碳纤维复材深度之一：航空航天牵引需求增长，供应能力提升推进国产替代

碳纤维复合材料由基体材料和碳纤维增强材料复合而成。碳纤维力学性能优异，比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在 3500M Pa以上，是钢的7-9倍，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维。碳纤维复合材料具有重量轻、力学性能好、结构设计灵活、性能可调控、来源广、成本低等特点，在国防军事的发展中有着重要地位，已广泛应用于各类飞机、无人机、导弹、运载火箭、卫星中。 目前，碳纤维复合材料主要应用于航空航天军工、风电叶片、体育休闲、压力容器等领域。2023年，全球树脂基碳纤维复材需求约17.69万吨，其中，航空航天军工领域3.38万吨，占比19%，风电叶片领域3.08万吨，占比17%，体育休闲领域2.89万吨，占比16%。 航空航天军工领域，碳纤维复材性能要求高，价值量高。从市场规模看，2023年，全球树脂基碳纤维复材市场规模229.6亿美元，其中，航空航天军工领域市场规模146.2亿美元，占比64%，体育休闲领域市场规模35.9亿美元，占比16%，风电叶片领域市场规模6.2亿美元，占比3%。 军用装备复材用量持续提升，国内商用大飞机量产及其对国产碳纤维复材的采购、应用有望带动碳纤维复材需求增长。与全球市场结构相比，国内碳纤维复材市场结构中，航空航天领域占比相对小。从需求量看，2023年全球航空航天军工领域碳纤维复材需求占比19%，而国内航空航天领域碳纤维复材需求占比11%。从市场规模看，2023年全球航空航天军工领域碳纤维复材市场规模占比64%，而国内航空航天领域碳纤维复材市场规模占比48%。碳纤维复材用量已成为衡量军用装备先进性的重要标志，装备中复合材料用量有望持续提升，国内先进武器装备量产有望推动碳纤维复材市场需求较快增长。商用飞机是碳纤维复材重要应用方向，国内商用大飞机量产及其对国产碳纤维复材的采购、应用也有望带动碳纤维复材市场需求增长。此外，低空经济领域有望成为碳纤维复材新的需求增长点。 国内碳纤维自主供应能力不断加强，国产替代或将加速推进。根据《2023全球碳纤维复合材料市场报告》，2023年，中国碳纤维的总需求为6.91万吨，其中，进口量为1.61万吨，占总需求的23%，同比减少45%，国产碳纤维供应量为5.30万吨，占总需求的77%，同比增长18%。展望未来，随着国内碳纤维供应能力不断提升，国产替代或将加速推进。 从供给端看，碳纤维复材产业链各环节分工明确。碳纤维复材以聚丙烯腈（PAN）基为主，产业链包括：丙烯腈、原丝、碳纤维、复合材料、消费品等几个环节。碳纤维厂商包括：1）航空航天军工应用企业，包括光威复材、中简科技、太钢钢科等，光威复材和中简科技2023年相关产品毛利率65%左右；2）高性能工业应用企业，包括中复神鹰、恒神股份等，中复神鹰和恒神股份2023年相关产品毛利率分别为30%和1%；3）低成本工业应用企业，包括吉林化纤、宝旌、上海石化等，吉林化纤2023年相关产品毛利率为-34%，2022年为2%。预浸料厂商包括中航高科、恒神股份、光威复材等，2023年中航高科和光威复材的预浸料业务毛利率在35%左右，恒神股份预浸料业务毛利率48%。 复材零部件厂商包括佳力奇、航天环宇、广联航空等，2023年佳力奇飞机复材零部件业务毛利率34%。 产业链相关上市公司包括：1）碳纤维环节：光威复材、中简科技、中复神鹰、恒神股份、吉林化纤、上海石化等；2）预浸料环节：中航高科、光威复材、恒神股份等；3）复材结构件环节：佳力奇、航天环宇、广联航空等。 风险提示 航空航天、风电、体育休闲等行业对碳纤维复材的需求不及预期； 原油价格大幅波动；产品降价超出市场预期等。 1碳纤维复合材料 1.1碳纤维复合材料以聚丙烯腈基碳纤维加树脂基基体为主，性能优势显著 碳纤维（Carbon Fiber）是一种丝状碳素材料，由聚丙烯腈（或沥青、粘胶）等有机母体纤维采用高温分解法在1000摄氏度以上高温的惰性气体下碳化（其结果是去除碳以外绝大多数元素）制成，直径5-10微米，是一种含碳量高达90%以上的无机高分子纤维。 