06
复合材料应用发展趋势与展望
航空航天应用市场
市场的发展趋势如下图：2020年对碳纤维的需求量为16,450吨。
航空航天市场的分市场份额（吨）如下图：
航空行业分析机构蒂尔集团(Teal Group)的数据显示，2020年全球航空客运量较2019年下降了约63%；波音及空客大幅度消减了飞机的产能，其中波音将复合材料飞机B787减少到每月10架，2021可能会减少到每月6架，此外，波音公司于2020年10月初宣布，它将在2021年关闭美国华盛顿州西雅图市的所有787装配厂，并将其合并到公司在美国南卡罗来纳州北查尔斯顿的工厂；空客公司将复合材料飞机A350减少到每月6架；2020年6月，美国东丽复合材料表示立即中止其在美国南卡罗来纳州斯帕坦堡的工厂的运营，并大大减少其塔科马预浸料工厂的产能。这些行动将导致在美国各工厂的劳动力减少约25％；美国赫氏第一季度净利润同比大降逾四成，宣布新一轮裁员减薪计划；我们综合判断，航空航天用碳纤维对比去年同期减少30%。
关于航空航天市场的复苏，基于对疫情及航空航天的体系复杂而缓慢的特点，我们预测在2024年恢复到2019年的需求水平。
7.2. 风电叶片应用市场
2020年，风电市场发展非常迅猛，整个产业链赚得钵满盆满，皆大欢喜。
2020年，从风电对碳纤维的需求看，维斯塔斯依然是主力；其他巨头，如西门子-歌美飒、GE-LM、Nordex 等均在新的机型中，采用了碳纤维拉挤板制造与测试样机。国内风电有三种工艺并行：预浸料铺贴、多轴织物灌注、拉挤板，大多是样机验证阶段，在2020年还未形成批量需求。三种工艺的对比中，拉挤板工艺基本胜出。
在去年的报告中，笔者曾担忧“抢装潮”之后的萎缩，以及疫情对风电的冲击。结果年中的“碳达峰，碳中和”战略的确定，导致了风电行业激情万丈的《风能北京宣言》：“在‘十四五’规划中，需为风电设定与碳中和国家战略相适应的发展空间：保证年均新增装机5000万千瓦以上。2025年后，中国风电年均新增装机容量应不低于6000万千瓦，到2030年至少达到8亿千瓦，到2060年至少达到30亿千瓦。”基于北京宣言，几乎每家风电厂及叶片厂均考虑扩大产能。
几年前，足球在国内风电巨头的脚下，碳纤维行业不停地催“赶紧踢出来啊！”从2021开始，足球是肯定到了碳纤维行业的脚下，风电巨头会使劲催：“赶紧踢出来”，你们碳纤维不出产能，我们怎么敢规划数万吨的叶片需求啊？碳纤维产业准备迎接这幸福的“烦恼”吧！
体育休闲应用市场
体育休闲市场十年来的需求发展情况如下，2020年的需求量为15,400吨。
体育市场的分市场份额如下：
疫情之下，群体运动的碳纤维器材，如曲棍（冰）球杆、滑雪杆等，有较大幅度的下滑；而个人体育休闲的器材反而上升，主要有高尔夫球杆，自行车及钓鱼竿。另外，欧美这些年一直流行健康、绿色出行，对电动自行车也有较大的需求增长。
汽车应用市场
之前的报告，我们反复提醒了全寿命周期的轻量化价值的概念；碳纤维复材从F1赛车到从超级车、超豪华车逐步扩大应用的规律与趋势。在轻量化价值的计算中，除了节能降本的常规价值，绿色环保成本是一个因潮流而动的较大变动成本。
2020年在汽车复材领域，主要有如下大事：一是代表美国汽车复材应用水平的、通用汽车的雪佛兰C8汽车的推出，其中最醒目的是车架部分材料弧形拉挤的碳纤维复合材料型材，另外还有部分玻碳混合的复合材料零件。2020年德国西格里分别与宝马集团，中国蔚来汽车及北美一汽车公司批量制造电动汽车电池盒。2021年3月，廊坊的飞泽复材为蔚来ES6碳纤维（中国第一款批量采用碳纤维的车款）后地板5万套下线。
关于燃料电池的气态扩散层GDL, 国内目前有武汉理工、大化所、上海河森、江苏氢电、济平新能源、深圳南科、沈阳华天鑫等单位在从事研发。而国际上的主流厂家是东丽、西格里，以及燃料电气巨头巴拉德旗下公司。从GDL的工艺流程看，其中的不少技术与装备与碳纤维及复合材料制备类似，仅从碳纤维纸的专用碳丝供应，国内就无碳纤维公司涉及。所以，碳纤维产业要尽快意识到这个责任，投入研发，不能让这个GDL成为氢能源的卡脖子材料。
7.5. 压力容器应用市场
2020年，氢能发展迅速，正在迅速成为各类交通运载工具的新的能源方式：欧盟宣布了650亿欧元的刺激氢能产业链发展的“A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe”。美国加州的Universal Hydrogen正在建设氢能飞机的整个基础设施，国际压力容器传统巨头动作频繁：
- 2021年2月，佛吉亚与雷诺集团达成汽车的氢气储存的合作协议。
- 2021年3月中集安瑞科控股有限公司欣然宣布旗下全资附属公司CIMC Hydrogen Energy与Hexagon Purus HK签署合资协议，成立合资公司为中国及东南亚快速增长的高压氢气储运市场提供安全、经济、高效的储运解决方案。
- 2021年2月份，佛吉亚宣布对中国高压气瓶公司斯林达大部分股权的收购。
2020年，国内的碳纤维压力容器发展红火，相关的碳纤维供不应求。7月份，气瓶安全标准化与信息工作委员会发布了车用四型气瓶的团体标准的征求意见稿，这是行业发展的重要事件，希望这个四型气瓶标准尽快完成。2020年12月，斯林达车用IV型储氢瓶通过“三新”评审，成为国内首家通过“三新”评审的车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶制造厂家。
