碳纤维行业深度研究报告：风光氢驱动需求，国产替代加速，碳纤维大有可为

新材料之王：外柔内刚的碳纤维：碳纤维具有优异的力学性能和化学稳定性，模量高，弹性模量在230GPa以上；强度比钢大，抗拉强度在3500MPa以上； 密度比钢低，同时具有耐腐蚀、耐高温、导电性能优和导热系数大等特点，已成为理想的轻量化材料，主要应用在航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域。PAN基碳纤维是最主要的碳纤维品种，目前已成为主流。碳纤维整个生产过程中最核心的环节是原丝制备和碳化，原丝壁垒来自于生产工艺，如聚合、制胶、纺丝等过程，碳化壁垒来自于设备，如氧化炉和碳化炉。 碳纤维需求空间广阔：2021年国内、全球碳纤维需求分别是6.24、11.8万吨，五年CAGR分别为26.06%、9.02%，2025年预计国内、全球需求量分别达15.93、20万吨，21-25年CAGR分别为26.37%、14.10%，即未来国内碳纤维需求将依然保持较高的增速，具有广阔的市场空间。从应用领域来看，2021年国内碳纤维需求量占比前三的领域分别是风电叶片（36%）、体育休闲（28%）和碳/碳复材（11%）；而从2017-2021年复合增速来看，增速前三的领域分别是碳/碳复材（67%）、风电叶片（65%）和压力容器（32%）。 新能源等领域驱动碳纤维需求爆发：风电叶片：近年来国内风电装机规模显著上行，2021年国内海上风电新增装机量同比增速高达277%，我国新增陆上和海上风电机组平均单机容量分别为3.1MW和5.6MW，同比增速为19%和13%，未来国内风电装机规模有望继续提升，且风电叶片大型化是未来趋势，同时随着2022年7月19日Vestas拉挤碳梁专利的到期，有更多的厂商使用拉挤工艺生产碳纤维主梁，碳纤维在风电叶片领域的渗透率将快速提升，碳纤维的需求也将快速增加。预计2025年我国风电叶片领域碳纤维总需求达7.32万吨，21-25年CAGR为34.3%，市场规模将达83.4亿元。碳/碳复材：碳/碳复合材料目前被广泛应用在单晶拉制炉和多晶铸锭炉的热场系统中，2020年碳/碳复合材料在坩埚中的替代率已超过95%，成为光伏热场系统中的主要材料。2021年国内新增光伏装机量达54.93GW，同比增加14%，根据中国光伏行业协会预测，2025年装机量预计达到110GW，CAGR为19%，随着光伏装机规模的快速增加，碳纤维在碳/碳复材领域的需求持续爆发。预计2025年我国碳/碳复材领域碳纤维总需求达2.05万吨，CAGR为30.8%，市场规模将达29.96亿元。氢气瓶：2022年3月23日，国家发改委、能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（2021-2035年）》，明确2025年燃料电池汽车保有量要达到5万辆，而2021年仅约0.9万辆，CAGR高达54%，未来燃料电池汽车的高速增长及储氢瓶技术的突破将推动车用高压氢气瓶碳纤维需求的快速提升。预计2025年国内氢气瓶碳纤维总需求达0.56万吨，CAGR为82.9%，市场规模将达9.07亿元。航空航天和体育休闲：碳纤维需求稳步增长，预计2025年国内航空航天、体育休闲领域碳纤维需求量分别约为0.35、2.13万吨，CAGR分别为15%和5%，市场规模将达17.04、39.83亿元。 国产替代加速，行业供需改善：2021年我国成为全球最大的碳纤维产能国，产能和产量分别约为6.3、2.9万吨，分别同比增长73.85%、58.1%，17-21年CAGR分别为24.73%、40.98%；行业产能利用率从17年的28%提升至21年的46%。国内碳纤维产能大幅扩张，产能利用率快速提升，企业加快供给，增速大幅提升，近几年供给增速持续上涨，且远大于需求增速，但目前进口碳纤维供应量仍然明显高于国产供应量，国产替代空间巨大；长期来看，供给端逐渐追赶上需求端的增长，供需差将得到改善，国产全面加速，预计2024年国内供给将超过需求。 投资建议：需求空间广阔叠加国产替代加速，首次覆盖，给予行业“推荐”评级。建议关注相关公司：中复神鹰、吉林化纤、吉林碳谷、精功科技、光威复材、中简科技。 