國產化碳纖維正在悄然崛起。

10月10日，我國首個萬噸級48K大絲束碳纖維工程第一套國產線在中國石化上海石化碳纖維產業基地投料開車，并生產出合格產品。產品性能媲美國外同級別產品，質量達到國際先進水平。這標志中國石化大絲束碳纖維從關鍵技術突破、工業試生產、產業化成功走向規模化和關鍵裝備國產化，一舉破除我國碳纖維生產和裝備受制于人的被動局面，真正實現自主可控。

碳纖維地位之“重”

碳纖維是由聚丙烯腈等有機纖維在高溫的惰性氣體氛圍中經氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的無機高分子纖維，是目前可以獲得的最輕的無機材料之一。碳纖維在可量產纖維材料中性能最佳，是目前工程上可以大規模應用的比強度最高的材料，其具有優異的物理、化學性能，被稱為21世紀的“黑色黃金”。

碳纖維是最重要的無機高性能纖維，這點是由其材料本性、產業技術復雜性、應用領域重要性和市場規模性等因素決定的，其首個市場化應用是1972年市售的碳纖維增強樹脂釣魚竿。此后，碳纖維應用快速向以航空航天器主結構材料為代表的高端化發展。碳纖維最主要的應用形式是作為樹脂材料的增強體，所形成的碳纖維增強樹脂（CFRP）具有優異的綜合性能，其在航空器、軌道交通車輛、風電葉片、燃料電池等眾多領域有著實際和潛在的應用。

碳纖維是現代宇航工業的物質基礎，具有不可替代性。CFRP被廣泛應用于導彈武器、空間平臺和運載火箭等航天領域。在大型先進飛機中，CFRP被廣泛用作主承力結構材料。此外，CFRP是制造大型葉片的關鍵材料，其可彌補玻璃纖維復合材料（GFRP）的性能不足。

對于氫能與燃料電池產業而言，碳纖維的存在直接關乎到國產化進程的速率。燃料電池氣體擴散層受原料碳纖維的制約，國內市場一直嚴重依賴進口。另外就是儲氫瓶的技術突破，高性能纖維是全纏繞纖維增強復合壓力容器的主要增強體。車用高壓Ш型氫氣瓶（金屬內膽全纏繞）的材料成本中，近70%為增強纖維，其余約30%為內膽和其他材料。

碳纖維技術之“難”

國內氫能與燃料電池產業正面臨國產化替代的艱難困境。而碳纖維技術的兩大難題便是燃料電池核心零部件和高壓儲氫瓶。

碳纖維紙作為一種高性能復合材料，是制造燃料電池質子交換膜電極中氣體擴散層必不可少的多孔擴散材料。氣體擴散層（GDL）構成氣體從流動槽擴散到催化劑層的通道，是燃料電池的心臟，是膜電極組（MEA）中非常重要的支撐材料，其主要功能是作為連接膜電極組和石墨板的橋梁。

氣體擴散層可幫助催化劑層外部生成的副產品——水盡快流走，避免積水造成溢流；還可幫助在膜的表面保持一定水份，確保膜的導電率；燃料電池運行過程中，幫助維持熱傳導；此外，提供足夠的力學強度，在吸水擴展時保持膜電極組的結構穩定性。

在質子交換膜燃料電池和直接甲醇燃料電池中，同時使用碳纖維紙和碳纖維布作為氣體擴散層的綜合效果更好。每輛燃料電池電動汽車約需消耗碳纖維紙100 m2（即8 kg）。

儲氫瓶生產流程可大致分為內膽成型和纖維纏繞兩個環節，總體來看技術難度較大、工藝參數眾多、關鍵原材料及裝備仍部分依賴進口、精細化生產管理有待提升，存在一定的技術壁壘。儲氫瓶當前成本較高，單瓶售價在 2 萬以上，其成本構成中碳纖維復合材料占比超 60%。當下國內儲氫瓶所用原材料主要為 T700 以上小絲束碳纖維，未來若能逐步替換為大絲束碳纖維（國外普遍做法），則有望推動氣瓶成本進一步降低。

鋁內膽纖維纏繞瓶（III型）內膽為金屬（通常為鋁合金），但厚度較 II 型瓶有減薄，外部進行了全瓶身的碳纖維復合材料纏繞，包裹形式為兩極鋪設或螺旋形鋪設。III 型瓶重量輕、抗壓性能好、適用于氫燃料電池汽車等移動設備，目前主要的壓力規格為 35MPa 和 70MPa 兩種，國內現階段 35MPa 已實現量產。

儲氫瓶剖面圖-碳纖維復合材料

塑料內膽纖維纏繞瓶（IV 型）內膽為塑料，瓶身全纏繞碳纖維復合材料，包裹采用兩極鋪設和螺旋形鋪設混合的形式。IV 型瓶瓶壁厚度略薄于 III 型瓶，儲氣壓力則與之一致，主要包括 35MPa和 70MPa 兩種規格型號，目前國外已投入商業化運用，如日本豐田的 Mirai 與韓國現代的 Nexo 均采用了 IV 型瓶，但國內技術仍有欠缺，尚未達到量產條件。IV 型瓶也主要應用于氫燃料車等移動場景。

