碳纖維是高性能纖維的典型代表，具有密度低、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞以及良好的阻尼、減震、降噪等特點，特別突出的是具有高比強度和高比模量兩大特性。作為軍民兩用的高技術(shù)材料， 碳纖維已廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍事等尖端領(lǐng)域以及體育休閑用品、醫(yī)療器械、建筑、海洋工程、軌道交通、風(fēng)力發(fā)電、壓力容器等民用行業(yè)，對國民經(jīng)濟發(fā)展和國防現(xiàn)代化建設(shè)具有關(guān)鍵性和決定性的作用。按原材料類型分類，主要分為聚丙烯腈基（PAN基）碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。PAN基碳纖維因成品品質(zhì)優(yōu)異、工藝簡單及力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)勢，成為碳纖維主流，產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上，因此，目前提到碳纖維一般指PAN基碳纖維。除此之外，其按力學(xué)性能分類，碳纖維可分為高強型、高強中模型、高模型、高強高模型；按絲束規(guī)格分類，又可分為大絲束碳纖維和小絲束碳纖維。
從全球碳纖維的應(yīng)用端來看，碳纖維廣泛應(yīng)用于航空航天、海洋工程、新能源裝備、工程機械、交通設(shè)施等領(lǐng)域，總量一半以上應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域，是一種應(yīng)用前景十分廣闊的戰(zhàn)略性新材料。其中，風(fēng)電葉片領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域、體育休閑領(lǐng)域、汽車工業(yè)領(lǐng)域總計占比約70%。下面就一些重點應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行展開講解。聚丙烯腈基碳纖維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用
基于碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)輕量化中無可替代的材料性能，在航空中得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，從1969年起美國戰(zhàn)機碳纖維的使用量比重開始持續(xù)增加達(dá)到36%，美國B2隱身戰(zhàn)略機上碳纖維復(fù)合材料占比超過了50%。目前國外先進(jìn)導(dǎo)彈武器結(jié)構(gòu)已經(jīng)實現(xiàn)全面復(fù)合材料化，而我國導(dǎo)彈復(fù)合材料應(yīng)用比例還有較大提升空間。一般來說，標(biāo)準(zhǔn)模量通用型T300級碳纖維主要應(yīng)用導(dǎo)彈主次承力結(jié)構(gòu)件和防隔熱部件。高強中模T800級和高模碳纖維主要用于飛行器和導(dǎo)彈等主承力結(jié)構(gòu)件，而高強高模碳纖維主要應(yīng)用于衛(wèi)星承力結(jié)構(gòu)件。隨著近年民用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，民用飛機對于 碳纖維復(fù)合材料的使用量也逐步上升，如 B787和A350等，以及我國商飛的C919等。航空主要使用3K、6K、12K碳纖維。預(yù)計2020-2023年需求量不變；到2025年需求量將達(dá)到2.63萬噸，貢獻(xiàn)全球增量的10.6%（以2020年為基準(zhǔn)）。航空航天市場中的民用航空市 場，至少需要3年才可能恢復(fù)到2019年的應(yīng)用數(shù)量。當(dāng)疫情得到進(jìn)一步控制，市場復(fù)蘇加上單通道飛機廣泛采用碳纖維對市場的激增作用，航 空航天市場依然將會是碳纖維應(yīng)用中舉足輕重的一環(huán)。C919
聚丙烯腈基碳纖維在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用
