碳纤维是一种高含碳量材料（通常质量分数≥90%）。凭借其卓越的耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性，碳纤维成为新一代增强纤维的代表。它不仅继承了碳材料的固有特性，还兼具纺织纤维的柔软可加工性，大范围的应用于航空航天、汽车制造、体育用品、建筑工程等多个领域。随技术的慢慢的提升和产业链的完善，碳纤维正逐步从高端军工领域走向民用市场，成为推动现代工业轻量化、高性能化发展的重要材料。本文将从碳纤维的分类、制备工艺、行业发展历史、产业链结构及产业现状等方面，全面解析这一高性能材料的现状与未来趋势。
碳纤维(carbon fiber，CF)是由聚丙烯腈(polyacrylonitrile，PAN)、沥青、黏胶等有机纤维经过预氧化、碳化、石墨化等步骤而制备的高含碳量(通常来说质量分数≥90%)，具有耐高温、抗摩擦、导电、导热及耐腐蚀等特性的高强度纤维状的碳材料。它不仅仅具备碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。
碳纤维按照原料体系大致上可以分为粘胶基、沥青基和聚丙烯腈（PAN）基三大种类。PAN基碳纤维是当今世界碳纤维发展的主流，占世界碳纤维市场的90%以上。起初，碳纤维大多数都用在军工和宇航，如今碳纤维碳材料已在航天、航空、汽车、电子、机械、化工、轻纺、运动器材、休闲用品等领域取得广泛应用。
目前市场上用于制备碳纤维的原材料主要是PAN为代表的前体纤维，占碳纤维总产量的90%以上，而其余约10%则由人造丝或石油沥青制成。一般来说，PAN基碳纤维的制备分为三个主要步骤:
第二步是通过热处理(300℃)对PAN前体纤维进行稳定化处理，包括环化、脱氢和氧化反应；
第三步是将纤维在1500℃碳化，去除所有非碳原子并形成最终产品，即碳纤维，其工艺流程如下图所示。
PAN基碳纤维的生产起步于20世纪60年代，日美领先。日本格外的重视高性能PAN基碳纤维及能源和环境友好有关技术开发，培育出了东丽、三菱等一批碳纤维行业领军企业。1988年，美国国会通过法令，军用碳纤维所用聚丙烯腈原丝要逐步实现自给，由此扶持了赫氏、氰特等本土碳纤维企业的发展。目前，世界碳纤维技术仍主要掌握在日本公司手中，其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位。
我国碳纤维工业总体上与日本碳纤维的研发同步进行，经历了长期低水平徘徊、技术转型和加快速度进行发展3个阶段。2000年以来，国家加大对于碳纤维领域自主创新的支持力度，将碳纤维列为重点研发项目。伴随着国家政策的大力扶持，国内碳纤维行业在技术上取得重大突破，产业化程度快速提升，应用领域逐步扩大，地区上目前已形成以江苏、山东和吉林等地为主的碳纤维聚集地。
产业链上游企业先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯，并经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝。
产业链中下游企业再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维；碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料；碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合，可形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。
2017-2022年，国外碳纤维产能呈现波动增长趋势。2023年因日本东丽等企业优化布局、淘汰部分落后产能，国外产能同比减少2.41万t/a。2023年国外碳纤维产量为6.04万t，略高于2017年的5.41万t，但2023年国外装置开工率仅为40.4%，为近几年最低。还在于近年我国大陆地区碳纤维企业产能及产量迅速增加，中低端产品能满足我国需求甚至出口到国外。国内产品性价比高具有较强的市场竞争力，从而引起国外碳纤维供应格局发生变化。
截至2023年底，国外碳纤维产能合计为14.94万t/a，日本三菱化学是目前全球少数同时拥有PAN基碳纤维和沥青基碳纤维产品的有突出贡献的公司，日本东邦化学的碳纤维基复合材料也独具特色。目前，全球只有日本可以生产T1400等级的碳纤维，总体看，日本碳纤维企业掌握着全球最先进的碳纤维制备技术。
2019-2023年，是中国碳纤维产能的高速期，五年产能翻近五倍；2021年，中国大陆地区首次超过美国，成为全世界最大产能国，产能达到6.34万吨，占全球总产能比重超过30%。
