高性能纤维行业政策支持 - 碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维被列为三大高性能纤维，国家多部门出台政策支持其发展，包括国务院2015年《中国制造2025》、科技部2017年《"十三五"材料领域科技创新专项规划》、发改委2019年《产业结构调整指导目录》等，明确将其作为关键战略材料和轻质高强新材料重点发展 [3][6] 碳纤维性能特点 - 碳纤维具有超高强度，抗拉强度达3500MPa以上，是钢的7-9倍，弹性模量在230GPa以上，密度仅为钢的1/4，铝合金的1/2，比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍，耐超高温在非氧化气氛下可达2000℃，耐低温在-180℃仍保持弹性，耐酸、防油、耐腐蚀性能超过黄金和铂金 [8] - 日本东丽主要产品牌号力学性能优异，如T300拉伸强度3530MPa，T700S达4900MPa，T1000G达6370MPa，T1100G达7000MPa，高模型M55J模量达540GPa [9] - 碳纤维含碳量高于90%，具备导电、导热、耐腐蚀等不可替代性能，是目前已大量生产的高性能纤维中比强度和比模量最高的纤维 [10] 碳纤维分类与生产工艺 - 按原丝种类分为PAN基（占90%以上）、沥青基和粘胶基碳纤维，按力学性能分为高强型、高强中模型、高模型和高强高模型，按丝束规格分为小丝束（<24K）和大丝束（≥24K），小丝束用于航空航天等高科技领域，大丝束用于基础工业和民用领域 [10][11] - 原丝制备工艺按溶剂分DMSO、DMAC、NaSCN等，按聚合工艺分一步法和两步法，按纺丝工艺分湿法和干喷湿纺法，干喷湿纺法可实现高速纺丝，原丝表面平整光滑，强度较高 [11][21][30] - 碳纤维生产流程包括从丙烯腈聚合纺丝得到PAN原丝，再经预氧化、碳化（1000-3000℃）得到碳纤维，最后经表面处理制成织物、预浸料或复合材料 [17][19][23] 全球碳纤维供需格局 - 2021年全球碳纤维运行产能17.2万吨，同比增长20.76%，中国产能6.34万吨占比31%，超过美国成为最大产能地区，东丽+卓尔泰克产能5.75万吨居首，吉林化纤1.6万吨、赫氏1.6万吨紧随其后 [37][39] - 2021年全球碳纤维需求11.8万吨，同比增长10.4%，风电叶片领域需求3.3万吨占比28%，体育休闲1.85万吨占比16%，航空航天1.65万吨占比14%，压力容器和碳碳复材需求增长显著 [52][56] - 2021年中国碳纤维需求62,379吨，同比增长27.7%，进口量33,129吨占比53.1%，国产供应29,250吨占比46.9%，风电叶片需求22,500吨占比36%，体育休闲17,500吨占比28% [58][64] 中国碳纤维产能扩张 - 2021年中国碳纤维产能6.34万吨，同比增长75.14%，吉林化纤产能1.6万吨居首，中复神鹰1.15万吨次之，预计2023年产能达15.3万吨，2025年达26.0万吨，2020-2025年复合增长率56% [44][45][46] - 原丝产能2020年4.96万吨，预计2025年达54.86万吨，复合增长率56%，吉林碳谷为原丝龙头，产能全国首位，其他企业原丝多配套自用 [48][49][50] - 丙烯腈作为原丝主要原材料，2021年中国产能315.9万吨，产量261万吨，利用率超80%，2021年起出口量21.0万吨超过进口量20.4万吨，2022-2024年新建产能164万吨占现有产能51.9% [29][31][34] 碳纤维应用领域分析 - 风电叶片为最大应用领域，2021年全球需求3.3万吨，中国需求22,500吨，占比全球66.7%，风机大型化趋势推动碳纤维需求，预计2025年全球需求达9.3万吨 [52][64][71] - 压力容器领域2021年全球需求1.1万吨，主要受益于氢气瓶应用，预计2025年达2.19万吨，IV型储氢瓶较III型成本低7%-11%，推动大丝束碳纤维需求增长 [56][83] - 航空航天领域2021年全球需求1.65万吨，主要使用3K、6K、12K小丝束，预计2025年需求2.63万吨，体育休闲领域2021年全球需求1.85万吨，中国需求17,500吨占比94.8% [56][64][88] - 汽车轻量化领域2021年全球需求9,600吨，预计2025年达1.8万吨，碳纤维减重效果显著，提升新能源汽车续航里程 [56][94] 碳纤维生产工艺进展 - 拉挤工艺用于风电叶片大梁生产，效率高、质量稳定，VESTAS采用拉挤梁片标准件组装工艺，提高纤维体积含量，减轻重量，降低成本 [99][101] - 真空灌注工艺生产复合材料部件，空隙率低，表面质量好，适合中等批量生产，但材料浪费较大，不适合大批量 [103][105] - 预浸料生产工艺分热熔法和溶剂法，热熔法树脂含量控制容易，无溶剂残留，但树脂粘度高易导致纤维变形，溶剂法成本低但溶剂残留影响强度 [93][95] 超高分子量聚乙烯性能与应用 - 超高分子量聚乙烯（UHMWPE）分子量高，耐磨性居塑料之首，比碳钢、黄铜更耐磨，摩擦系数低，抗冲击性能为工程塑料最高，比聚碳酸酯高3-5倍，拉伸强度3-3.5GPa，模量100-125GPa [106] - UHMWPE耐化学药品性优良，吸水率最低仅0.01%，耐低温性能好，使用温度可达-269℃，应用于人工关节、润滑材料、防护装备等领域 [106][107]