風(fēng)電增強(qiáng)材料總述

風(fēng)電葉片主要構(gòu)成包括樹脂基體、增強(qiáng)材料以及粘接劑、芯材等，其中增強(qiáng)材料主要有玻璃纖維和碳纖維兩種。1887 年,美國人 Charles F.Brush 建造第一臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，葉片使用木材制成，此后100 多年，隨著應(yīng)用技術(shù)的積累，風(fēng)電葉片材料經(jīng)歷了木質(zhì)材料-金屬材料-復(fù)合材料的演變過程，目前已完全使用復(fù)合材料，而玻纖因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性成為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片材料的首選。碳纖維是目前已規(guī)?；a(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，更高的力學(xué)性能和輕量化特點(diǎn)均優(yōu)于玻纖。此前由于國內(nèi)缺乏生產(chǎn)技術(shù)，未能突破量產(chǎn)而成本居高不下，近兩年，碳纖維原絲和碳絲均進(jìn)入擴(kuò)產(chǎn)期，成本下降可期，將在大葉片時(shí)代有更好的增速。當(dāng)然，玻纖也在發(fā)展中，目前頭部企業(yè)推出高模量玻纖，一定程度上彌補(bǔ)了相較于碳纖維的力學(xué)性能的不足，我們認(rèn)為二者后續(xù)將互為補(bǔ)充，共享風(fēng)電時(shí)代增強(qiáng)材料的高增速。在風(fēng)電葉片成本結(jié)構(gòu)中，原材料占比達(dá)到75%。在葉片的設(shè)計(jì)中，根據(jù)不同部位的受力形式與強(qiáng)度需求，選取不同的材料，以達(dá)到足夠的剛度與強(qiáng)度。葉片中，增強(qiáng)纖維、基體、芯材及結(jié)構(gòu)膠合計(jì)占比為總成本的87%，其中增強(qiáng)纖維材料成本占比約為28%。

上圖左：葉片成本結(jié)構(gòu)

上圖右：葉片材料成本結(jié)構(gòu)

風(fēng)電葉片用增強(qiáng)材料的核心指標(biāo)是密度、拉伸強(qiáng)度和模量。復(fù)合材料性能優(yōu)異，作為風(fēng)電葉片材料具備優(yōu)異的力學(xué)性能、工藝性能和耐環(huán)境腐蝕性能。其中最關(guān)鍵的指標(biāo)是密度、拉伸強(qiáng)度和模量。材料密度越小單位體積質(zhì)量越輕，在風(fēng)電葉片大型化背景，葉片長度越來越長，低密度的材料可以滿足輕量化的需求。同時(shí)，葉片必須具備高剛度和高強(qiáng)度，來滿足葉片變截面、曲率大和結(jié)構(gòu)鋪層漸變及發(fā)電環(huán)境艱難的特征要求。隨著風(fēng)電機(jī)組大型化，葉片越長整體柔性變形就越大，控制葉尖撓度變形可以確保葉片與塔架之間具有足夠的安全距離，避免發(fā)生掃塔事故。而材料的拉伸模量是影響葉片變形，增加其剛度的關(guān)鍵因素之一。

上圖：各種材料物理特性對比

拉擠成型適合大批量生產(chǎn)，適宜風(fēng)電行業(yè)。實(shí)現(xiàn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料嵌入過程的工藝主要包括濕法手糊成型(Hand Lay-up)、預(yù)浸料成型 (Prepreg)、真空導(dǎo)入成型(RIM)、纏繞成型工藝（FRTP）、拉擠成型（Pultrusion）等。真空導(dǎo)入成型是目前生產(chǎn)葉片的主導(dǎo)工藝，主要優(yōu)勢為污染小，品質(zhì)穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高以及較易商業(yè)化。而濕法手糊成型雖然成型模具簡單投入少，但質(zhì)量差、污染大、效率低。預(yù)浸料成型綜合性能較優(yōu)，但成本較高。纏繞成型通常應(yīng)用于玻璃鋼容器及管式壓力容器，如氫氣瓶。拉擠成型生產(chǎn)效率較高，適于大批量生產(chǎn)且制品質(zhì)量穩(wěn)定，軸向力學(xué)性能佳，比較適宜風(fēng)電行業(yè)領(lǐng)域，近年來占比快速升高，特別是碳纖維拉擠工藝降低了碳纖維的應(yīng)用成本，近年來得到快速發(fā)展。

