作者/星空下的夹心糖

编辑/菠菜的星空

排版/星空下的火锅

碳基材料是一种古老又年轻的材料，从古人类的钻木取火，到传承千百年的铅笔，到当今最先进的火箭发动机，到“新材料之王”石墨烯，再到充满科幻色彩的碳气凝胶和碳纳米洋葱，我们都能看到碳基材料的身影。从另一个角度上讲，碳元素还是生命的基石，我们的身体甚至也可以被视为是碳基材料的复合体，没有碳就没有人类的生命和文明。

从某种程度上，碳基材料的发展水平是衡量一个国家新材料、新能源和航空航天等行业发展水平的标尺。

然而很遗憾的是，我国碳基材料行业与发达国家相比仍然存在很大的差距，高精尖产品大量依赖进口，部分品种仍面临“卡脖子”风险，全面国产替代任重而道远。

一、丰富的结构和性质

广义上的碳基材料是指以碳原子为骨架的一大类材料，包括金刚石、石墨、碳纤维、碳化硅、碳/碳复合材料、功能炭（碳）材料等等。碳基材料以其丰富的结构形貌，优良的力学、电学、热力学等性能备受关注，广泛应用于航空航天、核能风电、光伏、电子、冶金、化工、机械和交通等领域，也是新一代战机、运载火箭、超高声速飞行器、核反应堆等重点领域不可缺少的关键材料。

碳元素在地球上很常见，且成键方式丰富。在含碳物质当中，碳的个数、排列以及取代基的种类、位置都具有高度的随意性。因此，碳基材料具有浩如烟海的数量和丰富多彩的特征，不同碳基材料之间的性能差别很大甚至完全相反。例如，金刚石和石墨都是碳的单质，金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质，宁折不弯且不导电；而石墨可塑性很好，同时兼具良好的导电性，膨胀石墨遇到高温还会瞬间膨胀并呈现蠕虫状。

二、N个百亿级别市场

碳基材料是可以改变世界的材料，且具有丰富多彩的性能，随随便便就能拥有若干个百亿级别甚至是千亿级别的市场。我们简单介绍其中的几个。

1►碳纤维

碳纤维是一种含碳量在90%以上的高分子材料，被誉为“黑色黄金”，具有高强度、质量轻、高模量、耐腐蚀、耐疲劳等优良性能，在提升材料强度的同时实现轻量化。

碳纤维可分成大丝束和小丝束两类，小丝束碳纤维性能优异但价格较高，主要用于军工和航空航天等先进领域，在部分板块具有不可替代的作用。例如，波音787客机上使用碳纤维8~9吨，占总量的9%，主要充当机身和机翼的结构件，在保证强度的同时减轻飞机重量。

大丝束碳纤维成本较低，下游应用包括体育休闲、风电、压力容器、电子电器等细分行业。这其中，风电是最值得期待的行业。随着碳纤维成本的进一步降低，碳纤维逐渐具备了和玻纤“掰掰手腕”的能力，未来五年风电行业碳纤维使用量可能将超过10万吨。近些年来，中国碳纤维市场规模一直保持着较快的增长速度，复合增长率达29.3%，预计2023年中国碳纤维市场规模可达153.7亿元。

2►碳/碳复合材料

碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料，其强度随着温度的升高而增加，具有极佳的耐高温性能，且具有良好的摩擦性能，广泛用于热场材料、制动器、储氢瓶等行业。

光伏热场材料是硅片拉晶生产过程中的耗材，主要应用于坩埚、导流筒，保温筒，加热器等部分。当前光伏大尺寸硅片渗透率不断提升，碳/碳复材具有替换周期长、厚度更薄、安全性高、成型容易等特点，和传统等静压石墨热场相比具有明显优势。碳/碳材料已实现部分替代，其中坩埚渗透率超95%，导流筒超60%，保温筒超55%。浙商证券预测，2020-2025年碳碳热场复合增速可达14%，2025年市场空间可达50亿元。

碳碳复合材料及其衍生的碳陶复合材料还广泛应用于刹车片。刹车片作为汽车的核心部件，对整车的安全性能至关重要。刹车片除应具有作为构件必须的强度和刚度外，还应有尽可能高而稳定的摩擦系数，以及适当的耐磨性、耐热性、散热性和热容量等，碳陶（碳碳）复合材料完美地符合了这些特征。此外，碳陶刹车相较钢制刹车可以大幅减重，因此更加适合新能源汽车。国盛证券预测，随着国内新能源车放量，预计2024年国产新能源车碳陶刹车材料的市场空间可达80亿。碳碳复合材料的整体市场空间在100亿以上。

3►硅碳负极材料

在锂离子电池中，负极材料是重要的组成部分，高容量的负极材料可有效提升全电池能量密度。当前，石墨负极是主要的技术路径，但常用的石墨材料比容量已经基本达到理论上限，早已没有了继续提升的潜力。硅基负极被广泛认为是最具有应用前景的下一代锂电负极材料，单质硅负极的理论比容量是石墨负极的10倍以上。