高压氢气瓶的核心技术在于塑料内衬及碳纤维缠绕，其主要成本取决于碳纤维的成本。目前，很多氢气瓶企业对碳纤维的战略意义认识严重不足。以为这个是个市场化的产品，有钱就可以买到，今天各家需求就是个数百吨的小量，这个确实没有问题。但是，当您需要万吨时（这是完全可能在今后10年内实现的），这个时候，碳纤维的性价比及规模保障能力，就可能成为气瓶企业最核心的竞争力。所以，提醒各家气瓶厂，要以战略合作伙伴的态度，与碳纤维企业深度、长期合作，尽早培养坚实的核心竞争力。
混配模成型应用市场
混配模成型（Molding&compound）严格讲，不是一个应用市场，而是对工艺的描述，但由于这些工艺横跨的应用多，所以，把它归类成一个应用，便于说明。混配（compound）是指非连续碳纤维增强塑料，主要包括短切增强和LFT。玻纤D-LFT在汽车领域的广泛应用证明了这种复合材料形态的优势。模成型（Molding）主要是指片状模塑料Sheet Molding Compound-SMC，团状模塑料Bulk Molding Compound-BMC。由于回收碳纤维的加入，让这些非连续形态的，以及非连续形态加连续形态的混合结构，展现出一定的发展空间。
从事短切碳纤维增强塑料的，通常是改性塑料企业，比如SABIC、RTP、POLYONE、COMPTEX、POLYNT和广东金发科技等。他们通常是从碳纤维企业采购短切碳纤维，采用双螺杆混配造粒，然后在销售给应用单位做注塑成型。
从事碳纤维片状模塑料的企业主要有：美国QUANTUM、MAGANA、Ashland、Continental Structural Plastics和德国MENZOLIT等企业。对比与传统的玻纤SMC、碳纤维SMC的浸润性受丝束大小的影响较大，而浸润性的好坏与力学性能相关联，目前的碳纤维SMC还没有实现其该有的力学性能优势。
总体上讲，这个领域的技术主要借鉴于玻璃纤维复合材料，其重大优点是高效低成本的成型工艺（主要是注塑与模压）。碳纤维与玻璃纤维有较多的不同，还需要研发更新的技术，去充分展现碳纤维的更优的力学性能，否则很难在性价比上与同类的玻纤复材竞争。这个领域，存在着产业链重整的重大机遇与挑战。
建筑应用市场
建筑市场包含广义上的工业民用建筑、道路桥梁、水库大坝、围堰码头等结构设施。碳纤维复合材料在基础设施的应用中包含：既有建筑及桥梁结构的加固补强、管廊设施的维修养护、新建建筑的部分构件、桥梁缆索、桥面板等。上述应用市场中，有80%-90%的碳纤维用于建筑桥梁的补强。加固类碳纤维制品主要包括碳纤维布、碳纤维网格、碳纤维板以及碳纤维筋。
现阶段基础设施加固材料领域除福瑞斯、西卡、东丽等国外品牌，以上海悍马为代表的国产品牌正在快速崛起并已被国内外市场广泛认可。此外，一些老牌工程材料生产企业也从传统的钢制品、混凝土行业逐渐向碳纤维制品行业转型。这些新老企业向碳纤维行业的汇聚，极大地推动了碳纤维在此领域的发展和应用。
除作为加固材料出现在土木工程领域，在新建工程中碳纤维制品也逐渐崭露头角：
- 2020开始建设的常泰长江大桥，将采用“最大尺度碳纤维复合材料拉索”作为六个“桥梁之最”；
- 2020年3月，由法尔胜泓昇集团提供碳纤维拉索的三垛西桥整体吊装；
- 2020年8月，三亚国际体育产业园体育场项目索结构张拉提升工程施工全部完成，上下环索间、内环的交叉索均采用了碳纤维索，这是碳纤维材料在国内外首次应用于大跨度空间结构，实现了新材料应用的突破；
- 2020年10月，采用碳纤维拉索的兴华路跨徒骇河桥开始搭建；
- 2021年1月， 日本东京制钢株式会社旗下东京制纲国际公司（Tokyo Rope International）宣布，该公司自主研发的碳纤维复合材料缆绳（CFCC）被成功用于美国汉普顿港口公路桥隧道扩建工程。
碳碳复材应用市场
2020 年，碳碳复材的三大市场发展如下：
刹车盘市场：国际的主要企业是：法国的Messier-Bugatti 公司、美国的Honeywell 公司、B.F. Goodrich公司、Goodyer公司和英国的Dunlop公司。中国的飞机刹车盘主要有中航飞机股份有限公司西安制动分公司、博云新材、西安超码等厂商。该市场发展平稳。
航天部件：主要企业是国内航天的相关院所，碳碳复合材料以其优异的性能成为大型固体火箭喉衬、发动机的喷管、扩散段、端头帽等的首选材料。该市场发展平稳。
热场部件：受“碳达峰、碳中和”政策刺激，单晶硅炉订单暴涨，单晶硅炉内，主要有碳毡功能材料和坩埚、保温桶、护盘等碳碳复材结构材料：国际企业是德国的SGL公司，日本的东海碳素公司等；国内从事碳碳复合热场材料的单位包括湖南金博碳素、中天火箭、西安超码、航天睿特、博云新材、中南大学、南方搏云等。预制体是碳碳复材重要的制造环节，国内的主要企业是：中材科技南京玻璃纤维研究院、江苏天鸟高新技术有限公司、天津工业大学复合材料研究所、宜兴市飞舟高新科技材料有限公司。
2020最大的热点是光伏热场部件的超高速增长，光伏龙头企业有隆基、晶科、中环、晶胜机电、晶澳等，对单晶硅炉均有海量的需求。据国内预制体龙头企业，江苏天鸟缪云良总经理介绍：国内市场2020年增长了100%以上，整个行业处于严重供不应求状态。