上圖：復(fù)合材料成型工藝

玻璃纖維：當(dāng)前主流的風(fēng)電增強(qiáng)材料

玻璃纖維性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛。玻璃纖維是一種性質(zhì)優(yōu)異的無機(jī)非金屬材料，其主要成分為二氧化硅、氧化鋁、氧化鈣、氧化硼、氧化鎂、氧化鈉等。其最大的特征是抗拉強(qiáng)度大，比同成分的玻璃高幾十倍，此外耐熱性好，有優(yōu)良的絕緣性，抗腐蝕能力強(qiáng)。由于這些優(yōu)異的性能，玻纖及其向下加工制成的玻纖制品有了廣泛的應(yīng)用空間。尤其是玻纖經(jīng)過浸潤、粘結(jié)、加工等步驟制成的玻纖制品。2000 年以后，隨著各種增強(qiáng)型浸潤劑的應(yīng)用，增強(qiáng)型玻纖制品在復(fù)合材料中得到迅猛發(fā)展，能夠替代鋼、鋁、木材、水泥、PVC 等多種傳統(tǒng)材料。玻纖產(chǎn)品主要包括無堿紗、中堿紗和玻纖制品等，不同產(chǎn)品的市場針對性很強(qiáng)，通常用作復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料、電絕緣材料和絕熱保溫材料，用于建筑材料、交通運(yùn)輸、電子電器、環(huán)保風(fēng)電等領(lǐng)域。

上圖：玻纖行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

近十年來，我國玻纖的表觀消費(fèi)量持續(xù)增長，CAGR 達(dá)到 10.8%。2021 年，需求量約 471 萬噸。當(dāng)前我國玻纖終端需求結(jié)構(gòu)如下圖所示，建筑仍占據(jù)最大的份額占比34%，風(fēng)電需求占比7%，但增速較快。

上圖左：中國玻纖表現(xiàn)及銷量

上圖右：國內(nèi)玻纖消費(fèi)結(jié)構(gòu)

玻纖作為風(fēng)電增強(qiáng)材料具備較高性價(jià)比。玻璃纖維復(fù)合材料由于具有輕質(zhì)高強(qiáng)度的特性，在制品輕量化、資源綜合利用等減少碳排放方面具有巨大優(yōu)勢。玻纖作為風(fēng)電增強(qiáng)材料具有明顯優(yōu)勢，主要因?yàn)椴＠w不僅具備優(yōu)異的性能，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。研究表明，玻璃纖維的密度比鋼低67%，比鋁合金低10%左右，應(yīng)用在風(fēng)電葉片上能大幅降低重量提升發(fā)電效率，降低運(yùn)輸成本。玻纖的拉伸強(qiáng)度比金屬材料高2~6 倍，拉伸模量僅略高于鋁合金，目前市場主流高模量玻纖拉伸模量達(dá)到89Gpa。此外，增強(qiáng)材料成本占風(fēng)電葉片總成本的21%，成本占比較大，因此在增強(qiáng)材料選擇上需考慮其經(jīng)濟(jì)性。我國玻纖行業(yè)成熟的產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)以及多年來降本的努力使得玻纖具有很強(qiáng)的性價(jià)比。目前，玻纖的比強(qiáng)度單價(jià)僅7.2 元/噸，僅達(dá)到其他材料的10%。極具性價(jià)比使玻纖成為風(fēng)電葉片增強(qiáng)材料的主流選擇。玻纖在風(fēng)電領(lǐng)域的運(yùn)用稱為風(fēng)電紗，應(yīng)用主要集中使用在葉片上，少量使用在機(jī)艙罩等部位。玻纖在葉片的蒙皮、腹板和主梁上都有廣泛的應(yīng)用，其中拉擠板主要用于葉片主梁結(jié)構(gòu)上，由玻璃纖維或碳纖維制成。蒙皮提供葉片氣動(dòng)外形并承擔(dān)大部分剪切載荷，用于捕獲風(fēng)能，主要材料為多軸向玻纖。

雙碳背景下，風(fēng)電紗需求穩(wěn)定增長。根據(jù)明陽智能招股說明書披露，單位GW 風(fēng)電裝機(jī)所需玻纖用量在 1 萬噸左右。截至 2021 年，國內(nèi)累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)量為 329.10GW，預(yù)計(jì)2025 年新增裝機(jī)量91GW，對應(yīng)玻纖需求至少約91 萬噸。

