碳纤维行业深度报告：双碳战略推动碳纤维景气度上行技术进步产能扩张降本可期

碳纤维行业深度报告：双碳战略推动碳纤维景气度上行，技术进步产能扩张降本可期1、碳纤维：性能优势突出，景气度持续上行1.1、简介：碳纤维性能优势突出碳纤维（CarbonFiber）是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维。碳纤维具备出色的力学性能和化学稳定性，密度比铝低、强度比钢高，是目前量产的高性能纤维中具有最高的比强度和比模量的纤维，具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等一系列其他材料所不可替代的优良性能，在航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域应用广泛。碳纤维可以按照原丝类型、形态、力学性能等不同维度进行分类，按照原丝种类分类聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的90%以上。因此，目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。PAN基碳纤维的制备过程一般分为原丝制备和碳丝制备两个阶段，其中原丝制备包括聚合、纺丝工段，碳丝制备包括预氧化、碳化工段。日本东丽作为全球唯一碳纤维产能超过2万吨的企业，是全球碳纤维领域龙头。业内主要采用力学性能对碳纤维进行产品分类，分类标准主要参考日本东丽的牌号，并以此为基础确定自身产品的牌号及级别。碳纤维按每束碳纤维含有原丝的数量可划分为小丝束和大丝束。例如12K指单束碳纤维中含有12000根单丝的碳纤维。小丝束碳纤维通常小于48K，性能优异但价格较高，主要应用于航天军工、高端体育休闲等领域。大丝束碳纤维通常大于48K，产品性能相对较低但成本亦较低，主要应用于基础工业等领域。标模碳纤维有大小丝束的区分，标模以上碳纤维以小丝束为主。据中国复合材料学会，截至2020年8月，标模碳纤维有大丝束与小丝束的区分，标模以上的碳纤维尚无大丝束出现。据SGL，其SIGRAFIL®CT50-4.8/280牌号50K大丝束碳纤维拉伸强度4800MPa，弹性模量280GPa，已满足国标高强中模型QZ4526标准。未来国产大丝束有望向中模的方向发展，为航空航天、风电叶片和新能源汽车领域带来更多轻量化应用。据赛奥碳纤维，2021年全球碳纤维需求中大丝束为5.14万吨，占比43.6%，小丝束为6.66万吨，占比56.4%。完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。原油经纯化裂解后制取丙烯；丙烯经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，作为生产碳纤维复合材料的原材料；碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合，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。国外碳纤维巨头对国内采取高端封锁、低端倾销策略，压制国内碳纤维产业发展。国外巨头利用其技术垄断和规模化生产优势，对我国高端碳纤维领域采取技术封锁策略，对原丝产品、核心技术和关键设备严格控制。在技术、人才、设备的三重严苛封锁下，国内主要依靠自力更生。在低端碳纤维领域国外巨头采取低价倾销的销售策略，致使国内大部分碳纤维生产企业技术水平落后，经营业绩长期处于亏损状态。PAN基碳纤维复合材料的高成本主要集中在原丝的生产成本较高、生产流程长和复合材料制备成本高等方面，据《碳纤维低成本制备技术》2011，PAN基碳纤维原丝的成本约占总成本的51%。PAN原丝的质量直接决定最终碳纤维产品质量、产量和生产成本。PAN基碳纤维原丝的生产过程中首先将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后纺丝成型。按照聚合工艺的连续性可以分为一步法和两步法；按照纺丝工艺可以分为湿法和干喷湿纺法。聚合工艺的两步法会加大生产成本，容易引入杂质，且聚合物粒径较大不易制得高性能PAN原丝，较少用于小丝束碳纤维原丝生产。干喷湿纺具备纺丝速度快、碳纤维强度高等优点，湿法纺丝可通过提高纤维与树脂间的机械啮合改善复材界面性能。