碳纖維：風、光、氫、無人機，高性能碳纖維國產替代加速【56頁】

概況：輕量化、高性能、廣應用的新型材料

碳纖維具備無可比擬的材料優勢，應用領域及產業鏈覆蓋極廣

碳纖維是新一代輕量化高性能的軍民兩用技術密集型材料。碳纖維是單絲直徑為5-10微米、含碳量高于90%、由碳主鏈構成的無機纖維，由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸方向堆砌并在高溫環境下裂解碳化形成，既具有碳材料的固有本征特性，又兼備紡織纖維的柔軟可加工性。其優良性能包括低密度、高軸向強度與比性能、高耐化學腐蝕性、無蠕變、耐高低溫、低且各向異性熱膨脹系數、耐疲憊等，被譽為21世紀的“新材料之王”。

碳纖維大多作為增強材料與基體材料復合后以碳纖維復材的形式應用在輕量化/高強/高模/高韌性等領域。與基體材料（陶瓷、金屬、高分子等）復合后的碳纖維復合材料克服了單一組分材料的缺點，提高了整體材料性能，其密度、拉伸強度、拉伸模量、比強度、比模量范圍分別為1.5-2g/cm3、3500MPa、230-430GPa、1750-2333MPa?cm3/g、153-215GPa?cm3/g。在相同尺寸的結構件中，用碳纖維分別代替鋁/鈦/鋼將減重約35%/61%/77%，但其強度卻被提高至遠高于鋼材的水平（碳纖維復材的比強度、比模量分別是結構鋼的3-9倍、65-86倍），因此碳纖維及其復合材料被廣泛應運在能源設備、航空航天、國防軍事、土木工程、交通運輸、賽車運動以及其他體育休閑等領域中。

聚丙烯腈（PAN）基標模碳纖維是市場主流。碳纖維可以按照原絲類型、纖維形態、絲束規格、消費工藝、力學性能等標準進行分類，其中常用的三大分類維度是原絲類型、絲束規格和力學性能：1）按照原絲類型可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基、粘膠基等，其中PAN基碳纖維因消費工藝簡樸、原料來源豐富及優越的拉伸強度飛快占據市場（產量占有率約為91%）；瀝青基碳纖維保持約1000噸年產量（日、美企業均攤秋色）；粘膠基碳纖維基本停產（有可能完全退出碳纖維市場）。2）碳纖維的應用形態是纖維狀絲束，按照絲束規格可分為小、大、巨絲束，以一條絲束內碳纖維單絲的根數進行劃分，小絲束碳纖維包括1K、3K、6K、12K、24K等型號，大絲束碳纖維包括48K、60K、80K等型號（目前小、大絲束需求相稱），巨絲束包括100K及以上型號。3）按照力學性能可分為標模（拉伸模量約230-265GPa）、中模（拉伸模量約270-315GPa）和高模（拉伸模量大于315GPa）。

碳纖維產業鏈覆蓋廣，完整的碳纖維產業鏈包含從原油到終端應用的完整制造過程：上游企業首先從石油、煤炭、自然氣等化石燃料中制得丙烯，并經氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈經聚合和紡絲生成原絲之后，通過預氧化、低溫/高溫碳化等工藝步驟得到碳纖維；碳纖維可隨后被制成碳纖維織物、碳纖維預浸料（中間料）、碳纖維復材制件；產業鏈下游應用主要集中在風電、航空航天、體育休閑等領域。從全產業鏈來看，中游是核心環節，技術、資金、裝備、產品質量門檻高。

碳纖維產業鏈中游是核心環節，技術、資金、裝備、產品質量門檻高

原絲是消費高品質碳纖維的要害，其成本約占碳纖維消費成本的51%。通常碳纖維的強度顯著依靠于原絲的微觀形態結構及其致密性，原絲品質缺陷（表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結等），在后續加工中很難消退。而原絲成本一般占碳纖維消費成本的51%左右，高質量原絲用量與碳纖維產出比約為2.2:1，有效產率約為45%，而低質量原絲用量與碳纖維產出比約為2.5:1，有效產率僅為40%。低質量原絲必然增加碳纖維的消費成本，原絲制備能力將直接影響未來碳纖維的競爭格局。

