碳纤维丨研究报告
导语：
(资料图)
碳纤维因其力学性能优异，轻于铝，却强于铁，且具有高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性，广泛应用于各行业，成为 21 世纪的“新材料之王”。自2017年始，国产碳纤维产能扩张加速。2022年国产碳纤维供应量达到4.5万吨，首次高于进口量。多家碳纤维制造企业宣布扩产。碳纤维产业链长，壁垒高。上游聚丙烯腈基性能优越，已成为碳纤维市场主流，占据全球90%市场。中游大丝束碳纤维与小丝束相比，在相同的生产条件下可大幅度提高碳纤维的单线产能，实现生产的低成本化，拓宽下游企业应用碳纤维的积极性，国产企业布局开启产业化。同时国产碳纤维已实现工艺技术的突破，产品性能对标国际先进企业。碳纤维下游受益于宽应用领域，碳纤维需求实现多点开花，多数应用领域处于高景气阶段。国产碳纤维成本有进一步下降空间，随着国产碳纤维产能利用率提升，生产工艺不断完善和成熟，使得单位电耗不断下降。碳中和为碳纤维行业带来新的发展机会，例如新能源车等领域创造新需求。
碳纤维材料概念与产品分类
性能优异的“黑色黄金”
碳纤维是由粘胶、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。其力学性能优异，轻于铝，却强于铁，且具有高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性。碳纤维因其优良的性能而被广泛应用到风电行业、航空航天、汽车工业、建筑行业等领域，被誉为21 世纪的“新材料之王”。
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。
碳纤维发展历程
碳纤维长期被日美欧企业垄断，中国企业取得长足进步
PAN基碳纤维的生产起步于20世纪60年代，日美领先。目前，世界碳纤维技术仍主要掌握在日本公司手中，其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位，日本东丽是世界上高性能碳纤维研究与生产的领头羊。
我国碳纤维工业总体上与日本碳纤维的研发同步进行，经历了长期低水平徘徊、技术转型和快速发展3个阶段。依靠长期自主研发，打破了国外技术装备封锁，碳纤维产业化目前取得长足进步。
碳纤维产能扩张加速
多家碳纤维制造企业宣布扩产
2017年之前，碳纤维以进口为主，自2017年始，国产碳纤维产能扩张加速。2022年国产碳纤维供应量达到4.5万吨，首次高于进口量。
2022年，中国多企业宣布扩产，包括吉林化纤、宝旌碳纤维、中复神鹰等，并计划在2022/2023年完成，拉动全球碳纤维产能快速扩张。
碳纤维产业链
碳纤维产业链长，技术壁垒高
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，包含预氧化、炭化、预浸料等多个过程。碳纤维工艺复杂，涉及多种设备，生产条件要求严格，整个工艺流程中涉及技术参数控制点3000-5000个。从全产业链来看，中游是核心环节，技术、资金、设备、产品质量门槛高。
碳纤维竞争格局
碳纤维上中游行业集中度较高
我国丙烯腈、原丝及碳纤维产能集中度较高，2020年和2021年CR5产能集中度均大于75%。碳纤维生产原料丙烯腈主要集中于上海赛科、斯尔邦、吉林石化等，原丝及碳纤维产能主要集中在吉林化纤、中复神鹰、宝旌碳纤维、恒神股份等制造商，资金壁垒与技术壁垒使大量企业难以进入。
碳纤维产业链成本构成
PAN原丝占据碳纤维生产过程一半成本
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。从工艺流程看，PAN 原丝成本占比过半，其次为氧化、碳化环节。
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/kg 降低至 2.03 美元/kg，降幅约为 20.5%。
碳纤维产业链利润分配
下游碳纤维制品附加值高
