性能优异，高强轻质：碳纤维产业扶摇直上，需求日益增长的”黑金”

（ 告出品方/分析师：天风证券 李鲁靖 朱晔）

1 碳纤维-需求日益增长的“黑金”

1.1 碳纤维高强轻质，品类多元

? 碳纤维性能优异，高强轻质。21世纪以来，随着风电行业迅速发展，风机叶片呈现大型化的趋势，寻求质量更轻的新型材料替代传统的玻璃纤维材料已经成为各企业厂商的目标。

在此背景下，碳纤维（carbon fiber, 简称CF）因其高强轻质的优点受到国内外厂商的青睐。

? 碳纤维是一种含碳量在90%以上，具有高强度和高模量的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴方向堆砌后，经碳化及石墨化而得到的微晶石墨材料。碳纤维同时具有柔软轻质和强度极高的特点；

此外，还具有高模量、耐高温、耐腐蚀等诸多优良性质，使其在一众材料之中脱颖而出，被誉为“新材料之王”。

因此，近年来碳纤维在航空航天、汽车工业、风电行业、建筑结构等领域都得到了广泛的运用。

? 按照每束碳纤维中所含单纤维根数，可将碳纤维分为大丝束和小丝束碳纤维。大丝束碳纤维通常指纤维根数在48000根(即48k)以上的纤维束，而小丝束碳纤维通常指纤维根数小于48k的纤维束。

? 就性能和生产技术而言，早期小丝束碳纤维优于大丝束碳纤维；但近年来，大丝束碳纤维在性能和生产技术方面奋起直追，但离小丝束仍有差距。

因此，大丝束碳纤维价格通常较低。但从性价比来看，大丝束碳纤维通常更具优势。

以卓尔泰克公司的产品为例，其大丝束产品PANEX33-48K每美元拉伸强度和拉伸模量分别高达205MPa和13GPa；而小丝束产品T300-12K对应的指标值仅有107MPa和7GPa。

? 就应用方向来看，小丝束碳纤维通常运用于航天军工等高科技领域和高尔夫球杆、 球拍等体育休闲领域；而大丝束碳纤维则在以风电叶片为代表的能源领域、交通建设、碳碳复材等领域得到广泛运用。

? 由于性能和生产技术的差异，小丝束碳纤维价格通常高于大丝束碳纤维价格，这也导致不同应用领域的碳纤维价格存在差异，以中复神鹰公司的产品为例，由于航空航天和体育休闲领域使用小丝束碳纤维，相比于其他使用大丝束碳纤维的领域（如风电叶片、交通建设等），其对应的碳纤维产品价格更高；其中，由于航空航天领域对小丝束碳纤维的性能要求最严格，其使用的碳纤维价格也相应最为昂贵。

? 按照原材料不同，碳纤维主要可以分为聚丙烯腈基（PAN-CF）、粘胶基(Rayon-CF)、沥青基碳纤维（Pitch-CF）等，其中沥青基碳纤维又可以分为通用级和高性能级。

三类原材料各有其优点和不足，因此有着不同的应用方向。但由于PAN基生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛，占据了碳纤维产量九成以上。

而沥青基、粘胶基的产量规模相对较小。因此，目前市面上的碳钎维一般指PAN基碳纤维。

? 按照力学性能（即拉伸强度和拉伸模量）可以将碳纤维分为通用型和高性能型，其中，高性能型又可以细分为高强型、高模量型、超高强型以及超高膜型。

业内通常采用日本东丽（TORAY）公司制定的标准进行分类。

1.2 工艺复杂，涉及原丝、碳丝两大环节

? 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。

碳纤维产业链上游主要以石油化工行业为主，通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得丙烯腈:碳纤维企业通过对以丙烯腈为主的原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈，再以其纺丝获得聚丙烯腈原丝，对原丝进行预氧化、碳化等工艺制得碳纤维。

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。碳纤维下游应用领域广阔，需求持续增长，碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车、风电等领域，国内进口替代迫切。

