碳纖維憑借其優異的物理和化學性能，被稱為“新材料之王”。碳纖維（Carbon Fiber，CF）是一種絲狀碳素材料，由有機纖維經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料，直徑5-10微米，含碳量高于95%的無機高分子纖維。具有出色的力學性能和化學穩定性，密度比鋁低，強度比鋼高，是目前已大量生產的高性能纖維中具有最高的比強度和最高的比模量的纖維，并具有低密度、耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦、抗疲勞、電及熱導性高、熱及濕膨脹系數低等特點，是發展國防軍工與國民經濟的重要戰略物資。碳纖維有諸多分類標準，通常按照原絲類型、力學性能、絲束大小這三種維度進行分類。按照原材料不同，碳纖維主要可以分為聚丙烯腈基(PAN-CF)、瀝青基碳纖維(Pitch-CF)、粘膠基(Rayon-CF)等，市場占比分別為90%，4%和1%。目前市面上的碳纖維一般指PAN基碳纖維。按照力學性能將碳纖維分為通用型和高性能型，其中，高性能型又可以細分為高強型、高模量型、超高強型以及超高膜型。業內通常采用日本東麗(TORAY)公司制定的標準進行分類。按照絲束大小分成小絲束和大絲束。單束纖維數量通常在48K以上的是大絲束碳纖維（1K意味著1束碳纖維含有1000根絲），因為性能及制備成本相對較低，也被稱為工業級碳纖維，包括48K、50K、60K、80K等，主要應用于紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等領域；小絲束碳纖維工藝要求嚴格，綜合性能更為優異，但生產成本較高，也被稱為宇航級碳纖維，一般包括1K、3K、6K、12K和24K等產品，主要應用領域包括國防工業、高技術以及體育休閑用品，如飛機、衛星、高爾夫球桿等。
碳纖維屬于技術密集型、資金密集型產業，具有產業鏈長、工藝技術復雜、研發周期長、資金投入量大、行業技術性強等特點，行業進入壁壘高。整體看，全球碳纖維市場屬于寡頭壟斷市場，全球碳纖維行業的產能CR3和CR5分別為44%和58%，日本、美國研發較早，工藝技術完備，占據全球碳纖維市場主要份額。根據中國化學纖維工業協會數據，在小絲束碳纖維市場上，日本企業所占有的市場份額占到全球產能的49%；在大絲束碳纖維市場上，美國企業所擁有市場份額占到全球產能的89%，處于明顯的主導地位。日本東麗公司是全球第一大碳纖維制造商，引領并固化了全球碳纖維產品市場格局與系列化開發路徑，其5.8萬噸運行產能在全球遙遙領先，其余碳纖維頭部企業多數運行產能在1-2萬噸。（運行產能指企業全部資產和人力運轉條件下的生產能力，可以反映企業的生產規模）。中國正日益成為全球碳纖維最主要的需求市場，增速遠高于全球水平，需求量占全球比重提升至46%。2021年，中國碳纖維理論產能首次超過美國，成為全球最大產能國，從國內各家碳纖維企業公布的擴產情況看，中國將在產能上較長期保持第一的地位。盡管中國產能大，但進口量仍然巨大，說明國內產能與國外巨頭相比仍有較大差距，無論在性能、質量水平及成本水平上，進口碳纖維依然有強大的優勢。未來中國碳纖維產業仍需努力形成具有國際競爭優勢的產能。
