來源：安信證券

1. 碳纖維需求總量判斷：全球市場穩(wěn)步增長，中國發(fā)展速度較快

近年來，全球碳纖維市場需求呈穩(wěn)步增長態(tài)勢。2019 年全球碳纖維需求 10.37 萬噸，據(jù)賽奧 碳纖維技術(shù)預(yù)測，未來 5 年碳纖維仍將保持約 13%的需求增速。

全球的碳纖維下游應(yīng)用主要是風(fēng)電葉片、航空航天、體育休閑和汽車四大領(lǐng)域，2019 年這四 個領(lǐng)域合計需求 75800 噸，占比高達(dá) 80.9%，需求價值 23.24 億美元，占比達(dá) 80.98%。

中國碳纖維市場近年快速增長，國產(chǎn)化率逐步提升。在 2017 年之前，國內(nèi)市場需求大多被 進(jìn)口纖維滿足，國產(chǎn)纖維在國內(nèi)市場的份額與貢獻(xiàn)很少，2017 年，國產(chǎn)纖維達(dá) 7400 噸，實 現(xiàn)巨大增長，增速為 105%。2019 年中國碳纖維的總需求為 37840 噸，對比 2018 年的 31000 噸，增長了 22%，其中，進(jìn)口量為 25840 噸（占總需求的 68%，比 2018 增長了 17.5%）， 國產(chǎn)纖維供應(yīng)量為 12000 噸（占總需求的 31.7%），國產(chǎn)纖維供應(yīng)增速為 22%。2019 年的增 長率少于 2018，其重要原因是供不應(yīng)求。據(jù)賽奧碳纖維技術(shù)預(yù)測，未來國產(chǎn)碳纖維需求有望 實現(xiàn) 30%的較高增速，高于全球（約 10-15%）的水平，樂觀估計在 2025 年前后，國產(chǎn)碳纖 維有望超過進(jìn)口。

國內(nèi)碳纖維仍主要為日本產(chǎn)品。當(dāng)前國內(nèi)碳纖維的需求主要由國內(nèi)、日本和中國臺灣滿足。從直接數(shù)據(jù)來看，國產(chǎn)碳纖維是國內(nèi)碳纖維的最大供應(yīng)方，但實際上，日系產(chǎn)品仍是國內(nèi)碳 纖維需求的最大來源，因為從韓國進(jìn)口的碳纖維主要來自于東麗在韓國的子公司東麗（韓 國），此外，被東麗收購的 ZOLTEK 在墨西哥、匈牙利和美國生產(chǎn)的產(chǎn)品也可歸為日系產(chǎn)品。從碳纖維的市場需求量來看，國產(chǎn)碳纖維已逐漸向日本產(chǎn)品靠攏，但在價值上仍有較大的差 距。2019 年國內(nèi)碳纖維最主要的使用領(lǐng)域是風(fēng)葉電片，是行業(yè)超高增長的主要驅(qū)動者。大陸和 臺灣的體育休閑領(lǐng)域合計也占據(jù)了總應(yīng)用需求的半壁江山。

2019 年風(fēng)電消耗 13,800 噸碳纖 維，較 2108 年的 8,000 噸增加 72.5%。2019 年用于風(fēng)電的國產(chǎn)碳纖維大約有 1,000 噸，而 2018 年是全部進(jìn)口。顯然，這幾年跳躍式增長的風(fēng)電葉片用量（2017：3,060 噸，2018：8,000 噸，2019：13,800 噸），給國內(nèi)碳纖維企業(yè)帶來了難得的發(fā)展機(jī)遇。

根據(jù)我們對各個細(xì)分市場的掃描式分析，2019 年全球碳纖維市場由風(fēng)電領(lǐng)域及航空航天領(lǐng) 域提供主要需求增量，這主要依賴于 Vestas 碳纖維風(fēng)電機(jī)組市場的快速拓展、民航交付量 的大幅提升、以及我國航空航天裝備的升級和放量，未來這兩個領(lǐng)域仍有望維持較高增長。長期來看，汽車輕量化及氫燃料電池發(fā)展帶來的碳纖維市場空間巨大，隨著成本方面及應(yīng)用 方面問題的突破解決，碳纖維需求有望爆發(fā)增長。下文，我們將分別對各個應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行較 詳細(xì)的分析。

2. 風(fēng)電葉片領(lǐng)域：大尺寸化拉動碳纖維需求

2.1. 低風(fēng)速風(fēng)場和海上風(fēng)電共同推進(jìn)葉片大型化發(fā)展

風(fēng)能作為一種最具成本優(yōu)勢的可再生能源近 10 年來在世界范圍內(nèi)取得了飛速發(fā)展，據(jù)世界 風(fēng)能協(xié)會（WWEA）發(fā)布的最新新聞數(shù)據(jù)顯示，截止 2019 年全球風(fēng)電裝機(jī)總量達(dá) 650GW， 較 2018 年增長 10%，其中，中國裝機(jī)數(shù)量高居榜首——超過 200GW。2019 年全球新增風(fēng) 電裝機(jī)容量為 60GW，較 2018 年增長 19%。根據(jù) GWEC 預(yù)測，2020 年至 2022 年新增風(fēng) 電裝機(jī)容量將按 9%的年增長率遞增。