干喷湿纺可实现高速纺丝，比湿法快2-8倍，制备的原丝密度较高且表面平整光滑，原丝的截面均一性明显好于湿法纺丝，并且制备的碳纤维强度也较高。据《国产T800级碳纤维复合材料力学性能》，湿法纺丝工艺条件下原丝成型过程中会形成轴向沟槽并遗传给碳纤维，根据复合材料界面的粘结理论，碳纤维表面沟槽有利于提高纤维与树脂间的机械啮合作用，一定程度可以提高复合材料界面性能。1.2、现状：碳纤维景气度上行，主要驱动力来自风电叶片与碳碳复材2015-2021年全球碳纤维需求年均复合增速达14.3%，中国碳纤维需求年均复合增速达24.5%。据赛奥碳纤维，2016-2019年全球碳纤维需求保持10%以上增长，在主要下游应用领域中，航空航天、体育休闲、汽车、混配模成型、压力容器、建筑补强等领域增速较为稳定，风电叶片、碳碳复材应用领域增长迅速。2020年受新冠疫情影响，航空复材领域需求大幅度降低，但风电叶片与碳碳复材领域碳纤维需求仍保持较高增速，整体碳纤维需求增速有所下滑，2021年风电、体育器材、碳碳复材及压力容器成为碳纤维需求增长的主力，推动碳纤维行业需求增速回升至10%以上。国内碳纤维需求从2015年的1.68万吨增长至2021年的6.24万吨，全球占比从31.7%提升至52.9%，年均复合增速达24.5%。从需求结构上看，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%。航空航天领域碳纤维附加值高，全球市场规模占比达35%，风电叶片与体育休闲领域碳纤维应用主要集中在中国。据赛奥碳纤维，2021年在航空航天领域应用的碳纤维价格为72美元/kg，体育休闲、电子电气、船舶、电缆芯领域为27.6美元/kg，压力容器、建筑领域为24美元/kg，风电领域为16.8美元/kg，碳碳复材、汽车、混配模成型为21.6美元/kg，以此计算全球与中国2021年市场结构，可以看出航空航天领域碳纤维附加值较高，全球市场规模占比达35%。风电叶片2021年全球碳纤维市场规模达5.54亿美元，其中中国为3.78亿美元，占比达68.2%。体育休闲2021年全球碳纤维市场规模达5.11亿美元，其中中国为4.83亿美元，占比达94.6%。全球碳纤维市场中占比前三的领域依次是航空航天、风电叶片、体育休闲，国内比前三的领域依次是体育休闲、风电叶片、碳碳复材。维斯塔斯在风电领域创新性的使用大丝束碳纤维促进了风电领域碳纤维需求的快速增长。使用碳纤维材料的风电叶片具备刚度高、重量轻、抗疲劳能力强等一系列优点。在2015年前，碳纤维应用在风电叶片的工艺主要采用预浸料或织物的真空导入，部分采用小丝束碳纤维，使用的碳纤维平均价格为23美元/kg，2016年维斯塔斯创新性地使用了大丝束碳纤维拉挤梁片，使用的碳纤维平均价格降低至14美元/kg。使用碳纤维的平均价格降低使得风电叶片碳纤维复合材料制品价格大幅降价，风电叶片碳纤维用量急剧增长。2021年风电装机报价的大幅下降叠加原材料成本上升挤压了风电产业链的利润，使得维斯塔斯及国内外众多计划采用碳纤维的企业的需求有所放缓。维斯塔斯风电叶片用碳梁部分交由国内的供应商光威复材和江苏澳盛加工，有效带动了国内风电领域碳纤维需求，但目前国内碳梁加工仍处于风电大丝束进口约85%，碳梁出口约85%这种两头在外的局面。碳碳热场部件需求高速增长驱动碳碳复材领域碳纤维需求上行。碳碳复材下游应用主要包括刹车盘市场、航天部件市场和碳碳热场部件市场。刹车盘市场、航天部件市场保持平稳发展。碳碳热场部件主要为单晶硅炉内的碳毡功能材料和坩埚、保温桶、护盘等，受“碳达峰、碳中和”目标推动，光伏企业隆基、晶科、中环、晶胜机电、晶澳大量采购单晶硅炉推动碳纤维需求上行。2、需求：动力来自哪里？空间有多大？2.1、政策加码利好发展，国产化替代前景广阔碳纤维是军民两用材料，高端碳纤维自力更生是唯一途径。T800与M60J及以上规格碳纤维由于在国防军工领域具有重要应用，美日对我国采取严格的军事禁运，因此高性能碳纤维的国产自主化生产是唯一途径。近年来，我国推出了诸多新政策以促进碳纤维产业的发展，并且开始为碳纤维产业配套专项扶持基金。2017年4月，国家科技部下发“十三五”材料领域科技创新专项规划，规划提出要以高性能纤维及复合材料、高温合金为核心，突破结构与复合材料制备及应用的关键共性技术，提升先进结构材料的保障能力和国际竞争力。2021年3月，十三届全国人大四次会议通过了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，纲要中提出要在高端新材料领域加强碳纤维等材料的研发应用，各地政府密集出台相关政策支持碳纤维产业发展。