碳纤维凭借其优异的物理和化学性能，被称为“新材料之王”。碳纤维（Carbon Fiber，CF）是一种丝状碳素材料，由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，直径5-10微米，含碳量高于95%的无机高分子纤维。具有出色的力学性能和化学稳定性，密度比铝低，强度比钢高，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，并具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、电及热导性高、热及湿膨胀系数低等特点，是发展国防军工与国民经济的重要战略物资。碳纤维有诸多分类标准，通常按照原丝类型、力学性能、丝束大小这三种维度进行分类。按照原材料不同，碳纤维主要可以分为聚丙烯腈基(PAN-CF)、沥青基碳纤维(Pitch-CF)、粘胶基(Rayon-CF)等，市场占比分别为90%，4%和1%。目前市面上的碳纤维一般指PAN基碳纤维。按照力学性能将碳纤维分为通用型和高性能型，其中，高性能型又可以细分为高强型、高模量型、超高强型以及超高膜型。业内通常采用日本东丽(TORAY)公司制定的标准进行分类。按照丝束大小分成小丝束和大丝束。单束纤维数量通常在48K以上的是大丝束碳纤维（1K意味着1束碳纤维含有1000根丝），因为性能及制备成本相对较低，也被称为工业级碳纤维，包括48K、50K、60K、80K等，主要应用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等领域；小丝束碳纤维工艺要求严格，综合性能更为优异，但生产成本较高，也被称为宇航级碳纤维，一般包括1K、3K、6K、12K和24K等产品，主要应用领域包括国防工业、高技术以及体育休闲用品，如飞机、卫星、高尔夫球杆等。
碳纤维属于技术密集型、资金密集型产业，具有产业链长、工艺技术复杂、研发周期长、资金投入量大、行业技术性强等特点，行业进入壁垒高。整体看，全球碳纤维市场属于寡头垄断市场，全球碳纤维行业的产能CR3和CR5分别为44%和58%，日本、美国研发较早，工艺技术完备，占据全球碳纤维市场主要份额。根据中国化学纤维工业协会数据，在小丝束碳纤维市场上，日本企业所占有的市场份额占到全球产能的49%；在大丝束碳纤维市场上，美国企业所拥有市场份额占到全球产能的89%，处于明显的主导地位。日本东丽公司是全球第一大碳纤维制造商，引领并固化了全球碳纤维产品市场格局与系列化开发路径，其5.8万吨运行产能在全球遥遥领先，其余碳纤维头部企业多数运行产能在1-2万吨。（运行产能指企业全部资产和人力运转条件下的生产能力，可以反映企业的生产规模）。中国正日益成为全球碳纤维最主要的需求市场，增速远高于全球水平，需求量占全球比重提升至46%。2021年，中国碳纤维理论产能首次超过美国，成为全球最大产能国，从国内各家碳纤维企业公布的扩产情况看，中国将在产能上较长期保持第一的地位。尽管中国产能大，但进口量仍然巨大，说明国内产能与国外巨头相比仍有较大差距，无论在性能、质量水平及成本水平上，进口碳纤维依然有强大的优势。未来中国碳纤维产业仍需努力形成具有国际竞争优势的产能。
