碳纤维被称为“新材料之王”。基于“双碳”政策推动下新能源大发展、航空航天等高端制造领域国产化推进，以及消费升级带动的高端休闲体育需求，我国碳纤维行业需求持续快速增长可期。

为了摆脱核心技术受制于人的局面，我国在2000年后开始大力发展碳纤维产业，并将其列为国家重点发展的战略性新兴产业之一，“十四五”规划和2035年远景目标纲要更是将在碳纤维复合材料领域开展协同应用试点示范和加强碳纤维及其复合材料的研发应用列入其中。

多应用领域齐发力，碳纤维需求增长空间可观

根据碳纤维行业协会，2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片28%、体育休闲16%、航空航天14%，国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片36%、体育休闲28%、碳碳复材11%。

从市场规模看，航空航天价值量高，超风电领域和体育休闲应用的总和。航空航天领域应用的碳纤维均价最高，达到72美元/Kg，风电领域应用均价最低，仅17美元/Kg，主因是由于航空航天级碳纤维通常采用高性能小束，各方面性能要求最高，因此在消费量上虽然排名第三，但是市场规模达到最大。

当前，氢能源和光伏是高端碳纤维产品的主要应用领域，围绕风光氢等下游产业链需求，碳纤维企业正加快推动制造技术成熟，提升新能源应用领域原材料的保供率，加强企业竞争力。

到2025年国内碳纤维需求总量将达到15.9万吨，市场空间在250亿元左右。

使用生物质原料生产碳纤维已成趋势

1、东丽将于2023年底开始生产源自生物质和回收原材料的碳纤维

11月20日，日本东丽公司官网发布消息称，其法国子公司——东丽碳纤维欧洲公司(Toray Carbon Fibers Europe S.A.)在其位于法国西南部的Lacq和Abidos生产厂获得ISCC PLUS认证。该认证可使东丽碳纤维欧洲公司通过质量平衡方法分配和使用生物质或回收材料来生产和供应碳纤维。因此，该公司现在有能力减少其碳纤维、预浸料和其他产品的生命周期库存（LCI），并帮助客户加强产品生命周期评估 （LCA），同时为建设循环经济做出贡献。

据悉，东丽碳纤维欧洲公司将于2023年底开始生产源自生物质和回收原材料的碳纤维. 此外，东丽在日本的爱媛工厂计划在2024年3月前获得ISCC PLUS认证，并在2024年底前开始生产纤维。在美国，东丽美国子公司——Toray Composite Materials America位于阿拉巴马州迪凯特的碳纤维工厂也计划在2024年获得该认证。随着这三个工厂获得认证，东丽集团打算在日本、美国和欧洲的工厂使用生物质或回收原材料生产碳纤维，确保向全球客户稳定供应。

东丽已经收到了同样致力于碳中和的客户的要求，从2023年底开始，东丽将为汽车和手持设备等工业应用提供这种碳纤维，这些应用对制造可持续产品的材料需求特别高。稍后，航空和体育等其他应用也将成为目标。

根据东丽公司介绍，该措施与东丽集团到2050年实现碳中和的碳纤维复合材料业务路线图相一致。根据中期管理计划AP-G 2025项目，东丽通过量化客户产品的LCA改进，减少碳纤维、预浸料和其他产品的LCI，以及使用和回收生物基材料作为其新材料生态系统的一部分，积极为更可持续的经济发展做出贡献。

东丽的目标是建立一个新的材料生态系统，利用天然原材料，并在环保的状态下将其回归自然。对于碳纤维，将利用生物质和回收原料制造碳纤维，建立生态系统。这种纤维将被制成复合材料，最后成为最终产品。在产品生命周期结束时，连续碳纤维将被重新用作其他产品中的不连续纤维。碳纤维生命周期的最后阶段是将用于水处理或土壤改良的循环利用。

2、国外公司纷纷使用生物基原料制备碳纤维

关于使用生物基原料生产丙烯腈以及最终的碳纤维产品并非新闻了，在今年6月，日本帝人公司宣布，其位于日本静冈县的三岛工厂生产的Tenax™碳纤维和聚丙烯腈（polyacrylonitrile，PAN）前驱体纤维已获得国际可持续发展和碳认证体系的ISCC PLUS认证，这是全球首次碳纤维和PAN前驱体纤维同时获得该认证。

