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

强于大市|维持 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 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 1628.54 52周最高 1628.54 52周最低 999.45 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， 证券研究报告：国防军工|深度报告 2024年11月6日 行业投资评级 2023-112024-012024-032024-062024-082024-11 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5周：军工行业三季报业绩承压，船舶板块保持较快增长》-2024.11.04 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。 目录 1碳纤维产业发展以高性能和低成本两条路径并行5 1.1碳纤维及其分类5 1.2航空航天领域对碳纤维的性能需求持续提升7 1.3工业级碳纤维以大丝束为主，成本优势明显11 2国内碳纤维供应：高性能碳纤维技术进步显著，大丝束碳纤维产能规划充足12 2.1航空航天领域碳纤维性能持续提升，技术进步显著14 2.2工业领域碳纤维供应能力大幅提升17 3碳纤维行业展望及相关标的19 4风险提示21 图表目录 图表1：聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产工艺示意图5 图表2：碳纤维按纤维数量和力学性能分类5 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6 图表4：美国F-22飞机复合材料的应用部位7 图表5：IM7碳纤维复合材料在F-22飞机中的应用8 图表6：部分军民机应用的碳纤维复材9 图表7：日本东丽高性能碳纤维代次图9 图表8：先进树脂基复合材料在商用航空发动机上的应用9 图表9：树脂基碳纤维复材在航天领域的应用10 图表10：天龙三号全碳纤维整流罩10 图表11：小丝束碳纤维和大丝束碳纤维制备过程成本对比11 图表12：国外主要大丝束碳纤维性能12 图表13：国内主要碳纤维厂商（2023年）14 图表14：国产T800H级碳纤维与东丽T800H碳纤维对比15 图表15：国产碳纤维与东丽相应牌号碳纤维性能对比15 图表16：2023年光威复材碳纤维业务收入结构（亿元）16 图表17：中简科技主要碳纤维产品17 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（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 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 分类方式类别具体用途/性能 按碳纤维数量分类 按力学性能分类 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 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 资料来源：日本东丽公司官网，中邮证券研究所 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 资料来源：《高性能碳纤维双马树脂复合材料在航空领域的应用》-李伟东等，中邮证券研究所 图表5：IM7碳纤维复合材料在F-22飞机中的应用 部位 零件名称 材料 工艺 蒙皮及边条 IM7/5250-4 热压罐 前机身 隔框及框架 油箱框架/壁 IM7/PR500IM7/PR500 RTMRTM 电子设备及侧阵列舱门 IM7/APC-2 热压罐 蒙皮 IM7/5250-4 热压罐 中机身 弹舱门蒙皮 IM7/APC-2 热压罐 弹舱门帽形加强件 IM7/PR500 RTM 后机身 上蒙皮 IM7/5250-4 热压罐 蒙皮 IM7/5250-4 ATL 中介梁