? 以最常见的聚丙烯腈基碳纤维为例，其制备过程主要分为两个环节：原丝环节和碳丝环节。在原丝环节中，原油经过精炼、裂解等工艺得到丙烯，再通过氨气氧化得到丙烯腈，丙烯腈经过聚合、纺丝之后得到碳纤维原丝。

这一阶段的技术壁垒和工艺差别主要集中在纺丝环节，即湿法纺丝和干喷湿法纺丝的工艺。

在碳丝环节中，原丝经过预氧化、低温和高温碳化、表面处理得到聚丙烯腈基碳纤维，再经收丝、包装即可得到碳纤维成品。第二阶段最关键的则是预氧化炉和碳化炉。

1.3 下游需求总量高速增长，需求结构多元化

? 自2016年，不论是全球市场还是国内市场，碳纤维总需求都在持续增长。

虽然2020年民用航空受疫情影响遭遇重挫，对全球碳纤维市场造成一定冲击，但由于其他下游市场强劲补充，当年全球总需求仍有2%的增量，总量高达106.9千吨。

据奥塞维碳纤维技术预测，至2030年，全球碳纤维需求将保持持续增长。

? 国内碳纤维市场总需求增长更为强劲。自2016年以来，国内碳纤维市场总需求迅速增长，并于2020年达到48851吨，对比2019年的37840吨，同比增长了29%。

据赛奥碳纤维技术预测，至2025年，国内碳纤维总需求将继续保持高速增长的态势，并于2025年达到149498吨。

?从结构来看，碳纤维下游应用多元，风电行业为主要增量：

碳纤维下游应用分散多元，包括风电叶片、体育休闲、航空航天等领域，但不论从全球范围还是单就国内市场而言，风电叶片和体育休闲都占据了主要地位。

?近年来，风力发电机功率日益增大的需求促使风机叶片日益大型化、轻质化发展；传统叶片材料玻璃纤维无法满足这一需求，而碳纤维因其强高质轻的优点逐渐取代玻璃纤维，成为风机叶片的主要材料。

2020年，全球碳纤维市场中风电叶片占比约为29%，同比增长20%；而国内市场份额则约为40.9%，同比增长45%。

由此可见，风电叶片不仅是碳纤维产业最主要的下游应用，更是国内碳纤维厂商的发展机遇所在。

2 乘“风”而起，受益于风机大型化

2.1 风机叶片为国内碳纤维需求的主要增长引擎

? 风电叶片是中国碳纤维需求快速增长的主要引擎：

? 从需求情况来看，2020年，国内风电叶片碳纤维需求约20000吨，约占总需求的40.9%，为第一大需求板块。

? 从国内外对比来看，国内市场增长明显高于国际增长。

2017-2020年中国仅风电叶片碳纤维用量分别为0.3、0.8、1.4、2.0万吨，四年间的复合增长率为88%。

同时，国内风电碳纤维需求占全球需求量比例由15%提升至65%，证明了国内市场增速显著高于国际市场。

? 碳纤维主要用在风电叶片的横梁等关键部位：

由于碳纤维比玻纤昂贵，百分百采用碳纤维制造叶片并不合算，目前主要是碳纤维和玻纤混合使用，碳纤维主要用在一些关键部位如横梁（尤其是梁帽）、前后边缘、叶片表面等，其中梁帽为目前碳纤维的 最主要应用，作用为减轻重量、提升刚度。

2.2 风机叶片中必须应用碳纤维吗？

? 碳纤维的应用在风电叶片中是否为必须？回答这个问题绕不开风电的变化趋势——风机的大型化。

? 从主机厂金风科技的销售情况可以看出，原本占据绝对比例的3MW机组（图中的2S）的份额正在明显地下降，同时根据近期陆风项目的招标要求，单机组功率要求4MW以上趋势逐渐明显。

? 海风方面，根据我们的统计，2022年以来已经陆续启动了约4GW海风项目的招标，机组功率要求基本在8MW以上，10MW 以上的要求也屡见不鲜。

? 风机功率与叶片长度关系基本固定，大型化趋势下，叶片长度必然增加。

? 根据推导，风机功率与叶片长度的平方成正比关系，或者说与扫风面积呈正比关系，即P=1/2ρπr 2V3Cp（对于这一结论我们已经根据现有风机数值进行了验证）。

反推过来，在假设海风风机额定风速在11m/s的情况下（参考现有风机设计标准），我们计算出当风机功率到达8MW时，叶轮直径在180m左右，功率达到10MW时，叶轮直径在200m左右，所以我们判断，未来海风主流机型叶轮直径在180m甚至200m以上。

