經(jīng)受酸堿常年的腐蝕碳纖維的強度是鋼的5倍，其密度，重量不到鋼的一半，被譽為21世紀的新材料之王，享有“黑色黃金”的美譽。
碳纖維具有出色的力學性能和化學穩(wěn)定性。密度比鋁低強鋼高，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維，并具有低密度、耐腐蝕、耐高溫、耐磨擦、抗疲勞、震動衰減性高、電及熱導性高、熱及濕膨脹系數(shù)低、X光穿透性高、非磁體但有電磁屏蔽效應等特點，是發(fā)展國防軍工與國民經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略物資，碳纖維最早的應用來自航空航天的需求，在運載火箭、導彈防熱燒蝕等部件、航空結(jié)構(gòu)件中，幾乎離不開碳纖維。
碳纖維生產(chǎn)流程復雜，對設備和工藝要求極高，屬于重資產(chǎn)行業(yè)。其生產(chǎn)流程是用腈綸和粘膠纖維作為原料，經(jīng)過高溫氧化碳化、表面處理等多個復雜步驟而制造出來的，除了具有碳材料固有的本性外，兼具紡織纖維的柔軟可加工性。因此碳纖維也具有價格昂貴、成品缺陷多等缺點。以航空航天碳纖維舉例來看，上個世紀，碳纖維每公斤花費就高達135美元（約合人民幣874.9元），其中還有三成多會在制作過程中報廢，實際算下來，成本接近200美元（約合人民幣1296.18元，當年的美元匯率）。
風電已成為碳纖維第一大應用領域：2020年全球用量超過3萬噸
從下游應用的行業(yè)分布來看，風電葉片、航空航天(含軍用領域)和體育休閑約占據(jù)總市場需求量的60%。2016年，風電葉片以1.8萬噸的需求量取代航空航天成為全球碳纖維市場需求最大的領域，增速高達50.0%；2020年，全球碳纖維的需求約10.69萬噸，全球風電葉片碳纖維用量3.06萬噸，對比2016年，復合增長率34%。根據(jù)行業(yè)的數(shù)據(jù)估計，風電葉片碳纖維需求量占全球需求總量的比例由2019年的24.59%增長至2020年的28.64%。
中國是全球碳纖維最大的增量市場，國內(nèi)的碳纖維需求量約為4.89萬噸，根據(jù)行業(yè)預測，2020-2030年的年均需求增速不低于20%，而未來的最大應用依舊在風電領域。
當風機變大后，全玻璃鋼葉片已無法滿足葉片大型化、輕量化的要求，而密度、剛性方面更出色的碳纖維材料則成為了更理想的選擇。
80-90m 的葉片，在當前的碳纖維價格形勢下，可減重葉片的重量10-12噸/套，增加成本10-15%，但從整機及塔筒和基礎的設計系統(tǒng)成本看，重量降低情況下，葉片增加的成本可以抵消，但風機的重量下降后，降低了風機的建安難度。
在滿足剛度和強度的前提下，碳纖維比玻璃鋼葉片質(zhì)量輕30%以上。當前風電葉片80m以上的葉片，葉片重量超過20噸（高的重量達到25噸），90m的葉片超過30噸，采用碳纖維的葉片可以有效減少總體自重8-10噸以上（80-90m 的葉片），這對整個風機的效能提升和建設成本降低具有非常重要的意義。
根據(jù)其碳纖維性能、制作工藝等不同，碳纖維在不同的下游應用領域價值量也不一樣。根據(jù)《從國產(chǎn)碳纖維的處境談碳纖維“全產(chǎn)業(yè)鏈”》中數(shù)據(jù)顯示，碳纖維單價在風電領域最低，僅為80元/千克，但是在國防軍空、航天中的單價最高達到了10000元/千克，在民用航空領域也最高也達到了1500元/千克，可見在軍工、航空航天領域的價值量還是比較高的。
風電大型化的必然需求：未來十年碳纖維需求急劇增加
談到碳纖維在風電的應用，就不得不提Vestas，他是是全球最早批量使用碳纖維到葉片的風機制造商，已經(jīng)實現(xiàn)了碳纖維在風機葉片的規(guī)?；瘧茫渌麌H巨頭，西門子-歌美颯、GE-LM、Nordex等均在新的機型中采用了碳纖維拉擠板制造與測試樣機。
國內(nèi)風電企業(yè)還沒有形成碳纖維葉片的規(guī)模化量產(chǎn)，更多處于樣機驗證階段?；臼侨N工藝并行:預浸料鋪貼、多軸織物灌注、拉擠板，相對而言，拉擠板工藝優(yōu)勢明顯。
根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，到2025年，全球的碳纖維需求年用量高達9.34萬噸，與2020年的3.06萬噸相比，這個數(shù)量已經(jīng)增長3倍，實際上，從中國風電的發(fā)展來看，中國將要占到全球碳纖維用量的50%以上。