上圖左：中國風(fēng)電紗需求測算

上圖右：全球風(fēng)電紗需求測算

上圖：中國風(fēng)電紗玲玉市場格局

我國玻纖產(chǎn)能占全球比例超過 60%，產(chǎn)能集中度高。2021 年，我國玻纖產(chǎn)量突破600 萬噸，占全球總產(chǎn)量的70%以上，中國已成為世界規(guī)模最大的玻纖生產(chǎn)國。通常玻纖生產(chǎn)線開窯后，需要連續(xù)生產(chǎn)8-10 年，中途難以降低負(fù)荷調(diào)節(jié)產(chǎn)量（因非正常停窯產(chǎn)生顯著額外成本），因而玻纖供給較為剛性，調(diào)節(jié)余地小。供給側(cè)的影響主要集中在新增產(chǎn)能和冷修產(chǎn)能。預(yù)計(jì)目前所有冷修項(xiàng)目及在建產(chǎn)能全部投產(chǎn)后，將提升300 萬噸/年產(chǎn)能。

上圖：主要生產(chǎn)企業(yè)冷修技改計(jì)劃

上圖：主要生產(chǎn)企業(yè)擴(kuò)建計(jì)劃

2021 年，我國玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料制品產(chǎn)量 584 萬噸，其中玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料274 萬噸，玻纖增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料310 萬噸，風(fēng)電用途屬于后者。全球玻纖行業(yè)主要有七大生產(chǎn)企業(yè)：分別為國內(nèi)的巨石集團(tuán)有限公司、重慶國際復(fù)合材料有限公司、泰山玻璃纖維股份有限公司、山東玻璃纖維股份有限公司以及美國歐文斯科寧-維托特克斯公司(OCV)、日本電氣硝子公司（NEG）和美國Johns Manville 公司(JM)。目前這7 家公司占據(jù)的全球玻纖總產(chǎn)能的72%。整個(gè)行業(yè)呈現(xiàn)寡頭壟斷特點(diǎn)，并在過去十年未有變化，行業(yè)格局非常穩(wěn)定。按各國企業(yè)產(chǎn)能占比進(jìn)行測算，2021 年中國占全球玻璃纖維產(chǎn)能約71%，中國已成為全球最大的玻纖生產(chǎn)基地，產(chǎn)業(yè)鏈完善。國內(nèi)供給同樣呈現(xiàn)寡頭壟斷的特點(diǎn)，2021 年中國巨石、泰山玻纖、重慶國際占據(jù)60%以上的市場份額。因?yàn)椴＠w行業(yè)重資產(chǎn)、資本密集、核心技術(shù)不易獲得這些特點(diǎn)保證了玻纖行業(yè)中的龍頭能不斷積累規(guī)模優(yōu)勢，降低成本，同時(shí)加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)，通過技改進(jìn)一步降低成本。

上圖左：2020年全球玻纖供給格局

上圖右：2021年中國玻纖供給格局

葉片大型化的背景下，高模玻纖是玻纖未來發(fā)展方向。與普通無堿玻纖相比，高模高強(qiáng)玻纖具有拉伸強(qiáng)度高、彈性模量高、抗沖擊性能好、化學(xué)穩(wěn)定性好、抗疲勞性好、耐高溫等優(yōu)良性能。隨著近十年玻纖企業(yè)持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，每一代玻纖的模量都提升了 10%左右, 90Gpa 已能滿足目前的市場需求，中國巨石最新的超高模量E9 玻璃纖維拉伸模量達(dá)到100Gpa，比普通E 玻纖提高36%，并且其強(qiáng)度比普通E玻纖提高60%，預(yù)計(jì)滿足至少未來三年的市場需求，有力地促進(jìn)了葉片大型化的發(fā)展。

