碳纤维行业研究报告：国产替代进行时
报告出品：广发证券
一、碳纤维行业概况
（一）碳纤维：性能优越，用途广泛前景光明
性能优异。碳纤维被称为“新材料之王”，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。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，密度是钢的1/4，比强度比钢大16倍，是目前已大规模生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维，同时具有导电、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。
原材料种类多样满足应用需求。碳纤维根据原丝种类主要分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，是碳纤维中用途最广、用量最大、性能最好的纤维，聚丙烯腈(PAN)基碳纤维在碳纤维的生产中占有绝对优势，自20世纪60年代问世以来，迅速占据主流地位；沥青基、粘胶基的产量规模较小，目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。
PAN基碳纤维强度丝束分类。根据力学性能分类，碳纤维可分为高强型（GQ）、高强中模型（QZ）、高模型（GM）、高强高模型（QM）。根据丝束数量，碳纤维主要有3K、12K、24K、48K等规格，分为大丝束和小丝束，3-24K（含）为小丝束产品，一般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别，主要下游产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等，24K以上为大丝束产品，主要应用于风电叶片和民用包括土木建筑、交通运输和能源等行业，主要下游产品包括风电叶片、建筑补强产品、抽油杆、压力容器等。
（二）碳纤维下游应用不断延伸拓展，产品附加值不断提升
碳纤维产业链由上游的原油化工产业，中游的原丝加工、碳纤维相关产物以及碳纤维复合材料生产加工以及下游的应用市场组成。
（1）上游原材料丙烯腈丰富易得。通过从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制备丙烯，并经氨氧化后得到碳纤维生产的主要原材料丙烯腈。丙烯腈经过聚合阶段形成聚丙烯腈溶液进入纺丝阶段得到碳纤维原丝。
（2）中游形成性能完善的复合材料。将碳纤维原丝进行预氧化、氧化、低温和高温碳化后生产出碳纤维及碳纤维产品，与不同的基体材料结合形成碳纤维复合材料。根据基体材料类型划分，可分为树脂基、金属基、陶瓷基、橡胶基等复合材料，不同分类的基体材料性能优势不同且差异巨大。
树脂基复合材料较大程度的保留了碳纤维的高强度和高模量性能，主要应用于建筑、化学、交通、医疗和航空航天领域，是高端行业提升设备性能和追求轻量化优势的必备材料之一。金属基复合材料完善了硬度等方面的性能，在航空航天、汽车制造和体育装备上应用较多，弥补了碳纤维树脂基复合材料剧烈碰撞后崩碎的缺陷。树脂基和金属基材料无法面对超高温场合，因此无法应用于发动机相关的领域，陶瓷基复合材料完善了耐高温方面的性能，碳纤维陶瓷基复合材料就是针对这一高端领域而特制的一种复合材料。橡胶基复合材料完善了耐摩擦方面的性能，是工业耐磨领域上的一个重要应用方式，广泛应用于耐磨衬轮、特殊密封件。
（3）下游应用领域快速拓展，产品附加值大幅提升。碳纤维复合材料经过各种成型工艺得到下游应用所需的最终产品。随着科技的进步与发展，碳纤维下游应用市场历经起步、成长、扩张和全面发展四阶段，发展可持续性强，应用领域覆盖范围广，目前已经应用于航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设、海洋等领域，是国防军工和国民经济发展不可或缺的重要战略物资。碳纤维产品的经济属性在于其附加值高，技术创造的价值在产品附加值中占主要比重，因而具有较高的价值增长和经济效益，其中以航空复合材料增值最多。
二、碳纤维技术、资金构筑高门槛，大小丝束各放异彩
（一）碳纤维生产具备高技术门槛
原丝制备和氧化、碳化是碳纤维制备的三个核心工艺，高质量的原丝是实现高性能和批量生产碳纤维的关键，氧化过程需要使原丝形成在高温下不溶不熔的稳定结构，碳化过程的控制则与碳纤维的拉伸强度和弹性模量直接相关。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。
（1）在聚合工段，通过将原料丙烯腈单体、共聚单体、引发剂偶氮二异丁腈和溶剂DMSO（二甲基亚砜）按照一定的配比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，随后进行脱单、脱泡等处理得到聚丙烯腈原液，聚合物分子量、分子量分布、立构规整性、共聚单体序列分布、杂质等都是影响碳纤维结构性能的重要参数。