分型号来看，2024年我国碳纤维生产以T300、T700及T800级别为主。
2024年，国内碳纤维产量59044吨，较2023年产量增速8.16%。当前国内市场供应充裕，各企业新项目进度放缓，投产时间多有推迟；现有装置方面，多数企业或维持低负荷稳定生产，执行前期合同订单为主，积极去库。
2024年国内碳纤维行业表观消费量同比减少，2024年碳纤维表观消费量为60300吨，相比 2023年下降5.41%。
2024年风电叶片对碳纤维需求占比较2023年占比提升；体育器材行业整体需求气氛一般，国外订单减少，清理库存为主，但随着碳纤维价格降低，自行车需求有所好转；2024年碳碳复材行业价格维持低位，利润水准不佳，开工下调，碳纤维需求量缩减；民用航空市场恢复，国产C919飞机年内完成首飞，且低空经济加快速度进行发展，碳纤维在此方面用量有所提升。
我国碳纤维产品有一部分进口货源补充，近年来进口数量趋于平稳，主要进口产品包含碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料以及未列名非电器用的碳纤维制品。2024年我国碳纤维供应面持续宽松，下半年需求略有恢复。2024年我国进口碳纤维产品数量合计为16428.111吨，同比增加2.35%。国内碳纤维产品及其制品逐步走向国际市场，各产品出口数量增加。2024年我国出口碳纤维产品数量合计为15172.482吨，同比增加120.05%。
海外碳纤维有突出贡献的公司主要有日本东丽工业(Toray)、美国赫氏(Hexcel)和德国西格里碳素(SGL Carbon)等。
目前，全球碳纤维第一大技术来源国为美国，美国碳纤维专利申请量占全球碳纤维专利总申请量的27.04%；其次是日本，日本碳纤维专利申请量占全球碳纤维专利总申请量的22.75%；中国专利申请量排名第三，占比为22.35%。
当前，吉林化纤、中复神鹰、光威复材是中国碳纤维行业的领军企业。其中，吉林化纤充分借力吉林本地碳纤维产业链优势，建设了1.2万吨碳纤维复材产业项目，其碳纤维市场占有率和技术水平领先全国；中复神鹰专注碳纤维复合材料，产品型号多样，研发水平较高；光威复材提供碳纤维材料配套，深耕国防军工和民用两大板块，是国内仅有能基本满足航天或太空领域多种不同应用场景碳纤维材料应用需求的配套单位。
从各企业碳纤维在运行产能来看，目前我国碳纤维生产大多分布在在吉林化纤、中复神鹰、新创碳谷、宝旌炭材料等企业。其余企业产能份额占比较小。
碳纤维行业传统上由少数几家老牌企业主导，受能源转型技术和其他高增长应用市场需求的推动，碳纤维行业的产能正在激增。
2005年，碳纤维市场需求量约为25000吨。如今，已增长至约150000吨，预计到2030年，可能达到每年450000吨，尤其是随着风力发电市场需求继续以近30%的复合年增长率（CAGR）增长。碳纤维市场的增长轨迹清楚地表明，其正在转变为一个快速扩张的行业。
过去，碳纤维需求集中在北美、欧洲和日本，这些地区也占据了全球碳纤维供应的大部分份额。然而现在，碳纤维的需求正日益成为真正的全球需求。碳纤维在新兴迅速增加经济体中的应用最初是由我们叫做“中端应用市场”的低成本生产推动的，包括消费品和体育用品等，然后是风电能源、能承受压力的容器和建筑等大批量工业应用需求。
为了满足区域应用需求，中国、韩国和土耳其等国家在过去15年中建立了自己的生产基地。其他迅速增加的经济体也计划进入这一个市场。除了满足本地市场需求外，这些后进企业无疑将参与竞争全球碳纤维市场。中国的企业到2030年可能提供全球近一半的碳纤维产能。同时，预计到2030年中国市场消费需求达到18万吨。
英国未来材料集团（Future Materials Group，FMG）调研发现，碳纤维市场中出现了三个不同的细分市场，每个细分市场都带来了独特的机遇和挑战。企业正在采取不同的策略来有效地定位自己在细分市场中的位置：要么专注于高端市场，要么瞄准大批量应用，要么平衡两者以专注于工业细分市场。
航空航天领域是碳纤维高端核心市场，需求由波音、空客等飞机推动，长期被东丽、赫氏等巨头垄断。新进入者受限于严苛的认证、高成本及客户锁定效应，企业要聚焦研发技术和定制化服务，而非单纯追求产量。通过持续的技术创新巩固市场地位，确保长期盈利能力。
风电叶片是碳纤维核心增量市场，未来5年需求增速达15-30%。领域高度成本敏感，标准化产品主导，日企（如东丽）凭借规模产能垄断市场，中国吉林化纤、中石化加速布局。这一领域运营效率、价格竞争力和供应链管理是关键。成功企业通过优化规模经济实现市场占有率和利润增长，而失败者则面临被淘汰的风险。