2021年9月，科技部拟推动建立碳纤维及其复合材料国家技术创新中心，在政府引导下，联合碳纤维及复合材料企业、高校、科研院所，突破全产业链共性技术，突破关系国家长远发展和产业安全的关键技术瓶颈，支持碳纤维及复合材料企业实现技术、技术装备和产品创新。2.2、双碳战略有望成为碳纤维行业需求增长的核心动力双碳战略推动光伏风电装机需求增长，风电叶片与单晶炉热场碳纤维应用有望成为需求增长核心动力。2021年全球已有130多个国家提出了“零碳”或“碳中和”气候目标，双碳目标下以光伏和风电为代表的清洁能源加速发展。据GWEC预测，2021-2026年全球风电新增装机可达650.5GW，年均复合增长6.6%，其中海上风电新增装机111.7GW，占比达17.2%，中国风电新增装机可达280GW，年均复合增长率11.3%。维斯塔斯风电叶片巧用拉挤板拼粘工艺促进碳纤维大规模使用，拉挤碳梁主要原材料为树脂及T300级24K、48K碳纤维。从风电叶片碳纤维发展历史看，最早采用经典的预浸料铺放，由于成本太过昂贵，通常用真空袋工艺，因此出现了生产效率低下，产品性能差等问题。后来借鉴玻璃纤维的工艺方法，采用多层织物真空灌注，但是不同于单丝直径较粗的玻纤的浸润性，要想灌透多层的碳纤维织物，织物本身必须留出树脂的流道，这就导致织物需要特殊的技术，进而增加了成本，同时很难保证织物在树脂的冲击之下纤维的直线度，直接影响了复合材料的性能。当维斯塔斯采用了拉挤板拼粘方法后，无论性能还是成本都对预浸料铺放和多层织物灌注工艺展现出了压倒性的优势，碳纤维的用量飞速增长。据赛奥碳纤维，2019年风电叶片行业用碳纤维量超过2万吨，其中80%就是用于生产拉挤碳梁片材。据光威复材投资者调研纪要，风电碳梁的主要原材料为树脂及T300级24K、48K碳纤维。维斯塔斯碳梁叶片制作技术核心专利2022年7月到期，其他厂商跟进有望提高碳纤维在叶片中渗透率。2002年7月19日维斯塔斯申请了《风力涡轮机叶片》专利（申请号CN02814543.7），提出了一种采用预制条带制造风电叶片的方法，其叶片主体采用玻璃纤维增强复合材料，叶片大梁采用碳纤维增强复合材料，相比传统制造技术有优良硬度和高强度同时又易于制造和低成本。2020年其他风电巨头如西门子-歌美飒、GE-LM、Nordex等，均在新的机型中采用了碳纤维拉挤板制造与测试样机。据光威复材投资者问答称，专利保护的不是碳梁的制作，光威拥有碳梁自主专利技术，目前已开展对国内风电叶片碳梁的应用推广。风机大型化推动碳纤维在叶片中渗透率不断提高。据GWEC《2020全球叶片供应链报告》统计，2014-2019年全球平均风轮直径尺寸持续在增加。2014年直径为91m-110m的风轮装机量最高，占据全球市场份额的49.5%。在2019年该产品份额下降至10.7%，风轮直径121m-140m成为主流产品，占全球市场份额的52.5%。驱动风轮直径增长的动力主要是：风电主机厂不断推出更大风轮直径的产品以降低LCOE(平准化度电成本,即对项目生命周期内的成本和发电量先进行平准化，再计算得到的发电成本)；陆上风电低风速区装机需求增加需要更大的风轮直径；以中国和欧洲为代表的风电叶片直径大于150m的海上风电装机需求增加。影响碳纤维在风电叶片应用渗透率的关键因素或为碳纤维价格。据连云港中复连众复合材料集团有限公司专利《一种采用拉挤工艺制造的单向片材制造风机叶片主梁或辅梁的方法》，玻纤使用拉挤成型工艺制备得到的铺设片材铺设主梁或辅梁可有效提高材料的拉伸强度和弹性模量，同时能够减少叶片材料使用量,节约材料成本。据赛奥碳纤维，2022年3月，株洲时代最新发布的TMT185叶片长度达91米，全部使用玻璃纤维并适配4.5MW到6.5MW机型。风电叶片企业非常清晰碳纤维的减重优势及趋势，2021年风电领域碳纤维需求同比增速放缓主要受制于成本。据北极星风力发电网预计，碳纤维降低到80元/kg下游厂商的接受度会比较高，有望迎来大规模应用。装机增长叠加碳纤维渗透率提升，我们预计2026年国内风电领域碳纤维需求有望达到12.69万吨。结合前文对风电行业需求端的分析，我们基于以下假设对风电领域碳纤维需求进行测算：（1）参照《基于工程经济学评估的风力机叶片长度设计》拟合结果与明阳智能风机叶片参数，假设风电叶片重量与长度关系为=0.527∗2.473；（2）参考北极星风力发电网数据，主梁占叶片重量的1/3，拉挤工艺中主梁纤维含量为75%；（3）根据风能吸收公式=0.53∗2，风力发电机功率P正比于风电叶片长度R的平方。