电子电气应用市场
2020年，电子电气领域，市场在平稳增长。
首先是功能性应用领域：短切碳纤维增强塑料具有防静电、电磁屏蔽等功能在复印机、打印机、数码相机、数据传输电缆接头等产品早已经有成熟应用，对比其他的如炭黑、金属等类似材料，碳纤维增强塑料的成本降低，会带来这个市场的稳定扩展。
力学增强方面：主要的产品形态有长碳纤维增强塑料（LFT）和连续碳纤维增强材料。LFT其实是一个介于短切与连续之间、兼顾了成本与性能的一个很有前景的产品形态，然后，热塑界面的问题，如何在塑料中保持较长的长度及均匀分散问题，这些技术障碍阻碍了这个产品的更广阔的应用。连续碳纤维增强材料，主要是用于轻薄笔记本的壳体，其中有经典工艺的热固壳体，也有热塑壳体。
2020年，行业主要新闻是：“联想正式发布了YOGA Pro 13s Carbon 2021轻薄笔记本，机身采用了碳纤维和镁铝合金材质打造，重量仅966克”：“VAIO 与东丽合作打造世界首款立体成型碳纤维机身笔记本电脑，重量低至约958g，还能承受127cm的高度跌落，兼顾刚性及轻量化”。消费电子的轻薄化是长期的追求。
2020年，液晶平板显示器生产过程的机器人的轻量化在继续深化，越来越多的机器人部件批量使用碳纤维。
对于几乎所有电子电气行业（包括电池）来说，热管理是个头疼的事，其中主要是芯片与高功率器件的散热问题，这其中的传统解决方式铝合金、铜箔、石墨板、热管效应、冷水板等；新型的热管理主要是人工石墨化纸，比如PI膜的石墨化。2020年，美国KULR Technology Group宣称：他们将碳纤维制备成绒（微纤维平行排列），借助微纤维的较大的散热面积，成为新型的热管理技术，据称：这是他们与NASA成熟应用于航天的热管理技术，现在正在电池与电子电气推广应用。
船舶应用市场
目前，船舶领域对碳纤维的需求主要是：竞赛类船舶、超豪华游艇、高速客船及军事用途的船舶。多年来，除了竞赛类船舶，不断追求复合材料新工艺及新技术，其他船舶的发展缺乏热点。
2020年的新冠疫情非但没有影响船舶市场，反而船舶市场的增长创造了新高（美国国家船舶制造商协会报告统计数据）。其中，水翼船是个发展热点，而其中的水翼通常是碳纤维复合材料制成的。
除了上述典型的船舶，我们再次强调“漂浮式风电”中所涉及的海工装备及材料的创新。深海油田非常受国际石油价格的影响。而海上风电的前景是明确的，也必然会走向深海，这需要借鉴深海油田的现有技术，去大力开发碳纤维复合材料在其中的应用技术。
电缆芯应用市场
2020年，我们统计的全球需求是1,000吨，对比2019有所下滑。
2020年，CTC Global推出了CTC Global宣布ACCC InfoCore™系统和首次商业部署。该系统可快速、准确地确保ACCC® Conductor的正确安装。
2019年12月10日上午“内蒙古锡盟—山东”特高压配套工程-大唐锡林浩特电厂1000千伏送出线路，正式并网投运。这也是目前世界上首条全线路应用碳纤维复合导线的特高压工程。这是中复碳芯电缆科技公司制作的。
2020年国内外电缆芯市场比较平静，国际上只有少数几条新建电网线路采用了复合材料电缆芯，而国内电网只是给出了几个省级电网的改造订单。
采用类似工艺的碳纤维复合材料拉索，2020年有巨大的进步。除了上述建筑应用市场的介绍，本章也希望多一些介绍拉索。
除了上述的常泰长江大桥、海南三亚体育馆，国内还有数个大桥的设计规划中，安排了碳纤维复合材料拉索，比如山东聊城兴华路徒骇河大桥等。早在2005年，东南大学吕志涛院士等主持设计和修建了国内第一座碳纤维复材索斜拉桥，中冶建筑研究总院岳清瑞院士团队及清华大学冯鹏教授课题组对这个领域有多年的研究与工程实践。总体而言，无论是比强度、疲劳寿命及耐腐蚀性，碳纤维复合材料拉索比钢索均有巨大的优势，但碳纤维复合材料的横向性能较弱，导致了锚固的难题。利用碳纤维本身的高强度来形成锚固，索锚一体化碳纤维复材应该是解决这个问题的好思路。中复碳芯也是索锚积极开发者。
其他应用市场
轨道交通
2020年9月，川崎重工向日本四国旅客铁道公司（以下称JR四国）交付了4台采用碳纤维增强树脂基复合材料弹簧的铁道车辆转向架；2021年1月，首台具有完全自主知识产权的高温超导高速磁浮工程化样车及试验线在西南交通大学九里校区正式启用，样车采用全碳纤维轻量化车体、低阻力头型，整体重量达12吨左右，悬浮高度10毫米左右。
在发展轨道交通复合材料方面，中国有着世界其他国家不可比拟的综合优势，主要的短板还是产业链中低成本碳纤维的供给以及系统研发能力。这其中，既有轨交体系的应用技术的问题，也有复合材料领域的创新工艺的问题。可喜的是，2020年，轨交体系与复合材料体系的联合研发越来越密切，这个研发联合体的力量会越来越强大，轨交体系也正在酝酿自身的复合材料科研体系。
从碳纤维产业的发展来讲，今后3-5年，是低成本大丝束碳纤维发展的黄金年份，数万吨的碳纤维的产能将供应市场，轨道交通与相关的碳纤维及复合材料企业如在此基础上加大研发与工程实践的力度，我想这会给上述两个行业构建一个无比美好的前景。
碳纤维功能材料
碳纤维的主要功能性应用，除了传统的阻燃材料：预氧丝、预氧毡，还有传统的热场材料：碳毡、石墨硬软毡、电热毯；还有传统的防静电、电磁屏蔽材料：短切碳纤维、磨粉增强塑料等等。
