碳纤维行业系列报告-供需格局分析：大国之材骐骥一跃，黑金时代未来可图

碳纤维被誉为黑色黄金，国产碳纤维把握“管制”机遇，实现国产替代。 碳纤维是一种无机高分子纤维，其力学性能出色，密度比铝更低，强度约是钢的7倍，是目前已经量产的高性能纤维中具有最高比强度、比模量的纤维，并且具有良好的化学稳定性，应用领域广泛。近年来美日对中国碳纤维进行管制，对于美国来说，碳纤维一直在商业控制清单中，对于日本，2017年提出的《外汇法》修订草案，对高端碳纤维和技术的出口需取得国家许可。国内碳纤维把握机遇逆势突破，上下游产业协同共同研发，最终实现技术突破并稳定量产，目前国内产能已开始铺开并且技术也在不断迭代，实现“突破管制”并实现“进口替代”。 碳纤维国产替代稳步推进，下游领域成多点开花状态。风电叶片、体育休闲及航空航天覆盖近6成碳纤维需求。其中，风电叶片应用的碳纤维价格最低，消耗的量也最多，航空航天领域应用价格最高，并且市场规模（产值）也是最大；国内市场看，国产替代稳步推进，但在高端领域比如航空航天、压力容器等与国际水平差距较大。从应用领域来看：1）风电领域：应用以大丝束为主，Vestas相关专利到期，叶片拉挤工艺有效降低叶片加工物料损耗，催化碳纤维在风电领域应用，我们预计2025年需求可达6.3万吨；2）压力容器：目前应用以小丝束T700级别以上碳纤维为主，“双碳”政策催化，我们预计2025年该领域应用可达6316吨；3）碳/碳复材：目前主要应用在单晶拉制炉、碳陶刹车中，通常应用T700级别碳纤维，也有部分T300级别碳纤维，得益于光伏行业高景气度，我们预计2025年国内应用可达3.3万吨。4）航空航天：应用以高端小丝束为主，国内目前该领域应用处于验证阶段，预计未来随着军机换代和C919交付，或可持续放量，预计到2030年每年可释放1708吨； 5）体育休闲：该领域应用量大，根据赛奥碳纤维，预计2025年以前可实现平均每年约5%的增长，预计2025年需求可达2.2万吨；6）汽车：随着碳纤维降本增效，成本对汽车领域应用制约日渐减少，待未来碳纤维材料在汽车领域应用的技术有所突破，有望成为豪车标配，预计2025年需求可达13693吨。 行业技术壁垒高，国内厂商突破大规模量产后产能快速铺出。碳纤维行业壁垒主要体现在两个方面：1）原丝环节技术难度大。无论干喷湿纺还是湿法的技术路线都很难突破，而且不同技术路线生产出的产品适应的领域也不同，除此以外，一步法或者两步法生产工艺路线的选择也都会影响原丝品质上限及生产成本；2）碳化环节资金壁垒高。万吨原丝产线投资可能仅需1-2亿人民币，但是碳化环节万吨碳纤维投入需要10亿以上。目前，国内碳纤维原丝和碳化环节均已实现技术突破，产能快速铺开，2021年国内产能已达6.3万吨，近年来产能利用率也达到了50%左右的水平，根据各公司扩产计划，25年大丝束原丝产能可达37.2万吨，大丝束碳纤维产能可达20.8万吨，小丝束碳纤维产能可达11.9万吨。 从供需平衡关系来看，我们预计中长期内国内高端小丝束碳纤维持续紧缺，小丝束厂家通常一体化发展，原丝与碳丝产能相对匹配；大丝束碳纤维碳化环节有所过剩，大丝束原丝略微短缺。从供给格局来看：1）小丝束：厂家先发优势更强，某些高端市场应用切入后不可替代性强。但是目前每家企业面对的市场仍有所差异，且行业景气度高，竞争压力小，但是长期看竞争会愈发激烈； 2）大丝束碳化环节：资本密集，由于碳纤维品质继承于原丝，碳化环节的差异性较小，目前竞争已经相对激烈，目前已经有大丝束碳纤维企业试图向原丝环节延伸；3）大丝束原丝环节：目前来看大丝束原丝主要由吉林碳谷供应，议价能力强，未来若有新的原丝供应厂商成功量产出优质产品则竞争可能会恶化。 投资建议：国内碳纤维企业技术近年来在碳纤维品质以及生产成本两个方向持续突破，国内碳纤维已经实现国产替代，除了国内市场未来仍有国际市场可期。建议关注技术产品过硬，深度布局民用小丝束并向航天延伸的中复神鹰（生产上持续扩产，布局低电价地区西宁生产基地未来成本可进一步下探）； 持续降本增效的大丝束碳纤维的核心标的吉林碳谷（国内产能有望持续保持优势的国内大丝束原丝龙头标的）和吉林化纤（国内大丝束碳化环节龙头企业）；深耕军用以及航空航天，盈利能力显著更强，并且有扩张计划的中简科技和光威复材；上游设备端也有望受益于国内扩张浪潮，建议关注精功科技。 