為了能在有限的土地面積上實現(xiàn)大規(guī)模發(fā)電，提高風(fēng)力發(fā)電效率，葉片需要往大型化的方向 發(fā)展。但葉片長度增加會導(dǎo)致葉根受到的荷載增加，使葉根疲勞失效，還會使風(fēng)輪在擺動方 向受到較大荷載，導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)變形。葉片重量增加導(dǎo)致的荷載上升會增加主梁帽層間失效的風(fēng) 險，若重量的增加大于剛度增加，葉片還易發(fā)生共振，破壞結(jié)構(gòu)。因此隨著葉片的大型化， 使用高剛性、高比強(qiáng)度、高比拉伸模量的材料制造決定葉片剛性的主梁非常必要。傳統(tǒng)的葉 片制造材料玻璃纖維復(fù)合材料無法滿足這些要求，而碳纖維復(fù)合材料密度更低、強(qiáng)度更高， 是風(fēng)電葉片大型化、輕量化的首選材料。

出于成本考慮，碳纖維復(fù)合材料在葉片制造中主要用于梁帽、葉根、葉尖和蒙皮等關(guān)鍵部位， 其中最主要的應(yīng)用部位是主梁帽。近年，隨著碳纖維價格走低，其在風(fēng)電葉片中的應(yīng)用部位 有望增加，從而帶動需求量提升。

2016 年以來，低風(fēng)速風(fēng)場和海上風(fēng)電共同推進(jìn)了葉片的大型化發(fā)展，加上碳纖維成本走低， 葉片復(fù)合材料工藝得到創(chuàng)新，風(fēng)電領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求大幅增長。隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)量穩(wěn)步 增加以及大型化機(jī)組滲透率提升，預(yù)計碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的需求將持續(xù)增長。

2.2. Vestas 引領(lǐng)風(fēng)電葉片進(jìn)入碳纖維時代

2015 年以前，風(fēng)電葉片的碳纖維主要采用預(yù)浸料或織物的真空導(dǎo)入加工工藝，部分采用小 絲束碳纖維，因此平均價格較高。2015 年后則主要采用大絲束碳纖維拉擠成型工藝，成本 明顯降低。能夠采用高效低成本高質(zhì)量的拉擠梁片要歸功于 Vestas 在大梁結(jié)構(gòu)的革命性創(chuàng) 新設(shè)計。Vestas 把原本為一個整體的主梁主體受力部分拆分為拉擠梁片標(biāo)準(zhǔn)件，然后把這些 標(biāo)準(zhǔn)件組裝成型。這種設(shè)計優(yōu)點在于，拉擠成型工藝生產(chǎn)的復(fù)合材料纖維體積含量高，主梁 主體承載的重量降低；拉擠梁片標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)效率高；產(chǎn)品性能穩(wěn)定；運輸成本和組裝整成本 降低。Vestas 憑借拉擠成型工藝迅速打開市場，一躍成為風(fēng)電產(chǎn)業(yè)龍頭，據(jù)賽奧碳纖維數(shù)據(jù)， 2019 年 Vestas 風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)容量 9.6GW，以 18%的份額領(lǐng)先全球。

Vestas 的碳纖維復(fù)合材料主要由 Zoltek（被東麗收購）、土耳其的 DowAska、國內(nèi)的光威 復(fù)材和江蘇澳盛以及中國臺灣的臺塑提供。2017 年國內(nèi)為 TPI 公司（Vestas 風(fēng)電葉片主要 供應(yīng)商之一）等進(jìn)口的碳纖維量由2016年的2465 噸銳減至240噸纖維，差額主要源于Vestas 堅定了使用大絲束拉擠成型工藝制備梁帽的路線，使得碳纖維的供應(yīng)來源向國內(nèi)的光威復(fù)材 和江蘇澳盛轉(zhuǎn)移。2018 年光威復(fù)材生產(chǎn)碳梁 5002 千米，2019 年生產(chǎn) 6979 千米，同比增長 40%。

Vestas 的碳纖維消耗量在風(fēng)電葉片領(lǐng)域為全球之首，2017 年消耗 2 萬噸，占比高達(dá) 83%。根據(jù)我們測算，假設(shè) Vestas 市占率不變，2018-2022 年其消耗的碳纖維量將達(dá)到 2.8/3.0/3.2/3.4/3.7 萬噸。由于風(fēng)電機(jī)的大型化趨勢在歐洲增長較為穩(wěn)定，目前以中國、印度 為中心的亞洲以及南美為增速較快的市場。Vestas 在全球共有 11 個風(fēng)電葉片廠，在天津設(shè)有涵蓋葉片廠、控制器廠、發(fā)電機(jī)廠及機(jī)艙廠的大型一體化風(fēng)能設(shè)備制造基地。TPI 在全球 共有 11 個風(fēng)電葉片廠，在國內(nèi)江蘇大豐，江蘇太倉和江蘇揚(yáng)州都設(shè)有工廠。國內(nèi)碳纖維供 應(yīng)商如光威復(fù)材等將顯著受益。

