前言
碳纤维集结构材料与功能材料于一身，具有出色的力学性能、化学稳定性、热稳定性、电性能等。以碳纤维作为增强材料与树脂等基体复合制成的碳纤维复合材料，广泛应用于航空航天、现代舰艇、通讯电子、轨道交通、能源电力、高端户外用品等领域。碳纤维及其复合材料的兴起丰富了现代材料家族，成为衡量国家装备制造能力和水平的重要标志。
碳纤维新产品研发情况
2018年，日本东丽开发出M40X碳纤维，可实现更高的拉伸强度和拉伸模量，这是一种高强高模高韧性碳纤维新品种。2024年4月，东丽公司将其性能指标进行了微调，拉伸强度由5700MPa下调至5500MPa，与T800H碳纤维相当；拉伸弹性模量为377GPa，与M40J碳纤维相同；断裂伸长率为1.5%，体密度为1.79g/cm3。M40X碳纤维的研发，成功解决了长期以来碳纤维高强度和高模量难以共存的难题。据预测，随着M40X碳纤维拉伸强度调整、断裂伸长率等更多性能指标的公布，该产品可能将很快进入批产阶段，有望在高端航空航天领域实现应用，并可能替代传统的T800级高强中模碳纤维和M40J级高强高模碳纤维。
2023年10月，日本东丽宣布已经开发出T1200超高强度碳纤维，其拉伸强度8000MPa、拉伸模量315GPa、断裂伸长率2.5%、体密度为1.82g/cm3，这是一款目前全球拉伸强度最高的碳纤维。碳纤维强度主要受其内部缺陷影响，缺陷决定于纤维原丝以及预氧化、碳化、后处理等生产工艺。据此，东丽从其专有的纳米级结构控制技术改进入手，进而达到设计并实现碳纤维高韧性内部结构。T1200碳纤维新品由东丽在爱媛县雅木町的新工厂开发，可满足从体育休闲到航空航天等各领域需求。
2019年3月，美国赫氏（Hexcel）公司在法国JEC展会上推出了HM50碳纤维，其拉伸强度5860MPa、拉伸模量345GPa。随后Hexcel公司对HM50碳纤维性能指标进行了修正，拉伸强度保持不变，而模量提升至359GPa。Hexcel公司最新产品目录显示，HM50碳纤维已被商品化的HM54碳纤维代替，HM54碳纤维拉伸强度5171MPa、拉伸模量372GPa。HM54碳纤维通过表面处理和上浆处理来改善层间剪切特性、工艺性和结构特性，可应用于高级体育用品、航空航天和工业领域，并已被高尔夫球杆制造领域的全球领先者True Temperate公司成功用于其最新的HZRDUS杆中。
2023年碳纤维企业运行情况
根据广州赛奥2023年全球碳纤维复合材料市场报告提供的数据，2023年，全球碳纤维运行产能29.0万吨，中国大陆地区为13.8万吨，占运行总产能的47%。
各碳纤维企业2023年报数据显示，作为碳纤维行业的龙头，日本东丽公司2023年碳纤维产能为5.78万吨，其碳纤维复合材料业务销售额预估为2800亿日元（约140亿元）；美国Hexcel公司2023年销售额为17.89亿美元，较2022年15.78亿美元相比提高了13.4％；德国西格里（SGL）公司2023年总销售额为10.891亿欧元，其中碳纤维业务部门的销售额2.249亿欧元，较2022年下降1.223亿欧元，近期计划剥离碳纤维业务。
国内碳纤维厂家方面，2023年，光威复材营业收入25.17 亿元，较2022年稍有增长，归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润8.69 亿元，同比下降6.98%；中复神鹰营业收入22.59亿元，归属于上市公司股东的净利润3.18亿元，同比下降47.45%；中简科技营业收入5.59亿元，归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润为2.89亿元，同比下降51.44%。
2023年全球碳纤维需求总量115000吨，同比2022年下降14.8%。2023年中国碳纤维总需求69075吨，同比2022年下降7.2%，其中国产碳纤维53000吨，占总需求的76.7%。
