国防军工：碳纤维产业以高性能和低成本两条路径并行，国内供应能力迅速提升

碳纤维按纤维数量可以分为小丝束和大丝束，按力学性能可以分为高强型、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领域，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以上的碳纤维，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。 碳纤维产业发展形成了高性能和低成本两条路径。1）在航空航天领域，碳纤维复材的性能提升促进了其大规模应用。高性能碳纤维旨在持续提升碳纤维强度、弹性模量，拓展碳纤维复材在航空航天的应用占比，例如碳纤维复材在飞机上的应用，早期20世纪80年代，只用作非承力构件，用量占比只有5%-6%，随着碳纤维复材性能提升，逐渐用作次承力构件和主承力构件，用量占比达到50%。2）在工业领域，碳纤维的成本降低促进了其大规模应用。20世纪90年代中后期，大丝束碳纤维技术取得重大突破，强度达到T300级，同时，大丝束碳纤维预浸料制备也取得突破。基于大丝束碳纤维采用民用腈纶原丝，并具有更高的生产效率，其成本仅为小丝束碳纤维的20%左右。 在风电叶片等需求牵引下，近年来国内大丝束碳纤维生产企业相继攻关，迎来了大丝束碳纤维发展热潮。 航空航天领域，第二代碳纤维渐成主流，随着国内武器装备发展以及国内双通道民航客机的发展，对第二代高性能碳纤维的需求有望快速增长。得益于第二代碳纤维的性能相比第一代碳纤维有显著提升，在装备结构中的用量占比或有进一步的提升，从而对第二代碳纤维的需求将远超第一代碳纤维。根据中航复材，国产T800H级高强中模碳纤维增强高韧性双马树脂基复合材料已在多个航空型号中完成或正在进行飞行验证，并正向其他航空型号推广应用；国产T1100级碳纤维增强双马树脂基复合材料在满足力学性能要求的基础上，也开始在多个航空型号上进行应用验证。 工业领域，国内碳纤维产能规划非常充足，国外大丝束碳纤维企业以并购扩大市场份额。根据《2023全球碳纤维复合材料市场报告》，2023年全球碳纤维的需求量为11.50万吨，国内碳纤维需求量为6.91万吨。从产能规划以及在建产能看，中复神鹰连云港将新增产能3万吨，宝武碳业子公司浙江宝旌将新增产能2万吨，恒神股份将新增产能2万吨，新创碳谷和上海石化2020年分别开始投建1.8万吨和1.2万吨碳纤维产能，新疆隆炬规划产能5万吨，仅以上在建、规划产能就达到了15万吨。国内碳纤维企业纷纷扩产或规划扩产，而在国外碳纤维产业发展过程中，收购整合是企业提升市占率和市场竞争力的重要途径。 工业碳纤维生产中，降本是提高市场竞争力的关键因素之一。据东丽官网介绍，Zoltek生产的PX35碳纤维基于丰富的纺织类前驱体和专有的高通量工艺，是市场上成本最低的商用碳纤维。国内，中复神鹰持续推进降本降耗，2023年公司连云港本部实现产品能耗再创新低，西宁基地单位碳纤维成本下降达20%；宝武碳业计划通过增加原丝生产提升利润率，2023H1，受碳纤维行业产能扩张竞争加剧及下游需求阶段性减弱和公司原丝对外采购成本较高影响，公司碳纤维业务出现亏损，公司规划两期共6万吨PAN基碳纤维原丝生产能力建设。 国内碳纤维产业相关上市公司包括航空航天和高端民用碳纤维全产业链企业光威复材、恒神股份，航空航天碳纤维领先企业中简科技，高端民用碳纤维企业中复神鹰、吉林化纤、上海石化等。 风险提示 航空航天、风电、体育休闲等行业需求不及预期；市场竞争加剧； 原油价格大幅波动；产品降价超出市场预期等。 