风险提示：产能扩建不及预期，需求增长不及预期，丙烯腈价格大幅波动。 投资主题 报告亮点 本文对碳纤维行业的产品分类、性能、应用领域、发展历程、产业链、技术路径等基本情况进行了详细全面的介绍，并就碳纤维行业的供需情况、竞争格局等进行了深入研究。本文主要针对风电叶片、碳/碳复材、储氢瓶、航空航天以及体育休闲领域的碳纤维需求进行空间测算，从而测算出2025年国内碳纤维的总需求量；并对国内产能的现状及扩产情况展开研究，最后测算出至2025年国内碳纤维行业的供需关系。 投资逻辑 需求空间广阔，国产替代加速。 国家高度重视碳纤维行业发展，高性能、规模化是我国碳纤维产业的发展趋势。近几年碳纤维需求高速增长，2021年全球碳纤维需求11.8万吨，五年CAGR为9.02%，2025年预计全球需求量达20万吨，CAGR为14.10%；而2021年国内碳纤维需求6.24万吨，五年CAGR为26.06%，2025年预计国内需求量达15.93万吨，CAGR为26.37%，未来国内碳纤维需求依然保持较高的增速，具有广阔的市场空间。同时2021年国内碳纤维产能约为6.3万吨，同比增长73.85%，17-21年CAGR为24.73%，行业产能利用率从17年的28.46%提升至21年的46.54%，国内产能大幅扩张，产能利用率快速提升。 综上，需求未来空间广阔叠加国产替代加速，首次覆盖，给予行业“推荐”评级。建议关注相关公司：中复神鹰、吉林化纤、吉林碳谷、精功科技、光威复材、中简科技。 一、外柔内刚的碳纤维 碳纤维是指含碳量在90%以上的无机高分子材料，用聚丙烯腈（沥青或粘胶）等做原料，经过高温氧化、碳化等环节而生成，是目前高性能纤维中具有最高的比强度、比模量的纤维，且耐高温也是最好的，主要应用在军工和工业等领域。 （一）分类众多、性能出色、应用广泛 碳纤维的分类标准有很多，目前分类标准主要有：原丝种类、丝束规格和力学性能。 按原丝种类可以将碳纤维分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。其中，PAN基碳纤维成品品质优异、力学性能优良，且相比于另外两种碳纤维工艺难度更低，是最主要的碳纤维品种，目前已成为主流，产量占比超90%；而沥青基碳纤维原料调制复杂，产品性能较低，粘胶基碳纤维技术难度大，成本高，两者产量均较小。 按丝束规格可以将碳纤维分为小丝束和大丝束。早期小丝束碳纤维以1K、3K、6K为主，逐渐发展出12K和24K，其生产工艺难度大，价格较高，但性能优异，主要应用于军工、航空航天领域；大丝束碳纤维通常指48K以上的碳纤维，包括48K、60K、80K等，其生产成本低，性价比高，主要应用于工业领域。 图表1碳纤维分类 按力学性能可以将碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型和高强高模型等。由于行业内没有统一的标准来划分碳纤维型号，而日本东丽长期处于行业龙头地位，因此其产品型号具有相对通用性，而我国现行的碳纤维标准型号也逐步追赶上日本东丽。 图表2我国碳纤维标准型号与日本东丽对比情况 碳纤维已成为理想的轻量化材料。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，模量高，弹性模量在230GPa以上；强度比钢大，抗拉强度在3500MPa以上；密度比钢低，是钢的1/4，同时具有耐腐蚀、耐高温、导电性能优和导热系数大等特点。 图表3碳纤维性能特点 碳纤维的应用领域非常广泛。主要应用在航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域，并在不同领域碳纤维的使用类型也有所差异。当前全球小丝束碳纤维行业标准制定权和定价权牢牢掌握在美国、日本企业手中，并且因其用途的敏感性，国外在小丝束碳纤维出口方面实施严格管制，我国军用领域的突破发展受到影响。 图表4碳纤维在不同领域的应用 图表5碳纤维应用广泛 （二）政策助力，产业发展取得成效 我国碳纤维行业发展艰难玉成。