? 叶片长度增加后对于“重量”和“刚度”提出要求，碳纤维的重要性凸显。

? 刚度方面：对于大型叶片,刚度成为主要问题，为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。风吹到叶片做功的时候，叶片旋转时会弯向塔架，碳纤维复合材料的弹性模量是玻纤的2~3倍，更不容易发生形变。

? 重量方面：叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。全玻璃钢叶片重量比较大，而碳纤维复具有更低的密度，可以保证风电叶片在增加长度的同时,重量降低。

? 叶片长度增加后碳纤维的渗透率在明显提升。

根据美国桑迪亚国家实验室 告，尽管随着工艺的进步玻纤目前仍适用于任何长度的风机叶片，但碳纤维的应用随着叶片长度的增加明显地提升，当叶片长度大于70m时，碳纤维的渗透率达到了55%,根据前文表述，未来海风主流机型在8MW以上，叶片长度在90m以上，这为碳纤维提供了广阔的舞台。

? 10MW以上机型碳纤维渗透率有望达到百分百。

桑迪亚实验室预计，碳纤维的主要发力机型在于3-5MW和8-10MW区间，其中10MW以上机型有望100%使用碳纤维梁帽。

同时参考国内海风叶片的发展情况，东方电气、上海电气等公司陆续推出10MW以上的海风叶片，根据目前的情况，功率10MW且叶片90米以的风机都使用了碳纤维，与SANDIA预计情况基本一致。

3 国产替代机会于各环节中孕育

3.1 需求存在缺口，国内产能迎头赶上

? 就总产能而言，国内厂商主要面临美国和日本的竞争。2020年度，美国碳纤维总产能最高，达37.3千吨，占全球总产能21.7%；其次是中国，占据全球市场21.1%的份额；日本总产能达到29.2千吨，在全球市场占比17.0%，排名第三。

? 在小丝束市场方面，中国主要竞争对手是日本、日本东丽在韩国工厂及韩国晓星公司，其2020年在华销售总量约为9,900吨（尽管东丽在2020年8月份之后被暂停出口）。

?国内厂商积极扩产，国内产能迎头赶上。

自2019年以来，国内主要碳纤维厂商大多开始策划或建设大型碳纤维生产项目，扩产计划覆盖大小丝束碳纤维、高性能碳纤维、原丝及碳纤维复合材料等，国内碳纤维产能有望不断提高，国际竞争力有望持续增强。

3.2 原丝环节-纺丝工艺逐渐进步

? 原丝制备环节是碳纤维制备的首要环节。碳纤维制备的主要工艺包括原丝制备、预氧化、碳化、表面上浆和卷绕，其中原丝成本在碳纤维总成本中占比高达51%。

? 碳纤维原丝的工艺主要分为聚合过程、制胶过程、纺丝过程三个过程。在聚合过程中，丙烯腈共聚单体引发体系水，经聚合反应、脱单、水洗和干燥后得到聚合物粉料（PAN基）；在制胶过程中，聚合物粉料（PAN基）经溶解、脱泡后得到凝固浴纺丝；最后进入纺丝过程，凝固浴纺丝经水洗、上油和牵伸得到碳纤维原丝。

? 纺丝环节是整个原丝制备环节的技术壁垒和工艺差别所在，对原丝质量有重大影响。

? 碳纤维原丝的纺丝方法主要包括干法纺丝制备和湿法纺丝制备、干湿法纺丝制备（干喷湿法纺丝）和熔融法纺丝制备等。其中干法制备和熔融法制备工艺目前尚不完善，工业运用不多。而湿法纺丝具有稳定性较好，易于控制反应等优点，在工业生产中得到了广泛使用。此外，由于同时具备湿法纺丝和干法纺丝的优点，干喷湿法纺丝近年来得到推广。