Vestas、Gamesa、GEC 等海外風(fēng)電制造企業(yè)已對碳纖維市場有了較成功的開拓，據(jù)中國產(chǎn) 業(yè)信息網(wǎng)報道，我國時代新材、中材科技、重通成飛、明陽風(fēng)電、中復(fù)連眾等主要的葉片制 造商也在積極推進(jìn)碳纖維應(yīng)用。南車時代新材與國防科技大學(xué)聯(lián)合自主研發(fā)的 2MW 超低風(fēng) 速碳纖維葉片于 2014 年試制成功，在國內(nèi)率先成功研制該類產(chǎn)品，成為南方地區(qū)低風(fēng)速風(fēng) 場復(fù)合材料葉片霸主；中材科技自主開發(fā)了采用碳纖維主梁的 Sinoma75 產(chǎn)品，已在福建興 化灣掛機(jī)；重通成飛于 2018 年開發(fā)出長達(dá) 83.6 米、重 25.2 噸的碳纖維葉片，較傳統(tǒng)玻璃 纖維減重近 25%；明陽風(fēng)電在研的 155 米直徑的風(fēng)輪運用到了碳纖維和玻璃纖維混合編制 的技術(shù)來降低風(fēng)輪重量；2017 年中復(fù)連眾 68 米的碳纖維海上風(fēng)電葉片通過江蘇省首臺重大 裝備產(chǎn)品件認(rèn)定。我們以 Vestas 產(chǎn)品為參照對象，根據(jù)國內(nèi)風(fēng)電機(jī)的裝機(jī)量可測算出，當(dāng)前， 國內(nèi)碳纖維風(fēng)電葉片潛在的市場空間約 6 萬噸，市場空間巨大。

3. 航空航天領(lǐng)域：民航及航空裝備是拉動需求的又一重點

3.1. 碳纖維復(fù)材在民航結(jié)構(gòu)件上占比可高達(dá)

50% 航空航天領(lǐng)域的產(chǎn)品耗資巨大，即使是很小的減重也能對總成本產(chǎn)生巨大影響，據(jù)波音公司 估算，噴氣客機(jī)質(zhì)量每減輕 1 kg，飛機(jī)在整個使用期限內(nèi)可節(jié)省 2200 美元；美國 NASA 數(shù)據(jù)顯示，航天器每減重 1 千克，將增加 1kg 有效載荷，可以節(jié)約 2 萬美元。因此材料的輕 量化在航空航天領(lǐng)域至關(guān)重要。

全球航空航天領(lǐng)域碳纖維近幾年穩(wěn)定增長，2019 年需求 2.35 萬噸，同比增長 12%。Mordorintelligence 預(yù)計全球航空碳纖維市場 2019 年-2024 年復(fù)合年增長率將超過 11％。中國市場 2018 年需求 0.11 萬噸，同比增長 22.2%，高于全球水平。中國市場在全球市場的占比逐年 增長，從 2015 年的 3.1%增長到 2019 年的 4.68%，2022 年有望占全球航空航天領(lǐng)域碳纖維 需求的 6.3%。2017 年，經(jīng)過了前幾年的技術(shù)研究和下游產(chǎn)品的研發(fā)準(zhǔn)備，隨著新航空航天 設(shè)備研制結(jié)束，批產(chǎn)期到來，國內(nèi)航空航天領(lǐng)域碳纖維需求迎來快速增長，根據(jù)賽奧碳纖維 預(yù)測，隨后兩年都有望保持 20%以上的高速增長。

1970 年代起碳纖維開始在飛機(jī)阻流板，升降陀等二次構(gòu)造材料上被使用。積累了實際使用經(jīng) 驗后，1980 年代后期開始，尾翼和客艙等一次構(gòu)造材料上也逐漸開始使用碳纖維。美國波音 公司和歐洲空中客車公司這兩家大型飛機(jī)生產(chǎn)企業(yè)在各機(jī)型上不斷增加碳纖維的使用量，飛 機(jī)零部件使用的碳纖維型號也從早期的 T300 變化成 T700、T800 以及高模高強(qiáng)的 M 系列碳 纖維。

2007 年投入運營的空客 A380 以及 2009 年起航的波音 787 單機(jī)都使用了超過 30 噸的碳纖 維增強(qiáng)復(fù)合材料。波音 787 的主翼和艙體全部采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造生產(chǎn)，外板也采 用全碳制造，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料占據(jù)了其結(jié)構(gòu)重量的約 50%，可以說是一款劃時代的飛機(jī)， 該款機(jī)型是 2015 年前拉動碳纖維需求增長的主要驅(qū)動力。2016 年開始，空客 A350 成為增 加碳纖維需求的重要助力，2017 年空客 A350XWB 交付 78 架，比 2016 年增加 60%。此外， 2019 年亮相的波音 777X 對發(fā)動機(jī)和復(fù)合材料機(jī)翼則進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，革命性地采用整體翼 梁設(shè)計，機(jī)翼長度達(dá) 32 米，4 根翼梁需要約 640km 碳纖維絲束，降低了 777X 的空機(jī)重量。