图表1：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产工艺示意图 碳纤维力学性能优异，比重不到钢的1/4，碳纤维复合材料抗拉强度一般都在 3500M Pa以上，是钢的7-9倍，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维，并具有低密度、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，是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，广泛应用于军工、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。 碳纤维可以按照原丝类型、制造方法、性能等不同维度进行分类。按原丝类型，碳纤维可以分类为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基、粘胶基碳纤维，其中，聚丙烯腈基碳纤维具有成品品质优异、工艺简单、产品力学性能优秀等优势，自20世纪60年代问世以来，迅速占据主流地位，占碳纤维总量的90%以上。目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。 图表2：碳纤维按原丝类型分类 按纤维数量可以将碳纤维分为小丝束和大丝束，按力学性能可以将聚丙烯腈基碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四类。小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和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。大丝束碳纤维通常指48K以上碳纤维，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。 图表3：碳纤维按纤维数量和力学性能分类 碳纤维复合材料由基体材料和碳纤维增强材料复合而成，通过基体材料和碳纤维在性能上互相取长补短，产生协同效应，碳纤维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。碳纤维复合材料具有重量轻、力学性能好、结构设计灵活、性能可调控、来源广、成本低等特点，在国防军事的发展中有着重要地位，已广泛应用于各类飞机、无人机、导弹、运载火箭、卫星中。 图表4：常用碳纤维复合材料与部分金属材料性能对比 碳纤维复合材料中，基体材料以树脂基为主，市场份额占比90%以上。基体材料分为金属和非金属两大类，金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。目前，碳纤维复合材料以树脂基复合材料（CFRP）为主，占全部碳纤维复合材料市场份额的90%以上。 图表5：碳纤维复合材料的分类 1.2历经两次发展浪潮，应用领域不断拓宽 碳纤维发展起源于20世纪50-60年代，美国、日本、英国等最早开发碳纤维生产工艺。1958年，美国联合碳化物公司的Roger Bacon在氩气中加热人造丝，意外地生产出了碳纤维，从此，碳纤维材料的潜力逐渐得到认识。1960年，H.I.Thompson纤维玻璃公司（美国）的Richard Millington开发了将人造丝纤维中含碳量提高到99wt%的方法。20世纪60年代，日本和英国公司领导了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产的实验室技术开发。1959年，日本大阪工程技术研究所的Akio Shindo成功使用低成本方法生产了碳含量约55wt%的碳纤维；日本东丽工业于1964年试验生产PAN碳纤维，并于1970年与大阪工程技术研究所签订了PAN工艺的许可协议。英国皇家飞机公司的W.Watt、L.N.Phillips和W. Johnson于1963年为使用PAN纤维的碳纤维制造工艺申请了专利；随后，英国国家研究发展公司向Rolls Royce、Morganite和Courtaulds授予了该工艺许可。 