自碳纤维诞生以来，高端碳纤维复合材料技术长期掌握在发达国家手中，早在上世纪70年代，国外就已实现高性能碳纤维的批量生产；我国碳纤维技术研发始于1962年，然而长期以来并没有取得重大的进展；2000年后，师昌绪院士提出要大力发展碳纤维产业，得到了政府的高度重视，并开始大力支持碳纤维领域的自主创新；2003年，光威复材率先生产出碳纤维材料，性能接近T300级；2005年，我国第一条百吨级T300生产线投产；2010年后，我国碳纤维产量开始增长；2016年，中复神鹰千吨级T800原丝生产线投产；2021年，我国碳纤维产量达2.9万吨。 图表6我国碳纤维行业发展历程 政策高度重视，助力产业发展。2000年后，我国开始大力发展碳纤维产业，在“863”、“973”计划中被列为重点研发领域；2012年，加快发展碳纤维并提高规模化制备水平被列入“十二五发展规划”；2015年，《中国制造2025》提出先进复合材料是新材料发展重点；2016年，“十三五”提出加强新材料产业上下游协作配套，在碳纤维复合材料领域开展协同应用试点示范；2021年，加强碳纤维及其复合材料的研发应用被列入“十四五规划”重点发展领域；2022年4月，工信部、发改委提出攻克48K以上大丝束、高强高模高延伸、T1100级、M65J级碳纤维制备技术。从政策导向来看，国家高度重视碳纤维行业发展，高性能、规模化是我国碳纤维产业的发展趋势。 图表7国内碳纤维政策梳理 （三）原丝和碳化是产业链中最核心的环节 碳纤维产业链包含从上游原油到终端碳纤维成品应用的完整制造过程。首先，从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯，并经氨氧化后得到丙烯腈；其次，丙烯腈经聚合和纺丝后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；然后，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到聚丙烯腈基碳纤维；最后，碳纤维与其他材料结合（树脂、陶瓷等），可形成碳纤维复合材料，并应用于下游各个领域。 碳纤维整个生产过程中最核心的环节是原丝制备和碳化。原丝：碳纤维的强度显著地依赖于原丝的微观形态结构及其致密性，原丝的质量和成本很大程度上决定了碳纤维的质量和生产成本，而制备原丝的壁垒来自于生产工艺，如聚合、制胶、纺丝等过程。碳化：此环节包含预氧化、低温和高温碳化，氧化炉和碳化炉是关键设备。 图表8碳纤维产业链概况 原丝生产工艺：按照聚合和纺丝的连续性分为一步法和两步法，一步法包含聚合、纺丝过程，两步法则包含聚合、制胶、纺丝过程；按照纺丝溶剂区分，包括DMSO（二甲基亚砜）、DMAC（二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸钠）等；按照纺丝工艺，分为湿法和干喷湿纺法，纺丝工艺的选择及控制是保证高性能原丝稳定生产的关键因素。 碳纤维生产工艺：原丝经多段氧化过程后得到预氧丝，预氧丝在氮气保护下，经过低温、高温碳化得到碳丝，随后经表面处理、上浆、烘干等过程最终得到碳纤维产品，碳化、氧化环节的温度控制是影响碳纤维成品质量的关键。 图表9原丝工艺流程 图表10碳纤维工艺流程 目前我国已形成了一步法或二步法湿法/干喷湿法纺丝工艺等国产化技术。其中，吉林碳谷采用DMAC水相聚合湿法二步法工艺；上海石化采用自主研发的NaSCN湿法工艺； 光威复材、恒神股份、中简科技均采用DMSO一步法湿法或干喷湿纺工艺；中复神鹰则采用DMSO一步法干喷湿纺工艺。 湿法两步法比较适合大丝束原丝的生产。国内吉林碳谷在2008年就取得了以DMAC为溶剂的湿法两步法的技术突破，打破了国际巨头的垄断，此方法因其经水相悬浮聚合后，原液和聚合的产量大，故适合大丝束原丝的生产；而其他企业所采用的一步法，在聚合物以及原液制造等方面限制了纺丝的产量，并且湿法成型的纤维纤度变化小、纤维上残留的溶剂少，容易控制原丝质量。 干喷湿纺更适用于小丝束碳纤维的生产。国内中复神鹰在2013年率先突破了干喷湿纺技术，其有效地结合了干法和湿法，在纺丝速度以及原丝性能等方面均具有明显的优势。 相比湿法纺丝，干喷湿纺喷丝头不直接浸入凝固浴，而是在进入凝固浴之前先经过空气层，纺丝液在空气层