碳纤维行业研究报告：新能源驱动需求，把握国产历史机遇
（报告出品：财通证券
1 碳纤维：性能优异、应用广泛的“黑色黄金”
1.1 碳纤维的特点及分类
碳纤维是一种高强度高模量的耐高温纤维，由粘胶、腈纶、芳纶、聚酰亚胺等纤 维在高温下烧制而成，属于化纤的高端品种。从结构上看，碳纤维主要由碳原子 构成，直径约5-10微米，在碳纤维的烧制过程中碳原子在晶体中被键合在一起， 产生平行排列的纤维长轴，赋予了碳纤维“外柔内刚”的特性，轻于铝，却强于铁。碳纤维的优良性能包括轻质、高强度、高模量、热膨胀系数小、导热性好、耐化 学腐蚀性好、耐磨性好、耐高温性好、阻尼突出、具有优良的透声纳、高 X射线 透射率、疲劳强度高等。碳纤维也因其优良的性能而被广泛应用到航空航天、汽 车工业、风电行业、建筑行业、交通运输、运动器械制造等领域。目前对于碳纤维的分类主要有三种方式，分别是从原材料、产品规格、力学性能 角度出发：
1）按原材料分类：可以分为聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF，市场主流碳纤维）、 沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、磺化聚乙烯基碳纤维、木质素与 PAN 混合基碳 纤维；
2）按产品规格分类：可以将碳纤维分为大丝束和小丝束，48K 以上碳纤维称为 大丝束碳纤维，主要分为 48K、60K、80K 等，目前主要应用于工业领域如纺织、 医药卫生、交通运输、土木建筑和能源等。小丝束碳纤维主要分为 1K、3K、6K， 后又发展为 12K 和 24K，主要应用于国防军工等高科技领域（如飞机、导弹、卫 星等）以及体育休闲用品（如渔具、球拍等）；
3）按力学性能分类：可以分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为 1400MPa、模量在 140GPa 以下。高性能型碳纤维又分为高强型和高模型，其中 称强度大于 4000MPa 的为超高强型；模量大于 450Gpa 的为超高模型。
1.2 碳纤维的产业链
碳纤维的产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。从石油、煤炭、 天然气均可得到丙烯；丙烯经过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，碳纤 维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 维经过与树脂、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 到下游客户需要的最终产品。
2 需求端：风光氢驱动需求，大丝束占比不断提升
2.1 全球及中国碳纤维应用领域对比
2021 年，全球碳纤维市场需求量为 11.8 万吨。风电虽然仍是下游最大占比，但 同比增速回落至 7.8%。体育用品需求同比 2020 年增长幅度高达 20%，回到全球 第二大需求市场。压力容器虽然很多仍是小批量需求，但依然保持 25%的较高速 增长。碳碳复材受光伏行业驱动，依然保持 70%超高增速，航天航空基本同比持 平。
相比之下，国内风电叶片、体育休闲、热场材料等工业领域应用占比更高，航 空航天、汽车等领域占比较小。2021 年，国内碳纤维需求总量约为 6.24 万吨， 体育复材的领导地位再次被风电大幅超越，而碳碳复材、压力容器成为迅速崛起 的新星。
从全球碳纤维需求量看，中国占比不断增加，从 2011 年的 21%增加至 2021 年的 53%。展望未来，根据赛奥碳纤维技术预测，预计到 2025 年全球碳纤维需求量 将达到20万吨（4年CAGR=14%），到2030年达到40万吨（5年CAGR=14.8%）。预计到 2025 年，国内碳纤维需求量将达到 15.9 万吨（4 年 CAGR=26.4%）。
从产品结构看，大丝束占比明显提升。根据赛奥碳纤维技术，2021 年大丝束产 品份额与小丝束相当，大约均占比 43%，相比之下，2018 年占比仅为 32%，大 丝束占比的不断提升，反映的是 2021 年民用航空市场的疲软以及风电市场的持 续增长。而对于碳纤维工业应用而言，成本尤为重要，大丝束是降低成本的主要 路径，不仅可以通过低成本扩大工业应用领域，也会不断吞噬成本敏感的小丝束 传统市场。
