碳纖維復(fù)合材料是航空航天飛行器實(shí)現(xiàn)輕量化的關(guān)鍵材料

碳纖維是一種含碳量在90%以上的纖維結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、比強(qiáng)度大、比模量大等諸多特性，在同等重量下拉伸強(qiáng)度可達(dá)到鋼、鋁合金、鈦合金的9倍以上，彈性模量可以達(dá)到鋼、鋁合金、鈦合金的4倍以上。這些優(yōu)點(diǎn)使得碳纖維成為航空航天飛行器輕量化的理想選擇。通過將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于制造飛行器的機(jī)身結(jié)構(gòu)和內(nèi)部零部件，可以有效減輕機(jī)身重量，降低能耗，同時增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和安全性。將碳纖維復(fù)合材料用于打造eVTOL，能夠幫助機(jī)身整體重量減少30%-40%。

低空經(jīng)濟(jì)為碳纖維復(fù)合材料帶來新驅(qū)動

由于eVTOL、小無人機(jī)、部分輕型飛機(jī)是由電機(jī)驅(qū)動，因此對輕量化的要求更高。碳纖維復(fù)合材料在eVTOL的結(jié)構(gòu)、部件中占比遠(yuǎn)超傳統(tǒng)航空器。民機(jī)領(lǐng)域，波音787的結(jié)構(gòu)中有約50%是由復(fù)合材料制成。而據(jù)StratviewResearch數(shù)據(jù)，復(fù)合材料占eVTOL機(jī)身結(jié)構(gòu)使用的全部材料的占比高達(dá)70%以上。復(fù)合材料中90%以上使用碳纖維增強(qiáng)，大約10%采用玻璃纖維增強(qiáng)?？赏扑愕玫剑祭w維復(fù)合材料在eVTOL的材料中占到63%以上。eVTOL使用的復(fù)合材料中，約有75%-80%將應(yīng)用于結(jié)構(gòu)部件和推進(jìn)系統(tǒng)，有12%-14%在內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)用，如橫梁、座椅結(jié)構(gòu)等；剩余的8%-12%在電池系統(tǒng)、航空電子設(shè)備和其他小型應(yīng)用。

碳纖維復(fù)材在主流eVTOL機(jī)型上有大量應(yīng)用

當(dāng)前國內(nèi)eVTOL最主流的的三家廠商為億航智能、小鵬匯天、峰飛航空，這三家旗下設(shè)計參數(shù)較為公開的機(jī)型是億航智能的EH216-S、小鵬匯天的旅航者X2和峰飛航空的盛世龍。對于傳統(tǒng)商用客機(jī)，最大起飛重量=空機(jī)重量+燃料重量+最大載荷，由于eVTOL是純電驅(qū)動，因此，最大起飛重量=空機(jī)重量+最大載荷。我們可以由公布的最大起飛重量減去最大載荷得到空機(jī)重量。根據(jù)披露，旅航者X2的人均最大載荷=（560-360）/2=100公斤。又由中國恒瑞HRC公司披露，小鵬匯天X2機(jī)身部分由HRC獨(dú)家承制，其碳纖維部分重量僅為85KG。可計算得碳纖維復(fù)材的占比=85/360=23.6%。假設(shè)億航智能和峰飛航空的eVTOL使用碳纖維占比也為23.6%。

eVTOL將成為航空航天領(lǐng)域碳纖維的新增長極

據(jù)StratviewResearch預(yù)測，eVTOL行業(yè)對復(fù)合材料的需求將在未來六年內(nèi)大幅增長，預(yù)計將從2024年的約110萬磅（約500噸）激增至2030年的2590萬磅（約11750噸），增長幅度約22.5倍，年化增長率69%。而據(jù)賽奧碳纖維預(yù)測，航空航天碳纖維需求量將從2023年的22000噸增長到2030年的48635噸，年化增長率為12%，其中尚且未考慮今年政策加大支持力度將對eVTOL行業(yè)發(fā)展帶來的促進(jìn)作用，若參照上述兩個靜態(tài)預(yù)測計算，2030年，航空航天領(lǐng)域碳纖維需求中來自eVTOL的部分，占比為24.2%，若eVTOL在政策催化下加速落地，占比未來會更高，可以看出eVTOL將成為航空航天碳纖維需求量的重要來源。