在碳纤维产业链中，下游环节（碳纤维制品、碳纤维复材）附加值更高，以工业领域高端应用的碳纤维产业链为例，上游碳纤维产品平均价格为80~140元/千克，预浸料平均价格为120~200元/千克，而下游碳纤维制品平均价格为500~1000元/千克。
从头部企业毛利率来看，从碳纤维、预浸料到碳纤维制品，产品毛利率逐渐提高。
聚丙烯腈基已成为碳纤维市场主流
聚丙烯腈基碳纤维结构性能优越，占据全球90%市场
碳纤维按照原丝类型可分为聚丙烯腈基、沥青基、粘胶基等。其中聚丙烯腈基碳纤维因生产工艺简单、原料来源丰富及优越的结构和功能特性迅速占据市场，2020年全球产量占有率达到91%。黏胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限。沥青基碳纤维保持约1000吨年产量，被日、美企业平分秋色；粘胶基碳纤维基本停产，有可能完全退出碳纤维市场。
聚丙烯腈国内产能不断释放，出口量逐渐赶超进口
丙烯腈原材料丰富易得，可通过从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制备得到。
由于国内新增产能不断释放，2014-2022 年我国丙烯腈进口量逐年下降，出口量不断上升。2022年丙烯晴表观消费达270万吨，进口为10.4万吨，出口达到21.7万吨。随着山东海江、浙江石化等新产能陆续释放，国内自给率不断提升。
从历史价格看，丙烯腈价格基本与原油价格走势相一致，近年来波动幅度明显减弱。此外，随着国内近年来丙烯腈产能释放，国产丙烯腈价格从原来高于进口价逐渐趋近于与进口相一致。
大丝束开启产业化布局
大丝束成本低、生产技术难度大，国产企业开始布局
小丝束碳纤维力学性能优异，但成本较高，抑制了下游企业应用碳纤维的积极性。而大丝束碳纤维最大的优势为在相同的生产条件下可大幅度提高碳纤维的单线产能，实现生产的低成本化。大丝束碳纤维生产技术难度更大，体现在原丝、预浸料和碳化等多个环节的均匀性和毛丝控制等方面。
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。上海石化建设国内首套万吨级大丝束碳纤维国产线；吉林化纤48K大丝束在相同工艺条件下，能够大幅度提升碳纤维单线生产能力。国产大丝束有望逐步迎来大规模应用。
碳纤维拥有高研发壁垒
工艺技术革新与规模生产是降本增效重要举措
碳纤维属于技术密集型产品，产业链长，产品系列众多，生产技术繁杂，且研发周期长，同时对产品性能与质量稳定性要求严苛。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。
工艺技术革新与规模生产是碳纤维降本增效的两大重要举措：1)在生产过程中通过对工艺技术和设备进行不断优化改进使得资源的综合利用率有效提高，从而实现生产成本的降低。例如，在给定单丝密度、丝束大小和碳化时间的条件下，碳化炉幅越宽，则丝束数量越多、碳化线产能越大；氧化线越宽，氧化环节的单位能耗越低。2）原丝及碳纤维生产规模的扩大将降低原料采购成本并摊薄固定资产折旧费用，带动成本下降。
碳纤维拥有高资金壁垒
碳纤维行业初始投入/生产环节投入/研发费用高
碳纤维行业初始投入高：碳纤维属于重资产行业，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。从各碳纤维头部企业生产线投入成本来看，每万吨投资额在20-100亿元。
碳纤维生产环节投入高：碳纤维生产原材料聚丙烯腈、衣康酸等共聚单体等需要大量成本，且碳纤维企业属于高能耗企业，能耗成本占生产成本比例较高。
碳纤维研发费用高：从头部企业研发费用来看，光威复材始终保持高研发费用投入，而中复神鹰与中简科技自2018年起持续增加研发投入。
国产碳纤维已实现工艺技术的突破，产品性能对标国际先进企业
干喷湿纺可实现高速纺丝，碳纤维密度较高；国外先进企业以干喷湿纺工艺为多。我国虽起步较晚，但中复神鹰、光威复材、中简科技、恒神股份等企业已实现干喷湿纺工艺技术的突破。
