碳纤维核心工艺、技术趋势及门槛分析

碳纤维技术、资金构筑高门槛，大小丝束各放异彩。

1.碳纤维生产具备高技术门槛

原丝制备和氧化、碳化是碳纤维制备的三个核心工艺，高质量的原丝是实现高性能 和批量生产碳纤维的关键，氧化过程需要使原丝形成在高温下不溶不熔的稳定结 构，碳化过程的控制则与碳纤维的拉伸强度和弹性模量直接相关。原丝制备包括聚 合、纺丝工段，碳丝制备包括预氧化、碳化工段。 （1）在聚合工段，通过将原料丙烯腈单体、共聚单体、引发剂偶氮二异丁腈和溶 剂DMSO（二甲基亚砜）按照一定的配比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液 聚合反应，随后进行脱单、脱泡等处理得到聚丙烯腈原液，聚合物分子量、分子量 分布、立构规整性、共聚单体序列分布、杂质等都是影响碳纤维结构性能的重要参 数。

（2）在纺丝工段，聚丙烯腈原液通过纺丝技术形成原丝，成型后的原丝再经过多段 水洗，降低原丝中DMSO的残留量，随后进行热水牵伸，再经过上油、干燥致密化， 达到防黏隔离和降低摩擦的作用，最后再经过蒸汽牵伸工段，最终原丝卷绕成轴。纺丝所涉及的问题有高分子溶液流变学、双扩散及高分子结晶等。在喷丝环节，解 决喷丝孔口胀大效应是主要技术突破方向；因凝固对纤维的初生结构及性能起关键 影响，在凝固环节双扩散过程控制及牵引力的控制至关重要；牵伸环节的目的是提 高纤维中高分子沿纤维轴向的择优取向，并诱导纤维结晶，主要有喷头牵伸、热水 牵伸、蒸汽牵伸三步。目前碳纤维原丝主流的纺丝有湿法纺丝和干喷丝纺两种。

干喷湿纺纺丝具备高纺丝速度和低成本的特点，是PAN纺丝未来的发展趋势之一。 原液纺丝包括湿法纺丝、干法纺丝、熔融纺丝、静电纺丝和干喷湿纺纺丝。目前湿法 纺丝和干喷湿纺是主流的技术工艺。干喷湿纺与湿法最大的不同在于喷丝口存在一 段长度为3-10nm的空气干燥层，可使原丝表面形成致密疏水层，避免了湿法纺丝凝 固浴中实施的负牵伸，纺丝速度可以达到湿法速度的2-8倍，不仅提高纺丝速度，降 低了单位生产成本，同时还有利于大分子链的取向，原丝结构相比直接进入凝固浴 更为均匀致密，同时截面也更容易成圆形，从而提高力学性能。

干喷湿纺对纺丝原 液的要求比较高，需要采用双螺杆溶解机组对PAN颗粒进行溶解，进而对生产企业 的设备、操作、环境等提出更高要求，更适用于小丝束的生产。中复神鹰于2013年 在国内率先突破干喷湿纺关键技术，国内大部分碳纤维制造企业仍以湿法纺丝工艺 为主。

（3）碳丝制备包括预氧化、碳化工段。原丝中聚丙烯腈分子沿纤维轴向的取向度和 氧化环节对纤维轴向取向的影响是决定碳纤维拉伸性能的主要因素。（1）原丝经多 段氧化炉在空气气氛下反应得到预氧丝，原丝在氧化过程中聚丙烯腈分子主要发生 环化、脱氢和交联三种反应，生成梯形、交联的结构。氧化过程中因氧化和交联程度 不同造成的纤维皮部和芯部性质结构（简称皮芯结构），预氧丝主要衡量指标有体 密度和含氧量、环化指数等；（2）预氧丝在氮气保护下，经过300-1500度的低温碳 化、高温碳化，进行脱水、脱焦油、其他含碳气体及氮原子等非碳原子脱除，碳含量 逐渐提高到94%左右得到碳丝，碳化区各个温区的温度设置及停留时间、张力、炉 内气体纯度是碳化过程中最重要的工艺参数。

碳化后的纤维随后根据不同的复合材料基体对于碳纤维表面性质要求进行不同的表 面处理，表层涂覆不同的浆液，最后经烘干得到高强型碳纤维产品。为进一步提升 产品的弹性模量，将高强型、高强中模型碳纤维在惰性气氛下经高温石墨化处理， 得到石墨纤维。综上，碳纤维生产技术及生产工艺极为复杂，生产控制精度要求高， 只有具备生产线长周期连续稳定运行的技术水平及管理能力，才能保证产品质量的 稳定性，加上对生产设备的高要求、研发投入大，行业最终形成较高的技术壁垒。