国内碳纤维企业跟踪发展水平
中国碳纤维产业发展至今，从上世纪60年代仅有少数科研院所研发，到目前已有40~50家注册碳纤维企业，经历了两轮投资高峰。第一轮投资高峰发生在2000—2010年，当时因某些领域面临小丝束碳纤维禁运，民用领域则面临国外厂家的“通知性涨价、分配式供给、赏赐性发货”局面，国内迎来第一次高潮碳纤维投资，到2010年全国40余家碳纤维生产企业遍地开花，这一时期的典型特点是各地碳纤维生产线的低水平简单重复投资与建设，基本生产T300级别的碳纤维，其工艺路线绝大部分为二甲基亚砜工艺，同质化严重；2020年前后，随着风电、储氢气瓶、光伏领域对碳纤维的需求增加，国内外碳纤维市场价格水涨船高，国内迎来第二轮碳纤维投资热潮，这一轮投资的特点是新进厂家一窝蜂投资大丝束碳纤维，建设万吨起步的碳纤维生产线。可以预见，因碳纤维行业重投资、慢回报、长周期的特点，加之不确定的市场需求，大规模的产能扩张，在市场上进行低价拼杀，一定会导致残酷的行业洗牌。
从总体上看，我国碳纤维发展至今，取得可喜成就，目前已基本自主保障，且国内总产能开始跻身世界前列！
碳纤维复合材料应用情况
根据2024年02月Market and markets发布的研究报告，2023年全球复合材料市场规模为1088亿美元，较2022年增长81亿美元。碳纤维复合材料市场为284.1亿美元。碳纤维复合材料在航空航天、风电叶片、储氢气瓶、汽车、轨道交通及体育休闲有着广泛应用。
（1）航空领域
碳纤维复合材料在各类飞机结构上的应用可以有效地减轻结构重量，其减重效果可以达到20%～30%，能够提高飞机的运载能力，并降低飞机的油耗，增加飞机航程；复合材料优异的抗疲劳性能和良好耐腐蚀性能可以增加飞机结构的使用寿命，同时可以降低飞机的维护成本；复合材料的结构/材料一体化的特征有利于飞机结构的整体设计与整体制造技术的应用，一方面可以减少结构零部件和紧固件的数量，提高结构的效率与可靠性；另一方面可以采用低成本整体制造工艺，降低制造成本。先进复合材料在民用大飞机上的应用也日益增加，其中，欧洲空客公司的新一代大型客机A380，其复合材料用量占结构总量的25%左右；A350XWB飞机的复合材料用量占结构质量的52%；美国波音公司的新一代“梦想飞机”B-787，复合材料用量更是达到了50%；2017年实现首飞的国产大飞机C919的先进树脂基复合材料用量为12%。
（2）电动垂直起降飞行器
电动垂直起降飞行器(eVTOL)是低空经济的前沿领域，凭借其创新的构型设计和独特的技术优势，正在开启全新的城市空中交通时代。eVTOL不仅可用于货物运输、紧急救援等传统任务，更在城市客运、区域客运、私人出行等方面展现出巨大潜力。尤其在城市空中交通（UAM）领域，eVTOL有望解决城市交通拥堵问题，提供高效、便捷、环保的出行方式。
根据中国复合材料工业协会引用Stratview Research报告中数据，eVTOL使用的复合材料中，有75%~80%用于结构部件和推进系统，其次是梁、座椅结构等内部应用，占12%~14%。eVTOL中碳纤维复合材料占比90%以上，其余10%为玻璃纤维复合材料，作为牺牲层形式使用。
单台eVTOL对碳纤维需求在100~400kg之间，根据全球航空数据咨询机构Cirium报告，未来全球空中交通领域订单中，eVTOL订单约为6300架，有望拉动千吨级碳纤维需求。
（3）航天领域
碳纤维复合材料是航天工业发展中必不可少的关键材料，其优异的高比强度、高比弹性模量，可以设计轻量化构件，从而降低发射成本和能量。
（4）风电领域
“双碳”背景下，为实现净零排放，作为清洁可再生能源的风能的大规模利用已是全球共识，特别是随着发电成本的降低及节能减排需求的提升，全球风能发电行业发展迅猛。随着风电叶片长度的不断增加，碳纤维复合材料因其轻质高强、可设计性及低成本等优势，成为风电行业不可替代的主要原材料。
