近日，有关“兰州蓝星2.5万吨50K大丝束碳纤维项目落户山东淄博”消息刷屏，大丝束碳纤维再次进入公众视野。以低成本为驱动因素的大丝束碳纤维目前广泛应用于风电、土木建筑、交通运输等领域。本文详细介绍了大丝束碳纤维概念、主要应用领域及近几年国内外大丝束碳纤维制造商动态，并针对大丝束碳纤维低成本原因进行了梳理，从技术角度进一步分析了国内大丝束碳纤维核心竞争力。

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大丝束碳纤维及其应用

PAN基碳纤维按照丝束规格可以分为小丝束和大丝束，丝束规格低于24k为小丝束碳纤维，它是指束丝碳纤维中单丝数量为1000-24000根；而大丝束碳纤维丝束规格≥48k，即束丝中单丝数量超过48000根。除了简单的丝束规格进行区分以外，小丝束和大丝束碳纤维在力学性能、应用领域等存在显著差异。

表1 卓尔泰克PANEX35碳纤维与东丽T300性能对比

小丝束碳纤维力学性能优异，拉伸强度3.5-7.0 GPa、拉伸模量230-650GPa，主要用于主要应用于航空航天、国防军工以及高端体育休闲用品等领域，因此又称作宇航级碳纤维。

而大丝束碳纤维拉伸强度3.5-5.0 GPa、拉伸模量230-290GPa，一般都是应用到纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等领域，因此又称为工业级碳纤维。如表1为卓尔泰克PANEX35性能指标与日本东丽T300碳纤维对比。

小丝束碳纤维尤其是高强度碳纤维和高模量碳纤维属于国外长期禁运产品，而且国内刚需明显，国内外技术差距大，因此主要驱动因素是技术。宇航级小丝束碳纤维对可靠性、工艺性、稳 定性等要求极为严苛，目前我国的碳纤维产能主要集中于小丝束领域，但以低端产能如T300、T700等为主。

大丝束碳纤维连续性能虽然不比宇航级的小丝束，但是其技术壁垒也是相当高，作为工业级碳纤维，其核心驱动力在于低成本，因此在保证大丝束情况下如何有效控制成本极其重要。大丝束碳纤维制备属于低成本生产技术，其售价只有小丝束碳纤维的50%——60%，同样以PANEX35和T300两款碳纤维对比，目前国内市场上东丽T300每公斤销售价为1000元左右，而PANEX35每公斤售价则低于200元。

鉴于大丝束碳纤维也存在较高技术壁垒，导致目前全球大丝束碳纤维产量低于小丝束碳纤维。2014 年，全球 PAN 基碳纤维产能约为 12.8 万吨，其中小丝束碳纤维约占 72%，大丝束碳纤维约占 28%。在全球大丝束碳纤维市场中，日本企业所有的市场份额占全球产能的 24%，美日两国合计能够有全球 76%的大丝束生产能力。

大丝束碳纤维除了制备技术要求高，在后续应用过程中，由于纤维丝束较大、易于集聚，因此展纱效果不好，进而造成树脂对纤维浸润性较差，并易于产生孔隙等缺缺陷。另外，在大丝束碳纤维展纱过程中会出现乱纱和断纱，导致力学性能分散性较大，进一步增加了大丝束碳纤维应用难度。

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近年来国内外大丝束碳纤维焦点事件

2.1 国外大丝束碳纤维焦点

2017年11月，特种化学品巨头索尔维Solvay公司完成了对德国大丝束(50K)聚丙烯腈(PAN)碳纤维优质原丝生产商European Carbon Fiber GmbH (简称“ECF”)的收购。通过该收购，Solvay公司将进一步引领复合材料在汽车领域的应用潮流，并探索在航空领域采用大丝束碳纤维的潜力。

2018年4月，日本东丽公司决定增加其美国子公司卓尔泰克的大丝束碳纤维生产能力，计划将卓尔泰克公司位于匈牙利工厂的产能从每年10000吨提高到15000吨，产能增加50％。卓尔泰克公司目前正在进行生产线改进，将其位于墨西哥工厂的产能从每年5000吨提高到每年10000吨。一旦匈牙利工厂现有的改造措施到位，卓尔泰克公司的年均产能将达到约25000吨。

