全球瀝青系碳纖維市場發展動向

一、前言

碳纖維依前驅體原料可分為聚丙烯腈（PAN）系碳纖維、嫘縈（Rayon）系碳纖維、瀝青（Pitch）系碳纖維等三大類。目前市場上雖以聚丙烯腈（PAN）系碳纖維為主流（佔九成以上），但瀝青（Pitch）系纖維擁有高彈性、低熱膨脹係數等優異性能，在碳纖維市場也佔有一席之地。此外，瀝青系碳纖維的前軀體原料可來自石油煉製的副產物，因此也成為煉油廠將煉油副產品轉化為高附加價值產品的研發方向之一。以下說明瀝青系碳纖維的種類、市場規模、主要產業應用、主要製造商產能等市場概況。

二、瀝青系碳纖維市場概況

（一）瀝青系碳纖維種類

瀝青系碳纖維包括異向性瀝青系碳纖維（HP系）與等向性瀝青系碳纖維（GP系）兩種（參見表1）：
 

1. 異向性瀝青系碳纖維（HP系）

異向性瀝青系碳纖維（HP系）來自介相瀝青（Mesophase Pitch），經高溫處理後，容易轉化為石墨結構。異向性瀝青系碳纖維具有輕量、高剛性、高熱傳導、低熱膨脹係數、高阻尼等特性，此外，因組成分子處於液晶狀態，也具有高強度和高彈性的優異性能（參見圖1）。結合其材料特性，並採用長纖維連續紡絲法，有助工業上的二次加工應用，又被稱作「高性能瀝青系」碳纖維，材料價格也高於等向性瀝青系碳纖維（參見表2）。異向性瀝青系碳纖維憑藉其高性能的特性，應用範圍已擴及碳纖維強化塑膠製品，在工業用碳纖維輥、機械手臂和人造衛星等應用需求也在起步。
 

表1  碳纖維物性比較

    資料來源：富士經濟（2021）
 

表2  瀝青系碳纖維價格帶（2020年第四季調查）

    資料來源：富士經濟（2021）
 

圖1  HP系瀝青碳纖維DIALEADTM（三菱化學所屬）具有高彈性及高熱傳導率等特性
 

2. 等向性瀝青系碳纖維（GP系）

等向性瀝青系碳纖維（GP系）不易轉化為石墨結構，又稱為汎用型碳纖維，並採用短纖維紡紗法。等向性瀝青系碳纖維輕量柔軟、耐熱性佳、導熱係數低，適合應用於斷熱／隔熱材料等應用。例如：可將等向性瀝青系碳纖維紡紗加工成捻絲狀後，運用其滑動性（sliding properties）與耐腐蝕性，做為密封墊（gland packing）使用；也能運用其耐熱性，作為高溫工業爐的隔熱材料。此外，等向性瀝青系碳纖維的耐磨損與潤滑性等特性，也適合製成磨碎纖維（Milled Fiber, MF)，並應用於車用離合器與煞車上。

（二）市場規模及相關產業應用

根據富士經濟（2021/03）預估，2019年全球瀝青系碳纖維市場規模為2,350噸和150.3億日元（約1.3億美元），預計2035年將達3,550噸和219.5億日元（約1.9億美元）（參見圖2、圖3），重量及金額平均年複合成長率分別為2.6%及2.4%。以各產業應用的碳纖維重量佔比來看，2019年應用於產業機械／設備／工程材料佔38.3%、汽車32.8%、運動休閒7.7%、土木建築6.4%、飛機5.1%、其他產業8.1%，顯見產業機械設備與汽車是兩大應用領域（參見圖4）。以下說明各產業應用概況：

圖2  2019-2035年瀝青系碳纖維市場規模（重量）-依產業應用

資料來源：富士經濟（2021）

圖3  2019-2035年瀝青系碳纖維市場規模（金額）-依產業應用

資料來源：富士經濟（2021）

(a)依重量

(b)依金額

圖4  2019年瀝青系碳纖維各產業應用比

資料來源：富士經濟（2021）

1. 產業機械／設備／工程材料等應用

在產業機械設備的應用上，異向性瀝青系碳纖維（HP系）針對工業用碳纖輥和機械手臂的應用需求皆有市場潛力。等向性瀝青系碳纖維（GP系）則主要應用於太陽能發電和半導體製造爐的隔熱材料。雖然瀝青系碳纖維屬於資本投資密集的項目，但在工業端仍有設備更新維護和新工廠建設的需求，因此，預期瀝青系碳纖維的需求可穩步增長。