溶液紡絲法是原絲消費的大前提，不同環節多種細分工藝并存。按成纖高聚物的性質不同，紡絲辦法可分為熔體紡絲法和溶液紡絲法（即熔液紡絲法）兩大類及十分規的紡絲辦法，但由于聚丙烯腈（即PAN）在220-300oC時會軟化分解，在熔體紡絲過程中處于不穩定狀態，因此溶液紡絲更實用于碳纖維原絲的消費，即將成纖高聚物溶解在某種溶劑中，制備成具有相宜濃度的紡絲溶液，再將該紡絲溶液從微細的小孔吐出進入凝固浴或是熱氣體中，高聚物析出成固體絲條，經拉伸——定型——洗滌——干燥等處理即可得到成品纖維。在溶液紡絲法的制造大前提下，按照紡絲溶劑的挑選、聚合工藝的連續性、紡絲原液的凝固方式等，可對溶液紡絲法進一步細分：紡絲溶劑：有機溶劑包括DMSO（二甲基亞砜）、DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）、DMF（N,N-二甲基甲酰胺）；無機溶劑包括NaSCN（硫氰酸鈉）等；聚合工藝的連續性：可以分為一步法、兩步法來制備紡絲溶液；紡絲原液的凝固方式：干法紡絲、濕法紡絲和干噴濕紡（即干濕法紡絲）。

原絲工藝壁壘在于聚合環節，一步法和兩步法各有優缺點。聚合物的分子量及其分布不僅直接影響紡絲液的流變性和可紡性，還在肯定程度上影響PAN原絲的性能和質量，具有較高的分子量以及合適的分子量分布是消費優質PAN原絲的基本要求。一步法采用均相溶液聚合工藝，聚合紡絲一條線，工序較少，操作性強，可控性好，產品起步性能高，但膠狀PAN不易保存，更合適連續平穩的消費，成本較高。兩步法消費工藝額外增加水洗過濾步驟以去除聚合物中的雜質和各種金屬離子，進而提高紡絲原液聚合物分子量和濃度上限，其粉末狀PAN純度較高且儲存周期長。兩步法聚合工藝可完成連續進料、耗時短，并且由于聚合釜大（水相反應更均勻）能完成更大的產量，但產品起步性能低。因此，一步法與兩步法不能簡樸對比評價，聚合工藝的挑選需要綜合研判。

碳纖維消費流程復雜，技術要害點多，預氧化是核心。碳纖維消費全過程連續走絲，觸及3000多個工藝點，任何一道工序出現些許問題都會影響消費的穩定性和最終產品的質量。原絲到碳纖維制成的中間環節包括預氧化、碳化、石墨化（非必要，制備高模碳纖維的額外步驟）、表面處理、上漿、烘干等步驟：1）預氧化主要包含PAN分子鏈上的側基—C≡N環化交聯過程，即PAN分子鏈由原來的熱塑性線形結構轉變成非塑性耐熱梯形結構，同時抑制熱解小分子的產生以提高碳纖維的性能和碳化收率，保證PAN原絲在預氧化過程中形成適合的環化結構是獲得理想碳纖維的最基本因素；此外，預氧化工夫占碳纖維總消費工夫的90%左右，極大程度上控制著碳纖維的質量和產量；2）預氧化和后續的碳化/石墨化環節是制備高性能碳纖維的要害，直接決定碳纖維的強度和模量；3）表面處理影響碳纖維性能的施展；4）上漿可形成有機保護層，減少碳纖維起毛斷絲現象。

