2017年中国碳纤维行业产业链细分及下游产品附加值提升分析【图】

碳纤维 2017-11-22 07:54

1、原丝：决定碳纤维质量和成本的关键

PAN 原丝是生产高品质碳纤维的技术关键，一般认为碳纤维 90%的性能取决于原丝。原丝品质不佳（表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等），在后续加工中很难消除，从而遗传给碳纤维，造成力学性能下降。

原丝残留溶剂量越低，碳纤维拉伸强度越大（单位：%，GPa）

数据来源：公开资料整理

PAN 原丝的生产过程如下：先将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后纺丝成型。这个过程按照聚合和纺丝两道工艺的连续性、纺丝时采用的方法以及纺丝溶剂的选择等方面的不同有多种工艺方法。

PAN 原丝生产工艺流程图

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目前 DMSO 为溶剂、湿法纺丝是最为普遍的生产技术。但从发展趋势来看，干喷湿纺工艺有效结合了干法和湿法，在纺丝速度（相比湿纺快 5-10 倍）和原丝性能方面均具有明显优势，使得其正逐步取代湿法纺丝。相比传统的湿法纺丝，干喷湿纺喷丝头不直接浸入凝固浴，喷头温度可独立的精确控制，纺丝液由喷丝板喷出在进入凝固浴之前先经过一段几毫米的空气层，纺丝液在空气层中发生一定的拉伸流动，不仅提高纺丝速度，还有利于大分子链的取向。原丝结构相比直接进入凝固浴更为均匀致密，同时截面也更容易成圆形，从而提高力学性能。我们认为聚合方法和纺丝溶剂的选择会影响原丝的性能并非关键，从国内产品的最大问题即一致性较差来看，纺丝工艺的控制才是稳定生产高性能原丝的关键。

原丝生产的工艺方法划分标准

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湿法和干喷湿法纺丝示意图

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原丝不仅决定碳纤维的质量，同时也是碳纤维成本的主要组成部分。理论上每生产 1 kg碳纤维需要消耗 2 kg 的原丝，原丝占 PAN 基碳纤维成本高达 51%左右！

碳纤维成本拆分

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2、碳纤维：预氧化与碳化

从原丝到碳纤维要经历两个重要的工艺步骤，即预氧化和碳化。其中预氧化过程既决定碳纤维的质量，又控制着碳纤维的产量。上世纪 60 年代东丽公司开始研制碳纤维时，其预氧化过程长达二十多小时；其后经过不断改进，现在几十分钟即可实现良好预氧化。如果能在保证质量的前提下缩短预氧化时间，整条产线的产量能提高，单位成本将大幅下降。

预氧化和碳化工艺对比

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PAN 原丝预氧化目的是为了防止原丝在碳化时熔融，通过氧化反应使线性 PAN 大分子发生分子内环化和分子间交联，转变成耐热梯形结构，从而使纤维在高温碳化过程中不熔不燃。预氧丝的碳化一般是在惰性气氛气体保护下先经低温碳化将 N、H、O 等非碳元素在炉内发生反应释放出来，随后经高温碳化形成石墨化结构。预氧化中碳的质量分数约为60%，经过高温充分裂解碳化脱除大部分杂元素，最终转化为含碳量 90%以上的高性能碳纤维。

预氧化工艺在碳纤维成型过程中耗时最长，是决定碳纤维生产效率和能耗成本的关键，也被业内普遍认为是最有潜力提升的环节。

3、中间材料：预浸料是主流

碳纤维生产出来后，除了缠绕成型可以直接使用碳纤维外，其余所有工艺都需要先将碳纤维制成中间材料，再与树脂复合成型。几种常见的中间材料有织物、预浸料、SMC 和短纤（颗粒），其中预浸料是最主流的中间材料。不同形态的中间材料与后续的加工方法有着密切关系，比如织物一般采用液压成型（包括 RTM）、预浸料主要采用热压罐成型、SMC 主要采用冲压成型、而短纤或长纤适合用挤压成型。

主要中间体及成型方法

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碳纤维织物也称为碳纤维布，可分为单向布、双向布和多轴向三个大类，是碳纤维增强体的一种主要形式，可与树脂搭配直接用于建筑物补强，但更多的应用还是制成预浸料的半固体形式，再制成各种高质量的复合材料。

预浸料是最主流的中间材料，2014 年制成这种形式的碳纤维有 27750 吨，占比达到51.5%，其次是非连续纤维，占比达到19%。

碳纤维到碳纤维复合材料制品的形式分布及用量情况

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4、复合材料：树脂基复合材料占比约七成

根据基体材料的不同，碳纤维复合材料有树脂基、碳基、陶瓷基、金属基等多种形式。根据数据统计，2016年全球碳纤维复合材料需求达到 213.4 亿美元，其中树脂基复合材料是使用最为广泛的碳纤维复合材料，占据 69%的市场份额，其次为碳基复合材料，占 12%。

树脂基复合材料占碳纤维复合材料市场份额的 69%

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碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)：碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。碳纤维增强热塑性塑料具有强度与刚性高、蠕变小、热稳定性高、线膨胀系数小减摩耐磨、不损伤磨件、阻尼特性优良等特点。碳纤维增强热固性塑料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。

热固性和热塑性树脂复合材料性能对比

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C/C 复合材料：由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。通常用连续碳纤维长丝深加工预制体或短切碳纤维增强基体作为制造的胚体，经 CVD、CVI 等方法反复致密化后（1-5 个循环）形成的高比强度和比模量复合材料。

C/C 复合材料的制造工艺流程图

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C/C 复合材料有两大特点：一是耐高温。在非氧化气氛中可以承受 2000℃以上的高温且维持力学性能不变，在高温氧化环境中也能均匀烧蚀（不会起火燃烧），这些特性使得其在航天飞机、导弹鼻锥和发动机喷管中广泛应用；二是耐磨擦磨损。是目前最好的刹车制动材料，国际上多数大型民用飞机和军用飞机均采用碳/碳复合材料飞机刹车副。

C/C 复合刹车副