1、原絲：決定碳纖維質(zhì)量和成本的關(guān)鍵

　　PAN 原絲是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的技術(shù)關(guān)鍵，一般認為碳纖維 90%的性能取決于原絲。原絲品質(zhì)不佳（表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等），在后續(xù)加工中很難消除，從而遺傳給碳纖維，造成力學(xué)性能下降。

原絲殘留溶劑量越低，碳纖維拉伸強度越大（單位：%，GPa）

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　　PAN 原絲的生產(chǎn)過程如下：先將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型。這個過程按照聚合和紡絲兩道工藝的連續(xù)性、紡絲時采用的方法以及紡絲溶劑的選擇等方面的不同有多種工藝方法。

PAN 原絲生產(chǎn)工藝流程圖

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　　目前 DMSO 為溶劑、濕法紡絲是最為普遍的生產(chǎn)技術(shù)。但從發(fā)展趨勢來看，干噴濕紡工藝有效結(jié)合了干法和濕法，在紡絲速度（相比濕紡快 5-10 倍）和原絲性能方面均具有明顯優(yōu)勢，使得其正逐步取代濕法紡絲。相比傳統(tǒng)的濕法紡絲，干噴濕紡噴絲頭不直接浸入凝固浴，噴頭溫度可獨立的精確控制，紡絲液由噴絲板噴出在進入凝固浴之前先經(jīng)過一段幾毫米的空氣層，紡絲液在空氣層中發(fā)生一定的拉伸流動，不僅提高紡絲速度，還有利于大分子鏈的取向。原絲結(jié)構(gòu)相比直接進入凝固浴更為均勻致密，同時截面也更容易成圓形，從而提高力學(xué)性能。我們認為聚合方法和紡絲溶劑的選擇會影響原絲的性能并非關(guān)鍵，從國內(nèi)產(chǎn)品的最大問題即一致性較差來看，紡絲工藝的控制才是穩(wěn)定生產(chǎn)高性能原絲的關(guān)鍵。

原絲生產(chǎn)的工藝方法劃分標(biāo)準(zhǔn)

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濕法和干噴濕法紡絲示意圖

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原絲不僅決定碳纖維的質(zhì)量，同時也是碳纖維成本的主要組成部分。理論上每生產(chǎn) 1 kg碳纖維需要消耗 2 kg 的原絲，原絲占 PAN 基碳纖維成本高達 51%左右！

碳纖維成本拆分

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2、碳纖維：預(yù)氧化與碳化

從原絲到碳纖維要經(jīng)歷兩個重要的工藝步驟，即預(yù)氧化和碳化。其中預(yù)氧化過程既決定碳纖維的質(zhì)量，又控制著碳纖維的產(chǎn)量。上世紀(jì) 60 年代東麗公司開始研制碳纖維時，其預(yù)氧化過程長達二十多小時；其后經(jīng)過不斷改進，現(xiàn)在幾十分鐘即可實現(xiàn)良好預(yù)氧化。如果能在保證質(zhì)量的前提下縮短預(yù)氧化時間，整條產(chǎn)線的產(chǎn)量能提高，單位成本將大幅下降。

預(yù)氧化和碳化工藝對比

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PAN 原絲預(yù)氧化目的是為了防止原絲在碳化時熔融，通過氧化反應(yīng)使線性 PAN 大分子發(fā)生分子內(nèi)環(huán)化和分子間交聯(lián)，轉(zhuǎn)變成耐熱梯形結(jié)構(gòu)，從而使纖維在高溫碳化過程中不熔不燃。預(yù)氧絲的碳化一般是在惰性氣氛氣體保護下先經(jīng)低溫碳化將 N、H、O 等非碳元素在爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)釋放出來，隨后經(jīng)高溫碳化形成石墨化結(jié)構(gòu)。預(yù)氧化中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為60%，經(jīng)過高溫充分裂解碳化脫除大部分雜元素，最終轉(zhuǎn)化為含碳量 90%以上的高性能碳纖維。

預(yù)氧化工藝在碳纖維成型過程中耗時最長，是決定碳纖維生產(chǎn)效率和能耗成本的關(guān)鍵，也被業(yè)內(nèi)普遍認為是最有潛力提升的環(huán)節(jié)。