2019年12月，Solvay公司和德国碳纤维制造商SGL（图1）宣布达成联合开发协议(JDA)，将第一批50k规格大丝束、中等模量(IM)的碳纤维复合材料推向民用航空市场，以期改善下一代民用飞机的生产工艺和燃油效率。其中碳纤维采用SGL公司提供的大丝束中等模量碳纤维和Solvay公司则提供树脂体系。

图1 SGL碳纤维公司在美国华盛顿州摩西湖碳纤维生产线

2.2 国内大丝束碳纤维焦点

上海石化：2016年5月，开展碳纤维48K大丝束原丝工业化研究试验；2018年1月，成功开发大丝束碳纤维的聚合、纺丝、氧化炭化工艺技术，形成千吨级PAN基48K大丝束碳纤维成套技术工艺包；2018年3月，成功试制出48K大丝束碳纤维，并贯通工艺全流程，单丝强度高于T300级碳纤维水平；2018年8月，“聚丙烯腈（PAN）基大丝束原丝及碳纤维技术及工艺包开发”项目通过鉴定，标志着国内突破突破大丝束瓶颈。

吉林化纤：2017年7月，在24k原丝研发经验基础上，开始研究48K大丝束碳纤维原丝，通过原液流程再造、关键装备技术升级，于2018年7月成功开发出48K碳纤维原丝的聚合、纺丝工艺技术，形成了千吨级48K碳纤维原丝技术工艺包；2018年8月，100束48K碳纤维原丝顺利通过碳化，经测试，48K碳纤维拉伸强度达到4000Mpa，拉伸模量达到240Gpa，层间剪切强度达到60Mpa；2019年5月，获得首批120吨48K大丝束碳纤维原丝出口订单，国产48K大丝束碳纤维原丝首次批量走出国门。

光威复材：2019年7月，光威复材与内蒙古包头市九原区人民政府及九原工业园区管委会、维斯塔斯共同签署了《万吨级碳纤维产业园项目入园协议》，拟投资20亿元，分三期在包头市九原工业园区内建设万吨碳纤维产业化项目；项目主要依托内蒙古低价能源通过建设大丝束碳纤维，进一步提升风电碳梁业务竞争力。

兰州纤维：2019年6月，北京蓝星清洗与兰州纤维、南通星辰等单位采用国产的大丝束碳纤维（50K）与聚苯醚（PPE）树脂熔融共混，成功研发出具有独立自主知识产权的连续大丝束碳纤维增强改性聚苯醚（MPPE）热塑性复合材料，填补国内该领域产品的空白；2020年3月，兰州纤维公司负责人与沂源县人民政府签署招商引资战略合作框架协议，兰州蓝星25000吨50K大丝束碳纤维项目落户山东淄博沂源县。

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大丝束碳纤维规模化驱动因素分析

近年来，随着风电机组朝大型化、轻量化的方向发 展，超长的叶片对材料的强度和刚度提出了更高的要求，使得碳纤维及其复合材料在风电叶片领域使用广泛，而大丝束碳纤维高速发展恰恰得益于全球风电业务的增长，因为大丝束可较好满足风电叶片对性能和成本的要求。

CFRP与传统玻璃纤维复合材料相比，可实现20%-30%轻量化效果，同时保持了更加有益的刚性和强度，而通过采用气动效率更高的薄翼型和增加叶片长度，能提高风能利用率和年发电量，从而降低综合使用成 本。

宇航级碳纤维虽然力学性能优异，但长期受到成本因素制约，因此难以在风电叶片领域实现推广；相比之下，大丝束碳纤维性价比高的优势使其在风电叶片领域成为大势所趋。尤其是近年来国内采用大丝束碳纤维拉挤梁片工艺以降低成本，大 丝束碳纤维及其复合材料价格下降，叠加需求提升引起风电叶片领域 碳纤维用量的急剧增加。