碳纖維：輕量高強(qiáng)高模的“黑色黃金”

碳纖維復(fù)合材料：以基體分類，不同基體不同用途

碳纖維復(fù)合材料是指以樹脂、金屬、陶瓷和橡膠等材料為基體，以碳纖維為增強(qiáng)材料，經(jīng)過復(fù)合制成的結(jié)構(gòu)或功能材料。根據(jù)基體材料的不同，碳纖維復(fù)合材料可分為樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和橡膠基復(fù)合材料。樹脂基復(fù)合材料主要應(yīng)用于建筑、化學(xué)、交通、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域；金屬基復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空、航天、汽車和體育用品等領(lǐng)域；陶瓷基復(fù)合材料主要應(yīng)用于發(fā)動機(jī)高溫部件等領(lǐng)域；橡膠基復(fù)合材料主要應(yīng)用于管材、耐磨襯輪和特殊密封件等領(lǐng)域。

碳纖維分類：以拉伸強(qiáng)度和彈性模量分類

彈性模量指的是材料在拉伸時的彈性程度，其數(shù)值表示單位長度材料在 拉伸時所需的力與其橫截面積的比值（以 M 值表示）。拉伸彈性模量越 大，表明材料對拉伸的抵抗能力越強(qiáng)，即在外力作用下，材料的形狀不 易改變，能夠承受更大的拉伸力，因此抗拉性能越好。拉伸強(qiáng)度則是在拉伸試驗(yàn)中，樣品承受的最大拉伸應(yīng)力，通常以 MPa （T 值）表示，直至樣品發(fā)生斷裂為止。國內(nèi)碳纖維技術(shù)升級主要集中在更高強(qiáng)度（如 T1100 級別）和更高模量 （如 M55 級別）碳纖維制備工藝的研發(fā)和工程化應(yīng)用。

碳纖維分類：大絲束成本較低，小絲束性能更優(yōu)

碳纖維根據(jù)纖維數(shù)量的不同可分為小絲束和大絲束。小絲束碳纖維力學(xué)性能等指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到很高水平，制法工藝難、成本高。主要應(yīng)用于航天軍工等高科技領(lǐng)域以及體育用品中附加值較高的產(chǎn)品類別，如飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星、釣魚桿、高爾夫球桿和網(wǎng)球拍等。相反，大絲束碳纖維性能相對較低，但制備成本也較低，因此通常用于基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域，包括風(fēng)電葉片、建筑補(bǔ)強(qiáng)、汽車和儲氫瓶等。相對于小絲束，大絲束碳纖維的主要優(yōu)勢在于可以在相同的生產(chǎn)條件下大幅提高碳纖維的單線產(chǎn)能，進(jìn)而降低生產(chǎn)成本。其在復(fù)合材料制備中的鋪層效率也更高，生產(chǎn)成本降低約30%以上，這有助于克服碳纖維高價限制應(yīng)用領(lǐng)域的局限，為碳纖維復(fù)合材料的更廣泛應(yīng)用打下基礎(chǔ)。大絲束碳纖維作為原料成本降下來后，下游制作加工終端產(chǎn)品時，加工成本也就降下來了，盈利能力上去了，所以大絲束碳纖維上下游產(chǎn)業(yè)鏈的競爭優(yōu)勢就在于此。

碳纖維工藝流程：聚合 - 紡絲 - 預(yù)氧化＆碳化- 表面處理

碳纖維生產(chǎn)工藝流程長且復(fù)雜。碳纖維生產(chǎn)過程總體分為四步，原絲制備（包括聚合與紡絲）、預(yù)氧化、碳化/石墨化及表面處理/上漿。簡單來講，碳纖維的生產(chǎn)過程是將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后將原液紡絲成型制成原絲，制成的原絲為碳纖維的前驅(qū)體；原絲經(jīng)過氧化爐，在空氣氣氛下反應(yīng)得到預(yù)氧絲，預(yù)氧絲在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，分別經(jīng)過低溫碳化、高溫碳化得到碳絲；為了更好地制成碳纖維復(fù)合材料，此時還需經(jīng)過表面處理、上漿，最后烘干得到碳纖維。