日本和美國等發達國家已在長達半個世紀的探索中形成了多條技術路線支撐的不同系列碳纖維產品，壟斷了全球市場。美國于2006年啟動了先進結構纖維項目，并于2016年成立了雷蒙德公司，致力于低成本新型碳纖維生產。歐盟于2011年啟動了EUCARBON項目，并建成了歐洲首個面向航天應用的高端碳纖維生產線。日本近年來實施的“未來開拓研究計劃”針對碳纖維的基礎研究與生產開發相結合的目標，推出了由高校和企業共同參與的新結構材料技術開發項目。而韓國則著力扶持發展本國龍頭企業曉星公司，打造碳纖維產業聚集地。目前，國外6家歐美日傳統老牌和2家新興企業是該行業的主要頭部公司。6家傳統老牌企業指的是日本的東麗、帝人、三菱、歐美的美國赫氏、美國氰特（比利時索爾維收購）、德國西格里。2家新興企業指韓國曉星、土耳其陶氏阿克薩。從全球供給格局看，國外占57%，主要是日系三大家+歐美三大家。2022年，全球碳纖維運行產能為25.9萬噸。其中，日系三大家占全球的33%（東麗22%、帝人6%、三菱6%），歐美系三大家占全球的14%（赫氏6%、西格里5%、氰特3%）。
分析國外碳纖維老牌六大家的基本情況，總結有以下三個特點。
一是布局產業鏈的方式主要有自上而下和自下而上兩類，一類是原本做化纖、腈綸工業或碳基材料的企業，沿產業鏈由上而下研發生產碳纖維和下游產品（東麗、帝人、三菱、西格里）；另一類是原本做碳纖維相關復合材料的企業，通過收購老牌碳纖維廠商，自下而上布局了全產業鏈（赫氏、氰特）。
二是海外龍頭在航空和軍工布局較多。由于海外碳纖維的主流應用起于航空，多數海外龍頭來自航空的收入占比較大。且受益于美國軍工發展的強大，赫氏、氰特兩家美國企業對國防的供應也較多。
三是發展碳纖維中下游產品能夠打開收入成長空間，成為一些老牌碳纖維企業未來的擴張重點，如在帝人的規劃中，其航空領域碳纖維業務的未來收入增長驅動主要來自織物、預浸料等下游中間品的規模擴張。此外，由于碳纖維造價高，具有回收利用的價值，增加復合材料的循環利用是促進復合材料產業可持續發展的關鍵一環。日本、英國、德國等國均已致力于研究碳纖維復合材料的回收利用，目前已成立專門的碳纖維回收公司。
從上個世紀六十年代到2020年，在碳纖維行業，中國一直屬于跟跑者。在《瓦森納協定》中，高等級碳纖維及其制造設備在歐美對華禁運名單之列。近年來，國家及地方政府出臺了一系列關于碳纖維及碳纖維復合材料的產業支持政策，包括十四五規劃與國務院頒布的《中國制造2025》都提出加強碳纖維復合材料的研發，實現原材料的自主可控。在外部與內部因素雙重利好加持下，碳纖維材料國產替代的趨勢開始顯現。推動了碳纖維行業蓬勃發展，持續引導并進一步提升碳纖維材料重點品種的關鍵生產和應用技術，促進碳纖維及其復合材料的開發，提升行業產業化水平，推進產能的提升，進一步拓展碳纖維材料的應用領域。目前，國內企業已實現48K大絲束碳纖維的研制生產技術攻關，并已突破M60J高模碳纖維的關鍵制造技術，開始探索實踐碳纖維“全產業鏈”道路，初步形成了供需良性發展的局面，碳纖維制造與下游產業有望進入互相促進的良性發展軌道。但整體來說，現階段的產業化技術水平仍然落后于日本東麗等國際霸主，難以滿足高效低成本的要求，產業化進程并未與基礎研究的蓬勃發展實現良好接軌。具體來講，我國碳纖維產品仍在不同程度上存在質量不穩定、高端產品缺乏、產線規模小、成本高、產能利用率低、產業鏈不成熟以及工藝技術相對落后等核心問題。隨著國際風電葉片代工逐漸由歐洲轉向國內，該領域碳纖維需求激增，帶動我國碳纖維需求量穩定增長。2020年之后，整個形勢發生了根本的變化：2020到2022年，中國市場全球占比分別是45.7%、53%與55%，均為全球第一；中國運行產能全球占比：21.1%、30.5%與43%后兩年均為全球第一。