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

强于大市|维持 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 16% 11% 6% 1% -4% -9% -14% -19% -24% -29% 国防军工沪深300 投资要点 行业相对指数表现（相对值） 行业基本情况收盘点位 1428.91 52周最高 1557.78 52周最低 999.45 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3500MPa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%。 证券研究报告：国防军工|深度报告 2024年10月17日 行业投资评级 2023-102023-122024-032024-052024-082024-10 研究所 资料来源：聚源，中邮证券研究所 分析师:鲍学博 SAC登记编号:S1340523020002 Email:baoxuebo@cnpsec.com 分析师:马强 SAC登记编号:S1340523080002 近期研究报告 Email:maqiang@cnpsec.com 《中邮军工周报10月第2周：中航电 测调整2024年度日常关联交易预计金 额，第十五届中国航展将于11月12 日开幕》-2024.10.15 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。 目录 1碳纤维复合材料6 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6 1.2历经两次发展浪潮，应用领域不断拓宽8 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11 2需求：应用领域以航空航天、风电叶片、体育休闲等为主，航空航天市场规模占比超50%12 2.1碳纤维复材主要应用于航空航天、风电叶片、体育休闲等领域12 2.2国内碳纤维复材需求量约10万吨，武器装备、商用航空和低空经济领域成长空间广阔18 3供给：产业链各环节分工明确，航空航天碳纤维生产环节毛利率相对较高21 3.1碳纤维复材产业链21 3.2原丝及碳纤维：碳纤维的主要生产成本为制造费用23 3.3碳纤维复材成型：热压罐为航空复材零部件制造主流工艺，预浸料是复材成型的主要成本26 4相关上市公司30 5风险提示31 图表目录 图表1：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产工艺示意图6 图表2：碳纤维按原丝类型分类7 图表3：碳纤维按纤维数量和力学性能分类7 图表4：常用碳纤维复合材料与部分金属材料性能对比8 图表5：碳纤维复合材料的分类8 图表6：波音767和波音787应用材料对比10 图表7：碳纤维材料的需求10 图表8：全球树脂基碳纤维复材需求（千吨）12 图表9：2023年树脂基碳纤维复材需求量（万吨）13 图表10：2023年树脂基碳纤维复材市场规模（亿美元）13 图表11：航空航天领域不同机型碳纤维需求（吨）14 图表12：国内外民用客机先进复合材料应用情况14 图表13：复合材料在军机上的应用15 图表14：复材在无人机机体中的应用15 图表15：部分中、美无人机复合材料的使用情况15 图表16：2023年体育休闲领域分市场碳纤维需求（吨）16 图表17：体育休闲领域树脂基碳纤维复材的需求16 图表18：随叶片长度增加碳纤维主梁叶片的占比变化18 图表19：2023年中国树脂基碳纤维复材需求量（万吨）19 图表20：2023年中国树脂基碳纤维复材市场（亿元）19 图表21：C919全机材料使用示意图20 图表22：eVTOL对于复材结构件的应用20 图表23：国内碳纤维需求量（吨）21 图表24：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维复材产业链22 图表25：国内主要碳纤维厂商（2023年）23 图表26：碳纤维原丝生产工艺24 图表27：吉林碳谷原丝平均售价和成本（元/kg）24 图表28：吉林碳谷主营业务成本率25 图表29：不同厂商碳纤维单价（元/kg）25 图表30：各公司碳纤维产能投入情况26 图表31：各公司碳纤维生产成本率（2023年）26 图表32：碳纤维复材成型工艺27 图表33：2023年不同工艺树脂基碳纤维复合材料需求（万吨）28 图表34：佳力奇采购的预浸料均价（元/平方米）28 图表35：各公司预浸料生产成本率（2023年）29 图表36：国内航空复材零部件相关企业29 图表37：佳力奇材料成本（亿元）及成本率30 图表38：佳力奇的直接材料成本结构30 图表39：相关上市公司31 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（CarbonFiber）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 资料来源：中简科技招股书，中邮证券研究所 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3500MPa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 项目 聚丙烯腈（PAN）基 沥青基 粘胶基 抗拉强度 ＞3000Mpa 1800Mpa 2000-3000Mpa 抗拉模量 >250GPa 350GPa 410-560GPa 密度 1.75-1.98g·cm-3 1.6g·cm-3 2.0g·cm-3 断后延伸率 0.5-1.5% 1.0% 0.6% 优势 品质优异，工艺相对简单，产品力学性能优异，碳化效率高 原材料来源丰富，碳化效率高 高耐温性 劣势 成本较高 原料调制复杂，产品性能较低 碳化收率低，技术难度大，设备复杂，成本高 应用现状 已经为碳纤维市场主流 应用规模较小，主要用于体育 用品、工业滚轴、航空航天 主要用于耐烧蚀材料及隔热材料 资料来源：艾瑞咨询，中邮证券研究所 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 分类方式类别具体用途/性能 按碳纤维数量分类 小丝束丝束数量小于24K的碳纤维，主要用于国防军工、航空航天领域大丝束丝束数量大于等于48K的碳纤维，用于工业领域 按力学性能分类 高强型拉伸强度3500~<5000MPa，拉伸弹性模量220~<260GPa 高强中模型拉伸强度4500~<7500MPa，拉伸弹性模量260~<350GPa 高模型拉伸强度3000~<3500MPa，拉伸弹性模量350~<400GPa 高强高模型拉伸强度3500~<7000MPa，拉伸弹性模量350~<700GPa 资料来源：光威复材招股书，中复神鹰招股书，中邮证券研究所 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 材料名称 密度/(g·cm-3) 比强度/(107cm) 比模量/(109cm) 抗拉强度/MPa 拉伸模