3.2. 商飛及航空裝備有望拉動我國碳纖維需求

商用飛機(jī)是未來驅(qū)動我國碳纖維需求增長的重要引擎。我國的民航飛機(jī)企業(yè)中國商飛公司研 發(fā)的國產(chǎn)客機(jī)也應(yīng)用了碳纖維，C919 是碳纖維材料首次在國產(chǎn)客機(jī)大規(guī)模應(yīng)用的機(jī)型，碳 纖維復(fù)合材料用量約為 12%，主要采用 T300、T800 級別的碳纖維。應(yīng)用部位包括水平尾翼、 垂直尾翼、翼梢小翼、后機(jī)身（分為前段和后段）、雷達(dá)罩、副翼、擾流板和翼身整流罩等。此后，C919 系列飛機(jī)的復(fù)合材料比例有望逐漸提高，復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈將會朝國產(chǎn)化進(jìn)一步 邁進(jìn)，推動國內(nèi)碳纖維企業(yè)發(fā)展。

據(jù)商飛規(guī)劃，中國商飛公司與俄羅斯聯(lián)合航空制造集團(tuán)聯(lián)合研制的遠(yuǎn)程寬體客機(jī) CR929 的 碳纖維復(fù)合材料用量預(yù)計超過 50%，主要運用 T800 級別的碳纖維。據(jù)復(fù)合材料傳媒報道， 中航復(fù)材受中國商飛委托開展 CR929 用碳纖維復(fù)合材料研究工作，光威復(fù)材、中簡科技、 恒神股份等公司也在推動 T800 級別碳纖維的研發(fā)開發(fā)。

根據(jù)新材料在線報道，我國首次使用航空復(fù)合材料要追溯到 1970 年代中期，殲 12 飛機(jī)的進(jìn) 氣道壁板使用吉化的高強(qiáng)一號碳纖維制造。其他機(jī)型在不同部位也應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料， 占比 0~20%不等。軍用碳纖維的應(yīng)用涉及國防安全問題，由于日本和美國對我國禁運，所以 碳纖維國產(chǎn)化十分迫切。中國對國防軍工碳纖維的研究始于 1962 年， 20 世紀(jì) 80 年代，通 過從國外引進(jìn)碳纖維技術(shù)和設(shè)備，我國碳纖維行業(yè)才開始發(fā)展。本世紀(jì)初我國開發(fā)出了 CCF300 和 HF10A 型號碳纖維，與東麗 T300 性能相當(dāng)；根據(jù)公告，光威復(fù)材在攻克 T300 級技術(shù)后，在 T800 級高強(qiáng)中模碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的攻克也取得突破性進(jìn)展，其 T800 產(chǎn)品已被 選用驗證。

根據(jù)飛行國際的數(shù)據(jù)，我國約 60%的軍用飛機(jī)面臨退役，將換成新一代空戰(zhàn)力量，這將在很 大程度上拉動高端碳纖維復(fù)合材料的需求。在常規(guī)武器裝備領(lǐng)域，我國武器的更新?lián)Q代也迫 切需要采用輕質(zhì)高強(qiáng)、耐腐蝕的碳纖維復(fù)合材料來替代以往的金屬材料，可見碳纖維市場需 求將不斷增長。

3.3. 國產(chǎn)航天級碳纖維突破技術(shù)封鎖

航天方面，向宇宙發(fā)射搭載了衛(wèi)星等設(shè)施的火箭和太空梭需要消耗大量的財力和能量，因此 減輕材料的重量至關(guān)重要，碳纖維對于人造衛(wèi)星和火箭等的大型化上做出了重要貢獻(xiàn)，如國 產(chǎn)人造衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)體、太陽能電池板和天線中使用了碳纖維復(fù)合材料。高真空環(huán)境中，在強(qiáng) 烈宇宙射線和紫外線的暴曬下，碳纖維材料的熱膨脹系數(shù)僅為金屬材料的 1/10 左右，具備 對抗溫度變化的穩(wěn)定性。碳纖維還具備優(yōu)異的比強(qiáng)度、比拉伸模量和各向異性，是最適合宇 宙用途的材料。今后隨著通訊衛(wèi)星等設(shè)備發(fā)射數(shù)量的增加，碳纖維的市場將不斷擴(kuò)大。

我國航天級碳纖維制造技術(shù)在不斷突破美日的技術(shù)封鎖，根據(jù)公告，現(xiàn)在國內(nèi)光威復(fù)材、中 簡科技、中復(fù)神鷹已經(jīng)有能力生產(chǎn) MJ 級別的高強(qiáng)高模碳纖維。

4. 汽車船舶領(lǐng)域：優(yōu)化制造成本將有望打開市場

碳纖維在汽車、船舶等交通工具的制作上都有不小的貢獻(xiàn)。賽車首先使用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合 材料，不僅實現(xiàn)了輕量化，高強(qiáng)度和高剛性的車架還具備高沖擊力吸收的能力，為駕駛員的 安全提供了必要保障。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的優(yōu)越性能被賽車證實后，在高級車上也開始普 及，在構(gòu)造部件和外部部件都有所應(yīng)用。碳纖維同樣活躍于小船，游艇，大型船艇等船舶上， 其輕量化的特性能提高船舶的航行速度，還能節(jié)省燃料。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和以往使用的 玻璃纖維復(fù)合材料有近似的中間基材形態(tài)和成型法，能較容易地進(jìn)行材料替換。