此外，根據《2022全球碳纖維復合材料市場報告》顯示，國產碳纖維產品在全球的份額比例分別為標模-大絲束36.4%,標模-小絲束33.6%，中模量19.1%，高模量37%，打破“日本三家占全球70%的小絲束市場份額”的歷史。2020年前，不同國家對碳纖維制造的吸引力，主要取決于該國的綜合投資環境及產業生態鏈的吸引力。2021年，中國大陸地區首次超過美國，成為全球最大產能國。2022年，中國產能在全球遙遙領先，全球產能十大企業，中國大陸有四家，包括吉林化纖（第二）、中復神鷹（第四）、新創碳谷（第八）、寶旌碳纖維（第九）。但是2022年，依然是進口碳纖維大國，國產碳纖維出口寥寥無幾。這就說明：無論在性能、質量水平及成本水平上，進口碳纖維依然有強大的優勢。預期到2030年前我國有望發展成為全球最大的碳纖維生產國和消費國。下一步，中國碳纖維產業面臨的艱巨任務是：形成國際競爭優勢的運行產能。中國當前領先的碳纖維企業：是中石化（上海石化）、中國建材（中復神鷹）、中國寶武（寶旌碳纖維及太鋼鋼科）、中化集團（藍星）、陜煤（國企，恒神）、吉林化纖（國企），民企只有光威復材、中簡科技及新創碳谷。其中央企國企的運行產能占比高達80%，民企的占比僅僅為20%。根據各企業產能占比份額，碳纖維行業CR3接近60%，CR5接近80%，CR7接近85%。按產能建設情況看，我國碳纖維第一梯隊企業包括中復神鷹、江蘇恒神、光威復材、吉林碳谷、吉林寶旌，前五企業產能占比約77%；第二梯隊企業包括蘭州藍星、上海石化、中簡科技、威海拓展等企業，產能占比約為13%，其他企業產能累計占比10%左右。在新進入者威脅方面，碳纖維行業的高技術壁壘把潛在企業拒之門外，行業面臨的新進入者威脅較小。在替代品威脅方面，碳纖維作為國家規劃的新材料具有很多傳統材料無法替代的特性，例如在航空航天領域所展示出的耐熱、質輕特性；在能源領域展現的耐腐特性；在體育用品領域展示的耐磨、質輕特性等，都是傳統材料所無法比擬的。
目前國內企業產能相對國際平均水平，呈現三多三少態勢：低端產能多，高端產能少；理論產能多，實際銷量少；市場需求多，國產供應少。
（1）產能分布看，國際碳纖維產能主要集中在航空航天等高端領域，我國碳纖維產能主要集中在體育休閑等低端領域，低端產能相對飽和。
（2）產能產量看，我國碳纖維實際銷量和理論產能之比約25-35%，國際平均水平為55-60%，我國實際碳纖維的生產銷售與理論產能之間有較大差距。
（3）供需關系看，國內有效產量不能滿足整體需求，需要大量進口。三多三少特點并非孤立形成，產能錯配、外部壓力、產線技術穩定性低等是主要原因，產能銷量矛盾、供應需求矛盾是結果。產能錯配導致低端碳纖維市場飽和，高端產能建設不足。國外巨頭在民用領域直接和國內企業競爭，形成較大外部壓力。同時國內企業自身生產線水平有限，無法長期穩定運行，或是生產成本偏高，導致國內實際產量與銷量偏低，國內需求依賴大量進口。
早期光伏行業的生產商大多采用石墨材料構成的坩堝作為熱場系統的保溫材料，而由于石墨脆性較大，容易產生裂紋，逐漸被碳復合材料所替代，與石墨坩堝相比，碳復合材料坩堝具有使用壽命長、熱場穩定性高、成晶率穩定等優點，被廣泛應用在單晶拉制爐和多晶鑄錠爐的熱場系統中。單晶拉制爐熱場系統主要用于光伏行業中的單晶硅長晶、拉制過程，是制備單晶硅的關鍵設備，多晶鑄錠爐是多晶鑄錠的關鍵設備。單晶硅爐內，主要有坩堝、保溫筒、護盤等碳復合材料，大幅提高了拉晶熱場系統的安全性和拉晶速率，顯著降低了運行功率，對節能降耗起到較大促進作用。據統計，目前碳復合材料在坩堝中的替代率已超過95%，成為光伏熱場系統中的主要材料。