新型的碳纤维功能材料，主要有：
燃料电池的气态扩散层（GDL）；液流电池的电极材料的碳毡（石墨毡）；替代铅酸电池的铅板电极的碳毡板；替代锂离子电池的能量密度的多微孔碳纤维材料；预氧毡+二氧化硅气凝胶制备的阻燃、静音、疏水、保温的多功能材料，可用于电动车电池之间的隔离、可用于各类技能或功能建筑、也可用于潜艇、坦克等的静音……
碳纤维功能化的主要趋势是：在碳纤维这个微米尺度上的纳米化，这包括了碳纤维单丝上生长碳纳米管，碳纳米纤维，在碳纤维的单丝中形成纳米孔隙等。这是一个纳米物质宏观化的优良途径！碳纤维的功能应用前景极其广阔，理应引起国内各种研究机构的高度重视。
07
观察与思考
世界碳纤维的版图
通过看上述世界碳纤维的版图，我们可以得出如下几个结论：
传统七大碳纤维巨头 （其中卓尔泰克被东丽收购，变成六大巨头），已经基本完成国际产业基地的布局，尤其是东丽公司，数十年时间，在日本、韩国、美国、法国、匈牙利、墨西哥完成大小丝束的布局；这些巨头无论是制备技术与成本上、以及应用技术及生态上，依然主导着全球碳纤维。某些企业在某个纤维的某个指标超过东丽，就开始要“力压与赶超”东丽了，这是典型的不知天高地厚的狂想症患者，需要多睁眼看看世界！
新兴经济体的碳纤维在迅速赶超中，主要是中国大陆、中国台湾、韩国、土耳其及俄罗斯。除此之外，印度、巴西及沙特等国蠢蠢欲动。所有新兴国家中，显然中国大陆与土耳其具备大发展的重要潜力，而综合技术、装备及应用生态等因素，中国大陆企业是主力军。台塑本是一家历史悠久的优秀碳纤维公司，然而近十年技术没有明显的进步，一直亏损中，前几年关闭了其腈纶装置，失去了发展低成本碳纤维的基础，让人扼腕痛惜！
碳纤维不同于常规的化纤产品，无论是制备技术复杂程度、产业链的技术复杂性、还是应用技术开发及生态的构建难度。企图用承接发达国家的产业转移来发展碳纤维，起码今后20年时间是不现实的。新兴国家的碳纤维如何去赶超发达国家巨头？这就成为我们本次的思考重点。
应用市场发展的总体趋势
碳纤维的应用曾经是以航空航天为主驱动的，这些年，已经变成了航空航天驱动与工业用驱动的双引擎驱动模式。这对全世界碳纤维的产业格局已经形成了深刻的变化。就在短短的几年前，大丝束碳纤维企业还在为生存而挣扎，这两年，大丝束成了市场的香饽饽。这类企业不光成长迅速 （比如卓尔泰克的一万吨产能的扩建仅仅用了三年不到的时间，依然供不应求），而且效益也很好，另外由于较低成本，它具有吞噬部分传统小丝束市场的能力，比如国际上已经开始用大丝束缠绕大型气瓶，提升缠绕效率；国内不少厂家采用大丝束制造低成本预浸料。
纵观全球的应用市场发展趋势，我们是可以得到如下几个明确的方向的：
受疫情重挫的航空航天市场依然生命力旺盛
航空航天市场中的民用航空市场，需要起码三年才可能恢复到2019年的应用数量，如何在三年内处理民用航空不能消化的产能？是个头疼的事。当然，复苏之后，加上单通道飞机广泛采用碳纤维，会对这个市场有激增的作用，很可能会出现供不应求的局面。疫情之前，东邦与赫氏均看好航天航天市场的前景，均安排了在美国的巨大扩产投资，这两年，扩产建设的进度有所延缓。如果实力允许，冬天的投入就是为了迎接春天。
风电对碳纤维的剧烈需求将导致碳纤维行业剧变
“风电北京宣言”中已经有了具体的规划，如果按此规划执行，我们预测，到2030，风电市场预计需要19万-20万吨碳纤维，而当前全球需求不过是3万吨。对于这个市场，参与的碳纤维企业的基本产能需要1万吨，并具备每2-3年增加1万吨产能的能力。这个令人炫目的机会面前，我们也要保持冷静，到底全球有哪些企业有资格参与其中的竞争？到底哪些企业能从其中获利？谁会成为这个厮杀过程中的烈士？后面，我们会作出详细的分析。牢记两点：这个市场就能培养出国际排名前列的碳纤维巨头企业；这个市场将驱动碳纤维行业进行一场轰轰烈烈的低成本技术革命。
氢气瓶蓄势待发，将推动碳纤维产业进入新的高度
我们综合阅读了如下的产业规划：
- 2016年工信部《节能与新能源汽车技术路线图》：2020年实现5000辆级规模，2025年实现5万辆规模，2030年实现百万辆；
- 2017年日本经济产业省发布了《氢能基本战略》，2020年累计实现4万辆保有量，2025年累计实现20万辆保有量，2030年实现80万辆保有量；
- 2019年FCHJU发布“欧洲氢能路线图”。2025年实现30万年销量目标，2030年130万辆；
- 2019年美国燃料电池和氢能协会发布《美国氢能经济路线图》：2022年达到50,000辆，2025年达到200,000辆，2030年，在美国道路上有530万辆（十年发展的保有量）；
- 2019年韩国《氢能经济活性化路线图》：2019年普及4000辆，到 2022年普及8.1万辆，2030 年普及180万辆；
通过对这些规划的汇总，结论是：2025年，全球燃料电池汽车预计销售100万台；到2030年，全球燃料电池汽车大约300-400万台。相应的碳纤维需求量：到2030年，为18万吨。