2019 年汽車領(lǐng)域碳纖維需求 11800 噸，增速為 9.26%。預(yù)計未來兩年仍有望保持 10%左右 的增速。

4.1. 節(jié)能減排政策推動汽車輕量化

汽車產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的重要因素，是國民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。隨著我國經(jīng)濟(jì)快 速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)，汽車需求量在長時間內(nèi)仍將保持增長勢頭。但汽車大量增加 會帶來能源緊張和環(huán)境污染問題。為了緩解能源緊張和環(huán)境污染帶來的壓力，實現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè) 可持續(xù)發(fā)展，亟需發(fā)展節(jié)能汽車與新能源汽車。

我國于 2005 年開始實施乘用車單車油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已經(jīng)歷了三個階段，2016 年進(jìn)入第四 階段。國務(wù)院于 2012 年發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020 年）》，提 出了第四階段國家乘用車產(chǎn)品平均燃料消耗量是 2020 年降至 5.0L/100km 的目標(biāo)。在工業(yè) 與信息化部 2015 年發(fā)布的《中國制造 2025》中又提出 2025 年降至 4L/100km 左右的目標(biāo)。

為了滿足規(guī)定的油耗指標(biāo)，汽車制造商可選擇兩條路，一是提高發(fā)動機(jī)效能，二是車身減重。我國由于技術(shù)積累等原因，短期內(nèi)難以在提高發(fā)動機(jī)效能方面取得進(jìn)展。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)的油耗 改進(jìn)措施有限，很難滿足平均油耗降到 5.0L/100km 的目標(biāo)。2016 年國產(chǎn)傳統(tǒng)車平均燃料消 耗 6.83L/100km，離 5.0L/100km 甚至 4L/100km 的目標(biāo)仍有一定差距。但是輕量化的道路 無疑前景廣闊。實驗證明，一般整車重量每減少 10％，油耗可以降低約 6％－8％；汽車整 備質(zhì)量每減少 100 公斤，每百公里油耗可降低 0.3-0.6 升，因此為了滿足平均燃料消耗量 2020 年降至 5.0L/100km、2025 年降至 4L/100km 的目標(biāo)，傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車輕量化是降低油耗的 必然選擇。

不僅是中國，全球汽車廠商同樣面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。美國奧巴馬政府于 2012 年出臺的方針，要 求 2025 年前美國汽車每加侖汽油行駛 87.7 公里，即每 100 公里耗油大約 4.32 升。2018 年8 月 2 日，特朗普公布計劃下調(diào)奧巴馬時代制定的新車燃效標(biāo)準(zhǔn)的提案，2020 年聯(lián)邦政府將 不再出臺新的燃效標(biāo)準(zhǔn)，建議未來燃效標(biāo)準(zhǔn)停留在 2020 年每加侖汽油行駛 56.3 公里，約每 100公里耗油6.72L 的水平，但此舉遭到包括加州在內(nèi)的美國19個州以及華盛頓特區(qū)的反對。歐盟委員會于 2015 年出臺新的減排法規(guī)，規(guī)定到 2021 年歐盟境內(nèi)銷售的新乘用車二氧化碳 排放量上限為 95g/km。嚴(yán)格的排放法規(guī)使各大汽車廠商紛紛采取行動，將節(jié)能減排納入未來 發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，與此同時，作為節(jié)能減排的重要措施，汽車輕量化受到各大廠商 的重視。

4.2. 碳纖復(fù)合材料有望成為汽車結(jié)構(gòu)件輕量化材料首選

汽車輕量化的主要手段包括選用輕質(zhì)材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)制造工藝等。相比于前者， 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和改進(jìn)制造工藝帶來的減重效果較小，因此目前實現(xiàn)汽車輕量化主要方向是選 用輕質(zhì)材料。

現(xiàn)階段應(yīng)用最廣的汽車輕量化材料是鋁合金，在輪轂、發(fā)動機(jī)、散熱器、 油管等方面有著 應(yīng)用廣泛。鋁的密度僅為鋼鐵的 1/3，導(dǎo)熱性和耐腐蝕性好，且鋁合金強(qiáng)度高、吸能性好。但鋁合金工藝復(fù)雜且后續(xù)維修費用高，普通車企還需要攻克焊接等一系列技術(shù)難題才能將此 材料應(yīng)用到汽車生產(chǎn)中。

鎂合金也很適合用于制造汽車零件。鎂是實際應(yīng)用的金屬中最輕的金屬，其密度約為鋁的 2/3。鎂鑄件最早應(yīng)用于車輪輪輞，現(xiàn)也應(yīng)用于離合器殼體及踏板、座椅、轉(zhuǎn)向柱部件、轉(zhuǎn)向 盤輪芯、變速箱殼體、發(fā)動機(jī)懸臵、氣缸蓋及罩蓋等零部件。但鎂合金車身板件的制造加工 成本要比鋁制板件高出 3 至 4 倍，因此并沒有被廣泛使用。