（4）假设陆风平均单机容量按照每年0.5MW上升，海风平均单机容量按照每年1MW上升。（5）假设碳纤维成本逐渐下降能够满足风电大规模应用。（6）据赛奥碳纤维估计2021年全球风电碳纤维用量中维斯塔斯2.5万吨，国内风电企业0.45万吨，欧美其他风电企业0.35万吨，国内碳纤维用量2.25万吨，暂不考虑欧美其他风电企业国内碳纤维用量，估计2021年维斯塔斯国内碳纤维消耗1.8万吨，参考GWEC预计，国外风电装机CAGR月3.92%，假设维斯塔斯维持市占率不变。双碳目标推动光伏装机增长，单晶炉碳碳热场材料需求增长带动碳纤维需求。光伏行业竞争激烈，成本压力显著，采用碳纤维制作的碳碳复合材料相比传统石墨材料具有更优异的保温性能、更高的强度、更好的韧性，且不易破碎，可有效降低生产能耗、提升设备使用寿命，从而降低整个生产的成本。碳碳复合材料热场部件主要包括坩埚、导流筒、保温筒、加热器等，是单晶拉制炉热场系统的关键部件，在性价比方面相比传统石墨材质展现出了非常大的优势。受双碳目标推动光伏装机增长，2021年碳碳复材领域碳纤维同比增长162%。随着光伏装机增长以及碳碳热场部件渗透率增加，我们预计2025年中国碳碳热场领域碳纤维市场规模有望达到12亿元。（1）假设容配比为1.15；（2）根据2020年和2021年单晶硅片市占率情况，假设2022-2025年单晶硅片的市占率为98%；（3）根据隆基股份2021年产能利用率情况，假设2022-2025年单晶硅片产能利用率分别为65%/60%/60%/60%；（4）根据金博股份招股书，随着单晶硅拉制炉容量的快速增大，热场尺寸也随之增大，假设2020年热场尺寸为26英寸，直径每年增加1英寸，坩埚密度和厚度不变，则坩埚重量随直径扩大而相应扩大，假设热场其他部件重量同坩埚重量等比例扩大；（5）由于热场尺寸不断增大，单晶炉产出提升，根据包头美科二期建设数据，假设每GW所需单晶炉从2020年的约90台，逐年下降5台，至2025年65台；（6）根据金博股份招股书，坩埚消耗量为2件/年、导流筒消耗量为0.67件/年、保温筒消耗量为0.67件/年、加热器消耗量为3件/年；（7）根据金博股份招股书给出的2019与2020年各产品的测算渗透率，预计2020年碳碳复合材料坩埚渗透率为95%，并每年增加1%、导流筒渗透率为60%，并每年增加5%、保温筒渗透率为55%，并每年增加5%、加热器渗透率为5%，并每年增加1%；（8）假设2021年存量硅片改造比例为20%，并每年减少2%；（9）根据奥赛纤维《2021全球碳纤维复合材料市场报告》，假设碳碳热场领域碳纤维单价为21.6美元/千克，即14.36万元/吨；（10）根据金博股份招股书，假设碳碳复材中碳纤维占比90%。2.3、商用航空静待恢复，军用航空及航天市场稳定增长新冠疫情过后航空航天领域碳纤维需求有望恢复。航空航天领域碳纤维复合材料主要应用于飞机的结构，除了通过减重显著降低飞机的燃油成本，还能克服金属材料易疲劳不耐腐蚀的缺点从而增强飞机的耐用性。航空航天领域碳纤维需求主要集中在商用飞机和公务机，受新冠疫情影响，商用飞机和公务机碳纤维用量由2019年的1.86万吨，占比79.2%下降至2021年的0.79万吨，占比48.1%，叠加波音

787被查出存在生产缺陷并暂停交付影响，国际航空专家预测商用航空飞机需求2025年有望恢复。军用飞机、直升机、无人机、通用飞机、航天领域仍保持稳定增长。目前高性能大丝束已经应用于航空航天市场，例如德国西格里的大丝束预浸料已经开始在空客350上使用，成本的降低有助于需求的增长。2.4、体育休闲及汽车领域需求或稳定增长，压力容器有望保持较高景气度据赛奥碳纤维预计，体育休闲领域碳纤维需求有望保持5%年均复合增长率。体育领域碳纤维主要用于球杆球拍、滑雪杆、自行车及钓鱼竿等，通常每年按照4%-5%稳定增长。2020年受疫情影响，群体运动器材大幅下滑，个人运动休闲器材有所上升，整体增速有所回落。2021年，部分国家开始放开群体运动，体育器材需求回升，全球需求由2020年的1.54万吨增加至2021年1.85万吨，同比增长20.13%。据赛奥碳纤维预计，后续有望保持5%年均复合增长。双碳目标促进汽车节能减排，据赛奥碳纤维预计汽车领域碳纤维需求有望达到10%年均复合增长。