国产碳纤维型号已覆盖 T300 级至 T1100 级、M35 至 M65 级。碳纤维产品已实现与国际头部企业（日本东丽）主要型号的对标，部分型号甚至性能更优。如中复神鹰SYT55S（T800 级）具有更高的强度和模量优势；光威复材 TZ1100G（T1100 级）具有延伸率优势；恒神股份HM37（M40 级）的抗拉强度、拉伸模量、延伸率更高。
碳纤维下游需求
受益于宽应用领域，碳纤维需求实现多点开花
在全球范围，风电叶片依然占据绝对主流。2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片、体育休闲、航空航天 14%，三者占比分别为28% 、16% 和14% 。
我国碳纤维应用分布具有本国特色，与全球差异较大。其中航空航天领域碳纤维需求仅为3.2%，远远低于全球14.0%。其主要原因是国内碳纤维生产技术有限，无法批量供应T800 强度以上的小丝束碳纤维。随着未来我国碳纤维在航空航天等高端领域的拓展，碳纤维需求结构将向高端化迈进。
风电叶片
风机大型化推动碳纤维替代趋势
全球低碳经济蓬勃发展，风电行业活跃度极高，中国新增装机量保持高占比。2022 年全球风电新增装机总量为 97GW，中国新增装机量占比为 55.7%。
风机大型化能提高效率和经济效益，是风电发展主流趋势。风机大型化一方面可以增大扫风面积，提高发电功率，另一方面，单机容量/功率的增长使得相同风力容量项目所需风机台数减少，有助于降低均摊建设成本和后期运维成本。
具备高比强度、比模量的碳纤维复材在风机大型化发展中具有不可替代的优势。风机的主要成本来源于零部件原材料，叶片在风机零部件成本中占比最大，为23.3%。使用碳纤维复材替代传统材料能够降低净重，减小单位功率重量，起到节约零部件采购成本的作用，推动风机降本。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%。
光伏
碳碳复材在光伏热场渗透率持续攀升
光伏行业的快速发展推动碳碳复材需求快速增长。中国光伏硅片产量持续增长，2022年产量达到 357GW，同比增长57%。中国光伏装机量逐年上升，2022年累计装机量达到 393GW，据CPIA预计，2023年光伏新增装机预计达 95-120GW。
碳碳复材在晶硅制造热场系统中渗透率逐步提升，直拉单晶硅工艺成为市场主流。2017-2022年中国单晶硅比例逐年上升，2022年占比达到 96.1%，未来或将替代多晶硅。光伏行业发展早期，晶硅制造热场系统部件主要以特种石墨为主。而碳碳复合材料相比石墨材料具有更优异的保温性、强度、韧性，且不易破碎，可有效降低生产能耗、提升设备使用寿命，从而降低整个生产成本。因此碳碳复材渗透率逐步提升，目前替代率约为60%~65%，未来仍有较大提升空间。
体育休闲
高端市场为主力，需求持续增长
在全球范围内，体育领域碳纤维主要用于钓鱼竿、高尔夫和自行车，三者占比分别为35%、22%和20%。中国体育休闲领域碳纤维用量约占全球的94.6%。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。
随着各国防控措施优化，各国开始放开群体运动，体育器材需求回升，2022年需求量达到1.95万吨。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%。
未来发展趋势
国产碳纤维成本有进一步下降空间
从产品结构来看，目前国内碳纤维产品主要为小丝束，随着我国大丝束产能扩张，碳纤维生产成本优势有望进一步凸显。
从生产要素来看，全球成本构成中能源占比约为7%，远低于国内的30%左右。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。随着国产碳纤维产能利用率提升，生产工艺不断完善和成熟，使得单位电耗不断下降。同时，随着光威复材、中复神鹰在电价更低的内蒙古和青海西宁扩产，进一步推动电费下降。未来国产碳纤维能源成本仍有进一步下降空间。
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