中信能源則預計，2025年全球碳纖維總需求將達到26萬噸，其中僅風、光、氫三大新能源領域用量就有望達13.3萬噸，占2025年全球碳纖維總需求量的51%，風電仍是推動碳纖維需求增長的第一力量。“30·60”雙碳背景下，作為可再生能源重要組成部分的風能將維持高速增長，市場對風電葉片的技術發展要求越來越高，葉片向大型化、輕量化方向發展，輕質高強的碳纖維是超大型葉片增強材料的必然選擇。在“雙碳”的背景下，節能減排已成為汽車工業的重要發展方向，其中汽車車體輕量化是解決問題的關鍵之一。在電池技術無法在短期得到重大突破的情況下，電池輕量化能夠提升汽車的動力性能和續航里程，從而降低電池數量和成本。近年來，碳纖維復合材料被廣泛應用于汽車的車身、剎車片、傳動軸、發動機、燃料箱、尾部沸騰器和新能源汽車動力電池箱體等，使汽車部件輕量化的同時更加節能環保。在全球各大汽車廠商中，寶馬率先實現碳纖維在量產車上的突破性應用，開創了車用碳纖維新時代。目前我國城市軌道交通正處于高速發展階段，列車的節能性、環保性、舒適性、便利性儼然成為未來的發展方向，碳纖維復合材料的優秀特性也越來越受到眾多軌道車輛廠商的關注及采用，發展空間不容忽視。到2025年，中國高鐵里程將超過3.8萬公里，且現役的高鐵列車超過了2500輛。列車的節能性、環保性、舒適性、便利性已成為高鐵列車未來的發展方向。而碳纖維因其優秀的性能越來越受到軌道車輛研制企業的關注及采用，發展潛力巨大。《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出，要加強碳纖維等高性能纖維及其復合材料的研發應用，這為未來碳纖維行業的技術進步和應用場景拓展提供了良好的政策環境。“中國制造2025”規劃把新材料作為重點突破的十大高端領域，從山東的經驗中得到啟發，國家和省市有必要在全面對接、落實國家、省有關扶持政策。在《云南省新材料產業發展三年行動（2022-2024年）》中指出，云南省要圍繞稀貴金屬材料、新能源材料等領域，有效利用現有政策和資金優勢，扶持和培育一批大企業、大集團；圍繞重點領域的關鍵新材料技術，組織協同攻關，加快新材料研制、生產、驗證及應用進程，重點發展貴金屬新材料、新能源電池材料、鈦基新材料、錫基新材料、光電子微電子新材料、稀土及化工新材料等。煤炭：云南省煤炭保有和預測儲量達739.58億噸、探明儲量達364.59億噸、居南方省份第二位，第三紀褐煤的儲量居全國第一位，主焦煤資源保有儲量達18.14億噸、居全國第四位，煤種較全，具備實現高質量發展的資源優勢。經過三輪大調整（2008年資源整合、2014年轉型升級、2020年行業整治），產業集中度明顯提升。曲靖區域內煤炭資源賦存豐富，占全省總量的一半以上，主焦煤占全省的95%，無煙煤占全省的80%，曲靖原煤及煤焦產品占據云南省“半壁江山”，已形成煤電材、煤焦化、煤氣化、煤液化等較為完善的產業鏈，是西南地區最重要的煤化工基地。現有企業有云南曲煤焦化實業發展有限公司、云煤能源、云南珠江集團、云南曲靖化工、曲靖眾一合成化工和云南解化清潔能源開發有限公司等企業。石油化工：云南省在石化領域以中國石油云南石化和云天化石化作為龍頭企業。云南省石油石化十四五規劃積極爭取規劃建設石油煉化一體化轉型升級化項目，重點增加三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）資源量，推進煉油副產品綜合利用，實現最大限度就地加工就地增值。