基础化工行业研究：产业化迎来拐点，下游应用全面开花

行业观点 碳纤维性能优异，拥有广泛的应用领域。碳纤维在力学性能方面，具有高强度、高模量，兼有碳材料的强抗拉力和纤维的柔软可加工性；在物理性能方面，具有耐高低温、导热、导电、摩擦系数小和各向异性；在化学性能方面，具有耐腐蚀性，优异的性能使得碳纤维可广泛应用于航空航天、风电叶片、碳碳复材、压力容器、体育休闲、汽车工业等领域。 新能源推动碳纤维需求高增长，航空航天等领域空间广阔。2021年全球碳纤维需求量达11.8万吨，其中国内需求6.24万吨，近年来随着新能源行业的发展，碳纤维在风电叶片、碳碳复材、压力容器等领域的增长迅速。产业趋势方面，风电叶片逐步从内陆转向海上，大功率风电机组开始推广使用，推动叶片轻量化发展；光伏硅片大尺寸进程下，碳碳复材逐步取代传统石墨；氢燃料电池汽车在2022年步入爆发元年，压力容器需求跟随提升。 2021年风电、光伏、燃料电池领域的碳纤维国内需求增速分别为13%、133%、50%，我们预计未来四年三大领域的GAGR也将分别达到19%、18%、22%，2025年需求量将达到4.59万吨、1.37万吨、0.66万吨。在附加值很高的航空航天领域，商用飞机、国产大飞机、无人机以及军机需求的提升，将为碳纤维提供广阔空间，此外，轨交渗透率的提升和汽车轻量化方向也有望成为未来碳纤维需求新的增长点。 中国碳纤维产能快速扩张，大丝束成为重要方向。2021年全球碳纤维运行产能达20.76万吨，其中中国大陆运行产能达6.34万吨，位居第一，较2020年增长74%。今明两年国内碳纤维仍处于投产高峰期，我们统计2022-2023年国内待投项目的名义产能分别为4.28万吨和3.55万吨（不考虑投产节奏），产能的大幅投放将缓解去年由疫情和进口扰动带来的供需缺口，今年下半年以来，国内碳纤维价格也出现下滑趋势，预计未来国内供需矛盾将进一步缓解。在产业方向上，近年来我国逐步突破大丝束原丝和碳纤维制备技术，成功将低成本大丝束转入规模化量产，我们统计2021年-2023年，国内大丝束的新增名义产能分别占国内当前新增名义产能的58%、93%、61%，大丝束已成为我国碳纤维发展的重要方向，从而在与大丝束相关的风电叶片、压力容器、轨道交通、汽车轻量化等领域有望实现国产替代。 投资建议 随着产业结构的升级，新材料需求不断增加，为我国碳纤维行业提供了肥沃的土壤；大丝束技术的突破，为我国实现低成本碳纤维工业化提供了路径； 行业将进一步集中，技术优势将带来规模优势和一体化优势。我们建议重点关注吉林化纤（供应链配套完善，大丝束产能快速扩张）、中复神鹰（高性能碳纤维龙头企业，布局航空航天与新能源领域）、光威复材（全产业链布局，军品民品双轮驱动）、中简科技（聚焦小丝束高端产品，供应航天军工）。 风险提示 市场竞争加剧风险；风电市场开拓不及预期；航空航天等高端领域发展不及预期；新技术开发冲击风险；原材料价格大幅上涨风险；成本下降不及预期风险。 一、碳纤维的性能优异，下游应用广泛 1.1碳纤维是一种性能优异的材料 碳纤维是由聚丙烯腈、黏胶纤维、沥青纤维等有机纤维在1000℃以上裂解碳化形成的含碳量高于90%的无机纤维，碳纤维呈黑色，其质轻、强度高，密度仅是钢的四分之一，而强度却是钢的十倍，同时具有易于成型、耐腐蚀、耐高温等多种优良性质，广泛用于航空航天、风电叶片、汽车工业、体育休闲等领域。 图表1：碳纤维产业链 碳纤维在力学性能方面，兼有碳材料的强抗拉力和纤维的柔软可加工性，高强度、高模量；在物理性能方面，具有耐高低温、导热、导电、摩擦系数小和各向异性；在化学性能方面，具有耐腐蚀性。 图表2：碳纤维与其他材料力学性能对比 碳纤维的应用通常呈现为碳纤维复合材料。碳纤维复合材料由基体材料和增强纤维材料组成，在性能上互相弥补，根据不同的基体材料可分为树脂基复合材料（CFRP）、碳/碳复合材料（C/C）、金属基复合材料（CFRM）、陶瓷基复合材料（CFRC）和橡胶基复合材料（CFRR），目前主要以树脂基复合材料为主，约占全部碳纤维复合材料的90%以上。 