相比之下，碳纖維密度小、耐腐蝕、比強(qiáng)度和比模量高、易成型、還能節(jié)能抗震，是優(yōu)異的 汽車輕量化材料，目前主要應(yīng)用于車身、底盤、保險杠等零部件。車身和底盤是汽車零部件 中重量最大的部分，占了總重的約 60％，最具輕量化潛力。材料的強(qiáng)度和模量是選擇車身底 盤材料時最重要的力學(xué)指標(biāo)，碳纖維在這兩方面遠(yuǎn)優(yōu)于其它材料，此外，碳纖維在碰撞中的 能量吸收能力是鋼或鋁的 4-5 倍，用于車身結(jié)構(gòu)部件時能提供良好的安全保障，因此碳纖維 有望成為汽車結(jié)構(gòu)件首選材料。若用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造車身，可比鋼體車身減重 60%， 提高 30%以上的燃油效率。根據(jù) Tetsuyuki Kyono 的模擬測算，當(dāng)汽車整車的 17%由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造時，整體車重可減少 30%，減重效果顯著。

4.3. 寶馬 i3 成首款全碳纖維車架的量產(chǎn)車

寶馬作為汽車制造行業(yè)的風(fēng)向標(biāo)，是率先將碳纖維應(yīng)用到車體制造中的品牌之一。在 2013 年寶馬 i3 全球發(fā)布會上，公司指出碳纖維材料首次大量引入寶馬 i3，并專門采用了新的設(shè)計 理念，由 Life 和 rive 兩個模塊拼合來打造 i3。具體來說：Life 模塊是乘員艙結(jié)構(gòu)，采用的是 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，大幅降低了整車重量；Drive 模塊是底盤，采用的是鋁合金材質(zhì)，電 池和發(fā)電機(jī)臵于 Drive 模塊中。i3 整車重量為 1248kg，約使用了 200-300kg 碳纖維復(fù)合材料，占比約為 16%-24%。車身重量比傳統(tǒng)電動車減輕了 250-350kg。

為了解決碳纖維的原材料供應(yīng)問題，降低碳纖維成本，寶馬曾收購德國西格里（SGL）的部 分股權(quán)，并和西格里成立了合資公司 SGL ACF 專門生產(chǎn)碳纖維。除了寶馬外，其他汽車廠 商也逐步擴(kuò)大碳纖維在汽車上的應(yīng)用。國際上主要大型汽車廠商和碳纖維生產(chǎn)商正在形成合 作伙伴關(guān)系，通過合資、入股、聯(lián)合開發(fā)的方式共同開展碳纖維研究。

4.4. 成本問題限制碳纖維汽車大范圍推廣

自從 1981 年碳纖維復(fù)合材料被運用于邁凱倫 Mclaren MP4-1 車型，亮相 F1 賽車場之后， 便進(jìn)入了汽車制造的應(yīng)用中。但到目前為止，碳纖維復(fù)合材料仍主要應(yīng)用在高端跑車上，沒 有得到大規(guī)模應(yīng)用，原因主要來自于高昂的成本。

碳纖維的材料加工成本過高。正如上文提到的，目前 90%以上的碳纖維生產(chǎn)采用的是 PAN 基碳纖維。PAN 基碳纖維的生產(chǎn)流程需要精細(xì)的制造工藝、原材料預(yù)處理，對設(shè)備提出很高 的要求，比傳統(tǒng)的金屬加工流程復(fù)雜得多。PAN 基碳纖維的生產(chǎn)流程最重要的一環(huán)便是對工 藝的把控，有時一條同樣的生產(chǎn)線，采用的設(shè)備、原材料和設(shè)臵的生產(chǎn)參數(shù)完全相同，生產(chǎn) 出的碳纖維質(zhì)量卻很可能有很大差異，需要大量的生產(chǎn)經(jīng)驗積累才能把控好制造工藝。此外， PAN 基碳纖維的生產(chǎn)前驅(qū)體（Precursor）是化工產(chǎn)品，價格直接與國際油價掛鉤，前驅(qū)體 的成本占據(jù)了碳纖維材料成本的 43％，油價波動極大影響了碳纖維的材料加工成本。因此， 碳纖維車身的價格要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鋼鐵車身，鋼鐵車身加工成本每磅只要 4 美元，而碳纖維 車身每磅 16 美元，是鋼鐵車身成本的四倍，尚達(dá)不到可大規(guī)模生產(chǎn)的競爭力。

此外，碳纖維車身的修復(fù)成本也是阻礙碳纖維汽車大范圍推廣的一大難題。碳纖維車身通常 一體成型，如果受到撞擊造成損壞只能將整體結(jié)構(gòu)全部更換，無法像傳統(tǒng)鋼鐵車身那樣修復(fù)， 用碳纖維布和環(huán)氧樹脂填補(bǔ)的方法無法修復(fù)已被破壞的車身整體結(jié)構(gòu)，修補(bǔ)后的車身結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度無法恢復(fù)到原來的指標(biāo)，車輛的使用風(fēng)險增加。對此，寶馬采用不加熱的膠粘鉚接工藝對 新型材料車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)，通過膠粘使車身具有牢固的連接效果，膠粘部分還會再用鉚接 進(jìn)行強(qiáng)化，恢復(fù)車身的安全性能。