上圖：各種材料物理性質(zhì)對比

上圖：各型號(hào)拉伸模量對比

上圖：布局風(fēng)電領(lǐng)域玻璃纖維上市公司產(chǎn)能情況

碳纖維：受益于葉片大型化，國內(nèi)突破量產(chǎn)打開降本空間

碳纖維是一種高強(qiáng)度輕量化材料。碳纖維是由聚丙烯腈等有機(jī)纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主鏈無結(jié)構(gòu)無機(jī)纖維，是目前已規(guī)?；a(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，其比重不到鋼的 1/4，強(qiáng)度卻是鋼的7~9 倍。根據(jù)文獻(xiàn)記載，原子間結(jié)合力模型計(jì)算可得出碳纖維理論抗拉強(qiáng)度高達(dá)180GPa，但實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)僅達(dá)到9GP，仍有很大的發(fā)展空間。另外，碳纖維具有耐高溫、耐腐蝕以及其他材料不可替代的耐摩擦、耐承壓、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等優(yōu)良性能，其中耐高溫性能是化學(xué)纖維之最，在2000°C以上的高溫惰性氣氛中，唯獨(dú)碳纖維是強(qiáng)度不下降的材料。碳纖維原絲本身是絲狀的，通常將其經(jīng)過預(yù)氧化、碳化、紡絲后加入樹脂、陶瓷等補(bǔ)強(qiáng)材料并經(jīng)過工藝成型獲得碳纖維復(fù)合材料（簡稱為復(fù)材）從而進(jìn)行終端應(yīng)用，目前廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、體育休閑、壓力容器、碳/碳復(fù)合材料、航空航天等領(lǐng)域，且有很強(qiáng)的拓展性。

上圖：碳纖維與玻璃纖維及鋼材對比

葉片大型化后，碳纖維已經(jīng)成為必要選擇。隨著葉片長度的增加，對增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和剛度等性能提出了新的要求，玻璃纖維在大型復(fù)合材料葉片制造中逐漸顯現(xiàn)出性能方面的不足，特別是對于超過100 米的葉片。為了保證在極端風(fēng)載下葉尖不碰塔架，葉片必須具有足夠的剛度。既減輕葉片的質(zhì)量，又要滿足強(qiáng)度與剛度要求，有效的辦法是采用纖維進(jìn)行增強(qiáng)，在發(fā)展更大功率風(fēng)力發(fā)電裝置和更長轉(zhuǎn)子葉片時(shí)，采用性能更好的碳纖維復(fù)合材料勢在必行。全球風(fēng)能理事會(huì)（CWEA）數(shù)據(jù)顯示，2015-2021 年間，全球風(fēng)電領(lǐng)域的碳纖維需求迅速從 1.8 萬噸增長到了 3.3 萬噸，占到了 2021 年全球碳纖維總需求的約30%，碳纖維風(fēng)電葉片成為碳纖維下游的最大市場。

上圖左：全球碳纖維下游結(jié)構(gòu)（萬噸）

上圖右：中國碳纖維下游結(jié)構(gòu)（萬噸）

按照原絲制備中的原料種類，碳纖維可以分為聚丙烯腈基（PAN 基）、瀝青基和粘膠基。其中，由于PAN 基碳纖維原料來源廣、工藝技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性較好而被廣泛應(yīng)用，當(dāng)前 PAN 基碳纖維占碳纖維總量的 90%以上，瀝青基占 8%，粘膠基不到 1%。因此，碳纖維一般指PAN 基碳纖維。

上圖：碳纖維原絲種類類型

力學(xué)性能是碳纖維的核心性能指標(biāo)和分類依據(jù)，按照現(xiàn)行聚丙烯腈基碳纖維國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 26752-2020 的力學(xué)性能分類，PAN 碳纖維分為高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高模型、高強(qiáng)高模型四類，具體分類如下：

上圖：碳纖維力學(xué)性能分析

一般使用碳纖維中單絲根數(shù)與1,000 的比值對單束碳纖維包含的碳纖維數(shù)量進(jìn)行衡量, 如12K 指單束碳纖維中含有12,000 根單絲的碳纖維。按照每束碳纖維中單絲根數(shù)，碳纖維可以分為小絲束和大絲束兩大類別。通常將48K 以下的稱為小絲束，通常包含1K、3K、6K、12K、24K，48K 及以上的稱為大絲束碳纖維。通常來說，絲束越大，聚集越容易，但同時(shí)展紗效果就越差，浸潤膠液的效果也越差，同時(shí)單絲中容易發(fā)生空隙等問題。同時(shí)，大小絲束的穩(wěn)定程度存在差異，小絲束碳纖維的變異系數(shù)控制在5%以內(nèi)，抗拉強(qiáng)度較為穩(wěn)定，離散型較小，大絲束碳纖維的變異系數(shù)則在15-18%，離散性更高，穩(wěn)定度低。離散性低意味著強(qiáng)度更高。但從大規(guī)模工業(yè)化的角度，大絲束碳纖維在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，打破碳纖維高昂價(jià)格帶來的應(yīng)用局限，因而是一個(gè)極有潛力的市場，特別適用于風(fēng)電這種需要兼顧性能和成本的應(yīng)用領(lǐng)域。