原絲和碳纖維消費裝備要求高。原絲到碳纖維消費過程中用到的裝備較多，主要有：原絲裝備（聚合釜、噴絲板等）、紡絲裝備（碳纖紡絲機、蒸氣牽伸機、水洗機等）、預氧化裝備（預氧化爐、前期驅動裝置）、碳化爐（分為低暖和高溫碳化爐，與之配套的是非接觸式迷宮密封裝置、加熱系統、廢氣排出和處理系統以及牽伸裝置）、石墨化爐等。整體來看，1）原絲消費裝備目前國產化程度低，碳纖維消費裝備目前部分廠商仍舊運用進口裝備，進口裝備與國產裝備在T700級別性能沒有明顯差異，真正差距在更高級別；2）原絲單萬噸裝備投資為2.1-2.2億，其中聚合釜占1.5-1.6億，碳纖維消費單萬噸裝備投資（針對風電用碳纖維）約為7億，其中爐體占50%；3）裝備部分進口、部分國產對產品的一致性有影響，兼容設想需要運行經驗。

中游碳纖維制造廠商原絲及碳化工藝指標差距較大，東麗技術領先全行。目前，國內外碳纖維重點企業均以自制原絲為主，以日本東麗為首的多數企業采用以DMSO為溶劑的一步法聚合工藝。噴絲凝固工藝方面，干噴濕紡法較濕紡存在明顯的效率優勢，其中日本東麗的干噴濕紡法紡速領先，達700m/min，海內企業大多把握干噴濕紡法，其中光威復材及中復神鷹原絲紡速可超500m/min。碳化階段，海內企業碳化線速約為10-13m/min，碳化單線產能最高達3000噸/年，接近日本東麗4000噸/年的單線產能。成型工藝方面，日本東麗公司成型工藝儲備領先行業，能夠根據客戶需求開發成型工藝。海內企業對纏繞成型的把握度較高，熱壓成型、RTM、模壓成型技術亦逐漸成熟。

碳纖維復材成型工藝的挑選，必須同時滿意材料性能、產品質量和經濟效益等多種因素。碳纖維制品的制成一般會經歷原絲制備、碳纖維制造、（織物/預浸料）、復材制件消費三大（或四大）環節。碳纖維（或織物）與樹脂、陶瓷等材料結合后，便可形成碳纖維復材，隨后經成型工藝加工即可得到下游應用的最終產品。碳纖維復材成型工藝主要分為兩類：1）預浸料鋪放成型，即消費預浸料后通過壓力罐或其他模具，在肯定溫度和壓力下壓擠成型；2）不需要消費預浸料型，直接將碳纖維（或織物）和樹脂混雜在模具內成型。碳纖維復材消費各種工藝的成本、用途均不同，但對裝備投資要求較高，且與下游應用聯系深刻，復材消費裝備包括熱壓罐、固化爐、復合材料數控下料銑、激光鋪層定位系統、自動鋪帶機、RTM成型裝備、縫合裝備以及無損檢測裝備等，多由美國公司壟斷，海內部分企業在自動化鋪放工藝的工程化應用方面取得了較大突破。

需求：風光氫合力推動碳纖維進入黃金發展期

我國碳纖維需求增速遠超全球，是全球最大需求市場。盡管疫情對航空業造成的打擊嚴峻影響了相關領域碳纖維的需求，2020、2021年全球碳纖維的需求量仍舊達10.7和11.8萬噸，市場規模分別為26.2、34.0億美元。2021年我國碳纖維的需求量和市場規模分別為6.2萬噸和15.9億美元，同比增長27.7%和54.7%，而2021年全球碳纖維的需求量和市場規模僅同比增長10.4%和30.1%。此外，2016-2021年中國碳纖維的需求量和市場規模CAGR分別為26.1%和26.9%，遠超全球的9.1%和9.9%，作為碳纖維第一大需求國，中國市場已然在全球占據舉足輕重的地位。

我國碳纖維應用分布具有本國特色，與全球差異較大，未來將持續朝航空航天邁進。全球碳纖維前三應用領域觸及風電葉片、體育休閑和航空航天，而我國最大碳纖維需求端來源于風電葉片，其2021年需求量為2.25萬噸，占我國碳纖維需求比例的36.1%，第二、三應用領域來源于體育休閑（28.1%）和碳/碳復材（11.2%），航空航天領域碳纖維需求（3.2%）遠遠低于全球（14.0%），其主要原因是海內碳纖維消費技術有限，無法批量供給T800強度以上的小絲束碳纖維。2016-2021《全球碳纖維復合材料市場報告》（廣州賽奧）顯示，2016至2021年我國碳纖維需求量占全球比例分別為26%/28%/33%/36%/46%/53%，而我國碳纖維市場規模占全球比例分別為23%/24%/28%/29%/39%/47%，低于碳纖維需求量占比，表明目前我國碳纖維需求結構偏低端，產品均價較低，伴著未來我國碳纖維在航空航天等高端領域的拓展，碳纖維需求結構將向高端化邁進。