原絲制備：聚合工段——一步法、兩步法各有優(yōu)勢

當(dāng)下碳纖維企業(yè)通常用一步法或兩步法來表明自己的技術(shù)路線。事實(shí)上一步法或兩步法是根據(jù)聚合反應(yīng)的連續(xù)性來區(qū)分，一步法是采用溶液聚合直接制備PAN紡絲原液；而兩步法工藝相對比較復(fù)雜，要先通過水相沉淀聚合得到PAN固體粉料，然后經(jīng)過粉碎、烘干等工序，最后利用有機(jī)溶劑溶解PAN粉末來生產(chǎn)紡絲原液。

原絲制備：紡絲工段——濕法和干噴濕法為主流

目前，商業(yè)級的碳纖維主要為PAN基碳纖維，原絲主要采用濕法和干噴濕紡工藝兩種技術(shù)制備，開展低成本原絲制備技術(shù)研究是行業(yè)正在攻克的重點(diǎn)方向。

碳絲生產(chǎn)：碳化/石墨化——去除非碳元素，形成碳纖維

碳化是在高純惰性氣體中對預(yù)氧絲進(jìn)行進(jìn)一步的熱處理，一般包括300～1000°C的低溫碳化和1000～1600°C的高溫碳化兩個階段。在這個過程中，預(yù)氧絲中的直鏈狀分子和環(huán)狀分子進(jìn)一步交聯(lián)、環(huán)化和縮聚，非碳元素（H、O、N）從穩(wěn)定的聚合物中裂構(gòu)出來，非碳元素含量減少，C含量不斷增加。預(yù)氧化形成的梯形結(jié)構(gòu)逐步向亂層石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，最終生成含碳量在90%以上的碳纖維，強(qiáng)度和模量大幅提高。要制備高模量的石墨纖維，則要在氬氣氣氛中對已經(jīng)碳化的碳纖維進(jìn)一步進(jìn)行超高溫石墨化處理，約在2600-3000℃。

碳化爐——核心在于溫度梯度控制

低溫碳化爐的爐溫一般設(shè)計在300～800 °C 。在這溫區(qū)預(yù)氧絲結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈變化，約有30%～40%的質(zhì)量（相對于預(yù)氧絲）要熱解逸走，是結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵階段。700 °C左右是碳化轉(zhuǎn)化的敏感溫度。低溫碳化爐的設(shè)計重點(diǎn)在于溫度梯度、非接觸迷宮密封裝置（與碳化爐配套使用，碳化爐中對惰性氣體純度的要求非常嚴(yán)格，密封效果直接影響到碳纖維的質(zhì)量）、廢氣排出口及處理裝置（低溫碳化過程中產(chǎn)生大量廢氣及焦油）、牽伸機(jī)構(gòu)（由于在低溫碳化區(qū)，纖維質(zhì)量大量熱解而是的原有的取向發(fā)生解取向，導(dǎo)致纖維力學(xué)性能降低，為了抑制熱解而產(chǎn)生的亂向，需要靠牽伸機(jī)組實(shí)施正牽伸）。高溫碳化爐的溫度一般在1000～1600 °C，多用石墨發(fā)熱體作為熱源，用低電壓大電流變壓器實(shí)施調(diào)控。對于高強(qiáng)級碳纖維生產(chǎn)線，不能采用窄口碳化爐，一般采用寬口在1 m以上，以實(shí)現(xiàn)不收幅、不擴(kuò)幅的大通道生產(chǎn)方式。

碳纖維原絲低成本化——大絲束方案帶動性價比提升

目前，降低PAN基碳纖維成本的有效方法之一是發(fā)展大絲 束碳纖維。在相同生產(chǎn)條件、相同時間內(nèi)，采用大絲束 （48K及以上）的PAN原絲生產(chǎn)碳纖維，可大幅提高PAN 基碳纖維的產(chǎn)量，從而大幅降低其生產(chǎn)成本。大絲束碳纖 維與小絲束碳纖維相比，具有更高的性價比，是未來碳纖 維發(fā)展的重要方向。以美國Zoltek公司生產(chǎn)的PANEX33- 0048型大絲束碳纖維和日本東麗公司生產(chǎn)的T300-12000 型小絲束碳纖維為例，對其性能價格進(jìn)行對比，用來說明 使用低成本的大絲束民用PAN纖維作為碳纖維原絲的可行 性。大絲束碳纖維的優(yōu)勢在于性價比。兩種碳纖維 的各項(xiàng)性能指標(biāo)相差無幾，如拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、密度、 比強(qiáng)度和比模量等。但是PANEX33-0048（48K）每公斤 的價格只有T300-12K的一半。從制備難度來看，小絲束到大絲束技術(shù)難度逐步遞增， 48K或以上的大絲束甚至巨絲束，無論是聚合紡絲，還是 氧化碳化，主要由于高通量導(dǎo)致很多復(fù)雜的技術(shù)與工程問 題。企業(yè)選擇大絲束品種重要的目標(biāo)是追求低成本和大規(guī) 模工業(yè)應(yīng)用。