日本和美国等发达国家已在长达半个世纪的探索中形成了多条技术路线支撑的不同系列碳纤维产品，垄断了全球市场。美国于2006年启动了先进结构纤维项目，并于2016年成立了雷蒙德公司，致力于低成本新型碳纤维生产。欧盟于2011年启动了EUCARBON项目，并建成了欧洲首个面向航天应用的高端碳纤维生产线。日本近年来实施的“未来开拓研究计划”针对碳纤维的基础研究与生产开发相结合的目标，推出了由高校和企业共同参与的新结构材料技术开发项目。而韩国则着力扶持发展本国龙头企业晓星公司，打造碳纤维产业聚集地。目前，国外6家欧美日传统老牌和2家新兴企业是该行业的主要头部公司。6家传统老牌企业指的是日本的东丽、帝人、三菱、欧美的美国赫氏、美国氰特（比利时索尔维收购）、德国西格里。2家新兴企业指韩国晓星、土耳其陶氏阿克萨。从全球供给格局看，国外占57%，主要是日系三大家+欧美三大家。2022年，全球碳纤维运行产能为25.9万吨。其中，日系三大家占全球的33%（东丽22%、帝人6%、三菱6%），欧美系三大家占全球的14%（赫氏6%、西格里5%、氰特3%）。
分析国外碳纤维老牌六大家的基本情况，总结有以下三个特点。
一是布局产业链的方式主要有自上而下和自下而上两类，一类是原本做化纤、腈纶工业或碳基材料的企业，沿产业链由上而下研发生产碳纤维和下游产品（东丽、帝人、三菱、西格里）；另一类是原本做碳纤维相关复合材料的企业，通过收购老牌碳纤维厂商，自下而上布局了全产业链（赫氏、氰特）。
二是海外龙头在航空和军工布局较多。由于海外碳纤维的主流应用起于航空，多数海外龙头来自航空的收入占比较大。且受益于美国军工发展的强大，赫氏、氰特两家美国企业对国防的供应也较多。
三是发展碳纤维中下游产品能够打开收入成长空间，成为一些老牌碳纤维企业未来的扩张重点，如在帝人的规划中，其航空领域碳纤维业务的未来收入增长驱动主要来自织物、预浸料等下游中间品的规模扩张。此外，由于碳纤维造价高，具有回收利用的价值，增加复合材料的循环利用是促进复合材料产业可持续发展的关键一环。日本、英国、德国等国均已致力于研究碳纤维复合材料的回收利用，目前已成立专门的碳纤维回收公司。
从上个世纪六十年代到2020年，在碳纤维行业，中国一直属于跟跑者。在《瓦森纳协定》中，高等级碳纤维及其制造设备在欧美对华禁运名单之列。近年来，国家及地方政府出台了一系列关于碳纤维及碳纤维复合材料的产业支持政策，包括十四五规划与国务院颁布的《中国制造2025》都提出加强碳纤维复合材料的研发，实现原材料的自主可控。在外部与内部因素双重利好加持下，碳纤维材料国产替代的趋势开始显现。推动了碳纤维行业蓬勃发展，持续引导并进一步提升碳纤维材料重点品种的关键生产和应用技术，促进碳纤维及其复合材料的开发，提升行业产业化水平，推进产能的提升，进一步拓展碳纤维材料的应用领域。目前，国内企业已实现48K大丝束碳纤维的研制生产技术攻关，并已突破M60J高模碳纤维的关键制造技术，开始探索实践碳纤维“全产业链”道路，初步形成了供需良性发展的局面，碳纤维制造与下游产业有望进入互相促进的良性发展轨道。但整体来说，现阶段的产业化技术水平仍然落后于日本东丽等国际霸主，难以满足高效低成本的要求，产业化进程并未与基础研究的蓬勃发展实现良好接轨。具体来讲，我国碳纤维产品仍在不同程度上存在质量不稳定、高端产品缺乏、产线规模小、成本高、产能利用率低、产业链不成熟以及工艺技术相对落后等核心问题。随着国际风电叶片代工逐渐由欧洲转向国内，该领域碳纤维需求激增，带动我国碳纤维需求量稳定增长。2020年之后，整个形势发生了根本的变化：2020到2022年，中国市场全球占比分别是45.7%、53%与55%，均为全球第一；中国运行产能全球占比：21.1%、30.5%与43%后两年均为全球第一。