碳纖維(Carbon Fiber，簡(jiǎn)稱(chēng)CF)是由聚丙烯腈(PAN)(或?yàn)r青、粘膠)等有機(jī)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(wú)機(jī)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是以碳元素為主的一種纖維材料，專(zhuān)業(yè)一點(diǎn)說(shuō)，它是一種含碳量在90%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維，其耐高溫能力居所有化纖之首，能抵抗高達(dá)3500攝氏度的高溫，可經(jīng)受酸堿常年的腐蝕碳纖維的強(qiáng)度是鋼的5倍，其密度，重量不到鋼的一半，被譽(yù)為21世紀(jì)的新材料之王，享有“黑色黃金”的美譽(yù)。
碳纖維具有出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性。密度比鋁低強(qiáng)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(qiáng)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(dòng)衰減性高、電及熱導(dǎo)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(yīng)等特點(diǎn)，是發(fā)展國(guó)防軍工與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略物資，碳纖維最早的應(yīng)用來(lái)自航空航天的需求，在運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈防熱燒蝕等部件、航空結(jié)構(gòu)件中，幾乎離不開(kāi)碳纖維。
碳纖維生產(chǎn)流程復(fù)雜，對(duì)設(shè)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(guò)高溫氧化碳化、表面處理等多個(gè)復(fù)雜步驟而制造出來(lái)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(jià)格昂貴、成品缺陷多等缺點(diǎn)。以航空航天碳纖維舉例來(lái)看，上個(gè)世紀(jì)，碳纖維每公斤花費(fèi)就高達(dá)135美元（約合人民幣874.9元），其中還有三成多會(huì)在制作過(guò)程中報(bào)廢，實(shí)際算下來(lái)，成本接近200美元（約合人民幣1296.18元，當(dāng)年的美元匯率）。
風(fēng)電已成為碳纖維第一大應(yīng)用領(lǐng)域：2020年全球用量超過(guò)3萬(wàn)噸
從下游應(yīng)用的行業(yè)分布來(lái)看，風(fēng)電葉片、航空航天(含軍用領(lǐng)域)和體育休閑約占據(jù)總市場(chǎng)需求量的60%。2016年，風(fēng)電葉片以1.8萬(wàn)噸的需求量取代航空航天成為全球碳纖維市場(chǎng)需求最大的領(lǐng)域，增速高達(dá)50.0%；2020年，全球碳纖維的需求約10.69萬(wàn)噸，全球風(fēng)電葉片碳纖維用量3.06萬(wàn)噸，對(duì)比2016年，復(fù)合增長(zhǎng)率34%。根據(jù)行業(yè)的數(shù)據(jù)估計(jì)，風(fēng)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(zhǎng)至2020年的28.64%。
中國(guó)是全球碳纖維最大的增量市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)的碳纖維需求量約為4.89萬(wàn)噸，根據(jù)行業(yè)預(yù)測(cè)，2020-2030年的年均需求增速不低于20%，而未來(lái)的最大應(yīng)用依舊在風(fēng)電領(lǐng)域。
當(dāng)風(fēng)機(jī)變大后，全玻璃鋼葉片已無(wú)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(dāng)前的碳纖維價(jià)格形勢(shì)下，可減重葉片的重量10-12噸/套，增加成本10-15%，但從整機(jī)及塔筒和基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)的重量下降后，降低了風(fēng)機(jī)的建安難度。
在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下，碳纖維比玻璃鋼葉片質(zhì)量輕30%以上。當(dāng)前風(fēng)電葉片80m以上的葉片，葉片重量超過(guò)20噸（高的重量達(dá)到25噸），90m的葉片超過(guò)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(duì)整個(gè)風(fēng)機(jī)的效能提升和建設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域價(jià)值量也不一樣。根據(jù)《從國(guó)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(jià)在風(fēng)電領(lǐng)域最低，僅為80元/千克，但是在國(guó)防軍空、航天中的單價(jià)最高達(dá)到了10000元/千克，在民用航空領(lǐng)域也最高也達(dá)到了1500元/千克，可見(jiàn)在軍工、航空航天領(lǐng)域的價(jià)值量還是比較高的。
風(fēng)電大型化的必然需求：未來(lái)十年碳纖維需求急劇增加
談到碳纖維在風(fēng)電的應(yīng)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(fēng)機(jī)制造商，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了碳纖維在風(fēng)機(jī)葉片的規(guī)?；瘧?yīng)用，其他國(guó)際巨頭，西門(mén)子-歌美颯、GE-LM、Nordex等均在新的機(jī)型中采用了碳纖維拉擠板制造與測(cè)試樣機(jī)。
國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)還沒(méi)有形成碳纖維葉片的規(guī)模化量產(chǎn)，更多處于樣機(jī)驗(yàn)證階段?；臼侨N工藝并行:預(yù)浸料鋪貼、多軸織物灌注、拉擠板，相對(duì)而言，拉擠板工藝優(yōu)勢(shì)明顯。