? 湿法纺丝工业运用悠久，技术较为成熟。方法是将喷丝板浸入在溶液中，纺丝细流由于浓度差异产生由表及里的剧烈凝固过程。

但是由于外内层扩散的剧烈程度不同，开始扩散的时间存在差异，使纤维内部和表层结构差异性比较大，表皮结构致密，芯层结构松散，化学结构杂乱。

? 干湿法有效改善了湿法纺丝中的一些缺陷。

在干湿法纺丝过程中，纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层（即“干喷段），再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条。此方法纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现现速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。

? 干湿法生产出的碳纤维原丝性能更强。

国内目前采用干湿法纺丝的厂商主要包括中复神鹰、光威复材和恒神股份。中复神鹰在国内率先突破 T700 级、T800 级、T1000 级干喷湿纺核心技术，在干喷湿纺碳纤维的技术成熟度方面具有一定优势；

光威复材、恒神股份过往以湿法碳纤维为主，近年来逐渐突破了干喷湿纺工艺技术，开发了 T700、T800 级及 T1000 级干 喷湿纺产品，目前已形成批量化的干喷湿纺产品市场销售；

而中简科技则主要生产湿法碳纤维，在 T800 级及以上的同级别产品性能方面，较采用干喷湿纺工艺的同级别产品，在拉伸强度方面性能较低。

3.3 碳丝环节-设备国产替代趋势明显

? 预氧化工艺在整个制备过程中所占用的时间超过其他工艺的时间，是整个生产过程的重中之重。预氧化炉的作用是使热塑性的PAN线形大分子链转化为具有非塑性耐热梯形结构的预氧丝，其在碳化高温下不熔不燃，热力学处于稳定状态。

? 目前使用的热空气预氧化设备，按热空气与丝面运行方向的夹角不同分为3种吹风方式：

一是热风从丝条运行的垂直方向吹入，称为垂直吹风方式，其主要特点是在炉腔外面增加端气封，端气封吹出一定温度的热空气，起到将外界冷空气隔离的作用；

二 是热风从丝条的侧面吹入，称为侧吹风方式，主要采用将送风管道的热空气引到端气封，企图用热空气对吹的方式来阻挡炉内热空气的溢出和炉外冷空气的进入；

三是热风从氧化炉中间位置平行于丝条的运行方向吹向两端，称为中间向两端送风方式，采用氧化炉下半部分作为新鲜空气的进风口，而上半部分作为废气的排放口。不同吹风方式在工业化生产中都有应用。

? 碳化炉是碳纤维生产过程中的另一关键设备。碳化炉的主要作用是使预氧丝的梯型结构转化为碳纤维的乱层石墨结构。

? 碳化炉可以分为高温碳化炉和低温碳化炉。国内外碳纤维高温碳化生产线主要采用开式炉膛，多温区加热，工况温度在 1000℃以上，采用石墨板为炉体，石黑发热体为热源，高纯惰性气体(如氨气)为密封与冷却气，结构如右图所示。

碳化炉的设计最基本要求是碳化炉温度场温度分布均匀，可量。但高温碳化要求的绝对无氧条件限制了温度的测控及温度分布均匀性。

高温碳化的情况下，即使少量的空气也足以持续去除石墨分子层进而造成严重腐蚀，导致过早失效，因此，高温炉两端需要气压密封并精确控制。

低温碳化炉系统则包括六大组成部分：

低温碳化炉和主体结构和分区加热装置、两端的非接触式迷宫密封装置、废气排出口位置及废气处理装置、高纯氮气的气封作用和氮气的载气作用装置、碳化炉两端的牵伸机组和电器控制系统。其中，废气的及时排放并且不滞留在炉膛内是低温碳化炉技术的核心。

?目前碳纤维厂商使用的预氧化炉和碳化炉在一定程度上依靠进口，例如江苏恒神股份所使用的预氧化炉和碳化炉都使用德国埃森曼公司的产品，而蓝星集团生产线的预氧化炉依赖美国进口，碳化炉则依赖德国进口。目前国外生产预氧化炉的主要厂商包括德国埃森曼、美国DESPATCH、美国利兹勒等；生产碳化炉的国外主要厂商包括美国哈泊、德国埃森曼、美国利兹勒等。