此外，根据《2022全球碳纤维复合材料市场报告》显示，国产碳纤维产品在全球的份额比例分别为标模-大丝束36.4%,标模-小丝束33.6%，中模量19.1%，高模量37%，打破“日本三家占全球70%的小丝束市场份额”的历史。2020年前，不同国家对碳纤维制造的吸引力，主要取决于该国的综合投资环境及产业生态链的吸引力。2021年，中国大陆地区首次超过美国，成为全球最大产能国。2022年，中国产能在全球遥遥领先，全球产能十大企业，中国大陆有四家，包括吉林化纤（第二）、中复神鹰（第四）、新创碳谷（第八）、宝旌碳纤维（第九）。但是2022年，依然是进口碳纤维大国，国产碳纤维出口寥寥无几。这就说明：无论在性能、质量水平及成本水平上，进口碳纤维依然有强大的优势。预期到2030年前我国有望发展成为全球最大的碳纤维生产国和消费国。下一步，中国碳纤维产业面临的艰巨任务是：形成国际竞争优势的运行产能。中国当前领先的碳纤维企业：是中石化（上海石化）、中国建材（中复神鹰）、中国宝武（宝旌碳纤维及太钢钢科）、中化集团（蓝星）、陕煤（国企，恒神）、吉林化纤（国企），民企只有光威复材、中简科技及新创碳谷。其中央企国企的运行产能占比高达80%，民企的占比仅仅为20%。根据各企业产能占比份额，碳纤维行业CR3接近60%，CR5接近80%，CR7接近85%。按产能建设情况看，我国碳纤维第一梯队企业包括中复神鹰、江苏恒神、光威复材、吉林碳谷、吉林宝旌，前五企业产能占比约77%；第二梯队企业包括兰州蓝星、上海石化、中简科技、威海拓展等企业，产能占比约为13%，其他企业产能累计占比10%左右。在新进入者威胁方面，碳纤维行业的高技术壁垒把潜在企业拒之门外，行业面临的新进入者威胁较小。在替代品威胁方面，碳纤维作为国家规划的新材料具有很多传统材料无法替代的特性，例如在航空航天领域所展示出的耐热、质轻特性；在能源领域展现的耐腐特性；在体育用品领域展示的耐磨、质轻特性等，都是传统材料所无法比拟的。
目前国内企业产能相对国际平均水平，呈现三多三少态势：低端产能多，高端产能少；理论产能多，实际销量少；市场需求多，国产供应少。
（1）产能分布看，国际碳纤维产能主要集中在航空航天等高端领域，我国碳纤维产能主要集中在体育休闲等低端领域，低端产能相对饱和。
（2）产能产量看，我国碳纤维实际销量和理论产能之比约25-35%，国际平均水平为55-60%，我国实际碳纤维的生产销售与理论产能之间有较大差距。
（3）供需关系看，国内有效产量不能满足整体需求，需要大量进口。三多三少特点并非孤立形成，产能错配、外部压力、产线技术稳定性低等是主要原因，产能销量矛盾、供应需求矛盾是结果。产能错配导致低端碳纤维市场饱和，高端产能建设不足。国外巨头在民用领域直接和国内企业竞争，形成较大外部压力。同时国内企业自身生产线水平有限，无法长期稳定运行，或是生产成本偏高，导致国内实际产量与销量偏低，国内需求依赖大量进口。
早期光伏行业的生产商大多采用石墨材料构成的坩埚作为热场系统的保温材料，而由于石墨脆性较大，容易产生裂纹，逐渐被碳复合材料所替代，与石墨坩埚相比，碳复合材料坩埚具有使用寿命长、热场稳定性高、成晶率稳定等优点，被广泛应用在单晶拉制炉和多晶铸锭炉的热场系统中。单晶拉制炉热场系统主要用于光伏行业中的单晶硅长晶、拉制过程，是制备单晶硅的关键设备，多晶铸锭炉是多晶铸锭的关键设备。单晶硅炉内，主要有坩埚、保温筒、护盘等碳复合材料，大幅提高了拉晶热场系统的安全性和拉晶速率，显著降低了运行功率，对节能降耗起到较大促进作用。