风险提示：下游需求释放不及预期，扩产不及预期，行业竞争加剧价格下滑，原材料和能源价格波动风险。 表1：重点公司投资评级: 1碳纤维材料性能出色、性质稳定，应用领域广 1.1碳纤维性质优异，被誉为黑色黄金 碳纤维（Carbon Fiber，CF）是由聚丙烯腈（PAN，最主要的原材料）、沥青、粘胶等有机母体纤维，在1000摄氏度以上高温的惰性气体下碳化（高温分解法，去除碳以外绝大多数元素）制成的一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维。 图1.原丝及碳纤维图例（白色的为碳纤维原丝，黑色的为碳纤维碳丝） 碳纤维力学性能出色，并且具有良好的化学稳定性，应用领域广泛。从密度和强度来看，碳纤维密度比铝更低，强度比钢更高，是目前已经量产的高性能纤维中具有最高比强度、比模量的纤维。除此以外，由于碳纤维还具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热及湿膨胀系数低、X光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽效应等特点，应用范围广泛，是目前发展国防军工与国民经济的重要战略物资。除此以外，在航空航天、体育用品、汽车工业、能源装备、医疗器械、工程机械、交通运输、建筑及其结构补强等领域也有广泛应用。 表1.碳纤维具有密度低、强度高、模量高的特性材料优点 碳纤维可以按照原丝类型、制造方法、以及力学性能、丝束大小等不同维度进行分类： 按照原丝类型分类：聚丙烯腈（PAN）基；沥青基（各向同性、中间相）；粘胶基（纤维素基、人造丝基）。 表2.不同种类碳纤维性能及优劣势对比碳纤维原丝种类 按照制造条件和方法可以分为：1）碳纤维（800-1600℃）、2）石墨纤维（2000-3000℃）、3）活性碳纤维、4）气相生长碳纤维。 按力学性能分类：碳纤维可以分为通用级CF和高性能CF，后续可以根据碳纤维的强度和模量进行更细致的分类，碳纤维在应用领域更多是由于其出色的力学性能从而作为增强材料使用，所以在使用中，行业通常以其力学性质进行分类；基于材料的力学性质，通常会应用在不同领域，比如高拉伸强度的材料会用于压力容器，高拉伸弹性的材料会用于宇宙领域，成本敏感的风电领域会选用拉伸强度和弹性不是那么强的材料。 图2.以东丽为例，不同力学性质的碳纤维的应用领域不同 按丝束大小分类：碳纤维还可划分为小丝束和大丝束，小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展到12K甚至24K，主要应用于国防军工等高科技领域，以及体育休闲用品，如飞机、导弹、火箭、卫星和渔具、高尔夫球杆、网球拍等。通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等，主要应用于工业领域，包括：纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。 1.2碳纤维复材下游应用广泛 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通常通过物理或化学的方法，组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 以碳纤维作为增强材料制成的复合材料主要包括热硬化性树脂（CFRP）和热可塑性树脂（CFRTP）。CFRP包括环氧树脂、聚酯、苯酚、热硬化性聚酰亚胺等，CFRP特性因树脂种类而异；CFRTP是由热可塑树脂制成的复合材料，其成型周期短、可二次成型，且CFRTP可高温软化，加工的自由度大幅增加。 图3.碳纤维复材加工流程工艺图 碳纤维复材特性优秀，应用领域广泛。