（2）在纺丝工段，聚丙烯腈原液通过纺丝技术形成原丝，成型后的原丝再经过多段水洗，降低原丝中DMSO的残留量，随后进行热水牵伸，再经过上油、干燥致密化，达到防黏隔离和降低摩擦的作用，最后再经过蒸汽牵伸工段，最终原丝卷绕成轴。纺丝所涉及的问题有高分子溶液流变学、双扩散及高分子结晶等。在喷丝环节，解决喷丝孔口胀大效应是主要技术突破方向；因凝固对纤维的初生结构及性能起关键影响，在凝固环节双扩散过程控制及牵引力的控制至关重要；牵伸环节的目的是提高纤维中高分子沿纤维轴向的择优取向，并诱导纤维结晶，主要有喷头牵伸、热水牵伸、蒸汽牵伸三步。目前碳纤维原丝主流的纺丝有湿法纺丝和干喷丝纺两种。
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干喷湿纺纺丝具备高纺丝速度和低成本的特点，是PAN纺丝未来的发展趋势之一。原液纺丝包括湿法纺丝、干法纺丝、熔融纺丝、静电纺丝和干喷湿纺纺丝。目前湿法纺丝和干喷湿纺是主流的技术工艺。干喷湿纺与湿法最大的不同在于喷丝口存在一段长度为3-10nm的空气干燥层，可使原丝表面形成致密疏水层，避免了湿法纺丝凝固浴中实施的负牵伸，纺丝速度可以达到湿法速度的2-8倍，不仅提高纺丝速度，降低了单位生产成本，同时还有利于大分子链的取向，原丝结构相比直接进入凝固浴更为均匀致密，同时截面也更容易成圆形，从而提高力学性能。干喷湿纺对纺丝原液的要求比较高，需要采用双螺杆溶解机组对PAN颗粒进行溶解，进而对生产企业的设备、操作、环境等提出更高要求，更适用于小丝束的生产。中复神鹰于2013年在国内率先突破干喷湿纺关键技术，国内大部分碳纤维制造企业仍以湿法纺丝工艺为主。
（3）碳丝制备包括预氧化、碳化工段。原丝中聚丙烯腈分子沿纤维轴向的取向度和氧化环节对纤维轴向取向的影响是决定碳纤维拉伸性能的主要因素。（1）原丝经多段氧化炉在空气气氛下反应得到预氧丝，原丝在氧化过程中聚丙烯腈分子主要发生环化、脱氢和交联三种反应，生成梯形、交联的结构。氧化过程中因氧化和交联程度不同造成的纤维皮部和芯部性质结构（简称皮芯结构），预氧丝主要衡量指标有体密度和含氧量、环化指数等；（2）预氧丝在氮气保护下，经过300-1500度的低温碳化、高温碳化，进行脱水、脱焦油、其他含碳气体及氮原子等非碳原子脱除，碳含量逐渐提高到94%左右得到碳丝，碳化区各个温区的温度设置及停留时间、张力、炉内气体纯度是碳化过程中最重要的工艺参数。
碳化后的纤维随后根据不同的复合材料基体对于碳纤维表面性质要求进行不同的表面处理，表层涂覆不同的浆液，最后经烘干得到高强型碳纤维产品。为进一步提升产品的弹性模量，将高强型、高强中模型碳纤维在惰性气氛下经高温石墨化处理，得到石墨纤维。综上，碳纤维生产技术及生产工艺极为复杂，生产控制精度要求高，只有具备生产线长周期连续稳定运行的技术水平及管理能力，才能保证产品质量的稳定性，加上对生产设备的高要求、研发投入大，行业最终形成较高的技术壁垒。
（二）国外引领碳纤维技术迭代，国内打破国外技术垄断聚丙烯腈碳纤维研究始于1959年日本大阪工业研究所的近藤昭男对民用腈纶的热处理。1970年，日本东丽（Toray）看好碳纤维的发展前景购买了近藤昭男的专利技术，并与美国联邦碳化物公司交换了碳化技术，兴建了一条年产12吨的聚丙烯腈碳纤维生产线，产品定名为T300。
目前海外碳纤维主要厂商中，日本除东丽外，还有日本东邦和三菱的技术水平达到世界领先，其次，美国也是世界上碳纤维发展早、技术领先的国家，特别是在低成本、大丝束方面具有独到之处，主要代表企业有赫氏（Hexcel）、氰特（Cytec，被索尔维收购）和卓尔泰克（Zoltek，被日本东丽收购）。此外，德国的SGL也是擅长大丝束制造的主要企业。
碳纤维技术经历三代技术，从单一通用型性能向综合高性能型方向发展，先后形成T300、T800、T1100G等代表性产品，目前应用最广泛的是第二代高强度中等模量碳纤维。但由于第二代碳纤维模量偏低，且碳纤维材料脆性大，易导致复合材料结构部件的疲劳损伤，甚至发生灾难性破坏，限制了航空、军工装备性能的提升，第三代碳纤维技术应运而生，第三代碳纤维技术能够同时实现高拉伸强度和高弹性模量，碳纤维生产技术难度进一步提升。凭借多年的技术优势积累，近年来日美在第三代碳纤维上取得技术突破，日本东丽、美国Hexcel分别成功研发出M40X型、HM50型、HM54型等新型高模量碳纤维。
我国的碳纤维行业起步于20世纪60年代，几乎和日美等国家同时起步，但由于相关知识储备不足、知识产权归属、国外实施严格技术及设备封锁等问题，发展缓慢，在生产技术和装备水平上整体落后于国外，无法满足国家重大装备等高端领域的需求。进入2000年以后，随着国家对高性能碳纤维领域重视程度提升以及持续不断的科研投入，产业化程度加快，应用领域扩大，国产化成效显著，已形成以江苏、山东和吉林等区域为主的碳纤维聚集地，主要参与企业有江苏中复神鹰、中简科技、山东的光威复材、吉林的吉林化纤和吉林碳谷、上海石化。近年国产碳纤维技术水平再攀高峰，已经形成了M40J、M55J级高模量碳纤维工程化技术，突破了M60J、M65J级高模量碳纤维实验室技术，在兼具高强度、高模量、高伸长特性的新一代PAN基高模量碳纤维领域持续攻关中。
（三）碳纤维属于资金密集投入行业
碳纤维高资金门槛之一：初始投入。（1）碳纤维生产属于重资产行业，生产线的初始投入成本大，各公司固定资产占比总资产比例高，固定资产中设备涉及到反应釜、牵引设备、氧化炉、碳化炉等核心设备。根据各主要企业环评报告及公告看，单万吨投资额在20-100亿元。
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