5. 體育休閑領(lǐng)域：市場規(guī)模穩(wěn)定

體育休閑領(lǐng)域是碳纖維最早應(yīng)用的領(lǐng)域之一，早在 1970 年代，碳纖維就被應(yīng)用于釣竿的制 作，現(xiàn)在，在體育休閑領(lǐng)域，碳纖維主要用于釣竿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等產(chǎn)品的制作。傳統(tǒng)的釣竿由竹子制成，又長又重，操作起來很麻煩。工業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)代合成材料釣竿的第 一代產(chǎn)品是玻璃鋼制成的釣竿。但現(xiàn)在上等的釣竿需要達(dá)到尺寸便攜，質(zhì)量輕，硬度高的性 能，以便垂釣者可以精確投擲魚餌，及時捕捉魚上鉤的信號以及快速收線，在這方面玻璃鋼 桿已經(jīng)無法滿足消費者需求了。奧林匹克釣具公司于 1972 年首次推出了用東麗的碳纖維制 成的“世紀(jì)魚竿”，這根魚竿的重量約為玻璃鋼桿一半，真正實現(xiàn)了釣竿的輕量化。現(xiàn)在低端 的釣竿采用玻璃鋼或密度較差的碳纖維制成，而高端的釣竿則由碳纖維或納米硼纖維制成， 后者的主要材質(zhì)仍是碳纖維，但在碳纖維素材中加入了 10%-20%的納米硼纖維。

高爾夫球桿同樣需要高強(qiáng)度、輕量化的性能，因其要求能準(zhǔn)確地將高爾夫球朝指定方向打向 擊打并能夠達(dá)到足夠遠(yuǎn)的地方。最早的高爾夫球桿由山核桃木材等天然材料制成，自 1920 年代起出現(xiàn)了鋼鐵桿，1970 年代以后碳纖維桿成為了主流球桿?，F(xiàn)在幾乎全部木制高爾夫 球桿以及 65%的鐵制高爾夫球桿都已經(jīng)被碳纖維球桿所取代，碳纖維已成為推動高爾夫球運 動發(fā)展的重要材料。

網(wǎng)球拍的材料也同樣經(jīng)過木制，鋼鐵，鋁合金到碳纖維的演變。碳纖維復(fù)合材料制成球拍擁 有擊球速度快、耐久性好、設(shè)計靈活性高等特性。美國于 1974 年首次推出碳纖維制球拍， 中國臺灣更是通過制造碳纖維球拍奠定了自己在全球復(fù)合材料加工技術(shù)上重要的地位，成為 網(wǎng)球拍王國。1978 年光男公司從國外引進(jìn)碳纖維復(fù)合材料制造碳纖維拍，在這之后短短的 幾年間，碳纖維拍不但淘汰了傳統(tǒng)的木制球拍，還改變了世界網(wǎng)球拍的產(chǎn)銷結(jié)構(gòu)，職業(yè)比賽 的球拍碳纖維含量可達(dá) 66%。

自行車是近年來碳纖維在交通工具/體育休閑領(lǐng)域中得到很大發(fā)展的一項應(yīng)用。目前鋁制車架 成型車的重量約為 9.5kg，而碳纖維車架成型車的重量被控制在 7kg 以下，碳纖維框架實現(xiàn) 了相比鋁框架近 30%的輕量化，在山地車和公路自行車上十分適用。此外，撐桿、弓箭、滑 雪板、皮劃艇等運動器材也有碳纖維的應(yīng)用。

2019 年體育休閑領(lǐng)域碳纖維需求為 15000 噸，同比增長 5%。體育休閑碳纖維市場產(chǎn)業(yè)規(guī)模 穩(wěn)定，市場趨于飽和，短期內(nèi)不會出現(xiàn)快速增長或明顯下滑。

6. 其他領(lǐng)域：有望成為新的快速增長點

6.1. 高壓容器

美國和歐洲國家的天然煤氣罐以及用于消防及醫(yī)療用途的空氣呼吸機(jī)等高壓容器的制作都 已經(jīng)開始廣泛采用碳纖維材料，日本和其他的亞洲國家也對這項應(yīng)用抱有興趣。以往的鐵制 氣瓶重量大且重心高、安全性偏低，采用碳纖維制造的氣瓶能比鐵質(zhì)氣瓶減少約 1/3 的重量。此外，高壓容器的對破裂特性要求很高，碳纖維的高比強(qiáng)度性能在這方面能有效發(fā)揮優(yōu)勢。東麗、帝人、三菱麗陽、西格里等企業(yè)都有能應(yīng)用于壓力容器的碳纖維產(chǎn)品。

隨著燃料電池突破低成本，高壓氫氣瓶迎來強(qiáng)勁需求。此外，歐美興起的頁巖氣收集、運輸、 貯藏產(chǎn)業(yè)需要高壓氣瓶，由此推動碳纖維壓力容器的需求。雖然目前碳纖維壓力容器的市場 不大，但卻有著較大的增長空間。