然而，硅基负极虽然看似美好，但实际应用中却存在非常严重的问题，具体表现为循环稳定性差、导电性不佳、体积膨胀收缩剧烈，并不能实现“单飞”。硅碳复合是最为常用的改性方法，在有效提升锂离子电池负极比容量的同时，改善电极的导电性能、并保持电极结构的完整性。当前，硅碳负极已经进入了快速增长期，根据中金公司预测，2025年全球硅碳负极需求有望达到20万吨，其在动力电池/消费类电池的渗透率可达到35%/50%。而根据市场调研在线网的预测，到2026年，中国硅碳负极材料的市场空间可达160亿元。

4►碳化硅

碳化硅是第三代半导体中的扛把子，是制作高温、高频、大功率、高压器件的理想材料，其禁带宽度、导热率、击穿电压、电子饱和漂移速率都远远超过硅半导体材料。下游应用领域包括新能源汽车、智能电网、光伏风电、5G通信等，SiC MOSFET相比硅器件具有明显优势。另外，相比同属于第三代半导体的氮化镓，碳化硅的产业化明显成熟很多。

根据浙商证券的预测，2025 年全球碳化硅器件市场空间达 627.8 亿元，碳化硅衬底市场空间达 188.4 亿元，复合增长率高达55%。

5►石墨烯

石墨烯是一种呈六角蜂窝型的二维碳纳米材料，兼具石墨和烯烃的特征，具有超薄、超轻和超强的性能，被誉为“新材料之王”，具有非凡的物理、光学和电子性能，被视为一款革命性的材料，下游应用包括柔性显示、传感器、电极材料、集成电路等行业。根据《中国科技信息》杂志的预测，2023年我国石墨烯产业市场规模将达到367亿元。

不过，我国石墨烯的研究和产业发展基本处于价值链和产业链的底端，生产企业存在盲目扩大产能、研发过热、同质化严重等问题。事实上，大多数石墨烯生产企业还主要给科研机构或下游企业提供石墨烯实验品，产业化还存在诸多问题。碳基材料的其他应用场景大多是成熟的替换市场，处于“等米下锅”的状态，而石墨烯还在寻找下游应用，处于“有米找锅”的状态。

三、受制于人，差距明显

如前所述，碳基材料具有广阔的市场空间。谁在碳基材料上领先，就意味着谁抢占了新材料领域的制高点。然而，很遗憾，我国在碳基材料上还有诸多卡点，在多项核心技术上依然受制于人，这些技术集中在顶尖上游原材料，特别是碳碳复合材料和新型功能性碳材料上。

目前我国急需攻克的“卡脖子”碳基材料品种有三大类：

• 碳纤维及其制品，如高性能聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维、碳纤维预浸料、复合材料和碳纸等；
• 特种石墨，如机械密封用石墨、抗烧蚀石墨、核石墨和高导热泡沫石墨等
• 功能炭材料，如中间相碳微球、电容炭、硬炭、硅炭、石墨烯导热膜和导电炭黑等。

除此以外，关键制造装备也处于以引进为主、研制和仿制为辅的状态，高端分析测试设备更是基本依赖进口。

绝大多数新材料都是资本密集型和技术密集型行业，烧钱很厉害，容易出现“一步慢、步步慢”的情况。新进入者可以通过认证和专利、持续的降本和价格战的方式形成明显的先发优势。例如，当前碳化硅行业技术壁垒最高的衬底部分，国外公司对中国实行严格的技术封锁，国内外公司的产品尺寸和良率差别巨大，技术差距在7年以上，这些年碳化硅行业大火，但利润基本都进入了国外公司的口袋。有报道称，Wolfspeed预计在2024年前产能扩充30倍，产能有望达到惊人的600万片，中国企业更是几无立足之地。

上下游生态系统的脆弱也是导致当前局面的重要原因。例如，海外研制的B787、A350等大型客机复合材料用量达到了50%以上，旺盛的下游需求带动了全产业链的繁荣。与之行程鲜明对比的是，国内研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2%， C919“大飞机”的复合材料用量也只有10%左右，且大部分构件的预浸料直接从国外进口，碳基新材料难以形成规模效应，并难以获得认证和反馈的机会。

创新是技术发展的灵魂，事关国民经济发展的命脉，而人才是技术创新的核心。碳基材料细分行业众多，随便一个小产品都需要十几年甚至是几十年的研发周期，只有做到彻底和极致才有出路，浅尝辄止和短期功利一定不可能有所成就。培养一个成熟的复合材料研究员至少需要10年以上的时间，营造工匠精神的文化氛围则可能需要上百年的时间。碳基材料的研发对交叉学科知识的要求非常高，需要具体掌握复合材料连接设计、疲劳耐久性设计、损伤容限设计、稳定性设计、环境影响及其防护设计、修理设计等许多具体设计技术和要领。

2021年，工信部将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划，并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划，以全面突破关键核心技术，以期解决“卡脖子”问题。

时至今日，虽然国产替代的道路依然任重而道远，但我们已经走在了正确的道路上。

注：本文不构成任何投资建议。股市有风险，入市需谨慎。没有买卖就没有伤害。