氢气瓶到底需要怎样的碳纤维？首先，能上批量的任何零部件，都必须做到最低成本，这是汽车行业的规律决定的。否则，他的燃料电池汽车就不能与燃油车或电动汽车竞争，就不可能有规模量产。前面提到：美国能源部的技术路线图：氢气瓶储氢成本需要从现在的15美元/度，降低到8美元/度，换算成碳纤维成本，价格大约12.6美元/公斤。这个价格，就今天的技术水平，可能也只有卓尔泰克的大丝束碳纤维成本能基本满足，性能呢？东丽前两年推出的T720-36K是一个很好的尝试，如何结合高性能+低成本，或者说如何结合小丝束与大丝束的各自优势，这将把国际碳纤维产业推向一个新的发展高度！这是整个国际碳纤维行业面临的重大挑战，也是重大发展机遇！
汽车及轨道交通会从碳纤维低成本技术革命中受益
除了上述风电与氢气瓶两个应用明星，汽车复材的人是很不服气的，我们与你们碳纤维产业相伴多年，从你们昂贵的小丝束，用到大丝束，当你们低成本来临的时候，怎么就去伺候风电了，把我们给忘了，其实轨道交通的朋友也会如此抱怨。碳纤维行业说：我们做成拉挤板，就直接用在风电上了，你们汽车与轨道交通的后续复合材料工艺多，应用技术难度太大了，需要你们研发出类似“拉挤板”风电的应用技术。汽车与轨道交通说，你们之前没有低成本碳纤维的规模生产，我们也不敢投入研发的。碳纤维产业说：好吧，我明确告诉你，现在就立即投入吧，再晚就挤不上二路公共汽车了。汽车与轨道交通对碳纤维的需求，我们保守估计到2030年是9万-10万吨。这儿的重大挑战是：低成本复合材料工艺的创造。
不要忽略碳纤维功能材料的潜在巨大市场
除了上述的结构性的应用，碳纤维还有诸多功能性应用，如传统的静电、电池屏蔽、热场材料、耐烧蚀材料…… 在“碳达峰、碳中和”政策下，另一个明星-光伏产业的单晶硅炉需要的碳碳复材和碳毡等热场材料即将供不应求；燃料电池的核心材料之一是碳纸为基础的气态扩散层GDL，如果按照2030年的300万台燃料电池汽车来估算，大约需要1.5万吨，数量不如风电及氢气瓶庞大，但技术密集度高，价值斐然；预氧丝是非常卓越的阻燃材料，在低成本技术革命洗礼之后，会有相当广阔的市场空间；碳毡的功能性应用，比如液流电池、铅酸电池的碳极板，将推动现有储能技术的提升。这个市场，我们保守估计：到2030年，总体有5万-6万吨的需求。
图片来源：集合网络、东丽、卓尔泰克、ARCACTIVE等图片的综合绘制
到2030年，航空航天市场：8万-10万吨；风电：19万-20万吨；氢气瓶及CNG气瓶：18万吨；汽车+轨道交通：9-10吨，功能材料：5万-6万吨。所以，我们的结论是：今后10年，从商业上，碳纤维的应用主驱动是工业，辅驱动是航空航天；从技术发展上，碳纤维依然是航空航天及工业的双驱动模式，各自驱动的产品规格各有特色！
碳纤维产业的变化趋势
应用市场的变化，会对整个碳纤维产业发生深刻的影响，首先，我们盘点一下全世界目前的碳纤维厂家的业务模式及发展潜能。
产业第二群落—完全的大丝束企业，这些企业的装置基本不能高效地生产小丝束纤维，关键是性价比很难与第一群落竞争，除非建设新的生产装置。他们的重要特点是：在目前的技术水平中，纤维的成本可做到最低，尤其是原丝的成本。
产业第三个群落—有能力或潜力兼顾大小丝束的企业。比如东邦与三菱，均具备较高水平的大小丝束的能力，至于大批量制备大丝束的潜力，他们不一定具备。目前，国内具有大丝束全套技术的企业仅有蓝星一家，尽管技术上还有较大的发展空间，发展潜力也有一定局限。另外两家具有较大潜力进入大丝束领域的是上海石化及吉林化纤。
腈纶工艺基础是发展大丝束碳纤维的潜力的重要评价指标，除非技术有飞跃发展，没有强大的腈纶工业基础，就没有发展大丝束碳纤维的基础。盘点一下世界范围的腈纶基础：
既有腈纶基础，又有多年原丝技术与积累的企业如下：
- 中国吉林化纤集团，拥有38万吨腈纶，有超过10年的批量制造原丝的经验；
- 土耳其DowAksa，AKSA集团拥有31万吨的腈纶，DowAksa有近10年原丝经验；
- 中石化上海石化，16万吨的腈纶，超过10年的原丝经验；
- 东丽旗下的卓尔泰克，在墨西哥与匈牙利拥有9.1万吨腈纶装置，已经基本改造成原丝装置了；
- 德国西格里集团，一直苦于没有自己的原丝系统，一直与三菱合作，之前与德国DOLAN腈纶公司合作开发原丝，不成功，后收购葡萄牙FISIPE（5.5万吨腈纶），几年下来，成效似乎不大。
- 三菱集团，一直在关闭腈纶生产装置，目前只剩下4万吨产能，大丝束原丝能力很强，一直给SGL有大批量供应。
上述具有腈纶基础的碳纤维企业，如果从碳化技术及装备自主化的角度看，吉林化纤集团通过与精功碳纤维的合作，基本掌握了小丝束碳化技术，并大量采购国产装备；土耳其通过碳化装备与欧美的合作，基本掌握了碳化技术，将来，昂贵的进口设备会成为他们发展的短板，他们需要考虑装备的自主化；上海石化正在开展大丝束碳化设备的国产化攻关，有望在1-2年内形成自主可控的、全线国产化的大丝束碳化技术与能力，这个积累毫无疑问是沉甸甸的，对未来有深远影响的；卓尔泰克的碳化设备基本自产，但技术与装备水平很一般，相信东丽会做出较多的技术支持；西格里的碳化技术是一流水平的，然而几乎所有的设备均是从欧美日采购的，然而原丝是其短板；三菱的大丝束原丝与碳化技术均是一流水平，但太多腈纶装置因为亏损而关闭，会为他的大发展形成制约。