碳纖維供求之“艱”

我國碳纖維市場正處于嚴重的供不應求狀態。數據顯示，2021年中國碳纖維產量達2.43萬噸，預計2022年我國碳纖維產能及產量可達2.77萬噸。未來碳纖維需求未來或將持續處于高速增長期，預計2025年全球碳纖維消費量將達到20.0萬噸，增長驅動力主要來自于風電葉片、航空航天等。

當前我國國內主要的碳纖維（及原絲）制造商為吉林碳谷、吉林寶旌、中復神鷹、江蘇恒神、光威復材、蘭州藍星和上海石化等。其中，吉林碳谷以原絲生產為主；吉林寶旌和蘭州藍星以大絲束碳纖維生產為主，江蘇恒神和蘭州藍星兼備原絲生產和碳纖維生產能力；其他公司產能主要集中在高性能碳和小絲束碳纖維。

東麗是全球碳纖維行業的領軍企業，是最早實現碳纖維工業化生產的公司。其各種型號的產品，如T300、T800等，產品名稱已成為行業標準，全球各公司生產的碳纖維產品均以此來標注性能。根據2020年數據，東麗在碳纖維整體市場的占有率達到42%，其中小絲束碳纖維占比17%，大絲束占比25%；若將小絲束及大絲束市場分開來看，東麗在小絲束市場的占有率為33%，大絲束市場占有率則達到51%。無論以整體市場還是以分市場來看，東麗市占率均為全球第一。

光威復材為民營碳纖維全產業鏈龍頭，具備碳纖維生產線及關鍵設備、預浸料生產線以及復合材料成型設備等自主設計與制造能力，主要產品包括碳纖維及織物、預浸料、碳梁等，軍品方面光威復材具有日本東麗性能相當的碳纖維產品，民品方面以碳梁為主，占維斯塔斯份額約30%。目前光威復材正在擴充碳纖維與碳梁產能，有望在需求高景氣中進一步成長。

中復神鷹屬于中國建材集團，以民品3K至24K小絲束碳纖維生產銷售為主，2020年國內碳纖維產量國內占比達20.98%，位居第二。公司碳纖維生產設備主要向關聯方江蘇鷹游定制采購，采用提出核心設備工藝技術要求，鷹游集團進行裝備設計制造的模式。2013年，公司在國內率先突破了千噸級碳纖維原絲干噴濕紡工業化制造技術，建成了國內首條千噸級干噴濕紡碳纖維產業化生產線，并放棄了濕法T300碳纖維生產路線，目前已實現了干噴濕紡400米/分鐘產業化。公司碳纖維產品涵蓋了高強型、高強中模型、高強高模型等，已基本實現對行業龍頭日本東麗的主要碳纖維產品的對標。

去年上半年，國內氫燃料電池市場迅速爆發。但受疫情影響，全球貿易被極大沖擊，國外企業交付能力跟不上國內需求，而全球市場也正在積極擴張，碳纖維需求不斷上升，但是國外進出口卻受到極大影響。

隨著碳纖維生產企業不斷在高性能碳纖維領域取得技術突破，我國碳纖維的進口替代步伐有望進一步加速。“十四五”期間，我國碳纖維及原絲的產能正在快速擴張。據不完全統計，我國已規劃及在建的碳纖維產能共計14.07萬噸/年，數量十分可觀，我國碳纖維產能正逐步擴張，國產替代道路光明。

10月15日，吉林化纖集團15萬噸原絲項目一期5萬噸實現開車達產。技術創新促進資源效率充分釋放，15萬噸原絲項目一期5萬噸的開車達產，標志著吉林化纖在全面掌握大絲束“卡脖子”關鍵技術的同時，將帶動風電葉片、高壓氣瓶纏繞、預浸料等領域生產效率提高40%，生產成本大幅降低，使國產化自主制造、大絲束工藝創新升級、下游有效應用的碳纖維產業鏈在補鏈、延鏈、強鏈中提升產業價值，預計到今年年底吉林化纖碳纖維原絲產能將達到16萬噸 。

中國碳纖維市場規模一直保持增長趨勢，從2016年的4.82億美元增長至2021年的15.88億美元，年均復合增長率達26.9%。2020年底國家提出的“碳達峰、碳中和”戰略，對碳纖維產業將有深遠的影響，新的能源戰略將極大刺激風電、光伏、氫能等再生或新能源的發展。隨著下游各應用領域的不斷發展壯大，我國碳纖維市場規模將進一步增長。

作為不可或缺的高性能材料，碳纖維市場前景十分光明。面臨國內對碳纖維的需求與日俱增的局面，加速國產化替代刻不容緩。