1碳纤维产业发展以高性能和低成本两条路径并行 1.1碳纤维及其分类 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 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等领域，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以上的碳纤维，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2：碳纤维按纤维数量和力学性能分类 碳纤维的力学性能主要参考拉伸强度和弹性模量两个参数。拉伸强度指材料产生最大均匀塑性变形的应力，弹性模量指材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，比例系数称为弹性模量，可视为衡量材料产生弹性变形难易程度的指标。实践中，业内一般采用日本东丽（TORAY）分类法。 图表3：日本东丽的碳纤维牌号及其对应的拉伸强度和模量 航空航天碳纤维品类丰富，性能持续提升。日本东丽生产的各类碳纤维产品中，适用于飞机的碳纤维包括T300系列、T400系列、T700系列、T800系列和T1100系列。其中，T1100系列碳纤维拉升强度达到了7000MPa，拉伸弹性模量达到了324GPa，相比T300系列碳纤维3530MPa的拉伸强度和230GPa的拉升弹性模量分别提高了98%和41%。适用于航天宇航领域的碳纤维除了T700系列、T800系列、T1000和T1100碳纤维外，还包括M46JB、M55JB、M60JB等高模量碳纤维。 高模量碳纤维在航天领域有更好的适用性，相对于其他碳纤维，高模量碳纤维需要进行石墨化处理。高模量碳纤维除了具备轻质、高强、高模等特性外，耐受环境交变能力也突出，环境适应性强，而航天结构在发射过程中加速载荷大、振动剧烈，高模量碳纤维表现出更好的适用性。生产中，经过碳化工序（300-1600℃）得到的碳纤维一般具有较高的强度，高模量碳纤维需要在更高的温度下处理碳化后的纤维，使其从非结晶状态的碳转变成结晶状态的石墨，从而获得高模量，但与此同时，经过高温石墨化后碳纤维表面性能较差，需要进行表面改性，使其与基体材料之间具有较好的界面性能。 工业级碳纤维以低成本为主要竞争优势，应用于风能、汽车、海洋、储能、压力容器等领域。工业级碳纤维以Zoltek生产的PX35碳纤维为代表，在性能上达到T300级碳纤维的水平，在价格上，据东丽官网介绍，Zoltek生产的PX35碳纤维基于丰富的纺织类前驱体和专有的高通量工艺，是市场上成本最低的商用碳纤维。大丝束碳纤维基于其低成本优势，应用市场不断开拓，PX35碳纤维应用领域包括风电、汽车、建筑、海洋、储能、压力容器以及体育用品等领域。 1.2航空航天领域对碳纤维的性能需求持续提升 航空碳纤维复合材料至今已发展了三代。第一代碳纤维以日本东丽的T300或美国赫氏的AS4为代表，用于 F- 15战斗机方向舵、 F- 16战斗机垂尾蒙皮等； 在民航客机方面，20世纪70年代，波音和空客公司鉴定并认可T300碳纤维，作为复合材料增强体在飞机上应用后取得了明显的降低飞机重量、提高飞机性能的效果。 第二代碳纤维是日本东丽的T800或相当于T800碳纤维的IM7、IMA等，已成为航空主结构应用的主要材料。飞机机翼、机身等主承力结构件需要使用性能更高的碳纤维。T800H碳纤维强度较T300提高56%、模量提高28%。美国四代战机 F- 22在机翼、机身等主承力结构上大量采用高强中模IM7碳纤维和高韧性5250-4双马树脂的高性能复合材料,其结构用量达24.2%；波音B787民航客机机身和机翼主承力结构全部采用了T800/3900-2高韧性环氧复合材料；空客A350中央翼盒和机翼采用美国赫氏的 IMA/M21 高韧性环氧复合材料，复合材料结构用量达50%以上。 图表4：美国 F- 22飞机复合材料的应用部位 图表5：IM7碳纤维复合材料在 F- 22飞机中的应用 第三代碳纤维以美国赫氏的IM10、日本东丽的T1100G等为代表。