2.2 风电：风电叶片大型化发展，静待碳纤维经济性显现
风电是当前碳纤维最大下游需求来源。2021 年全球风电碳纤维用量约为 3.3 万吨， 占全球碳纤维总需求比重 28%。国内风电叶片领域碳纤维需求量为 2.25万吨，占 国内碳纤维需求总量的 36.1%。根据国际风力发电网，碳纤维在风电叶片中的主 要应用部位为主梁，与同级别高模玻纤主梁相比，采用碳纤维可实现减重 20- 30%。以 122 m 长叶片为例，叶片重量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上 的载荷，进而可以减少轮毂、机舱、塔架和桩基等结构部件 15% ～ 20%的重量， 有效降低风机 10%以上的整体成本。此外，风机的输出功率也更加平稳均衡、 运行效率更高，由于碳纤维的抗疲劳性较高，因此还可以延长叶片的生命周期， 降低日常维护费用等综合成本。
从工艺上看，碳纤维复合材料主梁的成型工艺主要有碳纤维织物真空灌注、预浸 料成型、拉挤工艺 3 种。其中前两者在叶片中应用较早，技术成熟，但随着叶片 大型化对重量要求提高，拉挤工艺逐渐成为主流。风电厂商维斯塔斯自 2015 年 最早将拉挤工艺应用于叶片上。这种设计理念把整体化成型的主梁主体受力部分 拆分为高效低成本高质量的拉挤梁片标准件，然后把这些标准件一次组装整体成 型，极大地推动了碳纤维在风电领域的应用。近年来，中材科技、时代新材、中 复连众、艾朗等叶片厂家，以及金风科技、三一重工、明阳电气、上海电气等主 机厂均陆续发布了使用碳纤维或碳玻混合拉挤大梁叶片。
目前风电叶片市场上，玻纤与碳纤仍然存在一定竞争， 中 材 科技 发 布 SINOMA85.6 的全玻纤海上风电叶片并于 2020 年在福建兴化湾装机使用。2022 年 3 月，株洲时代最新发布的 TMT185 叶片，长达 91 米，全部使用玻璃纤维而 非碳纤维。碳纤维的减重优势非常明显，但在碳纤维供不应求的情况下，经济性 问题在一定程度上阻碍了在风电领域的应用。虽然如此，但总体上风电领域应用 前景依然光明，根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025 年全球风电叶片对碳纤维 需求将达到 8.06 万吨，复合增长率为 25%。
2.3 体育休闲：我国占全球体育休闲碳纤维用量 9 成以上，预计未来 平稳增长
根据赛奥碳纤维技术数据，2021年，国内体育休闲领域碳纤维用量为1.75万吨， 约占全球 1.85 万吨使用量的 94.6%。相比于传统的金属结构件，碳纤维产品具备 不易变形、质量轻的优点。一般使用 T300 级碳纤维就可以满足体育休闲用品的 需求，但为了提升产品性能，部分产品也也开始使用 T700 级甚至更高性能碳纤 维。总体上看，体育休闲领域产品类别广泛，对碳纤维需求成高低端并存局面。目前，国内需求以 T300、T700 级为主，包括少量 T800 级和高模量。规格上以 3K、12K 等小丝束为主。受全球疫情影响，2020 年群体运动器材对碳纤维需求有较大幅度下滑，个人体 育休闲器材需求上升，随着各国防控措施优化，群体运动器材恢复较高速增长。根据赛奥碳纤维技术预测，预计到 2025 年体育休闲领域碳纤维需求量将达到 2.25 万吨，复合增长率为 5%。
2.4 碳碳复材：光伏产业蓬勃发展，驱动碳/碳复合材料市场需求
碳/碳复材是以碳纤维为增强相的碳基复合材料，是目前极少数可以在 2000 ℃以 上保持较高力学性能的材料，主要应用于三大领域：刹车盘、航天部件、热场部 件 。1） 刹 车盘市 场 ：目前国际企业 主要 包括法 国 Messier-Bugatti、美国 Honeywell、英国 Dunlop 等。国内飞机刹车盘企业主要有北摩高科、中航飞机股 份有限公司西安制动分公司、博云新材、西安超码等，目前市场较平稳发展；2） 航天部件：目前碳碳复材以其优异性能成为大型固体火箭喉衬、发动机的喷管、 扩散段、端头帽等的首选材料。