风电强势增长给增强材料带来了哪些机会？

拉强度高达180GPa，但实验室数据仅达到9GP，仍有很大的发展空间。另外，碳纤维具有耐高温、耐腐蚀以及其他材料不可替代的耐摩擦、耐承压、导电、导热等优良性能，其中耐高温性能是化学纤维之最，在2000°C以上的高温惰性气氛中，唯独碳纤维是强度不下降的材料。碳纤维原丝本身是丝状的，通常将其经过预氧化、碳化、纺丝后加入树脂、陶瓷等补强材料并经过工艺成型获得碳纤维复合材料（简称为复材）从而进行终端应用，目前广泛应用于风力发电、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、航空航天等领域，且有很强的拓展性。

上图：碳纤维与玻璃纤维及钢材对比

 

叶片大型化后，碳纤维已经成为必要选择。随着叶片长度的增加，对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足，特别是对于超过100 米的叶片。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。既减轻叶片的质量，又要满足强度与刚度要求，有效的办法是采用纤维进行增强，在发展更大功率风力发电装置和更长转子叶片时，采用性能更好的碳纤维复合材料势在必行。全球风能理事会（CWEA）数据显示，2015-2021 年间，全球风电领域的碳纤维需求迅速从 1.8 万吨增长到了 3.3 万吨，占到了2021 年全球碳纤维总需求的约30%，碳纤维风电叶片成为碳纤维下游的最大市场。

上图左：全球碳纤维下游结构（万吨）   上图右：中国碳纤维下游结构（万吨）

 

按照原丝制备中的原料种类，碳纤维可以分为聚丙烯腈基（PAN 基）、沥青基和粘胶基。其中，由于PAN 基碳纤维原料来源广、工艺技术成熟、经济性较好而被广泛应用，当前 PAN 基碳纤维占碳纤维总量的 90%以上，沥青基占 8%，粘胶基不到 1%。因此，碳纤维一般指PAN 基碳纤维。

上图：碳纤维原丝种类类型

 

力学性能是碳纤维的核心性能指标和分类依据，按照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标准 GB/T 26752-2020 的力学性能分类，PAN 碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四类，具体分类如下：

上图：碳纤维力学性能分析

 

一般使用碳纤维中单丝根数与1,000 的比值对单束碳纤维包含的碳纤维数量进行衡量, 如12K 指单束碳纤维中含有12,000 根单丝的碳纤维。按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别。通常将48K 以下的称为小丝束，通常包含1K、3K、6K、12K、24K，48K 及以上的称为大丝束碳纤维。通常来说，丝束越大，聚集越容易，但同时展纱效果就越差，浸润胶液的效果也越差，同时单丝中容易发生空隙等问题。同时，大小丝束的稳定程度存在差异，小丝束碳纤维的变异系数控制在5%以内，抗拉强度较为稳定，离散型较小，大丝束碳纤维的变异系数则在15-18%，离散性更高，稳定度低。离散性低意味着强度更高。但从大规模工业化的角度，大丝束碳纤维在相同的生产条件下，可大幅度提高碳纤维单线产能，实现生产低成本化，打破碳纤维高昂价格带来的应用局限，因而是一个极有潜力的市场，特别适用于风电这种需要兼顾性能和成本的应用领域。 

 

总体而言，小丝束碳纤维性能优异但价格较高，一般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别，主要下游产品包括航空航天、高尔夫球杆、网球拍等。大丝束产品性能相对较低但制备成本亦较低，因此往往运用于基础工业领域，包括风电能源、土木建筑、交通运输等。 

 

拉挤法逐渐成为主流，为碳纤维在风电上的应用打开空间。早期，尽管碳纤维有着优越的性能，但其在风电领域的应用十分受限，主要是因为 2015 年之前，碳纤维应用在风电叶片的工艺主要以预浸料和真空灌注为主，部分采用小丝束碳纤维，平均价格偏高，经济性差，且此类成型方法操作复杂、生产效率低，限制了其在各领域的普及应用。

 

2015 年开始，维斯塔斯通过拉挤工艺，大幅提高了碳纤维体积含量，减轻了主体承载部分的质量，且降低了碳纤维成本。维斯塔斯公司开发出碳纤维拉挤工艺制作的叶片大梁后，开始大规模推广碳纤维在风电领域的应用。目前，该公司兆瓦级以上风机叶片都使用碳纤维复合材料，极大地推动了碳纤维在风电领域的应用。2021 年风电的碳纤维用量3.3 万吨，仅维斯塔斯用量就在2.5-2.8 万吨左右。 

上图：碳梁在叶片中的结构示意

 