PAN前驱体纤维由可持续丙烯腈（acrylonitrile，AN）制成，它使用了生物基衍生产品或回收原料中的废物和残留物，并采用质量平衡法生产。通过该方法，可以通过复杂的价值链对材料进行可验证的跟踪，由于可持续AN具有与石油衍生AN相同的物理性能，基于该可持续材料的PAN和Tenax™碳纤维具有与同等化石基产品相同的物理特性。这种相似性使客户能够轻松地用更可持续的替代品取代Tenax™碳纤维，从而有助于在整个产品生命周期内减少温室气体（GHG）排放,帝人公司预计将于2024年上半年在三岛工厂采用质量平衡法进行PAN和Tenax™碳纤维的商业化生产。

而在更早的2021年10月，作为一个多元化的日本跨国公司，Asahi Kasei Corp.（旭化成公司）宣布位于韩国首尔的全资子公司通苏石化有限公司（Tongsuh Petrochemical Corp. Ltd.，TSPC）因为实现了丙烯腈（AN）的可持续从而获得了广泛认可的国际可持续发展和碳认证（ISCC）。该公司计划于2022年2月开始使用生物基丙烯生产AN材料。

为了实现2050年碳中和，在化石燃料衍生品产品链中减少CO2排放的措施正在获得势头，并且越来越多的客户正在寻求使用低CO2排放的产品来制造，以有助于温室气体（GHG）的减少。在这种情况下，旭化成公司和TSPC试图减少整个供应链中的CO2排放量，而在2021年10月TSPC成为了亚洲第一家获得ISCC PLUS 认证的制造商。该认证系统使TSPC能够使用通过质量平衡法分配的生物质原料生产和销售AN。

除用于碳纤维生产的丙烯腈原料以外，包括日本东丽和日本帝人在内的树脂生产商生产的生物基树脂也通过了ISCC认证，如今年7月，日本东丽全资子公司东丽先进材料韩国股份有限公司（Toray Advanced Materials Korea Inc.）在其Gunsan群山工厂生产的聚苯硫醚（PPS）树脂获得了国际可持续发展和碳认证体系的ISCC PLUS认证。而在今年1月，日本帝人宣称其生物基衍生双酚A（bisphenol A，BPA）聚碳酸酯（polycarbonate，PC）树脂产品已经获得ISCC PLUS可持续产品认证。

3、生物质基碳纤维在交通运输领域的应用

1.轨道交通领域的应用

生物树脂核心成分木质素本身具有天然的阻燃性，在满足交通工具组件对材料阻燃性能的要求上更具优势和潜力，可以更低成本完成对列车材料的安全性保障。目前已与太原市轨道交通发展有限公司经过论证和协商，拟将生物树脂基碳纤维复合材料运用在太原地铁1号线车辆的非结构件中，如顶板、墙板、地板、风道、座椅、扶手、技术设备仓与部分外壳。

据估测，当生物树脂基碳纤维复合材料替代地铁车辆中的不锈钢比例为1/4时，每车厢可减轻20%的重量，并实现每辆列车每公里能耗减少6%，以此计算一条地铁线路每年二氧化碳减排量接近1700吨。将生物树脂基碳纤维复合材料作为轨道交通工具内饰件材料使用，契合了城市轨道交通发展中绿色、节能、低碳的理念，推动轨道交通轻量化和绿色低碳化，市场规模可达百亿元。

2.汽车轻量化领域的展望

碳纤维复合材料的机械性能优于金属材料，密度只有1.6g/cm3左右，其抗拉强度时普通钢材的4-5倍，刚度是普通钢材的3-4倍。将其应用于车身及其它零部件的设计可大幅度降低整车质量，从而降低能量消耗，尤其对于新能源汽车，其零部件轻量化势在必行。这是由于新能源汽车电池续航能力有限、重量重、成本高，通过零部件轻量化可使用更少的电池组数就实现相同续航里程目标，有利于降低整车的成本。

除轻量化外，碳纤维复合材料的安全性更强。在使用碳纤维复合材料时，汽车重量减轻，在行驶过程中的制动距离缩短，有效提高车辆被动安全。据研究表明，碳纤维复合材料经过特殊编制，在高速碰撞时变形极小，碎裂的小碎片可吸收大量能量（能量吸收性为一般钢材的3倍以上），更加有效地保护了驾乘者的生存安全。生物树脂基碳纤维复合材料除包含以上优点外，还额外具备天然阻燃性，也可为乘客多一分安全保障，绿色环保的产品附加值更是实现碳中和的重要途径。应用绿色环保的生物树脂基碳纤维复合材料，可助力我国新能源汽车轻量化弯道超车，实现跨越式发展。

文章来源： 钱 鑫 博士，清E联盟，鳌城凡仔