中间市场（汽车部件、能承受压力的容器等）客户流动性高，需求平衡成本与服务效率，企业如日本三菱化学通过混合业务模式提供多样化产品，但难以主导单一领域。核心矛盾在于定制化需求与规模化生产间的冲突，需分拆部门专注细分市场（如东丽模式），平衡定制化需求与规模化生产的效率，是企业在中间市场取得成功的关键。
开发具有更优力学性能的大丝束或巨丝束产品，已成为碳纤维工业化发展的重要任务和客观要求。制约我国碳纤维发展的根本原因是PAN原丝质量不过关，还有生产技术及设备等问题导致碳纤维产品收率低下，生产所带来的成本较高。根据我国碳纤维工业现状，首先要提高原丝质量，研制高纯原丝。目前对聚丙烯腈原丝进行改性则是提高原丝质量的有效途径之一。此外, 在PAN纤维上附着有机硅橡胶微粒, 在原丝表面涂覆阻燃剂元素, 原丝油剂的选择等很多方法均可提高原丝的质量。另外, 制备高质量的原丝也取决于制备技术。如吉林碳谷发布的大丝束75K碳纤维原丝及其制备方法 （CN118792744A《一种75K碳纤维原丝及其制备方法》），解决了因单丝线密度不均匀导致的力学性能直线下降问题，满足了风电等应用领域对大丝束产品的需求。
其次，预氧化过程常常要50 ～ 90 min，占碳纤维加工总时长的75% ～ 90%，用电成本约占总能耗的70%。加强预氧化、碳化、石墨化设备及表面处理工程技术探讨研究开发，以实现碳纤维生产的低成本化、高效化需求，并且加速规模化工业生产。其中涉及到紫外预处理、电子束/等离子体退火、微波退火等前沿性工艺。如未解决碳纤维石墨化均匀性和模量波动的问题，北京化工大学采用碳纤维的单边和双侧高斯激光辐照方法，明确温度对碳纤维石墨化均匀性的影响。根据结果得出，与直接高斯激光辐照相比，平顶激光辐照下薄层碳纤维石墨化平均性明显提升，拉伸模量由227.37 GPa增至311.90 GPa；平顶激光辐照薄层化碳纤维可以有效提升碳纤维石墨化的均匀性，其中展纤均匀性成为影响碳纤维激光石墨化均匀性的关键因素。
，国内外航线对飞机的需求量开始上涨及国产化进程的推进，推动了对碳纤维增强复合材料（CFRP）的大量需求。同时，中国在太空探索技术的不断投入，进一步增加了高性能碳纤维复合材料的需求，为该行业提供了显著的市场机遇。
，硅产业热场用碳/碳复合材料和固态保温毡的需求持续增长，显示出广阔的市场前景。
，中国丰富的风能资源和风电产业的加快速度进行发展，使得风力发电机叶片所需的碳纤维需求持续不断的增加，逐步扩大了碳纤维的应用市场。
的轻量化趋势对碳纤维的需求也日益增加。随着汽车保有量的增长和技术的进步，碳纤维复合材料在汽车制造中的应用前景广阔，不仅有助于提升汽车性能，也为碳纤维行业带来了新的增长点。
总体而言，碳纤维在航空航天、光伏、风能发电和汽车工业等多个关键领域中的广泛应用，不仅推动了相关行业技术创新和市场发展，也为碳纤维产业带来了巨大的市场机遇和挑战。未来，碳纤维在这一些行业中的应用将更加深入，成为促进经济高水平发展的重要力量。
一方面，碳纤维行业最近正在面临强大不可抗阻力。终端市场不成熟和波动性、以及接连不断的全球经济和政治危机扰乱了复杂的碳纤维供应链，表明碳纤维行业缺乏抵抗供应链稳定性的弹性。但这种短期不稳定是加快速度进行发展的行业所固有的，碳纤维的长期增长前景仍然非常诱人。
另一方面，碳纤维行业正处于关键时刻，迅速增加和多元化正在重塑竞争格局。尽管国产碳纤维领域在技术、产能方面已取得不俗进展，但在技术成熟度、产品质量稳定性和复合材料应用等方面仍具有较大的提升空间，行业需结合国家战略需求、相关产业政策和专项措施，继续推动碳纤维行业高水平质量的发展，具体建议如下：
碳纤维行业需集中资源从源头上解决高端碳纤维“卡脖子”难题，提升产品质量、突破关键技术，并完善检测评价方法，以增强核心技术创造新兴事物的能力。结合理论与应用研究，加强人才教育培训；重点攻克碳纤维产业化及应用的薄弱环节，推动整体技术水平和产业化能力的提升。
以市场需求为导向，提升生产效率和碳纤维产品的质量，并推动数字化转型；注重自主设计，推动与其他学科的交叉融合，优化产业布局，支持有突出贡献的公司发挥“链主”作用，促进上下游企业的协同创新。同时避免过度投资和低水平重复建设，以实现规范有序发展。
随着新能源、商业航空等市场的增长，特别是航空航天和低空经济将成为拉动高端碳纤维产品需求的新蓝海，碳纤维的需求将逐步提升。此外，借助“中国制造”的影响力，打破技术壁垒，积极拓展国际市场，加快碳纤维及其制品的出口，推动国内碳纤维产品走向全球。
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