總體而言，小絲束碳纖維性能優(yōu)異但價(jià)格較高，一般用于航天軍工等高科技領(lǐng)域，以及體育用品中產(chǎn)品附加值較高的產(chǎn)品類別，主要下游產(chǎn)品包括航空航天、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍等。大絲束產(chǎn)品性能相對較低但制備成本亦較低，因此往往運(yùn)用于基礎(chǔ)工業(yè)領(lǐng)域，包括風(fēng)電能源、土木建筑、交通運(yùn)輸?shù)取?/p>

拉擠法逐漸成為主流，為碳纖維在風(fēng)電上的應(yīng)用打開空間。早期，盡管碳纖維有著優(yōu)越的性能，但其在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用十分受限，主要是因?yàn)?2015 年之前，碳纖維應(yīng)用在風(fēng)電葉片的工藝主要以預(yù)浸料和真空灌注為主，部分采用小絲束碳纖維，平均價(jià)格偏高，經(jīng)濟(jì)性差，且此類成型方法操作復(fù)雜、生產(chǎn)效率低，限制了其在各領(lǐng)域的普及應(yīng)用。

2015 年開始，維斯塔斯通過拉擠工藝，大幅提高了碳纖維體積含量，減輕了主體承載部分的質(zhì)量，且降低了碳纖維成本。維斯塔斯公司開發(fā)出碳纖維拉擠工藝制作的葉片大梁后，開始大規(guī)模推廣碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，該公司兆瓦級以上風(fēng)機(jī)葉片都使用碳纖維復(fù)合材料，極大地推動(dòng)了碳纖維在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用。2021 年風(fēng)電的碳纖維用量3.3 萬噸，僅維斯塔斯用量就在2.5-2.8 萬噸左右。

上圖：碳梁在葉片中的結(jié)構(gòu)示意

葉片用碳纖維復(fù)合材料大梁的制作方面可以分為預(yù)浸料工藝、灌注工藝、拉擠（碳板）工藝三種。預(yù)浸料工藝是碳纖維先制成單向預(yù)浸料，然后在模具中鋪層，用真空袋加壓，并除去層與層之間的空氣，最后升溫固化，得到大梁。灌注工藝是碳纖維先編織成單向布，然后在模具中鋪層，用真空袋加壓，并除去層與層之間的空氣，同時(shí)把樹脂導(dǎo)入，最后升溫固化，得到大梁。拉擠工藝是先將碳纖維制成拉擠板材，然后在葉片制作時(shí)，在設(shè)定位置內(nèi)，把拉擠板材黏貼在蒙皮上制成大梁。其生產(chǎn)過程簡單、工藝成熟穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本可得到很好的控制。成本下降主要體現(xiàn)在可以減少工序，相應(yīng)減少模具的投入。同時(shí)與灌注工藝相比，拉擠的樹脂含量更低，可以使葉片重量下降 3%。根據(jù)《賽奧全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》，纏繞拉擠工藝占碳纖維復(fù)材的占比從2017 年的26%提升到了2020 年的36%。2020 年，纏繞拉擠工藝第一次超越預(yù)浸鋪放工藝，成為碳纖維使用最多的工藝，其背后分別是氫氣瓶和風(fēng)電市場對碳纖維的需求提升。隨著大絲束需求的進(jìn)一步增長，拉擠工藝的滲透率會(huì)繼續(xù)提升。