碳纤维复合材料应用于汽车领域具有质量轻、强度高、抗冲击性好、减震隔音性能高的优势。同时还可以提高汽车集成度，减少零部件，有助于降低汽车生产线投资规模。当前碳纤维复合材料在汽车领域应用进程缓慢的主要原因是成本较高。2021年的市场需求为9500吨，对比2020年的12500吨，降低3000吨，其主要原因是宝马公司在2020年底停产复合材料车型I8，在2021年7月停产了I3。从全周期轻量化价值出发，碳纤维复材除了节能降本外，在绿色环保方面十分有优势，当前有从F1赛车、豪华车逐步扩大应用的趋势。2020年推出的雪佛兰C8车架部分采用了弧形拉挤的碳纤维复合材料。2021年3月，廊坊的飞泽复材为蔚来

ES6（中国第一款批量采用碳纤维的车款）生产的5万套碳纤维复材后地板开始下线。据赛奥碳纤维预计，全球压力容器领域碳纤维需求有望达到20%年均复合增长率。高压气态储氢是目前唯一商用的储氢技术，正不断朝着轻质高压、高质量/体积储氢密度方向发展。为推进氢能技术产业化，2018-2020年国家重点研发计划启动实施“可再生能源与氢能技术”重点专项。其中科技部通过“可再生能源与氢能技术”重点专项部署了27个氢能研发项目，研发经费投入约5亿元。2020年12月，斯林达车用IV型储氢瓶通过“三新”评审，成为国内首家通过“三新”评审的车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶制造厂家。根据相关政策以及预测，2022年，中国将至少新增10,000辆氢能源车，据美国能源部测算，高压氢气瓶采用碳纤维要实现规模经济效益需要性能达到T700或以上的同时价格达到12.6美元/kg。截至2025年我国氢燃料电池汽车总计规划推广数量达6.6万辆，有望全部落地助推氢能产业发展。2021年8~12月，国内五大氢燃料电池汽车示范城市群落地，山东省“氢进万家”科技示范项目正式实施。从各个示范城市群的规划目标来看，到2025年，预计可以推广超3.8万辆氢燃料电池汽车。据高工氢电统计，截至到2025年，我国氢燃料电池汽车总计规划推广数量可达6.6万辆。燃料电池示范城市群落地促进氢气瓶下游厂商备货，重卡渗透率提升驱动单车氢气瓶用量提升。据北极星储能网2021年燃料电池汽车销售1881辆，据高工氢电统计，2021年中国市场氢燃料电池车载储氢系统出货4129套，同比增长67.85%；车载储氢瓶出货量为30284支，同比增长122.43%，燃料电池示范城市群的落地促进了氢气瓶下游厂商备货，同时重卡渗透率提升驱动单车氢气瓶用量提升，使得车载储氢系统出货量高于燃料电池汽车销售量，车载储氢瓶出货量同比增速高于车载储氢系统。据高工氢电预计，2022年国内氢燃料电池汽车销量在1.1万辆，对应车载储氢系统配套数量将达到1.1万套。随着燃料电池汽车渗透率提升，我们预计2025年中国压力容器碳纤维需求有望达到7993吨。我们基于以下假设对中国压力容器领域碳纤维需求进行测算：

（1）参照赛奥碳纤维与宁波材料所数据，假设乘用车碳纤维用量约为75kg/辆，商用车碳纤维用量约为320kg/辆；（2）据北极星储能网，2021年燃料电池商用车销售1881辆，截至2021年底累计销售燃料电池商用车近9000辆；（3）据2022年3月24日发改委发布《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，规划2025年燃料电池汽车保有量达5万辆；（4）据高工氢电，到2025年我国氢燃料电池汽车总计规划推广数量达6.6万辆，假设2022-2025年规划燃料电池汽车推广数量完全落地，对应2023-2025年燃料电池商用车销量每年20%增长；（5）考虑2022年4月长安汽车发布了全新数字化纯电品牌“深蓝”，包括氢能版乘用车，假设2022-2025年在燃料电池汽车中销量产比可达11%；（6）据赛奥碳纤维，假设呼吸气瓶及天然气气瓶碳纤维需求维持每年10%稳定增长。2.5、各领域应用性能要求存在差别，2025国内市场空间有望达到230亿元从下游应用看，不同领域对碳纤维的性能要求有一定区别，参考东丽产品应用领域，以T700级应用范围最广。结合前文对各个应用领域需求端的分析，我们基于以下假设对碳纤维具体空间进行测算：