国外风电发展也对大丝束碳纤维提出明显需求，如全球风电领导者维斯塔斯2018年陆上风机新增装机容量高达 10.09GW，维斯塔斯掌握了全球最低成本的碳纤维资源(大约 13-14美元/公斤)，加上专利保护的拉挤板粘接梁帽的低成本复材技术，基本垄断了碳纤维风电碳梁市场，2017年公司碳梁业务同比增长近 700%，2018年同比增长约 100%，达到 5.21亿元。

而根据赛奥公司发布的2018年全球碳纤维产能需求领域，大丝束碳纤维需求总量达到近3万吨（图2），需求在各类纤维中占比达到32%。因此高速增长的风电产业为大丝束碳纤维发展带来了契机。

总量：92,600吨

图2 全球碳纤维市场需求 来源：赛奥碳纤维技术

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大丝束碳纤维成本与国内企业竞争力分析

4.1 大丝束碳纤维成本分析

造成宇航级小丝束碳纤维与工业级大丝束碳纤维成本差异的原因是多方面的，从表2大丝束和小丝束碳纤维关键制造工艺可以看出，小丝束碳纤维聚合过程中高AN含量、高分子量、杂质严格控制等均是导致成本显著增加的原因，而最后宇航级小丝束碳纤维需要产品认证再次为增加成本助力。

表2 大丝束与小丝束碳纤维制造工艺对比

依据美国橡树岭国家实验室ORNL2012-2014年设计的成本计算模型（图3），在年产2.5万吨生产线上宇航级小丝束碳纤维成本大概为13.35美元/kg，而工业级大丝束为10.20美元/kg；但实际上2.5万吨大规模生产线为理想状态下，因为在千吨上线宇航级小丝束碳纤维成本会更高，与大丝束碳纤维价格差距更加明显。

图3 宇航级与工业级碳纤维成本对比 来源ORNL

而最近ORNL在开发310k规格以上的纺织品级大丝束碳纤维，并且跟50k规格的普通大丝束碳纤维成本进行了对比（图4），成本分析时关键装备宽度为3m，通过丝束的进一步增加，457k规格大丝束碳纤维（Heavy Textile Tow）成本3.99美元/磅比50k规格（Baseline）成本一半还要低。

图4 50k规格与457k规格碳纤维成本对比 来源ORNL

4.2 国内企业竞争力分析

近年来在国内国外高速发展的需求牵引下，国内大丝束碳纤维制造商也相继发力，2018年上海石化大丝束碳纤维技术通过鉴定标志着国内在大丝束领域突破了技术壁垒；而2019年吉林化纤大丝束碳纤维原丝首次走出国门标志着国内在该领域实现产品稳定。

以上述上海石化和吉林化纤为例从技术角度分析，上海石化大丝束碳纤维关键技术来源于其独有的NaSCN工艺，目前国内大部分PAN基碳纤维纺丝溶剂采用DMSO（国外：日本东丽DMSO、日本三菱为DMF、日本帝人ZnCl2、美国赫氏NaSCN），因此从大丝束碳纤维技术难度和NaSCN工艺独特性，证明了上海石化在该领域关键技术独创性。而吉林化纤公司的48k大丝束碳纤维关键技术路线也十分清楚，是在其24k碳纤维技术基础上发展起来的，近年来吉林化纤高品质PAN原丝走出国门已是众所周知的事情，因此突破大丝束碳纤维关键技术也是依靠深厚的技术积累。

对于国内碳纤维制造商而言，突破大丝束碳纤维力学性能并非难事，而对于技术过硬的大丝束碳纤维制造商，实现大丝束碳纤维性能稳定或许也并非难事；但问题关键在于大丝束碳纤维成本是否真正得到了控制，因为成本始终是决定工业级大丝束碳纤维能否占领市场的关键。

同样以上述表1卓尔泰克PANEX35和东丽T300对比，PANEX35市场售价之所以仅为T300的1/5，其原因在于PANEX35超低的制造成本，PANEX35碳纤维的前驱体采用的是纺织品级腈纶纤维，并通过专有的高通量工艺制造，使其成为市场上成本最低的碳纤维。