根据上面的应用市场的总体发展趋势，可以明确：风电、汽车、轨道交通及碳纤维功能性材料，主体上是大丝束以及巨丝束发展空间。粗略估计：2030可望达到35万吨的规模，这起码需要70万吨的原丝；氢气瓶及CNG气瓶市场，一定是小丝束与大丝束技术的融合发展而形成的新的高强度+低成本的品种， 气瓶的关键成本是碳纤维成本，性能低、厚度就要多，用的纤维重量就大，成本就要更低一些。反之，成本可以用一定性能来弥补。所以，前期，无论是T700-12K、T800-24K,还是T720-36K，这些品种均不能全面满足规模气瓶制造的成本要求。当然美好的设想是：40-100K，拉伸强度4.9GPa (T700)或以上性能，用大规模、低成本的大丝束基础去发展高性能可能是路径之一。该市场到2030年大约需要18万吨碳纤维，36万吨原丝。这些工业用碳纤维的原丝总需求量为106万吨，而上述与碳纤维有关联的腈纶总产能102.5万吨。前段时间，又传来德国唯一的腈纶企业DRALON准备关闭部分产能的新闻。在发达国家，原料有毒性、不盈利的腈纶产业很难保留了。在国际现有的碳纤维技术发展水平上，新兴国家可能需要去珍惜现有的腈纶装置，并发展出一套高效整改腈纶装置到原丝的系统化技术。
我们希望来回答第一章提出的问题：“新兴国家的碳纤维如何去赶超发达国家？”这应该是一条利用已有工业基础及不断精进的原丝技术与经验、完全自主可控的碳化技术及装备，以形成低成本碳纤维技术体系，满足正在爆发的工业级碳纤维的需求，成为世界碳纤维产业重要的风景线，与小丝束碳纤维一起，为全球的各种应用用户提供更全谱系的产品。这才是这个伟大材料本应为人类作出的贡献：既可“九天揽月，五洋捉鳖”，又可“飞进平常百姓家”。
目前世界产能排名前十情况是：传统6巨头、台塑、碳谷+宝旌、中复神鹰及恒神。1万吨产能的企业只有5家。而这5家中，除了东丽集团，其他厂家并无庞大的扩产计划。而中国方面，上榜的（碳谷+宝旌）有3万吨扩产计划，中复神鹰有1.8万吨的扩产计划；没有上榜的，比如吉林化纤总体6万吨扩产计划，上海石化有1.2万吨扩产计划，光威有1万吨扩产计划，我们可以预测：3-5年内，全球产能排名会有剧烈的变化，能进入世界前十名的起码需要万吨以上产能，中国厂家预计有5家企业入围前十名。全中国的碳纤维产能有望超过世界产能的50%，成为最大生产国！
加强中国碳化技术及装备的自主可控与发展
通过上述应用趋势的分析，今后十年，市场需求是旺盛的，通过产业的分析，中国依然拥有强大的腈纶工业基础，以吉林化纤和上海石化为代表的腈纶企业也基本掌握了规模原丝制备的成套技术，且各具特色与优势。下一步的工作重心，就是腈纶与原丝的融并发展，形成一套高效改造系统技术，伺机并购与扩大版图！
对比原丝，碳化方面需要做的工作是更多的，尤其是大丝束碳化的成套技术上。目前，整个中国，除了蓝星在之前的小丝束体系上的改造，具备了基本的大丝束技术体系，其他厂家均是典型的小丝束技术，尽管有些厂家把24K做成了25K。上海石化正在建设大丝束技术体系，这应该是系统完备的、先进的大丝束技术体系。
技术与装备自主可控，这不光是“卡脖子”的问题（这已经是愈来愈严重的问题），我们更多地是从技术发展本身的规律上去思考的。十多年的中国碳纤维产业的发展，我们发现一条规律，在技术及装备上下大工夫的企业，效益就越早体现和高效益，比如光威复材，太钢钢科、中复神鹰、中简科技等。反之，不差钱、动辄就进口设备的，反而发展的缓慢，甚至倒闭，最典型的代表是东北某家企业，全套欧洲的原丝碳化装备，进口十多年，到现在还没有开箱。
绝大部分欧美装备厂家，其实对碳纤维的工艺、生产与维护的理解并不深入。因为在他们与欧美专业碳纤维公司的业务合作中，鉴于对技术的保密，这些碳纤维公司只是对设备方提出了很基本的要求，炉子到碳纤维厂家后，碳纤维厂家通常会根据自己的技术与经验对炉子做一定的改造工作，这些反而是技术的核心。所以，我们经常看到一个奇怪的现象，一些欧美厂家的设备，几十年都是一个设计，极少有改进，也极少有高价值的专利产生。这并不代表，国际碳纤维巨头自身没有做技术进步与改进，反之，他们在不停地进步。只是不愿意让设备厂家知道而推而广之，扩散技术秘密。
另外，国内碳纤维厂家，通过多年使用欧美设备，也发现了大量的工艺适配性的问题，有些问题，对设备厂家提出了解决建议，但改造的周期长，成本高，最后很多只能自行改造，久病成良医，自己成为了设备专家。对于碳纤维厂家，从历史上看，扩产的机会并不多，也很难养一个专业的装备团队，来应付一个几年才有的扩产机会。对企业是个不小的负担，另外，这样的团队也不一定很专业。
如何解决这个技术不外泄，同时又有专业的公司长期耕耘在装备领域中，我们认为：对于工艺关联度不很大的装备，比如放丝系统、操作平台、干燥、驱动系统、卷绕机及焚烧炉，可以全行业共同来支持数家国内专业企业的开发工作，根据技术的先进性择优选择；对于工艺关联度大的装备，比如氧化炉、碳化炉、表面处理、上浆及中央电控系统等，应该采用技术结盟的方式来发展，该联盟应包括技术基础研究、工艺、装备、工程及应用等专业公司；这样的机制，不光对碳纤维厂家的工艺技术保密，同时，让基础研究更具实用价值，让装备开发厂家认真做事，不投机取巧。另外，当这些技术联盟形成之后，社会上一些从开头就能看到失败的结局的狂热投资也会得到一定的抑制。
