还记得《超能陆战队》里的机器人“大白”吗？外形看似绵软的它却实力强悍现实中，也有这样一种材料看似质轻实则强韧是高端装备必不可少的战略物资和技术先导这就是被誉为“黑色黄金”的“新材料之王”——碳纤维
本期《全球硬核科技》围绕碳纤维主题，以全球视野汇聚碳纤维产业发展态势、竞争格局、技术动向、资源布局等重点信息，打开材料领域“硬核科技”的一扇大门。
应用场景丰富多样
全球需求持续攀升
作为“新材料之王”的碳纤维，应用场景丰富。不过，碳纤维一般不单独应用于下游领域，常作为增强材料，与树脂、金属、陶瓷等基体形成复合材料，其中以树脂基复合材料应用最为广泛，2020年全球碳纤维增强树脂基复合材料年用量约为16.4万吨，市场总价值约150亿美元。从应用场景上看，全球碳纤维材料一半以上应用在工业领域，包括航空航天、风电叶片、体育休闲、汽车工业等细分市场。从应用需求看，2020年在风电叶片的应用排在首位，占全部市场需求的28.6%；从销售额看，航空航天应用则占据了全球37.7%的份额。
▲2020年全球碳纤维应用场景分布
广泛的应用领域，让碳纤维需求量不断增加。2020 年全球碳纤维需求量达到10.69万吨。下游应用与需求大幅扩展，让这一产业进入快速发展期。起步于20世纪50年代末的碳纤维产业，其生产技术到21世纪已逐步成熟，近年来，全球碳纤维产能呈逐年增长态势，在2020年达到17.16万吨，其中，美国、中国、日本、欧洲占据大部分份额。值得一提的是，我国表现不俗，2020年运行产能首超日本，跃居世界第二。
在碳纤维产业发展过程中，供应市场逐渐形成日本东丽、东邦、三菱和美国赫氏、氰特以及德国西格里六大头部企业。日本东丽和美国赫氏可谓全球经营最为成功的碳纤维生产企业，主要垄断航空航天高性能碳纤维市场；日本东邦、三菱也在高性能碳纤维领域占据了一席之地。德国西格里、美国氰特等头部企业在原料多元化、合成体系、纺丝技术、丝束规格等方面各具优势。
美日处产业垄断地位
我国正加快赶超步伐
19世纪末，碳纤维诞生于美国。20世纪七十年代，美国通过与日本达成同盟关系进行合作，发展碳纤维在高端制造业领域的应用技术，进而带动其整个碳纤维产业链的发展。碳纤维产业的发展历史，奠定了美、日两大经济体的产业垄断地位。整体来看，美国政府高度重视碳纤维等新材料产业的发展。尽管受新冠肺炎疫情影响，美国碳纤维产量有所下降，但2020年美国的碳纤维总体产量达3.73万吨，占全球22%居首位。东丽、东邦、三菱、赫氏、氰特、西格里六大头部企业也均在美国设有工厂。在布局重点上，美国企业重点关注碳纤维大丝束市场。美国赫氏为全球主要的大丝束供应商，占据了2020年全球大丝束市场份额的58%。
（图据网络）相较于美国，同处于产能全球前列的日本（2020年运行产能为2.92万吨，位列全球第三），在小丝束领域拥有绝对优势。2020年，日本东丽、东邦和三菱三家小丝束产能占据全球小丝束碳纤维市场份额的49%，其中，东丽占26%，东邦占13%，三菱占10%。日本政府高度重视高性能碳纤维以及能源和环境友好相关技术的研发，日本碳纤维领域技术专利覆盖产业链的各个环节，在聚丙烯腈基（PAN）碳纤维、沥青基碳纤维以及碳纤维体育用品等方面具有明显优势，并且垄断了高端领域用碳纤维产品的生产技术，在国际市场上稳居“霸主”地位。我国碳纤维工业起步可追溯到20世纪60年代。2005年，我国开启了碳纤维国产化之路，科技部设立碳纤维专项，并将其列入863计划新材料领域。2000-2010年，我国涌现出拥有碳纤维项目的科研院所和生产企业达40家以上，投资规模超过300亿元。2010年后企业数量逐渐缩减至10余家，掌握核心技术的优质企业迎来春天。
（图据网络）
整体来看，2020年，我国碳纤维产能为3.62万吨，较2019年增长34.6%，占全球产能的21.1%，首次超越日本跃居全球第2位。其中，销量18450吨，销量/产能比为51%，较2019年的45%有所增长。对于正常开工企业，达产率通常在65%以上，部分企业已达90%以上，表明我国已跨越低达产率阶段，正趋近国际水平。此外，欧洲、韩国等主要经济体的碳纤维产业也颇具特色。