面對如此大的碳纖維需求市場，中國的碳纖維制造企業(yè)能滿足嗎？
風電用碳纖維：中國碳纖維企業(yè)還不具備供應能力
全球的碳纖維企業(yè)主要集中在日本，美國和德國，包括東麗、東邦、三菱麗陽，ZOLTEK，SGL等，其中日本三家企業(yè)產(chǎn)能占據(jù)全球一半以上，早期中國的航空航天碳纖維基本受制于這幾家企業(yè)。為此，我國的航空航天企業(yè)早期在碳纖維復合材料的應用開發(fā)方面也是吃盡苦頭，需要指出，此外臺灣的臺塑也是龍頭企業(yè)之一。
整體來看，全球碳纖維的市場格局以美企和日企為主，這些國家壟斷著碳纖維領域的核心技術(shù)，并在高性能小絲束碳纖維技術(shù)上對中國實施了技術(shù)的封鎖和產(chǎn)品的禁運。相較美日而言，我國的碳纖維行業(yè)起步晚，由于相關(guān)知識儲備不足、知識產(chǎn)權(quán)歸屬等問題，早期在高性能碳纖維產(chǎn)品上幾乎全部依賴進口。
上個世紀開始，國內(nèi)的化工企業(yè)也開始碳纖維的研發(fā)和小規(guī)模的投產(chǎn)。碳纖維生產(chǎn)企業(yè)包括中復神鷹、吉林化纖、光威復材、中簡科技等，直到9月8日，中國建材旗下的中復神鷹在寧夏西寧的碳纖維基地宣布年產(chǎn)萬噸碳纖維正式投產(chǎn)，這也是已經(jīng)為止國內(nèi)唯一一個產(chǎn)能過萬噸的碳纖維生產(chǎn)基地，要知道這個項目投資超過20億元。早期從事碳纖維的包括吉林碳素、揚子化工等都基本還是在千噸級的產(chǎn)線規(guī)模，并不能真正實現(xiàn)大規(guī)模的批產(chǎn)。
50-60GW/年的年均新增規(guī)模：未來中國風電碳纖維年均需求超過5萬噸
根據(jù)《2020年全球碳纖維復合材料市場報告》數(shù)據(jù)顯示，2020年全球小絲束碳纖維市場基本是被日本壟斷，以日本東麗為代表的三家日本公司就占據(jù)了49%的小絲束市場份額。在2020年8月份日本頒布禁令之前，日本在華的小絲束碳纖維銷量為9900噸，占到中國進口量的32.57%，這還僅僅是8個月的銷量。在大絲束市場，主要的市場份額被美國的Hexcel、德國的SGL以及日本的三菱占據(jù)著，中國的大絲束生產(chǎn)企業(yè)藍星也占據(jù)著少部分市場份額排在第四的位置。
這里我們要看到一個事實，由于風電碳纖維的價格用量大，要求價格必須很低。
從目前的價格看，48-50K的大絲束碳纖維價格在120-150元/kg，距離平價風電葉片的價格需求還需要攔腰斬，目標價格大致在60-80元/kg，而問題在于中國國產(chǎn)碳纖維大多數(shù)還用于航空航天，航空航天級別的碳纖維用量雖然少，但是利潤高，價格從1000-5000元/kg不定，而大絲束碳纖維這一塊行業(yè)還不是很感興趣，但僅從風電葉片的需求估算，一支90m的葉片如果采用碳纖維主梁，單只葉片的用量3-4噸，按60GW的平均新增容量測算，按5MW的單機容量設計，葉片數(shù)量在36000只，都采用碳纖維的需求將要達到12萬噸，如果未來50%的葉片采用碳纖維（超大葉片），最少年需求量5-6萬噸，按照12萬元/噸，這個行業(yè)的市場規(guī)模容量將超過60億元/年。在按中國市場占有率50%的比例，全球風電需求的碳纖維平均超過10萬噸/年，實際行業(yè)預測到2025年，風電碳纖維的需求將達到9.34萬噸。
面對巨大市場需求：中國碳纖維企業(yè)如何迎接挑戰(zhàn)？
碳纖維的硬件投資很大，同時與石油價格接軌，從目前的成本來看，要實現(xiàn)60-80元/kg的碳纖維目標難度極大，而目前國內(nèi)的碳纖維企業(yè)都基本定位在航空航天及部分高強高模的高附加值的碳纖維產(chǎn)品上，對風電用的大絲束碳纖維尚未解決技術(shù)難題。
風電葉片的碳纖維應用是技術(shù)趨勢，這是大勢所趨，我們要順勢而為。碳纖維產(chǎn)業(yè)是個重資產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，原材料價格風險極高，按當前的石油價格在70美元/桶測算，可以實現(xiàn)30%以上毛利率，這個產(chǎn)業(yè)絕對是個具有技術(shù)競爭力的產(chǎn)業(yè)，當然，也不是誰都可以玩的產(chǎn)業(yè)。
期待中國的風電葉片早日用上中國的碳纖維！
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