因此，从技术角度国内大丝束碳纤维生产厂商已经具有竞争力优势，但是关于成本控制上还需要进一步深入。因为国产大丝束碳纤维直面国外竞争时，在性能达标的情况下，主要是成本驱动。鉴于碳纤维独特的重工业行 业属性，土地、能源、原材料、运输等要素均会对成本产生显著影响，区位优势显得格外重要，这也是为什么光威复材选择在内蒙古建立万吨级碳纤维项目原因。

据最新的一项市场研究报告称，全球医疗复合材料市场预计从2016——2020年的年复合增长率将达到6.91%。作为医用碳材料，碳材料具有良好的生物相容性，对生体组织刺激性小，无毒，不致癌，比重小，弹性模量与人骨相近等优点，有成为第四代植入材料潜在优势。

1、碳纤维医疗床板

碳纤维复合材料制成的医疗床板具有质量轻、稳定性高、强度大及抗断裂的特性。碳纤维复合材料属于非金属材质，化学性质不活泼，也不会与酸碱盐等发生化学反应，医药残留、血渍、酒精不会对碳纤维面板造成影响。碳纤维医疗床板的轻质量特性使得医疗床板移动便捷，方便医务人员更好地调节角度，碳纤维材料的稳定性与人体的生物相容性，使之在医疗器械和生物材料方面受到广泛的重视。

碳纤维医疗床板

2、碳纤维ct床板

在医疗领域，X射线机、计算机断层扫描仪广泛应用于诊断和治疗。传统的医疗床板会对X射线产生较大的折射，要想诊断准确，就必须提高电压，这样一来，不但浪费能源，而且对病人的副作用也特别大，最后的造影成像还不一定很清晰。碳纤维医疗CT床板采用碳纤维复合材料，能够满足X射线的透过率，减少X射线的使用量；并且允许射线以任何倾斜角度照射到床板上面，不会因为折射产生大的偏差。既满足了使用要求，又减少患者及医护人员受到射线辐射的伤害。

碳纤维医疗ct床板

3、碳纤维假肢

我国目前有肢体残疾人877万，其中有100多万要接受假肢安装，并且数量每年都有上涨。国内假肢大部分还是应用传统型材，如铸钢、木材、铝合金等材质，不仅质量差、性能差，而且标准化程度也不高。碳纤维复合材料假肢质量轻、强度大、性能好，可实现标准化生产。能帮助残疾人在日常生活和工作中更好地发挥假肢的代偿功能，提高生活品质，增加幸福感。

碳纤维假肢

4、碳纤维矫形器

指装配于人体四肢躯干等部位的体外器具的总称，预防和矫正四肢躯干的畸形或治疗骨关节及神经肌肉疾病及补偿其功能。碳纤维制成的矫形器轻便且稳固适应性强，能储存能量并减轻患者能耗。

碳纤维矫形器

5、碳纤维轮椅

传统的轮椅采用钢材制作，为了追求轻量化，铝合金逐渐取而代之，现在，碳纤维复合材料凭借自身轻量化的性能优势开始占据c位。碳纤维复合材料性能优异，而且还可以通过一体成型的技术实现复杂部件结构的制作，是制作高端轮椅的理想材料。碳纤维轮椅部件应用在电动轮椅上，可以减重30%左右的重量，可增加蓄电池的续航时间。轮椅的配件有大小车轮、手轮圈、座椅座、刹车、靠背、坐垫、脚托及腿托、扶手及臂托等部件，博实碳纤维生产的碳纤维护裙板、靠背、脚托及腿托、扶手及臂托等部件可以有效的缩减轮椅的整体质量，便于操作。

碳纤维轮椅

碳纤维复合材料是以树脂和碳纤维组合调配而成的新兴材料，另外树脂的调配及碳纤维多样性的铺层方式，给设备的设计带来很大的灵活度。博实碳纤维专注碳纤维复合材料的设计研发和制造，为医疗器械领域提供X光高透射率碳纤维复合板材及各类复杂结构件生产。随着医疗技术的不断进步，医疗设备也在不断创新发展，因此碳纤维在医疗器械方面的投入应用代表着新的趋势和方向。

一路走来，我们一起见证了国内大丝束碳纤维经历了从无到有的过程，也希望能够进一步见证从有到强，最后衷心祝愿国内大丝束碳纤维制造商能够在全球市场上占有一定份额。