2.国外引领碳纤维技术迭代，国内打破国外技术垄断

聚丙烯腈碳纤维研究始于1959年日本大阪工业研究所的近藤昭男对民用腈纶的热处 理。1970年，日本东丽（Toray）看好碳纤维的发展前景购买了近藤昭男的专利技术， 并与美国联邦碳化物公司交换了碳化技术，兴建了一条年产12吨的聚丙烯腈碳纤维 生产线，产品定名为T300。 目前海外碳纤维主要厂商中，日本除东丽外，还有日本东邦和三菱的技术水平达到 世界领先，其次，美国也是世界上碳纤维发展早、技术领先的国家，特别是在低成 本、大丝束方面具有独到之处，主要代表企业有赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec，被 索尔维收购）和卓尔泰克（Zoltek，被日本东丽收购）。此外，德国的SGL也是擅长 大丝束制造的主要企业。

碳纤维技术经历三代技术，从单一通用型性能向综合高性能型方向发展，先后形成 T300、T800、T1100G等代表性产品，目前应用最广泛的是第二代高强度中等模量 碳纤维。但由于第二代碳纤维模量偏低，且碳纤维材料脆性大，易导致复合材料结 构部件的疲劳损伤，甚至发生灾难性破坏，限制了航空、军工装备性能的提升，第三 代碳纤维技术应运而生，第三代碳纤维技术能够同时实现高拉伸强度和高弹性模量， 碳纤维生产技术难度进一步提升。凭借多年的技术优势积累，近年来日美在第三代 碳纤维上取得技术突破，日本东丽、美国Hexcel分别成功研发出M40X型、HM50型、 HM54型等新型高模量碳纤维。

我国的碳纤维行业起步于20世纪60年代，几乎和日美等国家同时起步，但由于相关 知识储备不足、知识产权归属、国外实施严格技术及设备封锁等问题，发展缓慢，在 生产技术和装备水平上整体落后于国外，无法满足国家重大装备等高端领域的需求。 进入2000年以后，随着国家对高性能碳纤维领域重视程度提升以及持续不断的科研 投入，产业化程度加快，应用领域扩大，国产化成效显著，已形成以江苏、山东和吉 林等区域为主的碳纤维聚集地，主要参与企业有江苏中复神鹰、中简科技、山东的 光威复材、吉林的吉林化纤和吉林碳谷、上海石化。近年国产碳纤维技术水平再攀 高峰，已经形成了M40J、M55J级高模量碳纤维工程化技术，突破了M60J、M65J级 高模量碳纤维实验室技术，在兼具高强度、高模量、高伸长特性的新一代PAN基高 模量碳纤维领域持续攻关中。

3.碳纤维属于资金密集投入行业

碳纤维高资金门槛之一：初始投入。（1）碳纤维生产属于重资产行业，生产线的 初始投入成本大，各公司固定资产占比总资产比例高，固定资产中设备涉及到反应 釜、牵引设备、氧化炉、碳化炉等核心设备。根据各主要企业环评报告及公告看， 单万吨投资额在20-100亿元。

碳纤维高资金门槛之二：生产环节。碳纤维制作过程中聚合环节成本主要包括前驱 体聚丙烯腈、衣康酸等共聚单体的原材料成本，纺丝环节中溶剂、水、蒸汽成本， 氧化碳化环节主要是能耗用电成本。碳纤维企业属于高能耗企业，能耗成本占比生 产成本高，根据中复神鹰招股说明书数据显示，公司2021年上半年主营业务成本 1.98亿元，上半年销量为2256.46吨，由此测算的单吨碳纤维生产成本为8.80万 元。

其中制造费用和直接材料成本合计占比84%，分别占比51%、33%。同时折旧 和能源成本分别占比制造成本的24%、49%（电力28%、蒸汽21%），三项合计占 到制造成本的74%。对于中简科技而言，因为其主要生产小丝束3K产品，因此公司 的产销量规模较小，对应的制造费用占比相较中复神鹰高。2021年公司的碳纤维制 造费用占比76%、根据公司招股说明书显示，2018年制造费用中，折旧和电力成本 分别占比30%、22%。直接材料占比仅为14%。

碳纤维高资金门槛之三：持续研发投入。碳纤维的技术进步离不开企业的持续研发 投入。国内企业中，以中复神鹰、光威复材、中简科技为代表的碳纤维核心企业持 续搞研发投入，2018年累计至今，中复神鹰、光威复材、中简科技研发费用投入共 计2.06亿元、10.53亿元、1.42亿元。从2022年前三季研发费用率看，光威复材达 到8.36%投入1.62亿元，中复神鹰前三季度研发费用率7.35%金额达到1.06，中简 科技4.84%投入0.25亿元。