加强有技术含量的知识产权的建设，全行业要尊重知识产权。肆意抄袭是当今社会的巨大问题，在我们碳纤维领域也广泛存在。一个专利的装备技术，与碳纤维厂家交流几次，就成了他的技术，明目张胆地在自己工厂使用，缺乏基本的廉耻感。知识产权保护制度，有其历史问题，但今天，在碳纤维领域，通过多年的摸爬滚打，我们完全有信心构建自主的知识产权体系。所以，严格执行国家相关法律是完全可行的，严厉打击盗窃行为，更有利于行业的健康发展。
复合材料工艺及应用技术发展方向
除了低成本的碳纤维需求，前面提到的爆发增长的应用市场，对复合材料工艺及应用技术的发展也有新的要求。其核心是：发展从碳纤维-树脂-复合材料工艺-应用技术的低成本产业链。只有这个产业链的健康发展，才能让前面提到的应用前景落到实处。
吸取航空航天复材的核心精华，不受工艺思维的局限
航空航天是当今碳纤维复合材料的经典工艺，很多其他应用多多少少均是从其中演变而来，其核心精华是对性能与品质的控制思想，其中既有“积木式”验证体系，也有各工序的严格工艺及检测手段。这不代表，所有的复合材料都要遵循从碳纤维-预浸料-铺放-热压罐致密化与固化-机加-装配等复杂工艺。反之对于工业应用，必须去追求“大道至简”或者“正道至简”的新的工艺方法及应用技术，否则，碳纤维即使价格为零，做成的复合材料构件也会因为昂贵，很难在工业领域规模应用。所以，做规模工业应用，如果你脑子里涌现的还是航空复材经典工艺，从开始，你就已经失败了。其实，人类经常犯这样的错误而不自知，最开始的风电叶片，就是借鉴了航空的预浸料铺放工艺，居然还有人试图采用航空的自动铺放工艺，这么长的叶片、就孔隙率的控制就成为几乎不可解的难题了。
复材工艺有其自身特点，不要企图用结构复杂性设计来弥补材料性能
其中最典型的例子是汽车工业。我们看到汽车计划的所有零件，没有一个是规整的。每个钣金件上，筋条增强、镂空减重，把一块普通的钢板，通过复杂的结构设计，将结构性能做到极致了。这当然是汽车结构工程师水平高的表现。然而，如果让复合材料也按此复杂的形状去制备，就给了复材人天大的难题，加强筋怎么铺放？镂空的孔把纤维切断，性能下降，大量的昂贵材料因为复杂形状，被浪费了30-40%。这个针对金属钣金材料的思路，基本要把复材人逼疯。复合材料自身的力学性能非常优秀，尤其确定方向的负荷情况下，这是现在通用的汽车钢板完全不能比拟的。我们有自身的结构强化设计，就是在负荷方向上安排更多的纤维及排列方向，开始就把不承力的部位空着，不用来切断它，也不用给他设计螺栓或铆接点，它可以与周边零件做成一体。复材的初始状态是一维的纤维，有很多工艺可以让它成为立体件，不要动辄就先把它变成一块类似钢板，它完全可以不通过板子就直接成为三维结构。近几年，窃认为，汽车上用的较为成功的案例是2020年雪佛兰的弧形拉挤管，作为结构和防撞梁。其他太多的应用，都是思维局限在汽车中的冥想。用碳纤维去替代汽车系统的某些零件的思维是没有多少意义的，因为零件与周边的关联太多。只有从总体构思与设计开始，与复合材料结构设计人员共同参与，要随时拒绝金属加工惯性思维，才可能打造一台真正轻量化且成本可控的新型碳汽车。
其中最典型的例子是汽车工业。我们看到汽车计划的所有零件，没有一个是规整的。每个钣金件上，筋条增强、镂空减重，把一块普通的钢板，通过复杂的结构设计，将结构性能做到极致了。这当然是汽车结构工程师水平高的表现。然而，如果让复合材料也按此复杂的形状去制备，就给了复材人天大的难题，加强筋怎么铺放？镂空的孔把纤维切断，性能下降，大量的昂贵材料因为复杂形状，被浪费了30-40%。这个针对金属钣金材料的思路，基本要把复材人逼疯。复合材料自身的力学性能非常优秀，尤其确定方向的负荷情况下，这是现在通用的汽车钢板完全不能比拟的。我们有自身的结构强化设计，就是在负荷方向上安排更多的纤维及排列方向，开始就把不承力的部位空着，不用来切断它，也不用给他设计螺栓或铆接点，它可以与周边零件做成一体。复材的初始状态是一维的纤维，有很多工艺可以让它成为立体件，不要动辄就先把它变成一块类似钢板，它完全可以不通过板子就直接成为三维结构。近几年，窃认为，汽车上用的较为成功的案例是2020年雪佛兰的弧形拉挤管，作为结构和防撞梁。其他太多的应用，都是思维局限在汽车中的冥想。用碳纤维去替代汽车系统的某些零件的思维是没有多少意义的，因为零件与周边的关联太多。只有从总体构思与设计开始，与复合材料结构设计人员共同参与，要随时拒绝金属加工惯性思维，才可能打造一台真正轻量化且成本可控的新型碳汽车。
至简的思想不光覆盖产业链，更需要从碳纤维生产开始
我们从事碳纤维的卷绕机与放丝架的工作，其中有个时常遇到的问题，我们内部称之为“往复祸害”，碳纤维是通过精密交错卷绕的方式收卷的，任何应用就必须先放卷，放卷的过程中，丝束在纱锭上往复行走，这对后续的所有工艺，均是一种“祸害”，比如拉挤板成型，纤维在其中并非直线的，而是类似于辫子的形状，比如预浸料制备过程中的分丝梳上的毛丝与毛团，间隙，叠丝；比如丝束预浸带的丝宽变化；均是源于这个“往复祸害”，纱锭的往复行为是会一直传递到下游的，不管你是否用了瓷眼或分丝梳限制这个行为。再看碳化线上，出来的每根丝，几乎都是同样丝宽，平平整整的。这儿的丝束状态，显然没有经历收卷与放卷过程的伤丝，力学性能是最好的状态。复合材料的起始端为什么必须从碳纤维纱锭开始呢？当然可以提前到碳化线上。这样，起码可以节约卷绕、纱锭包装与放卷的成本。