叶片用碳纤维复合材料大梁的制作方面可以分为预浸料工艺、灌注工艺、拉挤（碳板）工艺三种。预浸料工艺是碳纤维先制成单向预浸料，然后在模具中铺层，用真空袋加压，并除去层与层之间的空气，最后升温固化，得到大梁。灌注工艺是碳纤维先编织成单向布，然后在模具中铺层，用真空袋加压，并除去层与层之间的空气，同时把树脂导入，最后升温固化，得到大梁。拉挤工艺是先将碳纤维制成拉挤板材，然后在叶片制作时，在设定位置内，把拉挤板材黏贴在蒙皮上制成大梁。其生产过程简单、工艺成熟稳定、生产效率高、生产成本可得到很好的控制。成本下降主要体现在可以减少工序，相应减少模具的投入。同时与灌注工艺相比，拉挤的树脂含量更低，可以使叶片重量下降 3%。根据《赛奥全球碳纤维复合材料市场报告》，缠绕拉挤工艺占碳纤维复材的占比从2017 年的26%提升到了2020 年的36%。2020 年，缠绕拉挤工艺第一次超越预浸铺放工艺，成为碳纤维使用最多的工艺，其背后分别是氢气瓶和风电市场对碳纤维的需求提升。随着大丝束需求的进一步增长，拉挤工艺的渗透率会继续提升。 

上图左：拉挤工艺流程

上图左：2017年全球树脂基碳纤维复材工艺占比（%）   上图右：2020年全球树脂基碳纤维复材工艺占比（%）

 

这一工艺长期受维斯塔斯专利保护，研发新型主梁结构设计并获得更好的产品性能较为困难，因此此前国内碳纤维制造商只能通过进入维斯塔斯供应链的方式，因而一定程度上制约了中国碳纤维叶片及相关产业链的发展。至2022 年7 月19 日，全球风电整机巨头维斯塔斯碳纤维叶片核心专利拉挤工艺到期，国内拉挤法渗透率有望进一步提升，从而带动碳纤维在风电叶片上的需求量进一步增加。当前已有较多企业已开始布局碳纤维拉挤产线，光威复材已实现碳纤维拉挤板供应Vestas，恒神股份也在拉挤板领域有所布局。

 

碳纤维产业链较长，核心环节集中在原丝和碳丝环节。碳纤维生产过程，主要分为PAN 纺丝原液的制备、PAN 原丝的纺制、原丝预氧化及碳化、复材成型几个环节。具体的，有机聚合物（主要为聚丙烯腈）单体进行聚合并溶解；得到的聚合物按照不同的纺丝工艺进行纺纱、洗涤、拉伸得到碳纤维原丝；原丝添加化学品稳定后，在厌氧、高温环境下碳化排出所有非碳材料，形成纯碳网状链，后经表面处理、上浆后形成碳纤维（称为碳丝）；得到的丝束加入树脂、陶瓷等补强材料并经过工艺成型获得碳纤维复合材料。其中原丝环节是最后产品品质的关键，有学者曾提出：“碳纤维质量 90%在原丝”。如果在原丝环节出现品质缺陷，如表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等，在后续加工中很难消除，从而造成碳纤维力学性能的下降。只有得到高取向、高强度、热稳定性好、纤度均匀、杂质和缺陷少的原丝，才能有效提高碳纤维质量。

上图：PAN基碳纤维生产流程

 

从产业链角度，我国是原料聚丙烯腈生产大国，但原丝和碳丝环节仍由日美韩主导，这主要是我国碳纤维产业发展起步较晚导致，但随着我国风电等领域全球影响力的加大带来国内需求的繁荣，我们能够看到碳纤维的技术工艺产能都在快速进步，进口依赖的现象也在逐渐改善，近几年将成为高速发展的窗口期。2020 年，我国大陆地区PAN 基碳纤维对外依存度62%，较2015 年的85%已降低22pct。

上图左：中国碳纤维产能产量（万吨）及进口依存度    上图右：碳纤维进口来源（吨）

 

原丝环节核心壁垒在于设备、纺丝工艺和过程控制。尽管从碳丝和复材角度上来说，我国国产化率提升喜人，但原丝国产化的进度较慢，尤其对于大丝束，当前商业化生产销售的仅吉林碳谷。多年来，原丝质量低于海外是根本问题。我们认为，原丝环节核心壁垒在于三个环节——设备、纺丝工艺和过程控制。 

 

设备：目前原丝核心设备仍主要依赖进口，仅有部分部件来自国产，国产整体设备和海外差距较大。海外标准设备在工艺适配性上有不足，也较难满足企业自身的参数要求，因此也需要有改造、调整进口设备的能力。

 

纺丝工艺：碳纤维原丝纺丝工艺的选择及控制为稳定生产高性能原丝的关键因素。纺丝工艺主要分为湿法纺丝、干法纺