3）热场部件：主要用于单晶硅炉内，包括碳毡 功能材料和坩埚、保温桶、护盘等结构材料，正在快速形成晶硅制造热场系统中 对石墨材料部件的进口替代与升级换代。国际企业主要包括 SGL、日本东海碳素 公司等，国内企业主要包括金博股份、西安超码等。由于光伏及半导体行业的技 术迭代，硅片也在向高纯度、大尺寸发展，因此热场系统应用中，碳碳复材产品 向高纯度、大尺寸的方向发展也是必然趋势。根据赛奥碳纤维技术数据，2021 年我国热场材料碳纤维需求量为 0.7 万吨，占全 球碳碳复材碳纤维需求量（0.85 万吨）的 82.3%。2021 年全球碳碳复材碳纤维需 求量 0.85 万吨，同比 2020 年增长 70%。根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025 年 全球碳碳复材碳纤维需求量将达到 2.4 万吨，复合增长率为 30%。
2.5 压力容器：氢能源市场的崛起推动储氢瓶的发展，长期潜力巨大
根据赛奥碳纤维技术数据，2021 年，全球压力容器碳纤维需求量为 1.1 万吨，其 中，我国压力容器碳纤维用量约为 3000 吨，占全球比重约为 27%。全球压力容 器对碳纤维的需求依然主要在欧美，例如 2021 年我国最大气瓶企业碳纤维用量 约为 800 吨，而国际巨头 LUXFER 约为 2400 吨，Hexagon Lincon 约为 3200 吨。从压力容器碳纤维下游需求构成看，储氢瓶未来潜力最大。其中，呼吸气瓶用 量大约为 600 吨，CNG 气瓶大约 500 吨，储氢气瓶用量约为 1900 吨，占比超过 一半。预计未来数年，呼吸气瓶会保持较稳定增长，但受基数影响增长有限， CNG 气瓶的用量在未来 3 年会保持较高速增长，但 2025 年增速或有所减缓，储 氢瓶未来增长潜力较大。当前市场中的新能源汽车通常采用高压储氢的方式，车载高压气态储氢气瓶中塑 料内胆纤维缠绕瓶（IV 型）凭借着其质量轻、耐疲劳的特点成为全球市场的研 究热点。根据我国氢能产业发展中长期规划（2021-2035年），2025年氢燃料电池 车保有量约为 5 万辆。一般而言，根据赛奥碳纤维技术，重卡储氢瓶容量约为 210-385L，单瓶碳纤维用量再 40-45kg，单车配置6-8个瓶组，最大重卡碳纤维用 量可达500kg。根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025年全球压力容器碳纤维需求 量约为 2.28 万吨，复合增长率为 20%。
2.6 航空航天：疫情及生产问题拖累需求，预计平稳恢复
航空航天是高性能碳纤维的重要下游需求。根据赛奥碳纤维技术、Cirium 数据， 2021 年，全球商用飞机交付量达 1034 架，同比增长 28.6%，新增确认订单 1647 架，约为 2020 年的 2.7 倍。宽体飞机方面，根据波音公司网站信息：2021 年年 中，波音 787 被查出存在生产缺陷并暂停交付，全年仅交付 14 架波音 787。远低 于 2020 年 53 架的交付量，以及疫情前上百台年交付量。空客 2021 年 A 350 交付 量为 55 架，依然较为低迷。总体上看，由于主要需求来源较为低迷，虽然商用飞机需求表现较好，但总体需求与 2020 年基本持平。但预计随着生产问题解决， 以及疫情好转，航空航天需求将稳步恢复。根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025 年全球航空航天碳纤维需求量约为 2.06 万吨，复合增长率为 5.8%。
3 供给端：全球产能加速扩张，大丝束产业化布局 开启
3.1 全球: 产能扩张加速，中国跃升为第一大生产国
碳纤维行业的技术、资金和产品验证门槛高，大多数企业都拥有较为悠久的历史， 企业数量有限。2011-2021 年，全球碳纤维产能从 9.3 万吨增加至 20.7 万吨，年 均扩产约 1.14 万吨。2021 年以前扩张产能主要来自日本东丽、Zoltek、Hexcel、 SGL 等国外厂商。
2021 年，全球新增产能主要来自于中国：根据赛奥碳纤维技术，吉林化纤集团 增长近 16,000吨(含收购江城的产能)；常州新创碳谷新入行，新建产能 6000吨；卓尔泰克在墨西哥增加的3000吨；中复神鹰增加的8000吨（老厂有产能调整）， 宝旌增加 2,000 吨; 东邦增加了 1900 吨。根据赛奥碳纤维数据，2021 年中国大陆地区首次超越美国，成为全球最大产能 国，且从扩产计划上看，预计我国将在产能上有望较长期保持第一的地位。