根據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，到2025年，全球的碳纖維需求年用量高達(dá)9.34萬(wàn)噸，與2020年的3.06萬(wàn)噸相比，這個(gè)數(shù)量已經(jīng)增長(zhǎng)3倍，實(shí)際上，從中國(guó)風(fēng)電的發(fā)展來(lái)看，中國(guó)將要占到全球碳纖維用量的50%以上。
面對(duì)如此大的碳纖維需求市場(chǎng)，中國(guó)的碳纖維制造企業(yè)能滿足嗎？
風(fēng)電用碳纖維：中國(guó)碳纖維企業(yè)還不具備供應(yīng)能力
全球的碳纖維企業(yè)主要集中在日本，美國(guó)和德國(guó)，包括東麗、東邦、三菱麗陽(yáng)，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(guó)的航空航天碳纖維基本受制于這幾家企業(yè)。為此，我國(guó)的航空航天企業(yè)早期在碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面也是吃盡苦頭，需要指出，此外臺(tái)灣的臺(tái)塑也是龍頭企業(yè)之一。
整體來(lái)看，全球碳纖維的市場(chǎng)格局以美企和日企為主，這些國(guó)家壟斷著碳纖維領(lǐng)域的核心技術(shù)，并在高性能小絲束碳纖維技術(shù)上對(duì)中國(guó)實(shí)施了技術(shù)的封鎖和產(chǎn)品的禁運(yùn)。相較美日而言，我國(guó)的碳纖維行業(yè)起步晚，由于相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備不足、知識(shí)產(chǎn)權(quán)歸屬等問(wèn)題，早期在高性能碳纖維產(chǎn)品上幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口。
上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的化工企業(yè)也開(kāi)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(fù)神鷹、吉林化纖、光威復(fù)材、中簡(jiǎn)科技等，直到9月8日，中國(guó)建材旗下的中復(fù)神鷹在寧夏西寧的碳纖維基地宣布年產(chǎn)萬(wàn)噸碳纖維正式投產(chǎn)，這也是已經(jīng)為止國(guó)內(nèi)唯一一個(gè)產(chǎn)能過(guò)萬(wàn)噸的碳纖維生產(chǎn)基地，要知道這個(gè)項(xiàng)目投資超過(guò)20億元。早期從事碳纖維的包括吉林碳素、揚(yáng)子化工等都基本還是在千噸級(jí)的產(chǎn)線規(guī)模，并不能真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的批產(chǎn)。
50-60GW/年的年均新增規(guī)模：未來(lái)中國(guó)風(fēng)電碳纖維年均需求超過(guò)5萬(wàn)噸
根據(jù)《2020年全球碳纖維復(fù)合材料市場(chǎng)報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2020年全球小絲束碳纖維市場(chǎng)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(chǎng)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(xiāo)量為9900噸，占到中國(guó)進(jìn)口量的32.57%，這還僅僅是8個(gè)月的銷(xiāo)量。在大絲束市場(chǎng)，主要的市場(chǎng)份額被美國(guó)的Hexcel、德國(guó)的SGL以及日本的三菱占據(jù)著，中國(guó)的大絲束生產(chǎn)企業(yè)藍(lán)星也占據(jù)著少部分市場(chǎng)份額排在第四的位置。
這里我們要看到一個(gè)事實(shí)，由于風(fēng)電碳纖維的價(jià)格用量大，要求價(jià)格必須很低。
從目前的價(jià)格看，48-50K的大絲束碳纖維價(jià)格在120-150元/kg，距離平價(jià)風(fēng)電葉片的價(jià)格需求還需要攔腰斬，目標(biāo)價(jià)格大致在60-80元/kg，而問(wèn)題在于中國(guó)國(guó)產(chǎn)碳纖維大多數(shù)還用于航空航天，航空航天級(jí)別的碳纖維用量雖然少，但是利潤(rùn)高，價(jià)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(fēng)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(cè)算，按5MW的單機(jī)容量設(shè)計(jì)，葉片數(shù)量在36000只，都采用碳纖維的需求將要達(dá)到12萬(wàn)噸，如果未來(lái)50%的葉片采用碳纖維（超大葉片），最少年需求量5-6萬(wàn)噸，按照12萬(wàn)元/噸，這個(gè)行業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模容量將超過(guò)60億元/年。在按中國(guó)市場(chǎng)占有率50%的比例，全球風(fēng)電需求的碳纖維平均超過(guò)10萬(wàn)噸/年，實(shí)際行業(yè)預(yù)測(cè)到2025年，風(fēng)電碳纖維的需求將達(dá)到9.34萬(wàn)噸。
面對(duì)巨大市場(chǎng)需求：中國(guó)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(shí)與石油價(jià)格接軌，從目前的成本來(lái)看，要實(shí)現(xiàn)60-80元/kg的碳纖維目標(biāo)難度極大，而目前國(guó)內(nèi)的碳纖維企業(yè)都基本定位在航空航天及部分高強(qiáng)高模的高附加值的碳纖維產(chǎn)品上，對(duì)風(fēng)電用的大絲束碳纖維尚未解決技術(shù)難題。
風(fēng)電葉片的碳纖維應(yīng)用是技術(shù)趨勢(shì)，這是大勢(shì)所趨，我們要順勢(shì)而為。碳纖維產(chǎn)業(yè)是個(gè)重資產(chǎn)產(chǎn)業(yè)，原材料價(jià)格風(fēng)險(xiǎn)極高，按當(dāng)前的石油價(jià)格在70美元/桶測(cè)算，可以實(shí)現(xiàn)30%以上毛利率，這個(gè)產(chǎn)業(yè)絕對(duì)是個(gè)具有技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)，當(dāng)然，也不是誰(shuí)都可以玩的產(chǎn)業(yè)。
期待中國(guó)的風(fēng)電葉片早日用上中國(guó)的碳纖維！
評(píng)論