風機大型化趨勢推動碳纖維復材浸透率提高

風電行業延續高景氣度，中國市場表現亮眼（新增裝機量占比約50%）。全球低碳經濟蓬勃發展，風電行業活躍度極高，2021年全球風電新增裝機總量為93.6GW，其中陸風和海風新增裝機量分別為72.5GW和21.1GW，海風增速達208%；較于2020年全球95.3GW的新增裝機總量，同比下降1.8%，主因是中國陸風搶裝結束，裝機量高位回落。我國在全球風電市場表現亮眼，近三年新增裝機總量占全球比例50%上下。我們猜測2025年全球風電新增裝機量有望達136GW，陸風和海風分別為100和36GW，其中中國市場將分別占據57和17GW。

風機大型化兼備效率和經濟效益，是風電發展主流趨勢。風機大型化一方面可以增大掃風面積，提高發電功率，另一方面，單機容量/功率的增長使得相同風力容量項目所需風機臺數減少，有助于升高平分建設成本以及后期運維成本。國際風力發電網2021年數據顯示，以一個100MW中國陸地風場為例，單機功率從2MW上升到4.5MW，靜態投資從6449元/kW下降到5517元/kW，項目全投資IRR上升2.4%，LCOE下降13.6%。

具備高比強度、比模量的碳纖維復材在風機大型化發展中具有不可替代的優勢。在風機大型化的主流趨勢下，利用碳纖維復材替代傳統材料的優勢在于：1）升高凈重（減小單位功率重量），起到節約零部件采購成本的作用，推動風機降本（風機的主要成本來源于零部件原材料，原材料的定價方式多數是以重量計價，而葉片原材料又在其中占比最大，達23.3%）；2）提高風電葉片的彎曲剛度、緩解疲憊特性，更耐惡劣氣候條件；3）使離心風機的功率更平滑更平衡，提高風力應用效率；4）利用碳纖維的導電性能防止雷擊對風機的損害等。

Vestas碳纖維主梁可使用于兆瓦級的葉片，不僅擴展了碳纖維的運用范圍，并且推動了碳纖維風電葉片的低成本化。2015年以前，風電葉片大梁所用碳纖維主要采用預制體/環氧樹脂灌注成型或預浸料鋪貼真空袋壓固化成型工藝，部分采用小絲束碳纖維，應用規模相對較小且平均成本較高，因此碳纖維應用比例偏低。自2016年起，Vestas拉擠梁片工藝獲得突破，其設想理念是把整體化成型的主梁主體受力部分拆分為高效低成本高質量的拉擠梁片標準件，再把標準件一次組裝整體成型。拉擠工藝大大提高了纖維體積含量（可達69%），升高了主體承載部分的重量，并且通過標準件的消費方式提高了消費效率，升高消費和運輸成本。Vestas碳梁專利保護在2022年7月19日到期，這意味著其他風電葉片制造商將可以不受限制地推出應用碳梁的風電葉片產品，風電用碳纖維（尤其是大絲束）有望開啟加速。

在以下假設下：1）CWEC《GlobalOffshoreWindReport2021》顯示，2020年陸風/海風單機的平均功率為2.5/6.0MW，鑒于風電機組逐漸大型化（即單機平均功率提升），且海風單機的功率、尺寸通常大于陸風單機，結合《Expertelicitationsurveypredicts37%to49%declinesinwindenergycostsby2050》（RyanWiser、JosephRand、JoachimSeel等）猜測的2035年陸風/海風單機的平均功率為5.5/17.0MW，以2020-2035年15年陸風/海風單機容量提升的CAGR分別為5.40%和7.19%為基準，我們猜測2025年陸風/海風單機的平均功率分別為3.3/8.5MW；