据统计，目前碳复合材料在坩埚中的替代率已超过95%，成为光伏热场系统中的主要材料。中信能源则预计，2025年全球碳纤维总需求将达到26万吨，其中仅风、光、氢三大新能源领域用量就有望达13.3万吨，占2025年全球碳纤维总需求量的51%，风电仍是推动碳纤维需求增长的第一力量。“30·60”双碳背景下，作为可再生能源重要组成部分的风能将维持高速增长，市场对风电叶片的技术发展要求越来越高，叶片向大型化、轻量化方向发展，轻质高强的碳纤维是超大型叶片增强材料的必然选择。在“双碳”的背景下，节能减排已成为汽车工业的重要发展方向，其中汽车车体轻量化是解决问题的关键之一。在电池技术无法在短期得到重大突破的情况下，电池轻量化能够提升汽车的动力性能和续航里程，从而降低电池数量和成本。近年来，碳纤维复合材料被广泛应用于汽车的车身、刹车片、传动轴、发动机、燃料箱、尾部沸腾器和新能源汽车动力电池箱体等，使汽车部件轻量化的同时更加节能环保。在全球各大汽车厂商中，宝马率先实现碳纤维在量产车上的突破性应用，开创了车用碳纤维新时代。目前我国城市轨道交通正处于高速发展阶段，列车的节能性、环保性、舒适性、便利性俨然成为未来的发展方向，碳纤维复合材料的优秀特性也越来越受到众多轨道车辆厂商的关注及采用，发展空间不容忽视。到2025年，中国高铁里程将超过3.8万公里，且现役的高铁列车超过了2500辆。列车的节能性、环保性、舒适性、便利性已成为高铁列车未来的发展方向。而碳纤维因其优秀的性能越来越受到轨道车辆研制企业的关注及采用，发展潜力巨大。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出，要加强碳纤维等高性能纤维及其复合材料的研发应用，这为未来碳纤维行业的技术进步和应用场景拓展提供了良好的政策环境。“中国制造2025”规划把新材料作为重点突破的十大高端领域，从山东的经验中得到启发，国家和省市有必要在全面对接、落实国家、省有关扶持政策。在《云南省新材料产业发展三年行动（2022-2024年）》中指出，云南省要围绕稀贵金属材料、新能源材料等领域，有效利用现有政策和资金优势，扶持和培育一批大企业、大集团；围绕重点领域的关键新材料技术，组织协同攻关，加快新材料研制、生产、验证及应用进程，重点发展贵金属新材料、新能源电池材料、钛基新材料、锡基新材料、光电子微电子新材料、稀土及化工新材料等。煤炭：云南省煤炭保有和预测储量达739.58亿吨、探明储量达364.59亿吨、居南方省份第二位，第三纪褐煤的储量居全国第一位，主焦煤资源保有储量达18.14亿吨、居全国第四位，煤种较全，具备实现高质量发展的资源优势。经过三轮大调整（2008年资源整合、2014年转型升级、2020年行业整治），产业集中度明显提升。曲靖区域内煤炭资源赋存丰富，占全省总量的一半以上，主焦煤占全省的95%，无烟煤占全省的80%，曲靖原煤及煤焦产品占据云南省“半壁江山”，已形成煤电材、煤焦化、煤气化、煤液化等较为完善的产业链，是西南地区最重要的煤化工基地。现有企业有云南曲煤焦化实业发展有限公司、云煤能源、云南珠江集团、云南曲靖化工、曲靖众一合成化工和云南解化清洁能源开发有限公司等企业。石油化工：云南省在石化领域以中国石油云南石化和云天化石化作为龙头企业。云南省石油石化十四五规划积极争取规划建设石油炼化一体化转型升级化项目，重点增加三烯（乙烯、丙烯、丁二烯）、三苯（苯、甲苯、二甲苯）资源量，推进炼油副产品综合利用，实现最大限度就地加工就地增值。