工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),包括應(yīng)用于:汽車的車身材料、汽車頂及前后保險杠、發(fā)動機機罩、傳動軸、剎車片、輪轂等；在建筑業(yè)，大絲束碳纖維應(yīng)用于增強水泥和修補加固建筑工程；在生物醫(yī)療方面，由于其優(yōu)良的生物相容性和力學(xué)相容性被應(yīng)用于人工假肢或骨材，并有望于應(yīng)用于人體其他部位；在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中，碳纖維增強塑料應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機葉片部位正逐漸大受歡迎;在電力工業(yè)中，應(yīng)用于輸電導(dǎo)線的芯材;在油田工業(yè)中，應(yīng)用于抽油桿。其中風(fēng)電領(lǐng)域：預(yù)計到2023年、2025年全球碳纖維需求將增長至15萬噸、20萬噸，增長主要受風(fēng)電葉片領(lǐng)域需求驅(qū)動。風(fēng)電葉片領(lǐng)域2023年、2025年對碳纖維的需求量或?qū)⑦_(dá)到6萬噸、9.3萬噸，對應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的68.2%、67.4%（以2020年為基準(zhǔn)）。碳中和背景下，能源結(jié)構(gòu)型調(diào)整勢在必行，利好風(fēng)電領(lǐng)域。中國明確提出了“碳中和碳達(dá)峰”的目標(biāo)，美國將重新加入“巴黎氣候協(xié)定”，并制定“2035 無碳發(fā)電，2050 讓美國實現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，歐盟則提出了2050年實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。政策驅(qū)動下，預(yù)計未來5年中國及全球風(fēng)電新增項目容量將持續(xù)增長，中國新增容量將增長至66GW，全球增長至119GW。風(fēng)機大型化趨勢，疊加Vesta專利到期影響，將拉動大絲束碳纖維需求增長。大絲束碳纖維性能優(yōu)越，可以使得葉片減重30%，因此超過3MW的風(fēng)機和超過50米的風(fēng)電葉片需要運用到大絲束碳纖維。同時Vestas將碳纖維風(fēng)電葉片制作低成本化，隨著專利即將到期，國內(nèi)風(fēng)電廠將積極開發(fā)此類風(fēng)電葉片，大絲束碳纖維需求將快速增長。Vestas碳纖維風(fēng)電葉片
聚丙烯腈基碳纖維在儲氫領(lǐng)域的應(yīng)用
壓力容器領(lǐng)域2023年、2025年對碳纖維的需求量或?qū)⑦_(dá)到1.5萬噸、2.19萬噸，對應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的14.37%、14.06%（以2020年為基準(zhǔn)）。碳纖維纏繞復(fù)合材料儲氫氣瓶，是利用碳纖維絲束浸在環(huán)氧樹脂后，與鋁合金或 者高分子內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，再將其固化成型脫模，從而具有質(zhì)量輕，耐疲勞，抗高低溫沖擊，穩(wěn)定性好等特點。同時較三型瓶，四型瓶碳纖維雖用量提升，但總成本下降。在同等工作壓力狀態(tài)下，四型瓶成本較三型瓶低7%-11%，因此儲氫瓶大絲束碳纖維的需求量將實現(xiàn)快速增長。在天然氣汽車（NGV）和燃料電池汽車（FCV）中，Ⅳ型高壓儲氣瓶可以有效降低重量，還可以儲存更多燃料，有效提升汽車?yán)m(xù)航里程，經(jīng)濟性明顯，未來幾年天然氣汽車和燃料電池汽車將會是Ⅲ型、Ⅳ型高壓儲氫瓶的主要應(yīng)用方向。碳纖維儲氫瓶
聚丙烯腈基碳纖維在體育領(lǐng)域的應(yīng)用
碳纖維在體育休閑市場中，主要使用于高爾夫球桿、曲棍球棍、網(wǎng)球拍、釣魚竿、自行車架、滑雪板、賽艇等高端體育休閑市場。該塊應(yīng)用主要基于碳纖維的輕質(zhì)、高強度、高模量、耐腐蝕等特點。例如碳纖維復(fù)合材料制作的高爾夫球桿比金屬桿減重近50%，碳纖維自 行車較鋁材減重40%且實現(xiàn)更高的車架精度。釣魚竿、球拍、滑雪板、高爾夫球桿等體育用品的碳纖維多使用大絲束碳纖維（≥24K）。在亞洲，用于制造運動休閑產(chǎn)品的碳纖維比世界上任何其他地區(qū)都多。在亞洲，特別是在中國，碳纖維越來越多地用于制造管狀復(fù)合材料物體，如高爾夫俱樂部和網(wǎng)球拍，其他體育用品包括釣魚桿、箭頭、滑雪裝備、賽車、自行車架、球拍、棒球棒和運動墻。體育休閑領(lǐng)域碳纖維需求：預(yù)計2023年、2025年對碳纖維的需求量將達(dá)到約1.8萬噸、2.0萬噸，對應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的6.0%、4.6% （以2020年為基準(zhǔn)）。疫情之下，群體運動的碳纖維器材，如曲棍（冰）球桿、滑雪桿等，有較大幅度的下滑；而個人運動休閑的器材反而上升，主要有高爾夫球桿，自行車及釣魚竿。另外，歐美這些年一直流行健康、綠色出行，對電動自行車也有較大的需求增長。碳纖維高爾夫球桿
聚丙烯腈基碳纖維在樂器領(lǐng)域中的應(yīng)用