上圖左：拉擠工藝流程

上圖左：2017年全球樹脂基碳纖維復(fù)材工藝占比（%）

上圖右：2020年全球樹脂基碳纖維復(fù)材工藝占比（%）

這一工藝長期受維斯塔斯專利保護(hù)，研發(fā)新型主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并獲得更好的產(chǎn)品性能較為困難，因此此前國內(nèi)碳纖維制造商只能通過進(jìn)入維斯塔斯供應(yīng)鏈的方式，因而一定程度上制約了中國碳纖維葉片及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。至2022 年7 月19 日，全球風(fēng)電整機(jī)巨頭維斯塔斯碳纖維葉片核心專利拉擠工藝到期，國內(nèi)拉擠法滲透率有望進(jìn)一步提升，從而帶動(dòng)碳纖維在風(fēng)電葉片上的需求量進(jìn)一步增加。當(dāng)前已有較多企業(yè)已開始布局碳纖維拉擠產(chǎn)線，光威復(fù)材已實(shí)現(xiàn)碳纖維拉擠板供應(yīng)Vestas，恒神股份也在拉擠板領(lǐng)域有所布局。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈較長，核心環(huán)節(jié)集中在原絲和碳絲環(huán)節(jié)。碳纖維生產(chǎn)過程，主要分為PAN 紡絲原液的制備、PAN 原絲的紡制、原絲預(yù)氧化及碳化、復(fù)材成型幾個(gè)環(huán)節(jié)。具體的，有機(jī)聚合物（主要為聚丙烯腈）單體進(jìn)行聚合并溶解；得到的聚合物按照不同的紡絲工藝進(jìn)行紡紗、洗滌、拉伸得到碳纖維原絲；原絲添加化學(xué)品穩(wěn)定后，在厭氧、高溫環(huán)境下碳化排出所有非碳材料，形成純碳網(wǎng)狀鏈，后經(jīng)表面處理、上漿后形成碳纖維（稱為碳絲）；得到的絲束加入樹脂、陶瓷等補(bǔ)強(qiáng)材料并經(jīng)過工藝成型獲得碳纖維復(fù)合材料。其中原絲環(huán)節(jié)是最后產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵，有學(xué)者曾提出：“碳纖維質(zhì)量 90%在原絲”。如果在原絲環(huán)節(jié)出現(xiàn)品質(zhì)缺陷，如表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等，在后續(xù)加工中很難消除，從而造成碳纖維力學(xué)性能的下降。只有得到高取向、高強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性好、纖度均勻、雜質(zhì)和缺陷少的原絲，才能有效提高碳纖維質(zhì)量。

上圖：PAN基碳纖維生產(chǎn)流程

從產(chǎn)業(yè)鏈角度，我國是原料聚丙烯腈生產(chǎn)大國，但原絲和碳絲環(huán)節(jié)仍由日美韓主導(dǎo)，這主要是我國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚導(dǎo)致，但隨著我國風(fēng)電等領(lǐng)域全球影響力的加大帶來國內(nèi)需求的繁榮，我們能夠看到碳纖維的技術(shù)工藝產(chǎn)能都在快速進(jìn)步，進(jìn)口依賴的現(xiàn)象也在逐漸改善，近幾年將成為高速發(fā)展的窗口期。2020 年，我國大陸地區(qū)PAN 基碳纖維對外依存度62%，較2015 年的85%已降低22pct。

上圖左：中國碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量（萬噸）及進(jìn)口依存度

上圖右：碳纖維進(jìn)口來源（噸）

原絲環(huán)節(jié)核心壁壘在于設(shè)備、紡絲工藝和過程控制。盡管從碳絲和復(fù)材角度上來說，我國國產(chǎn)化率提升喜人，但原絲國產(chǎn)化的進(jìn)度較慢，尤其對于大絲束，當(dāng)前商業(yè)化生產(chǎn)銷售的僅吉林碳谷。多年來，原絲質(zhì)量低于海外是根本問題。我們認(rèn)為，原絲環(huán)節(jié)核心壁壘在于三個(gè)環(huán)節(jié)——設(shè)備、紡絲工藝和過程控制。

設(shè)備：目前原絲核心設(shè)備仍主要依賴進(jìn)口，僅有部分部件來自國產(chǎn)，國產(chǎn)整體設(shè)備和海外差距較大。海外標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備在工藝適配性上有不足，也較難滿足企業(yè)自身的參數(shù)要求，因此也需要有改造、調(diào)整進(jìn)口設(shè)備的能力。

紡絲工藝：碳纖維原絲紡絲工藝的選擇及控制為穩(wěn)定生產(chǎn)高性能原絲的關(guān)鍵因素。紡絲工藝主要分為濕法紡絲、干法紡絲和干噴濕紡（亦稱干濕法紡絲），主要區(qū)別在于噴絲板與凝固浴的位置關(guān)系不同。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)聚丙烯腈原絲的工藝主要為濕法紡絲和干噴濕紡。干法成型的纖維結(jié)構(gòu)較緊密，但內(nèi)部形成的原纖多，處于淘汰階段。