量的层面主要假设为：据赛奥碳纤维，混配模成型、建筑及其他领域有望维持10%年均复合增速。价的层面主要假设为：假设价格2022-2025年维持不变，据赛奥碳纤维，航空航天、风电领域碳纤维单价分别为72、16.8美元/kg，体育休闲及其他碳纤维单价为27.6美元/kg，建筑和压力容器领域碳纤维单价为24美元/kg，汽车、混配模成型和碳碳复材领域碳纤维单价为21.6美元/kg。3、供给：技术进步跨越低达产率阶段，国内头部公司大规模扩产碳纤维产业发展形成大丝束、小丝束两种技术路线与标准模量、中高模量两个割裂市场。国际碳纤维行业发展始于20世纪60年代以日本和英国为主导的实验室技术开发，至70年代应用于体育休闲与航空航天结构件。80年代碳纤维在商业飞机领域应用实现重大突破，单线产能达到千吨每年，东丽公司开发完成了大部分现有产品型号。90年代卓尔泰克开始研发并推进低成本大丝束在工业领域的应用，形成了高性能小丝束和低成本大丝束两种技术路线，同时碳纤维行业开始了大规模并购整合，进入平稳发展期，至21世纪10年代碳纤维的应用急剧扩大，产业进一步整合。国内碳纤维行业早期在实验室进行技术研发产量较低，技术引进持续受到封锁限制，一直未能实现大规模工业化生产，至20世纪90年代基本停滞。21世纪初欧美对中国T300以上采取禁运措施，国内碳纤维企业大干快上，将实验室技术简单放大扩充产能，整体效果不佳。21世纪10年代以来国内碳纤维企业由40余家逐渐变为10余家，具备核心工艺技术的企业获得了较大的发展，形成了国内中高模量产品自产，标准模量与国际巨头充分竞争的市场格局。3.1、跨越低达产率阶段，国产碳纤维开启产能扩张国内企业达产率已趋近国际水平，2021年经产能扩张全球占比已达30.6%。过去中国碳纤维行业达产率低的现象比较严重，产能利用率远低于国际水平，主要原因是核心工艺技术掌握不足，大部分企业尚达不到T300的水平，产品技术含量低、质量较差。近些年随着自主研发的突破产能利用率不断上升，已经从2015年的10.5%达到了2020年的51.2%，2021年达产率略有下滑主要系吉林化纤、中复神鹰、新创碳谷的产能建设完成是在下半年或年底，正常生产时间不足所致。从2020年来看，正常开车的企业达产率通常在65%以上，甚至有些企业已经达到90%。在达产率方面已经跨越了低达产率的历史阶段，趋近国际水平，经2021年产能扩张全球占比已达30.5%。碳纤维景气度走高，国际巨头进行了一定的产能扩张。碳纤维行业目前产能集中度较高，2021年CR5为57.1%。在全球需求的持续增长下，国际巨头也进行了一定的产能扩张。东丽旗下卓尔泰克继2021年6月碳纤维产能由1万吨扩张到1.3万吨后，于11月18日宣布注资1.3亿美元扩张产能至2万吨，计划于2023年1月完成。2021年5月韩国晓星宣布新建一条年产2500吨碳纤维生产线，预计将于2022年建成投产达到6500吨总产能，远期计划2028年达到2.4万吨总产能。国内碳纤维企业持续扩产，或改变世界碳纤维产能格局。2021年国内企业吉林化纤集团碳纤维产能增长近1.6万吨(含收购江城的产能)，常州新创碳谷新建产能6000吨，中复神鹰扩产8000吨（含老厂产能调整），浙江宝旌扩产2000吨，整体扩产近3.2万吨。3.2、规模化、技术改进与设备国产化驱动成本优化碳纤维行业规模效应显著，产能扩张可有效降低单位生产成本。碳纤维生产成本主要包括原丝生产成本和碳化成本，生产1kg碳纤维需要消耗2.1至2.2kg原丝。原丝生产成本主要包括原材料成本、能源成本、人工成本和制造成本，碳纤维生产成本构成也类似。据《PAN基碳纤维制备成本构成分析及其控制探讨》2010，某1100吨/年原丝产线单位成本为4.784万元/吨，规模上升至3500吨/年时单位成本可下降至为3.807万元/吨。据ORNL《LowCostCarbonFiberOverview》2011，碳纤维产线规模化可以使得碳纤维生产总成本降低2.03美元/磅，规模化降本占原总成本比例可达21%。碳纤维工艺复杂生产壁垒高，技术优化可有效降低单位生产成本。碳纤维生产主要分两步：第一步是原丝的制备，包括聚合和纺丝；第二步是原丝的预氧化和高温碳化，即碳纤维的制备。预氧化使得PAN线性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不熔不燃和保持纤维形态；碳化则是形成碳纤维，若制备高模量石墨纤维还需在氩气中对已碳化的碳纤维再进行高温石墨化处理。碳纤维降本通常以“新原料”、“新技术”和“新工艺”为方向，新原材料主要探索聚丙烯腈以外的原丝来制作碳纤维，新工艺通过干喷湿纺与大丝束碳纤维的方式提高生产效率，新技术研究提高原液浓度、加快聚合及纺丝速度，降低预氧化与碳化能耗的方法。