碳纤维行业深度报告：新能源驱动需求，把握国产历史机遇

需求端：风光氢驱动需求，大丝束占比不断提升：碳纤维是一种高强度高模量的耐高温纤维，具有轻质、热膨胀系数小、导热性好、高强度、耐磨性好等诸多优良性能，在全球被广泛用于风电叶片、体育休闲、航空航天、压力容器、碳碳复材等诸多领域。就国内而言，目前风电、碳碳复材（主要为光伏）、压力容器（主要为氢能）是驱动碳纤维需求的重要下游，根据赛奥碳纤维技术预计，2022-2025年三领域需求量CAGR分别为25%、30%、20%。总体上，预计到2025年，全球及国内碳纤维需求量将分别达到20万吨、15.9万吨，对应4年CAGR分别为14%、26.4%。与民用需求持续增长相匹配地，大丝束需求量明显提升，在2021年超过小丝束需求。 供给端：全球产能加速扩张，大丝束产业化布局开启：碳纤维行业的技术、资金和产品验证门槛高，大多数企业都拥有较为悠久的历史，企业数量有限。2021年以前全球扩产主要来自于日本东丽、Zoltek、Hexcel、SGL等国外厂商。2021年新增产能主要来自于中国，中国大陆地区运行产能达6.34万吨，首次超越美国，成为全球最大产能国。展望未来，中国企业扩产计划依然宏大，将拉动全球碳纤维产能快速扩张。同时我国大丝束开启产业化布局，吉林化纤、光威复材、上海石化、精功科技大丝束产品相继启动或投入应用。 以史为鉴：90年代大幅降本后，海外生产成本趋于稳定，氧化、碳化环节，设备与能源是降本之关键：从工艺流程看，PAN原丝成本占碳纤维生产成本比重51%，其次为氧化、碳化环节（16%、23%），从生产要素看，原材料依然是最主要成本，设备、人力成本其次。回顾海外降本历程，在经历90年代大幅降本后，生产成本逐渐趋于稳定，原材料消耗可率先实现一定程度的降本，但降本幅度有限，且后续波动较大，设备、能源是实现大幅降本的关键生产要素，而从生产环节看，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。而人力成本整体呈上升趋势，可降低空间有限。 经济性分析：国产碳纤维具备进一步降本空间：1）原材料：碳纤维随原材料及原油价格波动幅度逐渐减弱；2）能源成本方面：单吨电力费用逐渐下降，低电费地区扩产有望实现能源成本进一步下降；3）设备方面，增加炉幅宽度可提高产能和能源效率。总体上看，近年国内碳纤维生产企业技术水平不断提升，体现为产能利用率不断提升，单吨生产成本不断下降，毛利率水平提高。根据我们的测算，相比2021H1，预计短期内碳纤维生产成本还有19.7%左右的下探空间。 投资建议：需求端，风光氢共同驱动碳纤维需求，有望维持较长期高景气度。供给端全球产能加速扩张，将从供需格局及技术进步等多方面实现降本，此前受成本抑制下游需求释放在即。产业链中建议关注竞争格局较好的原丝及设备环节，相关标的吉林碳谷、精功科技；碳丝生产领域建议关注在大丝束领域率先实现量产的吉林化纤，以及民用、军用碳纤维领军企业中复神鹰、光威复材、中简科技。 风险提示：测算误差风险、关键设备进口风险、产业政策风险、下游需求不及预期风险、人才流失风险。 表1：重点公司投资评级: 1碳纤维：性能优异、应用广泛的“黑色黄金” 1.1碳纤维的特点及分类 碳纤维是一种高强度高模量的耐高温纤维，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。从结构上看，碳纤维主要由碳原子构成，直径约5-10微米，在碳纤维的烧制过程中碳原子在晶体中被键合在一起，产生平行排列的纤维长轴，赋予了碳纤维“外柔内刚”的特性，轻于铝，却强于铁。 碳纤维的优良性能包括轻质、高强度、高模量、热膨胀系数小、导热性好、耐化学腐蚀性好、耐磨性好、耐高温性好、阻尼突出、具有优良的透声纳、高X射线透射率、疲劳强度高等。碳纤维也因其优良的性能而被广泛应用到航空航天、汽车工业、风电行业、建筑行业、交通运输、运动器械制造等领域。 