濕法成型的纖維纖度變化小，纖維上殘留的溶劑少，容易控制原絲質(zhì)量，是目前廣泛應(yīng)用的紡絲工藝，干噴濕紡是紡絲工藝的新發(fā)展趨勢。（《高濃度PAN／DMSO 溶液干濕法紡絲工藝研究》）濕法紡絲是原液經(jīng)過計(jì)量泵，然后從噴絲頭擠出，原液細(xì)流直接進(jìn)入凝固浴，在凝固浴中迅速凝固成絲條，形成初生纖維。紡絲原液從噴絲頭噴出進(jìn)入凝固浴后，原液細(xì)流的表層首先與凝固浴接觸，進(jìn)行傳質(zhì)，很快凝固成一薄層，凝固浴中的水不斷通過這一薄皮層擴(kuò)散至細(xì)流內(nèi)部，而細(xì)流中的溶劑也通過皮層擴(kuò)散至凝固浴中。

干噴濕紡不直接浸入凝固浴，是紡絲原液經(jīng)過噴絲板噴出之后先經(jīng)過一段 3-10cm 的空氣層，然后再進(jìn)入凝固浴。空氣層是有效的拉伸區(qū)，不僅可提高紡絲速度，而且容易得到高強(qiáng)度、高取向的原絲，原絲的結(jié)構(gòu)均勻致密，因此要得到高強(qiáng)度的碳纖維，較好的方法是采用干噴濕紡。同時(shí)，由于干噴濕紡工藝要求高壓紡絲和高倍牽伸，所以還能夠令生產(chǎn)效率成倍提高。但此方式對紡絲工藝和原液質(zhì)量要求極高，任何不穩(wěn)定因素導(dǎo)致的任何一根原液斷流都會(huì)最終破壞整個(gè)噴絲板的正常生產(chǎn)，因此干噴濕紡技術(shù)難度較大，國內(nèi)僅少數(shù)企業(yè)能夠掌握成熟工藝技術(shù)。

上圖左：濕法紡絲和干噴法紡絲的主要差異

上圖：主要碳纖維廠商及紡絲方法

上圖：PAN基碳纖維生產(chǎn)工藝流程

按照聚合和紡絲工藝是否連續(xù)可以分為一步法、兩步法。由于溶液聚合可直接獲得聚合物溶液，只要經(jīng)過脫單、過濾及脫泡后即可用于紡絲，因此被稱為一步法；而兩步法使水相聚合，先通過水相沉淀聚合得到 PAN 固體粉料，然后經(jīng)過粉碎、烘干等供需，最后利用有機(jī)溶劑溶解PAN 粉末來生產(chǎn)紡絲原液?？偟膩碚f，兩者各有優(yōu)劣。一步法工藝相對簡單，可控性較好，但由于聚合過程不易散熱、消耗的第三單體及溶劑較多、溶劑不易回收、溶劑的鏈轉(zhuǎn)移系數(shù)大，不易獲得高分子量的PAN 聚合物；兩步法的聚合過程散熱較為容易，溶劑幾乎沒有鏈轉(zhuǎn)移系數(shù)，因此可獲得一步法溶液聚合所不能獲得的高分子量的PAN 聚合物，且紡絲原液通過溶解制備，使得可用于紡絲的PAN 原液可選范圍廣，提高了分子量和濃度上限。但另一方面，兩步法工藝復(fù)雜，會(huì)加大生產(chǎn)成本，容易引入雜質(zhì)，且聚合物粒徑較大不易制得高性能 PAN 原絲，較少用于小絲束碳纖維原絲生產(chǎn)。目前“一步法—濕法”紡絲工藝是我國絕大部分碳纖維生產(chǎn)企業(yè)采用的工藝路線。