依托云南安寧產業園區草鋪化工園區、云南昭陽經濟技術開發區龍海化工園區、云南水富經濟技術開發區化工園區、云南沾益產業園區花山化工園區，積極發展高性能工程塑料、高性能纖維、復合材料、聚氨酯材料、電子信息化學材料、有機硅材料、新型磷化工新材料、生物化工材料、高性能涂料、新型膠合劑等。到2025年，云南省化工新材料產業實現工業總產值350.00億元左右，打造中國重要的化工新材料產業基地。云天化集團是以肥料及現代農業、玻纖及復合材料、精細化工及新材料為主業的產業集團，是全球領先的肥料、玻纖、共聚甲醛制造商。目前已經從一個產業結構單一的傳統化肥生產企業，成長為產業橫跨肥料及現代農業、玻纖及復合材料、精細化工及新材料三大領域，產業鏈、供應鏈延伸世界的綜合性綠色產業集團，非肥業務占比達35%，利潤占比超過一半。2022年，集團位列中國企業500強第280位、中國制造業企業500強第128位。在玻纖及復合材料業務板塊布局的生產基地主要分布在重慶、珠海、常州、巴西、巴林、美國、摩洛哥。年產玻纖紗91萬噸，玻纖布2.1億米，產能規模全國第二、全球第四，其中風電市場份額全球第一，風電產品研發能力保持行業領先，多款新產品為行業首創；高端絕緣紗市場份額全球第一；超細電子細紗全球前三。玻纖產品作為性能優異的無機非金屬材料，絕緣性、阻燃性、抗腐蝕性、機械強度都很好，廣泛用于5G、航空航天、風力發電、軌道交通、汽車輕量化等領域，發展潛力巨大。碳纖維作為未來在復合材料領域發展的一個重要方向，建議曲靖對其發展要采取以下策略：以應用作為突破口，依托材料合成，并以給曲靖的新興產業提供原材料作為切入點，增強與曲靖戰略性新興產業的融合，以應用促進產業集聚，帶動研發本地化，推動碳纖維材料的發展。曲靖在碳纖維研發和產業化方面應注重材料的應用領域，需要結合曲靖市兩大千億產業，挖掘碳纖維潛在應用領域，推進光伏、風電、新能源汽車等產業與碳纖維產業融合發展。應圍繞光伏、風電、石油化工產業基地建設等重大項目，加強與國內外碳纖維龍頭企業的戰略合作，為曲靖優勢產業的終端產品提供復合材料配套，依托幾大應用領域，逐步在配套中形成產業關聯，促進產業聚集，進而帶動研發和人才的聚集，推進碳纖維產業的國產化。在招商環節，加強與央企、中國企業500強合作，面向長三角、珠三角等產業優勢地區開展招商引資，組織開展產業鏈招商、以商招商和專業招商活動，著力引進碳纖維下游企業來曲投資。曲靖目前已引入石金科技年產1250噸碳纖維復合材料等項目，在碳纖維制備的研發上具有一定基礎，但產業化進程非常薄弱，因此要整合研發機構和企業的研發資源合作攻關、結合用戶需求，發展新型碳纖維復合材料的產品。結合曲靖煤炭產業基礎，推進資源規模開發，打造以化工、金屬冶煉加工為重點的區域性資源深加工區。充分利用上游的原料優勢，采用自主攻關和“拿來主義”相結合的模式，開發新型碳纖維制備材料，進一步改造加工工藝，降低生產成本，早日實現對進口產品的替代，為推動曲靖高性能碳纖維材料技術的國產化服務。曲靖要深挖重大項目和支柱產業對碳纖維材料的需求，開展碳纖維促進全市戰略性新興產業的應用研究和產品產業化，建立產品研發及推廣中心。同時，曲靖要構筑全省碳纖維產業獨特競爭優勢。成立工作專班和推進機制，在用能、用地、人力支持等方面研究政策，降低碳纖維企業生產成本，支持碳纖維產業做大做強。建議主動出擊，向吉林、山東、江蘇等碳纖維產業發展突出的地區學習，構建碳纖維產業發展格局。
五、展望
國產碳纖維已經走過了從無到有、到能用，也在努力從能用到好用、再到好用又經濟前進。碳纖維復合材料應用拓展周期長，過程復雜，但是前景依舊非常明朗。