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： 1）按原材料分类：可以分为聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF，市场主流碳纤维）、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、磺化聚乙烯基碳纤维、木质素与PAN混合基碳纤维； 表1.碳纤维按原丝分类 2）按产品规格分类：可以将碳纤维分为大丝束和小丝束，48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，主要分为48K、60K、80K等，目前主要应用于工业领域如纺织、医药卫生、交通运输、土木建筑和能源等。小丝束碳纤维主要分为1K、3K、6K，后又发展为12K和24K，主要应用于国防军工等高科技领域（如飞机、导弹、卫星等）以及体育休闲用品（如渔具、球拍等）； 3） 按力学性能分类：可以分为通用型和高性能型。 通用型碳纤维强度为1400MPa、模量在140GPa以下。高性能型碳纤维又分为高强型和高模型，其中称强度大于4000MPa的为超高强型；模量大于450Gpa的为超高模型。 图1.碳纤维按力学性能分类图 1.2碳纤维的产业链 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。从石油、煤炭、天然气均可得到丙烯；丙烯经过氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，作为生产碳纤维复合材料的原材料；碳纤维经过与树脂、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客户需要的最终产品。碳纤维行业产业链如下图所示： 图2.碳纤维产业链示意图 2需求端：风光氢驱动需求，大丝束占比不断提升 2.1全球及中国碳纤维应用领域对比 2021年，全球碳纤维市场需求量为11.8万吨。风电虽然仍是下游最大占比，但同比增速回落至7.8%。体育用品需求同比2020年增长幅度高达20%，回到全球第二大需求市场。压力容器虽然很多仍是小批量需求，但依然保持25%的较高速增长。碳碳复材受光伏行业驱动，依然保持70%超高增速，航天航空基本同比持平。 图3.2020及2021年全球碳纤维需求量变化（万吨） 相比之下，国内风电叶片、体育休闲、热场材料等工业领域应用占比更高，航空航天、汽车等领域占比较小。2021年，国内碳纤维需求总量约为6.24万吨，体育复材的领导地位再次被风电大幅超越，而碳碳复材、压力容器成为迅速崛起的新星。 图4.2021年全球碳纤维在不同领域的应用需求 图5.2021年中国碳纤维不同应用领域需求 从全球碳纤维需求量看，中国占比不断增加，从2011年的21%增加至2021年的53%。展望未来，根据赛奥碳纤维技术预测，预计到2025年全球碳纤维需求量将达到20万吨（4年CAGR=14%），到2030年达到40万吨（5年CAGR=14.8%）。 预计到2025年，国内碳纤维需求量将达到15.9万吨（4年CAGR=26.4%）。 从产品结构看，大丝束占比明显提升。根据赛奥碳纤维技术，2021年大丝束产品份额与小丝束相当，大约均占比43%，相比之下，2018年占比仅为32%，大丝束占比的不断提升，反映的是2021年民用航空市场的疲软以及风电市场的持续增长。而对于碳纤维工业应用而言，成本尤为重要，大丝束是降低成本的主要路径，不仅可以通过低成本扩大工业应用领域，也会不断吞噬成本敏感的小丝束传统市场。 图6.全球及中国碳纤维需求量变化（万吨） 图7.2018及2021年全球碳纤维需求结构变化（万吨） 2.2风电：风电叶片大型化发展，静待碳纤维经济性显现 风电是当前碳纤维最大下游需求来源。2021年全球风电碳纤维用量约为3.3万吨，占全球碳纤维总需求比重28%。国内风电叶片领域碳纤维需求量为2.25万吨，占国内碳纤维需求总量的36.1%。根据国际风力发电网，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%。