第三代碳纤维以进一步降低结构重量、提高结构销量为目的，在军用、民用领域进行验证和推广，已成为碳纤维发展的主要方向之一。2010年，美国Hexcel公司在巴黎JEC复合材料展会率先推出强度6964MPa、模量310GPa的新型高强高模碳纤维IM10，后更改为强度6826MPa、模量313GPa；2014年１月，日本三菱公司推出了MR70碳纤维，强度7000MPa、模量324GPa；2014年3月，日本东丽公司通过碳化精细控制技术，在纳米层级内控制纤维结构，成功研发出T1100G碳纤维，其强度较T800H碳纤维提升20%，模量提升10%，2017年6月强度由6600MPa更新至7000MPa；2015年7月，日本东邦公司也推出T1100级别碳纤维(牌号TENAX XMS32)，强度6600MPa、模量324GPa。 图表6：部分军民机应用的碳纤维复材 在航空发动机领域，高性能商用航空发动机的复材用量占比近35%。复合材料已成为航空发动机的重要选材之一，重量比达发动机总重的近35%。自20世纪50年代以来，美国通用电器（GE）、英国罗-罗（R-R）、美国普惠（P&W）等多个先进航空制造商致力于研究采用先进复合材料制造发动机部件，已在发动机冷端部件的多个结构中实现应用，主要分布在风扇和短舱。1995年，美国GE公司研发的GE90系列发动机叶片是最早的铺层叶片，该叶片由400层IM7中长碳纤维增强8551-7环氧树脂预浸料经铺贴、模压固化而成。叶片性能稳定，累计飞行1000万小时以上后仅有3片叶片发生更换，为B747、B777客机提供了安全有力的动力保障。 图表8：先进树脂基复合材料在商用航空发动机上的应用 在航天领域，碳纤维复材在导弹、火箭、卫星等方面均有应用。导弹主要朝着射程远、高超速、制导精度高、突防能力强的方向发展，先进复合材料在导弹上的应用已经从次承力结构向主承力结构发展。采用复合材料，可以实现导弹轻量化，从而可以提高有效载荷或增加导弹射程。据统计，战术导弹每减轻1kg，可使射程提升15km。碳纤维复合材料在导弹中的应用涵盖固体火箭发动机壳体、舱段、舵面等结构，在导弹固体火箭发动机壳体上应用碳纤维增强复合材料，能够获取更高的推重比，提升发动机结构的可靠性和安全性。美国的PAC-3导弹发动机壳体采用IM7缠绕成型复合材料，战斗部壳体材料为T300树脂基复合材料； 区域高层防御导弹THAAD也采用了高强中模碳纤维树脂基复合材料作为发动机壳体材料，并在其拦截器舱体结构中使用了赫氏公司生产的高模高强碳纤维。 运载火箭方面，IM7碳纤维作为增强体的复材已有较多应用。日本的M-5火箭发动机壳体、法国的阿里安娜2型火箭、欧洲织女星运载火箭使用了IM7碳纤维增强复合材料。美国的大力神-4火箭的整流罩、级间段舱体、锥形尾舱承载结构、级间段蒙皮和锥形尾舱壳体均采用的是IM7/8552碳纤维复合材料。日本的H-2A火箭助推器使用T1000碳纤维增强复合材料。我国长征-11运载火箭全整流罩采用碳纤维增强复合材料，不仅降低了装配的难度，还提高了火箭的运载能力。 图表9：树脂基碳纤维复材在航天领域的应用 图表10：天龙三号全碳纤维整流罩 高模量碳纤维增强碳复合材料常用于人造卫星结构体、太阳能电池板和天线中。阿拉伯通信卫星和法国宇航公司的Sinosat2000、3000卫星的中心承力筒面板及加强框均采用了M55J等高模量碳纤维。法国的电信1号卫星、德国直播卫星、阿拉伯通信卫星以及瑞典通信卫星等的太阳电池阵，均在整个翼的管式框架上粘贴按±45°铺叠、纤维间距为3mm的高模量碳纤维/环氧复合材料的网格板。 在精密的支撑构件上，日本JERS-1卫星的壳体内部推力筒、仪器支架、支撑杆与分隔环都使用了高模量的M40J复合材料。 1.3工业级碳纤维以大丝束为主，成本优势明显