展望未来，从各厂商公布计划看，中国企业扩产计划宏大，将拉动全球碳纤维 产能快速扩张。根据赛奥碳纤维技术《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》， 2022 年已经宣布并在进行中的扩产有：吉林 27,000 吨（2022 年完成）,宝旌 21,000 吨 (2023 年完成) ，中复神鹰 14,000 吨（2023 年完成）,上海石化 12,000 吨 （2023 年完成）,新创碳谷 12,000 吨（2022 年完成），光威包头 4,000 吨（2022 年 完成）, ZOLTEK 6,000 多吨(2023 年完成)，DOWAKSA 1,800 吨(2022 年完成), 韩 国晓星 2,500 吨（2022 年完成）。此外，根据中简科技公开投资者调研纪要，按照公司三期项目（1500 吨）预计 将在 2024 年全部完成。
碳纤维产能折算过程中存在的问题？前文使用的“运行产能”概念，主要是为了反映实际运行产能，区别于理论产能， 但依然无法完全反映厂家的真实产能。主要原因在于一些企业兼顾生产 1K-6K 的小丝束企业，一般也会按照 12K 的惯例来折算产能。例如，在相同生产宽幅 与生产速度下，3K 与 12K 的产能显然有很大区别。根据赛奥碳纤维技术，一条 产线若生产 3K 的产能为 300 吨，折算成 12K 约为 1000 吨，因此这样折算的结果 就是总产能与产出之间会存在较大差距，导致“达产率”低的误解。根据赛奥碳 纤维技术《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》，若按照实际小丝束企业 3-6K核 算产能，预计全国运行产能数据要扣除 0.8-1 万吨（即对应实际产能 5.34-5.54 万 吨）,而在实际生产过程中，目前国内绝大部分产线是按照设计产能（含改造） 的 90%以上生产，逐渐趋近于国际水平，但满负荷生产的产线产品性能和质量 稳定性仍有较大提升空间。总体上看，即使刨除折算带来的误差，我国产能依然处于全球首位。而根据前文 我们的初步统计，从扩产计划上看，预计我国将在产能上有望较长期保持第一的 地位。而 2021 年虽然中国碳纤维产能增长很快，但市场依然较为紧张，主要原因是吉 林化纤、中复神鹰、新创碳谷等产能建设主要是在下半年及年底完成，因此这 些产能实际在 2022 年才会得到充分释放。
3.2 国内：碳纤维进口总量仍然高于国产量，大丝束开启产业化布局
2021 年国内碳纤维仍然供不应求，进口占比（53%）依然较高。国内碳纤维供 应可以分为进口、国产供应两部分。2021 年，我国碳纤维总需求为 6.24 万吨， 同比 2020 年 4.89 万吨增长 27.7%，其中进口量为 3.31 万吨，同比增长 9.2%，国 产碳纤维供应量为 2.93万吨，同比增长 58.1%。总体上看，2021年进口和国产碳 纤维仍然处于供不应求。
从国内市场竞争格局看，目前国内碳纤维企业集中于国企，占比约 80%，民企 占比约 20%。国内领先碳纤维企业主要包括中石化（上海石化）、中国建材（中 复神鹰）、中国宝武（宝旌碳纤维及太钢钢科）、中化集团（蓝星）、陕煤（国企， 恒神）、吉林化纤（国企），民营企业主要包括光威复材、中简科技、新创碳谷。2021 年，全球产能排在前十的厂家中，吉林化纤、中复神鹰、宝旌等三家来自 中国大陆，台塑来自中国台湾。总体上看，国内产能主要集中于国企，民营企业 占比较低。
从产品结构看，长期以来，我国主要在小丝束碳纤维方面实现突破。根据南京 日报，目前国内每束碳纤维基本处于 1-12K 之间，即以小丝束为主。但由于小丝 束成本较高，因此抑制了下游企业应用碳纤维的积极性。业内通常将每束碳纤维根数在 48K以上的碳纤维称为大丝束。随着我国首个万吨 级 48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料 开车，标志着我国大丝束碳纤维开启产业化布局。此前大丝束碳纤维生产技术主要掌握在美国、德国、日本的几家大公司手中。中 国石油化工集团有限公司（以下简称中国石化）、成为国内最早掌握大丝束碳纤 维技术的企业之一。此外，吉林化纤也是目前较早 48K 大丝束的优势在于在相同 工艺条件下，能够大幅度提升碳纤维单线生产能力，而如果控制得好，质量性能 也能得到保证，从而实现低成本，打破碳纤维高价带来的应用局限。