图表3：树脂基复合材料是碳纤维复合材料的主要形式 1.2碳纤维主要以聚丙烯腈基为主 碳纤维按原丝类型可分为粘胶基、沥青基和聚丙烯腈（PAN）基。其中聚丙烯腈（PAN）基由于其工艺相对简单，性能优良，是目前主流产品，产量约占全球碳纤维总量的90%以上，而粘胶基和沥青基碳纤维仍然处于开发阶段，只有小规模的生产。 图表4：三种碳纤维分类（原丝分类）对比 图表5：三种碳纤维分类（原丝分类）占比 碳纤维按照力学性能可分位高强型、高强中模型、高模型和高强高模型，划分的维度为碳纤维的拉伸强度和拉伸模量。上述标准是我国2020年发布的GB/T 26752-2020所规定的聚丙烯腈基碳纤维国家标准，由于日本东丽在全球碳纤维行业中具有领先优势，业内一般以日本东丽的产品牌号为基础，将碳纤维产品划定为T300、T700、T800等不同级别，国内大部分碳纤维厂商在此基础上确定自身的产品牌号，根据吉林碳谷的年报，随着我国碳纤维技术的发展，行业整体达到了T400的技术能力，部分企业实现了T700碳纤维规模化生产，T800及以上已经进入了小批量试验生产。 例如中复神鹰相继开发出T700、T800、T1000、M30、M35、M40等级别的碳纤维，光威复材的产品涵盖T300、T700、T1000、M40J、M55J等。 图表6：碳纤维力学性能划分与海内外牌号对比 碳纤维按丝束大小可分为大丝束和小丝束。目前普遍把每条丝束含有48000根以上单丝的碳纤维划分为大丝束，反之为小丝束。小丝束产量低、成本高，常用于国防军工、航空航天、体育休闲等领域，被称为“宇航级材料”；大丝束成本低，但生产控制难度大，可广泛用于工业与民用领域，如风电叶片、压力容器、汽车、轨道交通、建筑补强、海洋工程等，被称为“工业级材料”。根据赛奥碳纤维的统计，2021年全球大丝束需求量为5.14万吨，小丝束为5.11万吨。 图表7：碳纤维主要应用领域性能要求 图表8：按力学性能分全球碳纤维需求量（吨） 1.3碳纤维应用领域不断拓展 1959年是碳纤维的元年，UCC公司生产低模量粘胶基碳纤维，进腾昭男发明PAN基碳纤维，1965年太谷杉郎发明沥青基碳纤维，日本牢牢抓住了技术领先的地位；1972年，碳纤维开始应用于体育领域，鱼竿、高尔夫相继使用碳纤维；1982年，随着石油危机引起的航空业降低油耗、追求结构轻量化需求，碳纤维材料进入到航空航天领域，波音757、767以及空客A310相继采用；20世纪90年代以后，随着技术革新，成本的下降，碳纤维开始应用于船艇、建筑、风电叶片、新能源汽车等领域，进入到了全面扩张阶段。 图表9：碳纤维及其复合材料应用领域不断拓展 2008-2021年，全球碳纤维需求量逐年增长，2021年达到11.8万吨，年复合增长率为9.5%。而在供给端，由于中国产能在近两年大幅扩张，全球碳纤维产能也水涨船高，2021年全球运行产能20.76万吨，同比增长20.9%，其中中国产能6.28万吨，同比增长74%。 图表10：2008-2021年全球碳纤维运行产能、需求量及增速 全球风电叶片对碳纤维需求量最大，航空航天用碳纤维市场规模第一。碳纤维下游应用领域广阔，主要有风电叶片、航天航空、体育休闲、碳碳复材和压力容器等领域。从需求量角度看，风电叶片的碳纤维需求最大，2021年全球风电叶片用碳纤维需求量为3.3万吨，占比28%，其次为体育休闲和航空航天，占比分别为16%、14%。从市场规模来看，航天航空领域的市场规模最大，2021年航空航天领域碳纤维市场规模达11.88亿美元，占比35%，其次为风电叶片和体育休闲，占比分别为16%、15%。从单价角度看，风电叶片用碳纤维价格最低，2021年约为16.8美元/公斤，航空航天用碳纤维价格最高，2021年约为72美元/公斤。 