碳纖維下游應(yīng)用廣闊，國產(chǎn)替代空間巨大

2023年碳纖維全球市場增長放緩，航空航天重回龍頭應(yīng)用

2023年，不同于往年的全球10%的增長規(guī)律，碳纖維全球需求為11.5萬噸，對比2022年的13.5萬噸同比降低了14.8%。

需求結(jié)構(gòu)中，最大的變化是22年占比排第一的風(fēng)電葉片由25.7%下滑到17.4%，下滑為第二大應(yīng)用，絕對值由34.7千噸下滑至20.0千噸，同比下降42.4%。體育休閑用品由第二應(yīng)用下滑為第三，絕對值由24千噸下滑至18.80千噸，同比下降21.7%。航空航天軍工則重回龍頭應(yīng)用，占比為19.1%，絕對值同比增加9.5%。

風(fēng)電葉片領(lǐng)域需求量的下滑系風(fēng)電裝機(jī)量的放緩以及出于成本考慮碳纖維復(fù)材的應(yīng)用不及預(yù)期。

體育休閑市場近幾年呈現(xiàn)了過山車一樣的變化：歷史上，該市場是平穩(wěn)增長的規(guī)律，疫情開始，出現(xiàn)了大幅上漲，比如，2022年對比2021年的增幅達(dá)到29.7%， 除了疫情刺激大眾的消費(fèi)，更多原因是疫情導(dǎo)致的國家海運(yùn)市場紊亂等因素，導(dǎo)致西方分銷商大量庫存，2023年全球逐步恢復(fù)到正常狀態(tài)，大量的庫存使得銷售狂降，對比2022年，2023年的體育休閑降低了21.7%。

航空航天軍工作為碳纖維曾經(jīng)的第一大應(yīng)用領(lǐng)域，未受外部環(huán)境影響，保持穩(wěn)定增長。預(yù)計隨著低空經(jīng)濟(jì)、國產(chǎn)航空飛機(jī)、全球商用航天及宇航探索活動的繁榮發(fā)展，有望增長加速。若風(fēng)電葉片的需求情況沒有好轉(zhuǎn)，有望維持第一大應(yīng)用地位。

短期供大于求，期待成本進(jìn)一步下降打開需求空間

2023年，國內(nèi)運(yùn)行產(chǎn)能達(dá)到14.1萬噸，同比2022年的11.2萬噸增長了25.7%，是當(dāng)年總需求6.9萬噸的接近兩倍。其中，新增產(chǎn)能的貢獻(xiàn)者為：中復(fù)神鷹增長14,000噸，吉林化纖集團(tuán)增長7,000噸，曉星中國新增2,500噸，中簡科技增長了1,500噸，等等。

產(chǎn)能持續(xù)提升，需求階段放緩，短期供大于求。國內(nèi)碳纖維廠商或需放緩產(chǎn)能建設(shè)，避免過快擴(kuò)張。但產(chǎn)能的提升有望進(jìn)一步加強(qiáng)規(guī)模效應(yīng)，碳纖維成本、價格的不斷下降有望打開許多新的下游市場，如汽車、軌道交通、深海油田、各種拉索、各類高速旋轉(zhuǎn)件、高速往復(fù)零件等。同為輕質(zhì)化材料，玻璃纖維每年的市場容量為1000萬噸，鋁合金的市場容量為7000多萬噸，木材的用量數(shù)億噸，塑料用量也是數(shù)億噸。如此紛繁復(fù)雜的產(chǎn)業(yè)體系中，有很多可以采用碳纖維復(fù)合材料的領(lǐng)域。