以122 m长叶片为例，叶片重量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上的载荷，进而可以减少轮毂、机舱、塔架和桩基等结构部件15%～20%的重量，有效降低风机10%以上的整体成本。此外，风机的输出功率也更加平稳均衡、运行效率更高，由于碳纤维的抗疲劳性较高，因此还可以延长叶片的生命周期，降低日常维护费用等综合成本。 从工艺上看，碳纤维复合材料主梁的成型工艺主要有碳纤维织物真空灌注、预浸料成型、拉挤工艺3种。其中前两者在叶片中应用较早，技术成熟，但随着叶片大型化对重量要求提高，拉挤工艺逐渐成为主流。风电厂商维斯塔斯自2015年最早将拉挤工艺应用于叶片上。这种设计理念把整体化成型的主梁主体受力部分拆分为高效低成本高质量的拉挤梁片标准件，然后把这些标准件一次组装整体成型，极大地推动了碳纤维在风电领域的应用。近年来，中材科技、时代新材、中复连众、艾朗等叶片厂家，以及金风科技、三一重工、明阳电气、上海电气等主机厂均陆续发布了使用碳纤维或碳玻混合拉挤大梁叶片。 目前风电叶片市场上 ， 玻纤与碳纤仍然存在一定竞争 ，中材科技发布SINOMA85.6的全玻纤海上风电叶片并于2020年在福建兴化湾装机使用。2022年3月，株洲时代最新发布的TMT185叶片，长达91米，全部使用玻璃纤维而非碳纤维。碳纤维的减重优势非常明显，但在碳纤维供不应求的情况下，经济性问题在一定程度上阻碍了在风电领域的应用。虽然如此，但总体上风电领域应用前景依然光明，根据赛奥碳纤维技术预测，预计2025年全球风电叶片对碳纤维需求将达到8.06万吨，复合增长率为25%。 图8.VESTAS主梁结构示意图 图9.全球风电叶片碳纤维需求变化（吨） 2.3体育休闲：我国占全球体育休闲碳纤维用量9成以上，预计未来平稳增长 根据赛奥碳纤维技术数据，2021年，国内体育休闲领域碳纤维用量为1.75万吨，约占全球1.85万吨使用量的94.6%。相比于传统的金属结构件，碳纤维产品具备不易变形、质量轻的优点。一般使用T300级碳纤维就可以满足体育休闲用品的需求，但为了提升产品性能，部分产品也也开始使用T700级甚至更高性能碳纤维。总体上看，体育休闲领域产品类别广泛，对碳纤维需求成高低端并存局面。 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。 受全球疫情影响，2020年群体运动器材对碳纤维需求有较大幅度下滑，个人体育休闲器材需求上升，随着各国防控措施优化，群体运动器材恢复较高速增长。 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%。 图10.2021年全球体育休闲领域碳纤维需求下游占比 图11.全球体育休闲领域碳纤维需求变化（吨） 2.4碳碳复材：光伏产业蓬勃发展，驱动碳/碳复合材料市场需求 碳/碳复材是以碳纤维为增强相的碳基复合材料，是目前极少数可以在2000 ℃以上保持较高力学性能的材料，主要应用于三大领域：刹车盘、航天部件、热场部件。1） 刹车盘市场： 目前国际企业主要包括法国Messier-Bugatti、 美国Honeywell、英国Dunlop等。国内飞机刹车盘企业主要有北摩高科、中航飞机股份有限公司西安制动分公司、博云新材、西安超码等，目前市场较平稳发展；2）航天部件：目前碳碳复材以其优异性能成为大型固体火箭喉衬、发动机的喷管、扩散段、端头帽等的首选材料。3）热场部件：主要用于单晶硅炉内，包括碳毡功能材料和坩埚、保温桶、护盘等结构材料，正在快速形成晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的进口替代与升级换代。国际企业主要包括SGL、日本东海碳素公司等，国内企业主要包括金博股份、西安超码等。由于光伏及半导体行业的技术迭代，硅片也在向高纯度、大尺寸发展，因此热场系统应用中，碳碳复材产品向高纯度、大尺寸的方向发展也是必然趋势。 根据赛奥碳纤维技术数据，2021年我国热场材料碳纤维需求量为0.7万吨，占全球碳碳复材碳纤维需求量（0.85万吨）的82.3%。2021年全球碳碳复材碳纤维需求量0.85万吨，同比2020年增长70%。根据赛奥碳纤维技术预测，预计2025年全