6.1.1. 燃料電池汽車的發(fā)展推動儲氫罐碳纖維需求增長

各國政府大力扶持燃料電池汽車的發(fā)展，推動了用于制造燃料電池汽車儲氫罐的碳纖維需求 迅速增長。

美、日、韓、法將推廣氫燃料電池汽車提升到了戰(zhàn)略層面：2018 年美國起草中西部各州替 代燃料運輸走廊行動計劃，建立電動、燃料電池和 CNG 動力乘用車、卡車和公共汽車均可 補(bǔ)充動力的運輸路線；日本政府 2017 年 12 月 26 日正式發(fā)布了“氫能源基本戰(zhàn)略”，主要 目標(biāo)包括到 2030 年左右實現(xiàn)氫能源發(fā)電商用化，以削減碳排放并提高能源自給率；據(jù)《韓 國先驅(qū)報》2019 年 1 月報道，韓國政府發(fā)布了一份提高國內(nèi)氫燃料電池電動汽車（FCEV） 使用的發(fā)展路線圖，目標(biāo)是到 2040 年生產(chǎn) 620 萬輛氫燃料電池電動汽車，并在全國建立 1,200 座加氫站；法國發(fā)布國家氫能計劃，2019 年投入 1 億歐元用于氫能工業(yè)、交通及儲能 等領(lǐng)域。

燃料電池汽車所用的氫燃料在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為空氣的 7.14%，車載儲氫技術(shù)的 改進(jìn)是氫燃料電池車發(fā)展的關(guān)鍵。將氣瓶作為儲存容器，通過高壓壓縮方式儲存氣態(tài)氫是應(yīng) 用最廣泛的儲氫方式。高壓氣態(tài)儲氫容器共有四個型號，I 型為純鋼制金屬瓶，II 型為鋼制內(nèi) 膽纖維纏繞瓶，III 型為鋁內(nèi)膽纖維纏繞瓶，IV 型為塑料內(nèi)膽纖維纏繞瓶。其中 I 型、II 型儲 氫容器因重量過重、儲氫密度低、容易發(fā)生脆斷，難以用于車載儲氫；III 型、IV 型瓶由于制 作內(nèi)膽和保護(hù)層的材料密度低、氣瓶質(zhì)量輕、單位質(zhì)量儲氫密度增加，因此，燃料電池汽車 儲氫罐大多使用 III 型、IV 型這兩種型號。

歐美和日本的多家汽車公司如通用、豐田、本田已經(jīng)開始使用質(zhì)量更輕、成本更低、儲氫密 度更高的Ⅳ型儲氫瓶。我國的技術(shù)水平距國外還有一定差距，現(xiàn)階段用于乘用車儲氫罐的成 熟產(chǎn)品為 III 型儲氫罐，Ⅳ型儲氫瓶仍處于研發(fā)階段。

2014 年上市的豐田 MIRAI 是世界上第一款實現(xiàn)商業(yè)化的燃料電池汽車。MIRAI 共有一大 （117L）一?。?4L）兩個Ⅳ型高壓氫氣罐，外殼中層采用碳纖維復(fù)合材料。

6.1.2. 我國儲氫罐碳纖維需求測算

我國 2017 年發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》提出我國燃料電池汽車規(guī)模目標(biāo)為：2020 年要達(dá)到 5000 輛，2025 年要達(dá)到 5 萬輛，2030 年要達(dá)到百萬輛。

現(xiàn)階段我國氫燃料電池汽車還局限于客車和專用車。GGII 數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國共生產(chǎn)氫 燃料電池汽車 3018 輛，同比增長 86.41%。其中客車共 1335 輛，占 44%；專用車共 1683 輛，占 56%。預(yù)計我國氫燃料電池客車和專用車 2020-2025 年將進(jìn)入?yún)^(qū)域成熟階段， 2025-2030 年將進(jìn)入快速增長階段；而燃料電池乘用車預(yù)計 2020-2025 年將會進(jìn)入階段量產(chǎn) 階段，2025 年后將進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段。假設(shè)每輛氫燃料電池客車和專車消耗 320kg 碳纖 維，2025 年氫燃料電池汽車產(chǎn)量達(dá)到 5 萬輛，則碳纖維需求量將會達(dá)到 16000 噸，2020 年 至 2025 年復(fù)合增長率達(dá) 58%。

6.2. 土木建筑

碳纖維是建筑補(bǔ)強(qiáng)的最佳材料，因其輕便且強(qiáng)度高，不需要用到重型機(jī)械就可以貼合金屬板， 只要在施工現(xiàn)場經(jīng)樹脂浸漬強(qiáng)化后就能進(jìn)行施工。除了高比強(qiáng)、高比拉伸模量的特性外，碳 纖維還具不生銹的特性，在海岸潮濕環(huán)境下，相比于易生銹的金屬有不易被腐蝕的優(yōu)勢。日 籍建筑師隈研吾與建筑材料生產(chǎn)商小松精練合作，利用碳纖維建造了全球首幢碳纖抗震建 筑，該大樓主體以混凝土建成，以碳纖維作地基，使用了小松精練的熱塑性碳纖維制成包圍 整幢建筑的碳纖維桿。我國南昌的生米大橋的主橋跨中橋面板及引橋梁體、匝道、橋墩橋臺 部位在 2017 年修復(fù)時采用了粘貼碳纖維布的施工工藝，增強(qiáng)了橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

歐美和日本的研究經(jīng)驗表明，碳纖維復(fù)合材料加固后的房屋具有良好的抗震防震效果。我國 的建筑質(zhì)量和震區(qū)的危房加固成效與歐美和日本相比尚有一定差距，也正因為如此，碳纖維 在我國土木建筑領(lǐng)域的研發(fā)及應(yīng)用大有可為。

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