碳纤维复材通常比较轻量化，其次耐疲劳及耐热性能好，可以用在飞机的一级结构材料（主翼、尾翼、机体）或者二级结构材料（副翼、方向舵、升降舵），也可以应用在刹车盘、刹车片中。隐形战斗机中，因为其耐磨损且导热性优，可以用作结构隐身材料；宇宙飞行器中，由于其轻量化以及尺寸稳定性的特征，可以用做卫星材料；体育休闲领域，因为其刚性和敏感性，可以用作钓具、球拍、高尔夫球杆以及自行车、赛车、赛艇等。 表3.复材在不同领域的应用领域用途 2国产替代稳步推进，下游应用多点开花 2.1海内外碳纤维需求稳增，高端领域应用有所分化 2.1.1全球市场：风电领域需求高增，航天领域应用价值量最高 全球碳纤维需求稳步增长，风电叶片、体育休闲及航空航天覆盖近6成需求。根据赛奥碳纤维数据，2021年全球碳纤维需求约11.8万吨同增10.4%，除2020年受疫情影响增速放缓，全球碳纤维需求稳步上升，2008年-2021年CAGR约为9.5%。 近年来风电领域、体育器材、碳碳复材等领域一直保持较快增速，风电领域2020、2021年分别同增20%、7.8%，带动行业整体提升。从需求领域占比来看，2021年风电叶片需求达3.3万吨，是应用最多的领域，占比28.0%，其次是体育休闲和航空航天，占比分别为15.7%和14.0%。 图4.全球碳纤维需求（千吨） 图5.2021年全球碳纤维市场需求以量拆分 从市场规模看，航空航天价值量高，市场份额超风电领域和体育休闲应用总和。 分行业来看，航空航天领域应用的碳纤维均价最高，达到72美元/Kg，风电领域应用均价最低，仅17美元/Kg，主因是由于航空航天级碳纤维通常采用高性能小丝束，各方面性能要求最高，因此在消费量上虽然排名第三，但是市场规模达到最大，航空航天市场规模约11.9亿美元，占比34.9%；风电叶片通常使用大丝束，并不追求碳纤维的极致性能，所以风电领域用碳纤维是行业内均价最低的碳纤维，市场规模5.5亿美元，占比16.3%；其次是体育休闲，体育休闲领域用碳纤维性能极差较大，通常依据消费者的需求进行生产，市场规模5.1亿美元，占比15.0%。 图6.2021年全球碳纤维市场需求以价拆分 图7.航空领域应用均价最高（美元/Kg） 2.1.2国内市场：逐步实现进口替代，政策推动未来广阔市场可期 国产替代叠加需求增长，国内碳纤维持续景气。中国市场2021年碳纤维需求6.2万吨，2017年到2021年CAGR达27.7%，目前国产碳纤维需求2.9万吨，进口3.3万吨，2017-2021国产碳纤维需求量CAGR为41.0%，对比进口碳纤维需求量同期CAGR19.8%，国产碳纤维需求增速更高；目前国内碳纤维总体情况是供不应求，碳纤维价格长期维持在高位，碳纤维国产化后产能快速增长，叠加成本降低后市场能够进一步扩大，预判未来碳纤维市场能够维持高景气度。 图8.中国碳纤维需求近年来CAGR27.7%保持持续景气（吨） 从需求结构的角度看，我国碳纤维需求集中在风电叶片和体育休闲领域，航空航天、压力容器领域和国际有较大差距。近年来国内碳纤维需求快速扩张主要来源于风电叶片、压力容器和碳碳复材的增长，从绝对的量来看，2017-2021年分别提升19440/2000/6100吨，对应CAGR分别达64.7%/31.6%/67.0%，主要系近年来国家碳中和、碳达峰相关政策驱动，叠加碳纤维质量轻且高强高模、耐腐蚀等的优良特性给项目直接带来的经济效益，以及碳纤维成本不断下降，所以在新能源领域应用不断增长，并直接推动国内总体碳纤维需求的提升；值得注意的是，2021年国内航空航天需求量仅2000吨，仅占国内总需求量的3.2%，和国际需求占比14.0%的水平还有较大差距，未来仍有较大空间。 图9.2021年中国碳纤维市场需求以量拆分 图10.2021中国及全球碳纤维应用对比（千吨） 从大小丝束需求种类看，大小丝束份额相当，丝束做大是降本的主要思路。从2021年需求角度来看，小丝束民用航空市场相对疲软，大丝束风电市场维持高增（包含部分24K合股丝和部分25K）；从成本角度来看，成本下降是碳纤维工业应用的永恒追求，从目前技术路线来看，丝束数量提升能够提升碳纤维的生产效率，是目前主要的降低成本的思