?但国内也有不少企业开始自行建造预氧化炉和碳化炉。中复神鹰、光威复材和中简科技在依赖进口设备的同时具有一定自行建造能力，顶立科技和精功科技则是国内碳纤维设备的主要生产厂商，其中顶立科技主要生产卧式真空碳化炉、立式真空碳化炉、连续式碳化炉、连续式预氧化炉，而精功科技则具备全套碳纤维生产线生产能力。

? 目前国内厂商已经具备生产碳纤维成套生产线能力。

以精功科技为例，其碳纤维成套生产线由放纱架、氧化炉组、低温碳化炉、高温碳化炉、表面处理浴池、上浆浴池、干燥机、卷绕机等组成，可实现对PAN基碳纤维原丝连续多道热处理和后续处理，其所生产的产品可广泛应用于汽车交通、航空航天、风力发电、医疗器材以及建筑等领域。

? 截止2021年末，精功科技碳纤维生产线已形成批量化生产，在该生产线上生产的碳纤维已广泛应用于汽车交通、航空航天等领域。

2021年，精功科技碳纤维生产线整线交付周期大大缩短，共累计完成6条生产线的交付工作。

? 我们测算，十四五期间碳化线设备的合计新增市场空间为134亿元左右，关键假设如下：

? 根据精功科技公告，其向吉林化纤1.2万吨碳纤维复材项目提供4条碳纤维生产线的订单价格为6.8亿元，推算每万吨碳化线设备投资额为5.67亿元。

? 参考新疆隆炬年产5万吨高性能碳纤维项目的投资请款（每万吨综合投资12亿元），再考虑到国内设备性能逐步提升，有望对齐国外设备。我们认为价格具有提升趋势，因此假设每万吨碳纤维设备价值每年提升15%。

? 国内生产线目前整体产能较低，2020年“运行产能”为36,150吨，销量是18,450吨，销量/产能比为51%；

? 根据赛奥纤维预计，2025年国内碳纤维需求15万吨，2020年需求为4.89万吨，年均新增需求2万吨左右。

风险提示

? 政策变动风险。碳纤维制造行业属于新材料领域，对国家相关战略产业的发展具有重要支撑作用。近年来，国家不断出台产业政策、技术扶持政策，对该行业的发展起到了积极的引导作用。但不排除未来国家产业政策发生重大不利变化，而对碳纤维行业的市场空间及发展前景带来严重影响的风险。此外，碳纤维生产经营活动会带来大量废弃物，包括废气和废渣。不排除国家可能采用更严格的环境标准，从而导致碳纤维生产企业在环境方面产生额外支出的风险。

? 原材料和能源价格大幅波动风险。碳纤维生产的主要原材料和能源包括丙烯腈、天然气、电力、蒸汽等。丙烯腈为石油化工产品，市场价格受国际石油价格波动影响较大。因此不排除原材料和能源价格大幅上述，从而导致碳纤维行业成本增加的风险。以中复神鹰公司为例，该公司2018-2021年间丙烯腈采购单价大幅波动，分别为1.37万元/吨、1.06万元/吨、0.77万元/吨、1.28万元/吨，对其主营业务利润产生重大影响。

? 关键原材料及设备进口受限风险。目前国内企业的原材料（原油等）和主要设备（预氧化炉、碳化炉等）的供应仍在一定程度上依靠进口。一方面，在当下新冠疫情和国际关系日益严峻的背景下，不能排除一些重大突发事件可能造成的原材料和主要设备供应的中断，从而对国内碳纤维行业生产带来的重大风险。另一方面，一般而言，国内企业收入以人民币计价，而采购国外原材料及设备则以外币计价。不排除未来人民币可能贬值而来带的成本增加风险。

? 下游需求项目进展不及预期风险。国内碳纤维行业下游应用主要包括风电叶片、航天航空和体育休闲。在疫情背景下，航空领域难免遭受冲击，带来碳纤维需求下降风险。

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