碳纤维的分类及特点
1.定义及特点
碳纤维是指含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。碳纤维是由粘胶、腈纶、芳纶、聚酰亚胺等纤维在高温下烧制而成，是一种近代新型碳材料，属于化纤的高端品种，其力学性能优异，轻于铝，却强于铁，在质轻的特性下，具有高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性。这一系列实用性能使碳纤维可以替代一些质量较重的材料，被誉为21世纪的“新材料之王”，也是国际认可的现代高科技领域的战略新材料，被誉为“黑色黄金”。
碳纤维与其他主要材料性能对比见下表1。
碳纤维因其优良的性能被广泛应用于航空航天、轨道交通、风电机片、船舶制造、汽车制造、体育休闲、建筑行业等应用，成为工业材料在高端科技领域的应用典范，此外，还出现在低空经济这一新应用场景，在低空经济中占比很大的低空飞行器，单机的复材用量为80%~90%，对碳纤维及复合材料的需求非常大，这为我国碳纤维产业的发展提供了机遇。
2.分类
目前对于碳纤维的分类，分别是从原材料、产品规格、力学性能角度出发分为3种方式。碳纤维分类见图1。
模量的定义：标准模量是指拉伸模量为230~270GPa；中等模量是指拉伸模量为270~350GPa；高模量是指拉伸模量超过350GPa，随着技术发展，这些数据将会调整。
丝束的定义：小丝束Small Tow（或常规丝束Regular Tow）：1K~40K；大丝束Heavy Tow：≥48K(东丽的标准为40k及以上)；巨丝束Giant Tow：≥100K。
3.碳纤维产业链
碳纤维产业链长，技术壁垒高：其产业链包含从上游（原料）-中游（原丝-碳纤维-碳纤维制品-复合材料）到下游（终端应用）的完整制造过程，包含预氧化、炭化、预浸料等多个过程。碳纤维工艺复杂，涉及多种设备，生产条件要求严格，整个工艺流程中涉及技术参数控制点3000~5000个。从全产业链来看，中游是核心环节，技术、资金、设备、产品质量门槛高。
4.碳纤维复合材料
碳纤维复合材料是由两种不同性能的材料复合而成的具有特殊功能和结构的高性能材料，其中碳纤维作为增强体，基体材料主要有树脂、碳、碳化硅材料等。例如，树脂基碳纤维复合材料首先由碳纤维和树脂复合成预浸料，然后预浸料在模具上铺制，再通过各种成型设备(热压罐成型设备、模压成型设备、RTM成型设备等)在一定温度、一定时间、一定压强下完成而形成的碳纤维复合材料制品。
碳纤维复合材料制品因其质轻、比强度高、耐高温、耐腐蚀及抗疲劳等优异性能，在国际上被作为一种重要的材料，被广泛应用于航空航天、轨道交通、风力发电等领域，是否应用碳纤维复合材料以及应用比例大小已成为衡量产品技术先进性的重要指标之一。
PAN基碳纤维的生产起步于20世纪60年代，日美领先。目前，全球碳纤维技术仍主要掌握在日本公司手中，其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于全球领先地位，日本东丽是全球上高性能碳纤维研究与生产的领头羊。
全球碳纤维市场需求分析
2023年全球碳纤维需求量为11.5万吨，相比2022年的13.5万吨降低了14.8%，主要因为风电市场需求疲弱。全球碳纤维需求及应用情况见图2和表2，2023年全球碳纤维需求结构见图3，2023年全球碳纤维消费结构见图4。
全球碳纤维供应分析
1．全球碳纤维运行产能
2023 全球碳纤维运行产能29.03万吨/年，具体国家性能优越，聚丙烯腈基已成为碳纤维市场主流，占据全球90%市场，其中，聚丙烯腈基碳纤维因生产工艺简单、原料来源丰富及优越的结构和功能特性迅速占据市场，2020年全球产量占有率达到91%。黏胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限。沥青基碳纤维保持约1000吨年产量，被日、美企业平分秋色；粘胶基碳纤维基本停产，有可能完全退出碳纤维市场。
2020年全球不同原丝类型碳纤维产量占比见图6。
全球三种原料碳纤维性能的对比见表3。
3.全球碳纤维规划
2023年全球范围内已经宣布并在进行中的扩产有：东丽欧洲计划投资1.2亿欧元，法国工厂年产量将从5000吨增至6000吨；东丽美国投资1500万美元升级生产线，实现T1100G产能翻番（2024年初已经完成），扩建其位于加利福尼亚州Morgan Hill的工厂；东丽韩国扩建3300吨产能的第三条生产线，把年生产能力提高到8000吨。到2025年，东丽集团至少每年增加7500吨小丝束产能。韩国晓星在中国的9600吨及越南的21600吨扩产计划等。
全球碳纤维技术进展
近年来，全球碳纤维技术进展主要体现在：美国佐治亚理工学院突破第三代碳纤维技术；日本NEDO开发了电磁波加热技术；东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术，精细控制碳化过程；日本帝人东邦已经成功开发仅需数秒就可以控制碳纤维外观性状的等离子表面处理技术；中国台湾地区永虹先进材料已成功研发出美国独家专利超高温石墨化技术，进行中高阶碳纤维量产。
碳纤维需求结构发生变化、供应不断增长、技术研发取得进展，这些将进一步推动全球碳纤维向高端发展。