2024年4月16日，全球风能理事会（GWEC）发布《2024全球风能报告》，2023年，全球新增装机容量为116.6 GW，其中中国新增装机容量为75GW，占65%；全球总装机容量增长至1021 GW，同比增长50%。2023年，全球陆上风电新增装机将首次突破100 GW，达到105.8 GW。2023年，海上风电新增装机量为10.8 GW。
2022年，美国国家可再生能源实验室与劳伦斯伯克利国家实验室和美国能源部合作，对140多名风能专家进行了一项调查，预计到2035年，陆上风力叶片的长度将达到130m。伴随叶片大功率化和大型化，对碳纤维的需求将进一步增加，预计到2030年全球风电市场对碳纤维的需求在19万～20万吨。
风能在过去几十年中经历了巨大的增长，目前在全球碳达峰碳中和背景下，风电作为清洁能源的代表，必然迎来更大发展，对碳纤维复合材料的需求也将进一步提升。
（5）储氢气瓶领域
氢能被视为极具潜力的清洁能源，使用过程仅排放水，是一种“零碳”能源。高压气态储氢是目前应用最为成熟的储氢技术，在氢能汽车等领域有着广泛应用。随着储氢密度要求的提高，目前车载高压气态储氢压力已由35MPa提高至70MPa，因此对车载储氢瓶的安全性和可靠性提出了更高要求。复合材料全缠绕储氢气瓶具有质量轻、储氢密度高、耐疲劳性能好等优点，是氢能汽车领域技术发展的重点。
根据日本东丽公司报告，2025年，IV型储罐对碳纤维需求将增加42%，达到近40000吨/年。含压缩天然气CNG汽车传统市场和FCEVs的CGH2储罐新市场(20000吨)。美国能源部预计到2030年，IV型氢气罐对碳纤维的需求将达到145330吨。
（6）汽车领域
复合材料应用于汽车领域，可减轻汽车质量，提高燃油经济性，通过零部件一体化设计，可以精简零部件数量、减少加工工序、减少加工设备及生产线，复合材料具有耐冲击特性，可适应汽车工业提高安全性的要求。
德国宝马公司是碳纤维复合材料在汽车领域应用的先驱，2014年，批量化生产i3和i8系列纯电动车在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。2015年，全新第六代BMW 7系汽车正式投产，这是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材组合应用到车身的车型。
宝马2015款新7系的出炉，曾一度引爆了全球碳纤维复合材料上车热潮，丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商也都在开发汽车轻量化用碳纤维复合材料，并应用于车身、轮毂、座椅、氢气瓶、前舱盖、底盘结构件、传动轴等部件。但众多车企的复刻并没立刻取得成功。奥迪通过近10年的规划和深耕，才实现了高端乘用车的局部新材料突破。
（7）体育休闲领域
灼鼎咨询公司相关资料显示，碳纤维在体育休闲市场中，主要应用于钓鱼竿、高尔夫球杆、自行车架、网球拍、曲棍球棍、滑雪板、赛艇等高端体育休闲领域，多使用大丝束碳纤维，2022年用量达到1.8万吨以上，2017—2030年间需求年均复合增长率达到11.1%。从细分市场的角度看，钓鱼竿、高尔夫球杆和自行车架是碳纤维需求的大头，合计占比超过70%。
结语
随着市场对先进复合材料需求的增加，相应的高质量低成本碳纤维的需求将进一步提升，这就要求碳纤维企业针对不同的细分市场，开发相应规格型号的碳纤维产品，也要求主机厂进一步提升设计理念，开发新工艺，降低复合材料成本。在降低碳纤维成本同时，通过采用低成本的成型工艺，促进碳纤维的放量使用，碳纤维的放量应用也会进一步降低大批量生产的碳纤维成本，使每年的碳纤维需求由目前10万吨级向100万吨级迈进。