上圖：PAN原絲的制備過程

過程控制：碳纖維的生產(chǎn)工藝流程復(fù)雜精密，全部參數(shù)多達(dá)3000 余個(gè)，因此整個(gè)碳纖維生產(chǎn)過程中的過程控制要求極高。紡絲原液的制備決定了PAN 大分子鏈的微觀結(jié)構(gòu)， 是整個(gè)流程的源頭和基礎(chǔ)，溶液凈化程度和溶解的均勻性都可直接決定干噴濕紡工藝能否生產(chǎn)順利甚至是否可行；原絲是碳纖維前驅(qū)體的成形階段，原絲的高強(qiáng)度、細(xì)旦化、分纖性能優(yōu)良、質(zhì)地均一是制備高性能碳纖維的前提；預(yù)氧絲的制備是碳纖維生產(chǎn)過程中承前啟后的橋梁，是組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的重要過渡階段；碳化是亂層石墨結(jié)構(gòu)形成、長大和有序化階段，是碳纖維拉伸強(qiáng)度大幅度提高的階段。整個(gè)生產(chǎn)流程中的每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對最終碳纖維質(zhì)量造成不可逆轉(zhuǎn)的影響，尤其是工藝中的缺陷，更是會(huì)跟隨每一級流程遺傳至終并產(chǎn)生連鎖甚至擴(kuò)大缺陷效應(yīng)，因此，必須控制好每一步的生產(chǎn)質(zhì)量，才會(huì)最終制得高性能碳纖維。對于大絲束來說，精確控制和生產(chǎn)過程中的調(diào)整均是難點(diǎn)，需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)和長期的技術(shù)積累。

碳絲環(huán)節(jié)核心壁壘在于設(shè)備及調(diào)試過程。PAN 原絲先進(jìn)入預(yù)氧化爐（通常在180~280°C）生產(chǎn)出預(yù)氧化纖維，達(dá)到讓預(yù)氧絲在炭化高溫下不熔不燃，保持纖維狀態(tài)，熱力學(xué)處于穩(wěn)定狀態(tài)；預(yù)氧絲再放入低溫炭化爐（300~1000°C）和高溫炭化爐（1000~1600°C）制成碳絲。在預(yù)氧化和碳化的兩個(gè)過程中，控制溫度和時(shí)間是控制反應(yīng)速度和結(jié)構(gòu)變化過程的關(guān)鍵，也是核心設(shè)備的主要技術(shù)點(diǎn)。兩個(gè)環(huán)節(jié)主要涉及的專用設(shè)備是預(yù)氧化爐和炭化爐，當(dāng)前國內(nèi)企業(yè)在這兩個(gè)核心設(shè)備環(huán)節(jié)已基本完成國產(chǎn)化。但設(shè)備之外，廠家還需要根據(jù)自己的技術(shù)認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn)對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、改造，這個(gè)環(huán)節(jié)同樣重要，需要經(jīng)年累月的技術(shù)積累和投入，因此我們認(rèn)為這個(gè)環(huán)節(jié)的競爭是存在先發(fā)優(yōu)勢的。

上圖：碳纖維領(lǐng)域有布局的上市公司產(chǎn)能情況

碳纖維vs 玻璃纖維：共享風(fēng)電增長紅利

碳纖維和玻纖將共享風(fēng)電增長紅利。玻纖相較于碳纖維有性價(jià)比優(yōu)勢，同時(shí)高模玻纖新型號(hào)的出現(xiàn)增加了其未來的發(fā)展?jié)摿?，高模玻纖拉伸模量等性能能夠比肩碳纖維，同時(shí)兼有玻纖的成本優(yōu)勢，在風(fēng)電滲透率提升過程中仍將扮演重要角色。但當(dāng)葉片超過一定尺寸后，碳纖維葉片的優(yōu)勢將更加顯現(xiàn)，特別是對于追求極致更大葉片的海上風(fēng)電領(lǐng)域。當(dāng)葉片超過一定程度，碳纖維比玻璃纖維在材料用量、勞動(dòng)力、運(yùn)輸和安裝成本方面都有顯著降低。具體在成本端下降有以下的特點(diǎn)：

質(zhì)量輕，在滿足剛度和強(qiáng)度要求的條件下，碳纖維葉片比玻璃纖維葉片輕20%以上；

低負(fù)荷；變槳軸承、偏航系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)輪轂、塔筒變得更輕，更易操作、運(yùn)輸及吊裝3）擾度更小，機(jī)翼部分更薄。機(jī)翼氣動(dòng)效率更高，提高風(fēng)能的利用率和年發(fā)電量，動(dòng)力問題少、預(yù)彎少、垂懸部分小，提高葉片的抗疲勞性能，可制造低風(fēng)速葉片、自適應(yīng)葉片，利用導(dǎo)電性能避免雷擊，具有振動(dòng)阻尼特性。另外，隨著碳纖維產(chǎn)能產(chǎn)量的不斷釋放，碳纖維成本將很快能夠大規(guī)模匹配下游可承受范圍?？傮w我們認(rèn)為，碳纖維和玻纖能夠共享風(fēng)電領(lǐng)域增長紅利。