欧洲是全球最大的再生碳纤维市场。2020年，欧洲应用需求受飞机、国防、电动汽车、风电等驱动，占全球40%以上的市场份额。市场的增长主要因为知名汽车制造商和领先的回收碳纤维制造商的存在以及与回收碳纤维产品开发相关的技术进步。德国是该地区的主要市场，回收的碳纤维已被宝马等公司在装饰应用等领域使用。韩国碳纤维研发与产业化起步较晚但发展势头强劲。以韩国晓星集团为代表的本土行业先锋积极进行碳纤维领域行业布局，韩国政府也着力将其打造成碳纤维产业创新聚集地，旨在形成碳纤维材料产业集群。
技术研发热度未减
专利申请持续攀升
作为“新材料之王”，碳纤维的技术含量不言而喻。技术创新与专利布局是全球主要经济体及领军企业推动这一产业持续快速扩张的引领支撑。
当前全球碳纤维产业技术总体发展如何？研发热点怎样分布？各主要经济体重点关注哪些方面的技术创新？本期《全球硬核科技》以专利这一重要的技术指标为切入口，对全球碳纤维产业技术发展进行了研究。
据统计，碳纤维产业全球相关专利约12.99万件（截至2021年9月15日），专利申请最早见于20世纪50年代，2010年起大幅增加，近10年总体呈现爆发式增长。
▲全球碳纤维产业专利申请量趋势（件）
专利国家集中度较高，中国、美国、日本专利占比分别为47.7%、11.9%、11.3%，三国专利总占比达70.9%。其中，日本全球布局意识强，其申请人在美国、中国、欧洲等技术应用地区的专利布局都超过千件。从全球申请主体来看，专利申请人TOP 20中，国外申请人有17家，均为企业；中国2所高校（东华大学、哈工大）与1家企业（中石化）上榜。韩国LG化学、日本东丽、日本三菱化学数量超过1000件。但同时，专利申请量排名前十的申请人专利集中度呈现逐年降低态势，从2001年的19%下降到2020年的3.75%，技术垄断逐渐打破，应用方向逐渐增多，“多点花开”格局逐步形成。
▲2020年全球碳纤维专利申请人TOP20（件）
我国东部省份专利技术优势明显，江苏、广东、浙江、北京和山东占据国内碳纤维专利申请前五席，四川位列第11位。专利申请量较高的省（市）均有各自的碳纤维领军企业或机构。与国外研发集中企业不同，中国碳纤维专利申请人TOP 20中，有16家是高校、研究院等科研机构，企业只有中石化、比亚迪等4家。从技术细分领域来看，近年来，全球碳纤维产业专利呈现制备技术主体集中、应用领域各显寡头的特点。在碳纤维细分领域专利申请量方面，碳纤维产业专利布局重点在制备和应用方向上，其中聚焦制备研发的专利（简称“制备专利”）3.24万件，聚焦各领域应用研究的专利（简称“应用专利”）9.36万件，两者在全部专利中共占比约97%。碳纤维制备专利主要集中在日本的三菱化学、东丽，德国西格里碳素，韩国晓星等企业。碳纤维应用专利领域众多，各领域已形成相应的寡头集团。如韩国的LG化学、三星，日本的昭和电工、松下等企业是新型电池方向应用的领导者；美国波音、欧洲空客、英国大英航空在航空航天方向具有绝对优势；美国福特、通用，韩国现代，日本丰田、本田等整车厂商在碳纤维车身应用方向布局大量专利。但垄断也逐渐被打破，中国的宁德时代、中科院大连化物所等在新型电池方向紧追国外企业。
在细分领域研发热点上，制备、设备领域聚焦氧化技术突破，应用方向上新型电池专利申请较为突出。氧化不仅控制着碳纤维的质量，也制约着碳纤维的产量，是碳纤维制备关键环节，从2010年起，碳纤维氧化环节专利申请量出现大幅增长，技术进展迅速成该领域研发热点；设备领域主要技术方向也以碳化炉、氧化炉等制备环节生产装置为主，整体呈现稳步上升的态势。
▲2020年全球碳纤维应用领域专利申请趋势（件）
碳纤维应用领域专利申请共9.36万件，新型电池方向2010年后专利申请量猛增，成为应用领域的研发热点。这是由于伴随着新能源汽车对新型电池的需求增大，常被用作锂离子电池中的理想结构电极的碳纤维材料需求增长明显。
全球主要经济体的研发方向也各有不同。美国应用研发较受关注，新型电池、航空航天占比较多；日本制备技术相对稳定，应用技术集中风电和航空航天；中国呈现研发热潮，氧化及应用均现“爆发”；韩国制备与应用同步推进，设备研发较为突出；德国设备、氧化研发较热，新型电池亦受重视……
碳纤维全球创新资源具体分布在哪里？本期《全球硬核科技》还系统梳理了全球碳纤维产业创新资源布局，汇聚了头部创新资源共55家（高校院所26家、企业29家）。
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