碳纤维复合材料工业开端于20世纪70-80年代。碳纤维制造工艺发展过程中，美国、英国和日本进行了密切的合作。1970年，东丽与美国联合碳化物公司签署合作协议，获得美国联合碳化物公司的碳化技术，美国联合碳化物公司则代理东丽的碳纤维产品。1971年，东丽公司建立了12吨碳纤维生产线，并开始生产T300碳纤维，并且在1972年推出了第一个商业碳纤维复材产品——鱼竿。 1973年石油危机使得飞机迫切需要减少机身重量以减少燃料消耗，随后，波音、空客等飞机制造商开始探索碳纤维复材的应用。1982年，波音757、波音767和航天飞机开始使用T300碳纤维。CFRP进入了航空航天结构的工程应用，包括军用和民用飞机。20世纪80年代，凭借1000吨/年的单线生产能力，东丽已基本实现其现有产品系列的大部分，即初期的T300、中期的T800和T1000以及后期的M60J。随着碳纤维复材在飞机部件中的广泛应用，到1988年东丽碳纤维累计产量已超过1万吨。 碳纤维复材历经两次需求浪潮，第一次由航空航天领域带动。碳纤维复合材料的第一次应用浪潮出现在20世纪90年代至00年代，民航飞机制造商成功并逐步使用更多的碳纤维复合材料制造飞机机身，从而满足航空公司对降低燃油消耗、降低 CO2 排放和降低维护成本、延长设计寿命、通过零件集成降低工具和装配成本的要求。1990年，东丽的CFRP预浸料被波音公司用于波音777的主要机身结构。2003年，波音公司启动波音787项目，在机身和主要结构中大量使用CFRP（50wt%）；2005年，空客公司推出了A350 XWB项目，也大量使用CFRP（53wt%）。 图表6：波音767和波音787应用材料对比 碳纤维复材的第二次需求浪潮由非航空航天工业领域带动。21世纪10年代以来，碳纤维复合材料的应用从航空航天向非航空航天工业用途急剧扩展，并以大批量、低成本为特点。2007年，Zoltek与风力机OEM厂商维斯塔斯合作，在风机叶片中使用碳纤维。与玻璃纤维复合材料制成的叶片相比，在60米长叶片中采用碳纤维复合材料预计可减重38%，成本降低14%，并延长叶片寿命。2014年，东丽收购了Zoltek，Zoltek是全球领先的大丝束(＞50K)碳纤维供应商，其碳纤维产能将增加至3.5万吨/年。 图表7：碳纤维材料的需求 1.3我国碳纤维发展起步早，进入21世纪以来国内碳纤维产业实现快速发展 国内碳纤维产业发展起步与国外大致处于同一时期，但起步后发展缓慢，进入21世纪以来，国内碳纤维研发和应用实现快速发展。国内碳纤维产业发展大致经历了三个阶段： 第一阶段（20世纪60-70年代）：我国碳纤维的研究开发始于20世纪60年代。碳纤维作为重要的军工产品，被国外进行严格技术封锁。因此，我国碳纤维技术以自主研发为主。在我国碳纤维产业的起步阶段，代表性的企业及工艺主要有：1）吉林石化的硝酸法，代表了我国当时的最高水平；2）兰州化纤的硫氰酸钠法；3）榆次化纤的二甲基亚砜法。1974年7月，中国科学院山西煤炭化学研究所开始设计我国第一条碳纤维生产线，并于1976年建成，生产出的碳纤维拉伸强度2.8GPa，拉伸模量250GPa，断裂伸长率1.5%。该中试生产线通过国家鉴定和验收后，荣获1978年全国科技大会奖。随后，整体搬迁到中国石油吉林石化公司生产碳纤维，之后的研制工作缓慢向前，没有取得突破性进展。 第二阶段（20世纪70-90年代）：20世纪70年代，国产碳纤维质量比国外差，但差距不是很大，原国防科委主任开始主持碳纤维研发工作，先后组织了二十多名科研和企事业单位，组成原丝、碳化等五个专业组进行相关研究。但由于知识产权归属问题没有得到妥善解决、各部门之间利益难以协调，进展缓慢。在此之后的80年代中期，我国也陆续尝试走引进开发之路，但均以失败告终，差距愈来愈大，同期国外碳纤维质量得到大幅度提高，并进入大批量生产阶段，国内在80年代、90年代和21世纪初，一直在攻坚原丝质量和批量生产技术。 第三阶段（21世纪以来）：进入2000年，两院院士师昌绪提出要大力发展碳纤维产业，引起了政府的重视。至此，我国开始采取措施大力支持碳纤维领域的自主创新，在863、973计划中也将碳纤维作为重点研发项目。2005年，当时国内的碳纤维行业