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2016年中国碳纤维产品行业概况及应用领域分析（图）

碳纤维产品 2016-11-16 06:07

（1）碳纤维定义

碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是由有机纤维（粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等）在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构的无机纤维，是一种含碳量高于90%的无机纤维。

（2）碳纤维分类

碳纤维可以按照原丝类型、形态、力学性能等不同维度进行分类，具体分类方式如下所示：

A．按照原丝种类分类：碳纤维的原丝主要有聚丙烯腈（PAN）原丝、沥青纤维和粘胶丝，由这三大类原丝生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的90%以上，粘胶基碳纤维还不足1%。

各类型碳纤维市场份额占比情况如下：

各类型碳纤维市场份额

B．碳纤维按形态可分为长丝、短纤维和短切纤维。长丝应用在工业结构件和宇航结构件中，短纤维主要应用在建筑行业，如短碳纤维石墨低频电磁屏蔽混凝土、工业用碳纤维毡等。

C．按照制造条件和方法分类：碳纤维（800～1600℃）、石墨纤维（2000～3000℃）、氧化纤维（预氧丝200～300℃）、活性碳纤维、气相生长碳纤维。

D．碳纤维按力学性能分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。

碳纤维按力学性能分类图

E．碳纤维按用途可分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝束和大丝束。通常把48K及以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括60K、120K、360K和480K等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防工业和高技术及体育休闲用品（如：飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等）。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。

（3）碳纤维重点应用领域

碳纤维具有目前其他任何材料无可比拟的高比强度（强度比密度）及高比刚度（模量比密度）性能，还具有耐腐蚀、耐疲劳等特性，广泛应用于国防工业以及高性能民用领域。涉及航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、交通设施等，是一种国家亟需、应用前景广阔的战略性新材料。

碳纤维按应用领域图

实践证明，用碳纤维复合材料代替钢或者铝，减重效率可达到20%-40%，因此在航空航天领域得到广泛青睐。飞机结构材料约占起飞总重量的30%左右，减轻结构材料的重量可以带来许多好处。对军用飞机而言，减重在节省燃油的同时扩大了作战半径，提高了战场生存力和战斗力；对于客机而言，减重节省了燃油、提高了航程和净载能力，具有显著的经济效益。

各种飞行器减重的经济效益数据分析表

（4）碳纤维产业链

完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯，目前低油价形势下，原油制丙烯的成本最优；丙烯经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，作为生产碳纤维复合材料的原材料；碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合，形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。

碳纤维产业链示意图

（5）聚丙烯腈（PAN）基碳纤维制备工艺

聚丙烯腈基（PAN）碳纤维的生产主要分为两步，第一步是聚丙烯腈通过聚合、纺丝形成碳纤维原丝，第二步是原丝经过整理后，送入氧化炉制得预氧化纤维（俗称预氧丝），预氧丝进入碳化炉制得碳纤维，碳纤维经表面处理、上浆即可得到碳纤维产品。全过程连续进行，任何一道工序出现问题都会影响稳定生产和碳纤维产品的质量，全过程流程长，工序多，技术和生产壁垒非常高。

聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产工艺示意图