4 碳纤维的经济性分析
4.1 成本构成：原材料及设备占比最高，预氧化是决定生产速度和效 率的关键
从工艺流程看，PAN 原丝成本占比近一半，其次为氧化、碳化环节。碳纤维的 制备工艺主要包括丙烯晴聚合物溶液制备、PAN 原丝制备、PAN 纤维预氧化及 热稳定化、PAN 预氧纤维碳化、表面处理等。大多数碳纤维厂商从采购丙烯腈 开始进入碳纤维产业链。PAN 基碳纤维制备的核心是原丝制备技术。碳纤维制备 过程中，原丝制备占成本比例较高，接下来分别是氧化、碳化环节。因此，从各 环节成本构成看，PAN 原丝成本占比近一半，其次为氧化、碳化环节占比较高。此外，通过规模化生产，可以实现在相同时间及能耗下更大的丝束通过量，降低 总体生产成本。根据中科院宁波材料所特种纤维事业部数据，通过生产规模的扩 大，可以将碳纤维生产成本从 9.88 美元/公斤基础上降低 2.03 美元/公斤（对应降 幅约为 20.5%）。
从生产要素看，原材料依然是最主要成本，设备、人力成本其次。碳纤维的制 备成本主要包括原丝生产成本、装备设施折旧、劳动力、能耗等。根据 Sandia National Laboratories 数据，以 50K 碳纤维为例，其中 45%成本来自于原丝生产， 37%的成本在于装备设施折旧费用。除上述成本以外，还有环境安全、质量安全、 产品质量稳定性等影响碳纤维价格的多种因素。在后续各主要生产环节中，氧化环节本占比最高，占总成本比重 18%，也是对固 定资产、能耗要求最高的工艺环节，占固定资产投资的 22.6%。此外，氧化也是 决定生产速度和产出效率的关键步骤。氧化炉是耗时最长的生产环节，根据蓝鲸 腾飞，如果生产碳纤维全过程需要 88min， 其中预氧化时间大约需 80min，约占 总生产时间的 90%左右，因此如何在保证质量的前提下，缩短预氧化时间，也是 提升产量和降低成本的重要方式之一。
4.2 海外降本之路：90 年代经历大幅下降后趋于稳定，设备、能源是 关键因素
根据 Tim Ellringmann 等人对过去发布的碳纤维成本模型的统计，去除通胀因素 影响，碳纤维生产技术在 90 年代取得很大改进。Goss 在 1986 年的统计数据显示， 碳纤维单吨生产成本达 42.8 美元/kg，而 2000 年以后，碳纤维成本稳定在 18-25 美元/kg 之间。分生产要素看，2000 年以后虽然原丝成本波动幅度较大，但由于技术水平的提 升，90 年代期间还是实现了较为可观的降幅。而最主要的还是设备、能源成本， 在 90 年代大幅下降后趋于稳定，相比之下，人力成本整体成上升趋势。
分生产环节看，原丝环节占据主要份额且占比逐渐提升，氧化、碳化、上浆成 本占比皆有所减少。
根据海外碳纤维降本的历史经验，我们可以发现，1）通过技术水平的提升，单 吨原材料消耗可率先实现一定程度的降本，但降本幅度有限，且后续波动较大， 主要系原材料为大宗商品，价格受供需影响较大，影响因素较为复杂。2）设备、 能源是实现大幅降本的关键生产要素，且降本后趋于稳定，而从生产环节看， 氧化、碳化是压缩生产成本的关键，因此与其相对应生产环节的设备、能耗是 实现降本的关键。3）人力成本整体成上升趋势，可降低空间有限。
4.3 国产碳纤维：成本具备进一步下降空间
从中复神鹰和我国主要企业碳纤维产品结构看，国内碳纤维产品主要为小丝束， 但相比而言，大丝束生产更有利于降低成本，因此随着我国大丝束产能扩张，我 国碳纤维生产成本优势有望进一步凸显。从各类生产要素占比看，2021H1 公司直接材料、人工成本、设备折旧、能源等 在生产成本中占比分别为 33%、16%、12%、28%，相比海外，国内能源消耗占 比较高，设备成本占比较低。
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