2. 汽車產業應用

瀝青系碳纖維在汽車產業的應用，可針對剎車等滑動材料和各種耐熱材料進行開發，但汽車產業對於材料成本敏感度較高，因此降低成本是關鍵要素，故預期未來應用於汽車產業的瀝青碳纖維將以生產成本相對較低的中國製為主。

3. 運動休閒產業應用

運動休閒器材採用碳纖維的主力產品為釣魚竿和高爾夫球桿，其目前雖仍以採用PAN系碳纖維為主，但亦有部分產品偏好採用瀝青系碳纖維，故在該產業的應用仍有一定的市場份額。

4. 土木建築產業應用

在土木建築應用上，瀝青系碳纖維主要用於修復基礎設施和結構，如：橋墩加固和抗震加固等。

5. 飛機及航太產業應用

飛機及航太產業領域對於材料的選擇重視規格更甚於價格。HP系瀝青碳纖維因具有低熱膨脹係數和高彈性，適合應用於人造衛星和軍用飛機等高階航太應用。

（三）主要製造商及產能概況

瀝青系碳纖維較難以工業化生產，因此主要生產廠家僅有Kureha(日)、三菱化學(日)、大阪Gas Chemicals(日)、Cytec/Solvay(比)、日本Graphite Fiber (日)等五家。（參見表3）

1. GP系瀝青碳纖維製造商

Kureha公司是GP系瀝青碳纖維的領導製造商，鎖定於太陽能電池和半導體的矽錠製造爐應用需求。近年來，太陽能發電的銷售比例下降，但針對半導體製造爐、陶瓷和光纖等熱處理爐的需求有潛力增加，預計未來針對飛機、汽車等滑動零件的應用也將擴大（參見圖5）。

大阪Gas Chemicals的GP系瀝青碳纖維除了應用於中國大陸和亞洲其他市場的半導體和太陽能發電爐用隔熱材料外，也鎖定於替代汽車發動機零件中使用的金屬化合物及汽車滑動材料的開發。

(a)高溫爐用絕緣材料

(b)矽錠製造爐

(c)剎車片

圖5  GP系瀝青碳纖維的產業應用方向

資料來源：Kureha公司

2. HP系瀝青碳纖維製造商

三菱化學是HP系瀝青碳纖維的領導製造商，其以「DIALEAD ®」為商標名，生產長纖維、短切纖維、磨碎纖維和織布等HP系瀝青碳纖維產品，並應用於印刷業、造紙業用的碳纖維輥，以及高爾夫球桿等運動器材上。Cytec / Solvay公司的HP系瀝青碳纖維則以美國為主要銷售市場，並針對航空航太業和軍用車輛的應用需求進行開發。

日本Graphite Fiber公司的瀝青碳纖維廣泛應用於工業用的碳纖輥、機械臂、橋墩加固／抗震加固、散熱零件等領域。此外，針對飛機航太方面，主要應用於衛星和行星探測器的天線零件；在橋墩加固方面，利用日鐵化學材料集團的通路，公司也掌握很高的市場份額；針對運動和休閒方面，主要應用於釣魚竿和自行車。

除了上述五家瀝青系碳纖維主要製造商以外，中國大陸亦有多家企業投入瀝青系碳纖維的生產。其中，鞍山塞諾達碳纖維是中國大陸最主要的GP系瀝青碳纖維生產企業，並與中國大陸的大學機構合作進行研發。遼寧諾科碳材料則是中國大陸代表性HP系瀝青碳纖維生產企業，2019年8月新建一條年產約20噸的產能，未來計畫建置年產1,200噸的生產線。

表3  全球主要瀝青系碳纖維製造商產能

資料來源：日本碳纖維協會、富士經濟等（2021/06）

三、結論

瀝青系碳纖維因技術複雜度和資本投資門檻均較高，屬於碳纖維市場中的小眾市場，然而，異向性瀝青碳纖維具有優異的性能，在半導體產業及工業4.0下之新興產業的應用具有發展潛力，後續值得持續關注。

參考文獻

1. 富士經濟（2021/03），《炭素繊維複合材料(CFRP/CFRTP)関連技術・用途市場の展望 2021》。
2. 日本碳纖維協會：https://www.carbonfiber.gr.jp/
3. 日本三菱化學公司：https://www.m-chemical.co.jp/index.html