傳統(tǒng)木質(zhì)小提琴一般都需要在恒溫恒濕的條件下保存，并且溫度和濕度不能太高，即使是這樣木質(zhì)小提琴在空氣中受水分及微生物等的作用會發(fā)生破裂及腐蝕，其聲學(xué)品質(zhì)隨時間延長下降嚴(yán)重。而碳纖維小提琴就可以避免木質(zhì)小提琴的這些缺點，主要是由于碳纖維復(fù)合材料具有耐高溫、耐腐蝕、防潮、尺寸穩(wěn)定及抗微生物等特點，假如用碳纖維制作，小提琴音色在較長時間內(nèi)仍能保持很好的原始特點。共鳴音板是鋼琴的重要部件，起到對琴弦振動聲音的共振、美化與輻射作用傳統(tǒng)的鋼琴實木音板主要有實木音板及三層實木復(fù)合音板，前者選材極其苛刻，如對木材所含的天然缺陷數(shù)目、木材間的紋理色差、木材的生長輪寬度與變異系數(shù)等有極高的要求，且穩(wěn)定性差；后者降低了選材的要求，尺寸穩(wěn)定性有所提高，但仍存在出材率低，整塊音板振動均勻性差等缺點。目前，采用碳纖維復(fù)合材料的音板具有很好的振動傳導(dǎo)性及力學(xué)性能，尺寸穩(wěn)定性以發(fā)音效果穩(wěn)定，音板各個方向的振動傳播均勻，成本有所降低。
碳纖維小提琴
市場現(xiàn)狀
目前全球碳纖維市場：300億元規(guī)模，11%復(fù)合增速，是一個長期成長賽道。2022年全球碳纖維市場規(guī)模44億美元（約合人民幣300億元），2014-2022年CAGR 約11%；需求量13.5萬噸，2008-2022年CAGR約10%，應(yīng)用領(lǐng)域的持續(xù)拓寬帶動市場穩(wěn)定擴容。2022全球碳纖維需求-應(yīng)用（百萬美元）碳纖維的需求特點：降本和創(chuàng)新供給驅(qū)動需求持續(xù)成長?？v觀碳纖維的需求成長歷史：①一方面源自降本驅(qū)動，碳纖維價格由1970年約260美元/kg持續(xù)下降至2010年代15-30美元/kg，從而適用更多領(lǐng)域。②另一方面源自創(chuàng)新供給驅(qū)動，碳纖維產(chǎn)品的創(chuàng)新性、定制性強，在相關(guān)應(yīng)用得以被研發(fā)、驗證、生產(chǎn)前往往沒有相應(yīng)的需求，也因此碳纖維的需求快速增長往往伴隨著產(chǎn)能的快速增長，而產(chǎn)能的增長又與研發(fā)的推進(jìn)情況較同步。國內(nèi)外市場對比—總量：中國大陸需求量占全球55%，近年增速中樞26%高于海外。2017-2022年中國大陸的需求量占全球的比例從28%提升至55%。2018-2022年中國大陸碳纖維需求量增速中樞達(dá)到26%，處于快速滲透期，而海外發(fā)達(dá)國家市場自1960年代發(fā)展至今，需求量增長相對更為穩(wěn)定。行業(yè)專家預(yù)計，到2030年，航空航天市場：8-10萬噸；風(fēng)電：19-20萬噸；氫氣瓶及CNG氣瓶：18萬噸；汽車+軌道交通：9-10萬噸，功能材料：5-6萬噸?？梢灶A(yù)期，未來10年，從商業(yè)上，碳纖維的應(yīng)用主驅(qū)動是工業(yè)，輔驅(qū)動是航空航天；從技術(shù)發(fā)展上，碳纖維依然是航空航天及工業(yè)的雙驅(qū)動模式。國家政策
“十二五”規(guī)劃提出重點圍繞聚丙烯氰基碳纖維技術(shù)開展技術(shù)提升;“十三五”規(guī)劃時期將高性能碳纖維列入高端材料;“十四五”規(guī)劃提出要加強碳纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料的研發(fā)應(yīng)用，為未來碳纖維行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步提供了良好的政策環(huán)境。根據(jù)《化纖工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導(dǎo)意見》，“十四五”時期，提高碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、聚酰亞胺纖維、聚苯硫醚纖維、聚四氟乙烯纖維、連續(xù)玄武巖纖維的生產(chǎn)與應(yīng)用水平，提升高性能纖維質(zhì)量一致性和批次穩(wěn)定性。進(jìn)一步擴大高性能纖維在航空航天、風(fēng)力和光伏發(fā)電、海洋工程、環(huán)境保護(hù)、安全防護(hù)、土工建筑、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用。具體碳纖維復(fù)合材料行業(yè)規(guī)劃圍繞碳纖維復(fù)合材料以及高性能纖維創(chuàng)新平臺展開。未來展望
經(jīng)過多年的奮力攻關(guān)，國內(nèi)PAN基碳纖維取得了長足的進(jìn)步，面對國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，碳纖維產(chǎn)業(yè)必將進(jìn)入前所未有的新的發(fā)展階段，勢必在“碳達(dá)峰、碳中和”行動方案中大有可為。在新形勢下要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，還要做到：