例如中复神鹰大规模应用的干喷湿纺工艺具有纺丝速度快、碳化时间短、生产效率高等优点，在高性能小丝束碳纤维生产方面有效降低了成本，荣获2017年国家科技进步一等奖。国内碳纤维厂家及设备商逐渐掌握核心工艺技术，国产化有望降低设备投资。碳纤维进口设备价格通常为国产设备3-5倍。绝大部分欧美设备厂家对碳纤维的工艺、生产与维护的理解并不深入，主要是因为碳纤维生产商在与设备商的合作中对技术保密，只对设备方提出基本要求，待设备交付后再根据自己的技术经验进行一定的改造，技术的核心部分通常会在改造上，所以国际碳纤维巨头技术不断地进步，而一些欧美厂家的设备却极少有改进。国内碳纤维厂家通过多年使用欧美设备，自行改造解决大量工艺适配性问题，有些逐渐成为了设备专家。据光威复材、精功科技公告，光威复材子全资公司光威精机具备成套生产设备的设计、制造和安装以及生产线的建设的能力，可自产氧化炉、高温碳化炉、低温碳化炉、预浸料设备、涂胶机、混合反应釜等；精功科技通过与德国、意大利设备商合作和持续自主研发投入，已经具备千吨级成套碳化线交钥匙能力，2020年底交付吉林精功大丝束碳化线基本接近全国产，2020年初顺利交付韩国2000吨级碳纤维生产线预氧炉设备，风速均匀性和温度均匀性两项关键技术指标达到国际一流水平。丙烯腈为大宗化工原料，油剂已实现国产化，碳纤维生产无原材料进口依赖。生产碳纤维原丝所用原材料主要是丙烯腈和油剂。2020年全球碳纤维需求10.686万吨，按照丙烯腈生产碳纤维比例2.2：1计算，仅占全球丙烯腈产能788.4万吨的2.98%。碳纤维原丝的工艺主要分为纺丝原液的聚合和原丝的纺制过程，其中油剂使用在纺丝上油过程中。油剂质量和上油工序直接影响原丝和碳纤维的质量，据《索式萃取法测定聚丙烯腈原丝的含油率》测量，碳纤维原丝的油剂重量占比约1.2%。3.3、如何看竞争要素与格局演变？碳纤维上游原料丙烯腈生产装置主要集中在中石化和中石油所属企业，碳纤维企业就近建设有利于降低运输成本。据《以积极的态度解决丙烯腈的运输问题》，以丙烯腈为主要原料的腈纶厂约有85%与上游石化的丙烯腈生产厂建在一起，便于运输的同时可有效节省运输成本。从碳纤维产能分布来看，吉林化纤集团所在的吉林市有丙烯腈年产能42万吨，中复神鹰所在的连云港市有丙烯腈年产能52万吨，上海石化计划扩产大丝束所在地上海有丙烯腈年产能52万吨，中复神鹰西宁碳纤维扩产项目原料来自同属甘河工业园的青海大美煤业的丙烯腈项目。当前国内航空航天复合材料主要以高强型碳纤维应用为主，未来有望升级至高强中模碳纤维为主，不同耐温级别及韧性的复合材料或依赖于树脂基体研发。据航空工业复合材料技术中心《国产高强中模碳纤维及其增强高韧性树脂基复合材料研究进展》，20世纪90年代以后发展的新机型（如F-22，F-35，B-2，CH-53K，B777，B787，A380，A400M，A350等）主要应用高强中模碳纤维，高强型碳纤维应用在一些次承力结构中，国内应用的航空航天复合材料主要以高强型碳纤维增强复合材料为主，未来相当长一段时间内高强中模碳纤维将在航空结构复合材料中占据绝对主导的地位。以耐温级别为标准，航空碳纤维增强树脂基复合材料可分为中温、中高温和高温复合材料，主要对应的为环氧、双马、聚酰亚胺树脂基体等热固性树脂。以复合材料的冲击后压缩强度（CAI）为划分标准，航空碳纤维复合材料可分为基础型、第一代韧性复合材料、第二代韧性复合材料和第三代韧性复合材料，如高温固化环氧树脂基复合材料就经历了基础型、第一代韧性、第二代韧性和第三代韧性树脂基体的发展过程。航空航天等高附加值领域碳纤维性能或为主要竞争要素。据中简科技招股书，核心客户A和核心客户B进行型号应用评价主要涉及拉伸强度、拉伸模量、断裂伸长率、面密度及上述指标相应的离散系数，与国产树脂基体的复合性等。据《碳纤维复丝拉伸强度稳定性评价指标研究》，使用碳纤维制作筒体复合材料时，其强度最小值的点会成为复合材料的最薄弱点，在受到载荷时最先发生破坏，因此碳纤维的离散系数或对复合材料的性能有较大影响。对比东丽与SGL，开展高性能碳纤维复材业务或需具备优秀的树脂体系。据中国商飞官网披露，波音