依托云南安宁产业园区草铺化工园区、云南昭阳经济技术开发区龙海化工园区、云南水富经济技术开发区化工园区、云南沾益产业园区花山化工园区，积极发展高性能工程塑料、高性能纤维、复合材料、聚氨酯材料、电子信息化学材料、有机硅材料、新型磷化工新材料、生物化工材料、高性能涂料、新型胶合剂等。到2025年，云南省化工新材料产业实现工业总产值350.00亿元左右，打造中国重要的化工新材料产业基地。云天化集团是以肥料及现代农业、玻纤及复合材料、精细化工及新材料为主业的产业集团，是全球领先的肥料、玻纤、共聚甲醛制造商。目前已经从一个产业结构单一的传统化肥生产企业，成长为产业横跨肥料及现代农业、玻纤及复合材料、精细化工及新材料三大领域，产业链、供应链延伸世界的综合性绿色产业集团，非肥业务占比达35%，利润占比超过一半。2022年，集团位列中国企业500强第280位、中国制造业企业500强第128位。在玻纤及复合材料业务板块布局的生产基地主要分布在重庆、珠海、常州、巴西、巴林、美国、摩洛哥。年产玻纤纱91万吨，玻纤布2.1亿米，产能规模全国第二、全球第四，其中风电市场份额全球第一，风电产品研发能力保持行业领先，多款新产品为行业首创；高端绝缘纱市场份额全球第一；超细电子细纱全球前三。玻纤产品作为性能优异的无机非金属材料，绝缘性、阻燃性、抗腐蚀性、机械强度都很好，广泛用于5G、航空航天、风力发电、轨道交通、汽车轻量化等领域，发展潜力巨大。碳纤维作为未来在复合材料领域发展的一个重要方向，建议曲靖对其发展要采取以下策略：以应用作为突破口，依托材料合成，并以给曲靖的新兴产业提供原材料作为切入点，增强与曲靖战略性新兴产业的融合，以应用促进产业集聚，带动研发本地化，推动碳纤维材料的发展。曲靖在碳纤维研发和产业化方面应注重材料的应用领域，需要结合曲靖市两大千亿产业，挖掘碳纤维潜在应用领域，推进光伏、风电、新能源汽车等产业与碳纤维产业融合发展。应围绕光伏、风电、石油化工产业基地建设等重大项目，加强与国内外碳纤维龙头企业的战略合作，为曲靖优势产业的终端产品提供复合材料配套，依托几大应用领域，逐步在配套中形成产业关联，促进产业聚集，进而带动研发和人才的聚集，推进碳纤维产业的国产化。在招商环节，加强与央企、中国企业500强合作，面向长三角、珠三角等产业优势地区开展招商引资，组织开展产业链招商、以商招商和专业招商活动，着力引进碳纤维下游企业来曲投资。曲靖目前已引入石金科技年产1250吨碳纤维复合材料等项目，在碳纤维制备的研发上具有一定基础，但产业化进程非常薄弱，因此要整合研发机构和企业的研发资源合作攻关、结合用户需求，发展新型碳纤维复合材料的产品。结合曲靖煤炭产业基础，推进资源规模开发，打造以化工、金属冶炼加工为重点的区域性资源深加工区。充分利用上游的原料优势，采用自主攻关和“拿来主义”相结合的模式，开发新型碳纤维制备材料，进一步改造加工工艺，降低生产成本，早日实现对进口产品的替代，为推动曲靖高性能碳纤维材料技术的国产化服务。曲靖要深挖重大项目和支柱产业对碳纤维材料的需求，开展碳纤维促进全市战略性新兴产业的应用研究和产品产业化，建立产品研发及推广中心。同时，曲靖要构筑全省碳纤维产业独特竞争优势。成立工作专班和推进机制，在用能、用地、人力支持等方面研究政策，降低碳纤维企业生产成本，支持碳纤维产业做大做强。建议主动出击，向吉林、山东、江苏等碳纤维产业发展突出的地区学习，构建碳纤维产业发展格局。
五、展望
国产碳纤维已经走过了从无到有、到能用，也在努力从能用到好用、再到好用又经济前进。碳纤维复合材料应用拓展周期长，过程复杂，但是前景依旧非常明朗。