3、中間材料：預(yù)浸料是主流

碳纖維生產(chǎn)出來后，除了纏繞成型可以直接使用碳纖維外，其余所有工藝都需要先將碳纖維制成中間材料，再與樹脂復(fù)合成型。幾種常見的中間材料有織物、預(yù)浸料、SMC 和短纖（顆粒），其中預(yù)浸料是最主流的中間材料。不同形態(tài)的中間材料與后續(xù)的加工方法有著密切關(guān)系，比如織物一般采用液壓成型（包括 RTM）、預(yù)浸料主要采用熱壓罐成型、SMC 主要采用沖壓成型、而短纖或長纖適合用擠壓成型。

主要中間體及成型方法

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碳纖維織物也稱為碳纖維布，可分為單向布、雙向布和多軸向三個大類，是碳纖維增強體的一種主要形式，可與樹脂搭配直接用于建筑物補強，但更多的應(yīng)用還是制成預(yù)浸料的半固體形式，再制成各種高質(zhì)量的復(fù)合材料。

預(yù)浸料是最主流的中間材料，2014 年制成這種形式的碳纖維有 27750 噸，占比達到51.5%，其次是非連續(xù)纖維，占比達到19%。

碳纖維到碳纖維復(fù)合材料制品的形式分布及用量情況

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4、復(fù)合材料：樹脂基復(fù)合材料占比約七成

根據(jù)基體材料的不同，碳纖維復(fù)合材料有樹脂基、碳基、陶瓷基、金屬基等多種形式。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2016年全球碳纖維復(fù)合材料需求達到 213.4 億美元，其中樹脂基復(fù)合材料是使用最為廣泛的碳纖維復(fù)合材料，占據(jù) 69%的市場份額，其次為碳基復(fù)合材料，占 12%。

樹脂基復(fù)合材料占碳纖維復(fù)合材料市場份額的 69%

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碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料 (CFRP)：碳纖維增強樹脂復(fù)合材料所用樹脂基體主要分為兩類，一類是熱固性樹脂，另一類是熱塑性樹脂。碳纖維增強熱塑性塑料具有強度與剛性高、蠕變小、熱穩(wěn)定性高、線膨脹系數(shù)小減摩耐磨、不損傷磨件、阻尼特性優(yōu)良等特點。碳纖維增強熱固性塑料具有強度高、模量高、密度小、減摩耐磨、自潤滑、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、熱膨脹系數(shù)小、導(dǎo)熱率大，耐水性好等特點。

熱固性和熱塑性樹脂復(fù)合材料性能對比

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C/C 復(fù)合材料：由碳纖維或織物、編織物等增強碳基復(fù)合材料構(gòu)成，主要由各類碳組成，即纖維碳、樹脂碳和沉積碳。通常用連續(xù)碳纖維長絲深加工預(yù)制體或短切碳纖維增強基體作為制造的胚體，經(jīng) CVD、CVI 等方法反復(fù)致密化后（1-5 個循環(huán)）形成的高比強度和比模量復(fù)合材料。

C/C 復(fù)合材料的制造工藝流程圖

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C/C 復(fù)合材料有兩大特點：一是耐高溫。在非氧化氣氛中可以承受 2000℃以上的高溫且維持力學(xué)性能不變，在高溫氧化環(huán)境中也能均勻燒蝕（不會起火燃燒），這些特性使得其在航天飛機、導(dǎo)彈鼻錐和發(fā)動機噴管中廣泛應(yīng)用；二是耐磨擦磨損。是目前最好的剎車制動材料，國際上多數(shù)大型民用飛機和軍用飛機均采用碳/碳復(fù)合材料飛機剎車副。

C/C 復(fù)合剎車副

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碳纖維增強陶瓷基復(fù)合材料：用碳纖維增強陶瓷可有效改善韌性，改變陶瓷脆性斷裂形態(tài)，同時阻止裂紋在陶瓷基體中的迅速傳播、擴展，在航空發(fā)動機、可重復(fù)使用航天飛行器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

碳纖維增強金屬基復(fù)合材料：具有高的比強度和比模量，高的韌性和耐沖擊性能。目前碳纖維增強鋁、鎂基復(fù)合材料的制備技術(shù)比較成熟。

5、下游產(chǎn)品大幅增值

在碳纖維整體產(chǎn)業(yè)鏈中，不同階段產(chǎn)品價格大幅增值，同一品種原絲的售價約 40 元/公斤，碳纖維約 180 元/公斤，預(yù)浸料約 600 元/公斤，民用復(fù)合材料約在 1000 元以下/公斤，汽車復(fù)合材料約 3000 元/公斤，航空復(fù)合材料約 8000 元/公斤，每一級的深加工都有大幅度的增值。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈越到下游附加值越高

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