787所用日本东丽研发的第三代增韧环氧复合材料T800S/3900-2B，其碳纤维T800S与基材3900-2B均为东丽自研。据中科院宁波材料所特种纤维事业部，2019年12月Solvay公司和德国碳纤维制造商SGL宣布达成联合开发协议，将第一批50k大丝束、中等模量的碳纤维复合材料推向民用航空市场，其中碳纤维采用SGL公司提供的大丝束中等模量碳纤维和Solvay公司所提供的树脂体系。腈纶工业基础是发展大丝束碳纤维的前提，国内具备腈纶工业基础的主要有吉林化纤和上海石化两家。大丝束产业链方面原丝设备有较多进口，国内企业会参与前期设计、设备生产及后端安装、调试全流程，且设备中多数组件在国内企业加工，2016年5月，国产48K大丝束原丝工业化试验正式开展，到2018年3月，我国成功试制出48K大丝束碳纤维，并掌握工艺全流程。产能扩张方面我们认为产品达标周期或为关键要素。据赛奥碳纤维，建设一条完整的12K年产1600吨碳纤维产线需要投入2.5亿元。碳纤维产能建设主要经历5个阶段，分别是建设期、试生产、稳定期、达标期、满意期，各个阶段不同厂家建设周期不同，各个周期之间产品售价也有一定差异。建设周期不同的主要原因是厂家的系统工程能力不同，主要体现在整线工艺布置的合理性与设备的稳定性。工艺和设备的整改会消耗大量时间，尤其是解决工艺和设备的适配性问题，通常国际水平是12~14个月进入达标期，满足A等品超过90%和生产成本达标。国内绝大部分碳纤维企业均经历过长期处于试生产与稳定期产品难以达标的痛苦时期，甚至有7年亏完所有固定资产的案例，因此我们更看好具备核心工艺技术的厂家扩产。扩产与降本均顺利条件下，未来几年碳纤维供需或较为平衡。据赛奥碳纤维，2022年已经宣布并在进行中的扩产中，计划2022年完成的包括吉林化纤集团2.7万吨、新创碳谷1.2万吨、光威包头4000吨,计划2023年完成的包括浙江宝旌2.1万吨，中复神鹰1.4万吨,上海石化

1.2万吨，即2022年计划完成扩产4.3万吨，2023年计划完成扩产4.7万吨。暂不考虑2024年的扩产，考虑到从试生产到稳定期时间不确定，若扩产顺利同时降本速度较快能够满足风电等领域大规模应用，则整体供需或较为平衡，但需关注国际巨头在标准模量领域的竞争。4、碳纤维行业重点公司分析4.1、精功科技：碳化设备龙头，具备碳化线成套设备交钥匙能力精功科技为民营碳纤维碳化设备龙头，自2013年启动碳纤维生产线项目，通过与欧洲设备商合作，集成意大利和德国核心设备的方式，于2015年推出千吨以上12K和24K原丝碳化线，在实控人精功集团全资子公司浙江精业新兴材料

（现归属宝武钢铁）实现了碳化线销售。目前公司已成功交付使用9套碳化线，并在韩国2000吨级碳纤维生产线上实现了预氧炉设备的出口。吉林化纤、浙江宝旌与新疆隆炬扩产有望提供超20亿元市场空间。精功科技

2021年碳纤维成套生产线营收达7.49亿元，同比增长261.13%。2021年主要毛利润来自碳纤维碳化线的2.42亿元，2021年公司累计完成6条碳纤维生产线交付，签署了10条碳纤维生产线的销售合同（目前正在履行中），产品得到市场的高度认可，并正在逐步“进口替代”。精功科技长期合作方吉林化纤与浙江宝旌计划扩产7.8万吨，以及新疆隆炬计划扩产5万吨碳化产能（正在实施2套碳化线合同），按照2020年精功科技大丝束2500吨年产能碳化线1.65亿元合同额计算，具备20亿元以上市场空间。4.2、光威复材：全产业链龙头，碳纤维与碳梁业务同步扩产光威复材为民营碳纤维全产业链龙头，具备碳纤维生产线及关键设备、预浸料生产线以及复合材料成型设备等自主设计与制造能力，主要产品包括碳纤维及织物、预浸料、碳梁等，军品方面光威复材具有日本东丽性能相当的碳纤维产品，民品方面以碳梁为主，占维斯塔斯份额约30%。目前光威复材正在扩充碳纤维与碳梁产能，有望在需求高景气中进一步成长。光威复材

2021年产能利用率较高，公司适时扩产。目前光威复材产能主要为高性能小丝束，碳梁业务采用购买碳纤维加工的方式，军品碳纤维方面需求增长稳定，公司

“军民融合高强度碳纤维高效制备技术产业化项目”将通过改造用于生产T700G/T800H级碳纤维产品。据光威复材披露，产线改造完成后如果生产T800H级约有700-800吨的产能，如果生产T700G约有1000吨的产能。低成本碳纤维方面公司在内蒙古包头九园工业区计划建设1万吨产能，生产包括24k在内的高级别碳纤维产品，定位主要是中高端市场气瓶、热场、建筑补强领域。据光威复材披露，包头电价为0.26元/kwh，较威海电价0.6-0.7元/kwh，在能源成本方面有较大节省空间，同时使用自供碳纤维毛利率有望提升。4.3、中简科技：专注航空航天，产品附加值高中简科技主营业务为军用高性能碳纤维及织物，产品以ZT7系列（高于T