图表11：2021年全球碳纤维分行业需求量（吨） 图表12：2021年全球碳纤维分行业市场规模（亿美元） 图表13：2021年碳纤维下游应用领域价格（美元/公斤） 我国碳纤维需求结构中新能源占比高，航空航天与海外差距较大。2021年我国碳纤维需求量达到6.24万吨，同比增长27.7%，需求结构中，排名前四的行业分别是风电叶片、体育休闲、碳碳复材和压力容器，需求量分别为2.25万吨、1.75万吨、0.7万吨和0.3万吨。近年来，受新能源行业的拉动，碳纤维在风电、碳碳复材和压力容器领域的需求高速增长，三个行业需求量的三年CAGR分别为48%、85%、36%，远超其他行业。而在全球市场规模最大的航天航空领域，我国目前需求量仅2000吨，在全球1.65万吨的需求体量中占比很小，未来有很大的提升空间。 图表14：中国碳纤维分行业需求量近三年CAGR 图表15：2021年中国和全球碳纤维下游应用领域对比 二、新能源推动碳纤维需求高速增长，航空航天等领域空间广阔 碳纤维因其优异的性能在许多行业皆有渗透，近几年来以风电、光伏和氢燃料电池汽车为代表的新能源行业正在经历或具备爆发式增长的前景，受益于风电叶片大型化、光伏硅片大尺寸和氢燃料电池车的大规模量产，碳纤维在新能源领域的渗透率有望提升，需求将迎来高速增长。在航空航天领域碳纤维也将受益于商用飞机的复苏、无人机的高增长以及军机换代带来的需求增长。在交通领域，碳纤维在汽车和轨道交通中的渗透率还有很大提升空间，尤其是轨道交通有望成为碳纤维未来新的增长点。 2.1风电叶片：受益于叶片轻量化与海风发展，碳纤维需求有望高速增长 清洁能源政策推动，风电未来发展空间巨大。全球多个国家和地区鼓励发展风电产业，根据全球风能理事会（GWEC）统计数据，全球风电累计装机容量从2012年的283.2GW增至截至2021年的837.5GW，年复合增长率为12.8%。我国风电累计装机容量从2012年的60.6GW增至2021年的328.5GW，年复合增长率为20.7%，增长率位居全球第一。GWEC预计，到2026年，全球和我国风电累计装机量将分别达到1394GW和617GW，近五年CAGR分别为10.7%和13.4%。尽管全球风电装机量快速上升，但GWEC预计，按当前的发展速度，到2030年，全球风电装机容量将不足《巴黎协定》设定的在本世纪将升温幅度限制在1.5℃以内目标及净零排放路径所需容量的2/3，无法实现气候目标。在全球环保政策推动下，风电未来发展空间巨大。 图表16：全球风电累计装机容量及增速（GW） 图表17：中国风电累计装机容量及增速（GW） 图表18：为实现1.5℃以内升温目标所需风电装机容量测算（GW） 风机降本需求推动叶片大型化，从而带动碳纤维需求增加。降低风机成本是使风力发电成为有竞争力发电选择的必由之路，根据理论发电量的计算公式，风电机组产生的电能与叶片长度的平方成正比，增加叶片长度可以带来较为可观的发电量提升，而大容量机组搭配长叶片，能够减少同等装机规模项目所用的机组数量，相应降低机组及其施工安装等方面的投入。 因此，风机叶片的大型化被视为增强风电机组捕风能力以及降低风电项目成本的主要途径之一。随着叶片长度的增加，对于材料强度及刚度性能要求具有更高的标准，研究表明，碳纤维的密度比玻璃纤维低30%-35%，应用碳纤维可使叶片减重20%以上，碳纤维的拉伸模量比玻璃纤维高3-8倍，因此未来大型叶片的碳纤维用量将进一步增长。根据赛奥碳纤维的统计，2021年全球风电市场碳纤维用量在3.3万吨，预计到2025年将增长到8.1万吨，四年GAGR达25%。 图表19：全球风电叶片用碳纤维需求量（吨） 图表20：2010-2020年中国新增装机风轮直径占比 风电由内陆向海上转移，碳纤维渗透率有望进一步提升。海风相较于陆风，具有发电量高、靠近负荷中心便于消纳、不占用土地等优势，随着海风成本的快速下降，未来海风在风力发电中的地位有望快速提升，GWEC预计，2026年全球的海风累计装机量将达到147.8GW，五年