我们可以继续延伸，从碳化线出来的整整齐齐的纤维，为什么就不可能成为复合材料，甚至三维结构呢？可能的答案是，之前的单一应用太小了，一条碳化线要覆盖多个应用。今天，就风电用碳纤维，需要3万吨，其中大部分是通过拉挤板进入风电叶片的。这就相当于全球，起码有10条2000吨年产能的碳化线在为拉挤板服务。我想，是应该可以定制“风电拉挤板碳化生产线”了。而且，一次还需要起码5条线，没有基础的1万吨产能，风电厂家会嫌弃你规模太小。
风电碳化线之后，是否还应该有气瓶碳化线？汽车碳化线？轨道交通碳化线？这些都是规模化的市场。我想，这可能是未来世界碳纤维产业的一个场景吧。当碳纤维生产与复合材料产业链高度“至简”时，整个产业链的成本很可能对比今天，是数倍的下降空间。这显然是各个应用领域热烈欢迎的场景。
碳纤维的回收与再利用
本章节是与上海交大杨斌教授的合作完成的，希望这是一次有益的尝试，随着碳纤维行业的迅速扩大，我们希望与行业专家合作来打造这份报告。碳纤维尚有两大“回收”难题，第一是碳纤维制备过程中，几乎50%的原丝质量变成了有害气体并需要昂贵的空气净化处理，这些气态物质如何回收再利用；第二个便是碳纤维复合材料的回收与再利用。
碳纤维产业蓬勃发展, 已经形成规模的回收市场
从原材料到合格产品，碳纤维复合材料制品在生产制造过程中产生大量废弃物，包括干纤维/织物、固化/未固化预浸料、复合材料件的裁边料、不合格件、测试件、切削边料以及装配报废料等。数据统计显示这些在生产制造过程中碳纤维的平均报废率全球为32.4%，我国为20~25%。报废率的差异主要受成型技术或应用领域的影响，传统的航空航天应用的热压罐、RTM成型的最高，约50%或以上；手工制作的体育用品领域的最低，约4~8%。新型的工业领域应用中，湿法模压的较高，30~50%；其次是拉挤碳杆、碳板（风电）等，成型和装配报废共计5~10%；压力容器用的缠绕成型最低，约2~3%。值得一提的是工业应用领域的这些数据一直在动态变化中，随着技术进步它们还在下降；工业领域的报废率虽然不高，但是报废总量很大。目前全球碳纤维复合材料废弃物主要以堆放或填埋处理为主。随着碳纤维在工业领域应用的发展、环保监管的严格化，使碳纤维回收成为刚需。
全球回收技术及供给情况
热解是目前唯一可行的工业化碳纤维复合材料回收技术。尝试开展化学溶解技术的研究很多，因受树脂选择性和废液处理高成本的限制，尚无工业化可能。全球具有碳纤维复合材料热解回收工业装置和能力的公司分别有ELG（2000吨/年）、日本CFRI（2000吨/年）、德国KarboNXT（2000吨/年）、美国碳转化（2000吨/年）、中国台湾永虹（88吨/年微波热解）、中国复源新材（1500吨/年）。复源新材是利用上海交通大学杨斌教授的技术于2019年在南通建成的回收工业装置，我国也从此有了第一家碳纤维回收公司。目前，复源新材的回收生产线已经顺利运行22个月，为国内50余家各个应用领域的碳纤维复合材料生产制造公司提供着CFRP回收服务，主要处理的都是制造边角废料，包括百吨以上碳纤维自行车轮圈/三角架、40多万根废钓鱼竿/球杆/球拍、20万件蔚来ES6的汽车件成型边角料、沃尔沃极星超跑汽车试验件/边角件、百吨以上压力容器罐、百吨以上拉挤碳板等。
再生碳纤维是一种新材料，其应用技术和市场亟待开发
目前全球一共有四家公司（ELG、KarboNXT、碳转化、复源新材）能够持续为市场提供三大类再生碳纤维产品，无纺毡、短切、粉。主要应用于增强材料或耐磨、保温、抗静电、导电、导热等功能材料。再生碳纤维的高性价比、低碳排优势，对汽车、电子电器、改性工程塑料、土木建筑等行业的应用具有巨大吸引力，尤其在全球倡导发展循环经济的当今。
然而再生碳纤维的大规模应用并没有开始，主要是三方面的原因，一是回收获得的再生碳纤维中，经常混杂大量其它纤维、金属、无机粉体等杂质，分离这些杂质需要额外的高成本，极大限制了再生碳纤维的推广应用。二是再生碳纤维是一种非连续的、蓬松、无浆形态，与连续成卷的新碳纤维大相径庭，因此不能在已有的新碳纤维的领域应用，必须开拓新的应用技术和市场，并借助跨行业的知识和技术。国外少有的几个规模化再生碳纤维的应用案例，都是经过了一个艰苦的联合创新技术开发过程才实现。三是再生碳纤维产品的标准化与稳定性问题，目前国内外都缺少标准，令很多大用户望而却步。
任重道远、需要全行业及全社会的大力支持
技术层面的课题包括：更高效低成本热解技术/其它创新回收技术；再生碳纤维表面无机微粉分离技术、再生碳纤维用热塑性上浆剂的开发、碳纤维无纺毡预浸料生产制造技术、碳纤维无纺毡增强热固性/热塑性复合材料的生产制造技术、再生碳纤维产品性能的质量控制和标准研究，碳纤维粉尘对人类和生态系统的影响、回收再利用技术的LCA评价等经济和环境评估等等。
碳纤维回收再利用刚刚开始跨出半步—— 只有规模化回收、还没有规模化再利用，属于还没有诞生、即将诞生，连“婴儿期”都不到，技术/装备/供应链/市场、标准/政策/管理/建体系/数据库等都几乎空白，除了从事回收再利用的企业要苦练内功、快速成长以外，更需要国家、行业组织及上下游企业（易回收设计制造、场内废弃物丢弃的有序管理等）多投入、引导和扶持。在大规模碳纤维工业品的制造报废品和在大规模寿命终了产品报废源源不断倾倒而来之前，要做的事很多，而留给我们的时间并不长，碳纤维回收再利用迫在眉睫。