2）據《國產碳纖維在風電葉片產業中的機會》（沈真），當風輪直徑大于80米（即單機功率大于1.8MW）時，運用碳纖維替代玻璃纖維才具有可行性，CWEC《GlobalWindReport2022》顯示全球風機平均風輪直徑自2010年起已達82米，且在2020年增至120米；

3）據GWEC數據，2020和2021年全球陸風/海風新增裝機量分別為88.4/6.9和72.5/21.1GW，而廣州賽奧統計的全球風電用碳纖維需求總量在2020和2021年分別為3.06和3.30萬噸，計算可得1GW陸風/海風裝機需要約343/37噸碳纖維。中科院寧波材料所錢鑫博士在《風電應用急劇增長致使中國成為碳纖維最大需求方，頻頻擴產將對日企構成威脅》一文中估算認為至少需要1噸碳纖維才能制造充足的風機葉片來產生1MW的功率，則1GW風電裝機對應1000噸碳纖維運用量，這意味著當前碳纖維在全球陸風/海風裝機中整體浸透率僅為34%和4%左右。MAKE數據顯示2015年2.0-2.99MW風機中碳纖維的浸透率為16%，而4.0-8.0MW風機中碳纖維浸透率為0%，同時MAKE認為2021年3.0-4.0MW風機中碳纖維浸透率可達39%，8.0-10.0MW風機中碳纖維浸透率可達43%，因此我們假設2020年碳纖維在陸風/海風裝機中整體浸透率分別為35%和5%，且由于海上風機面臨的惡劣天氣情景更為顯著，而碳纖維具有良好的耐化學腐蝕性，因此碳纖維在海風裝機中浸透率的提升會更快，假設陸風/海風浸透率將逐年分別提升5/10pcts，并在2025年分別達60%和55%；

4）結合3）中“至少需要1噸碳纖維才能制造充足的風機葉片來產生1MW的功率”，我們預計2020年陸風2.5MW/海風6.0MW單臺風機的葉片碳纖維運用總量分別為2.5/6.0噸，伴著風機的大型化，預計單臺風機的葉片碳纖維運用總量在2025年分別達3.3/8.5噸；5）廣州賽奧數據顯示2020、2021年風電領域碳纖維均價分別為14和16.8美元/kg，鑒于2022年碳纖維價格走勢，我們預計2022年T300級風電用碳纖維均價將下降5%左右，而碳纖維擴產項目落地投產將帶來消費規模化效應，因此我們預計碳纖維單價將從2023年起每年下行7%，2025年風電領域碳纖維均價將達12.8美元/kg；結合以上假設及陸風/海風新增裝機量數據，我們預計2022-2025年全球風電領域碳纖維需求量分別為4.0/5.0/6.5/8.0萬噸，2022-2025年需求量CAGR為25.8%；我們預計2025年全球風電領域碳纖維市場規模可達10.2億美元，2022-2025年市場規模CAGR為17.0%。

性能優異的IV型儲氫瓶帶動碳纖維需求

氫燃料電池車的發展將帶動高壓儲氫瓶碳纖維需求的增長。高壓氣態儲氫（采用高壓將氫氣壓縮到耐高壓的容器里）是目前最常用并且發展比較成熟的儲氫技術，根據安全制造材質和工藝，氣瓶一般分為四型：I型是金屬氣瓶；II型是金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶；III型是金屬內膽纖維全纏繞氣瓶；IV型是非金屬類的纖維全纏繞氣瓶。當前市場氫燃料車的儲氫瓶以III型和IV型為主，較于III型儲氫瓶，IV型儲氫瓶具有輕量化、高儲氫密度等特點，且體積容量多10%，成本卻僅為III型的63-67%，因此IV型未來有望取代III型儲氫瓶。而IV型儲氫瓶的碳纖維應用比例因高壓而高于III型，IV型儲氫瓶的發展將進一步推升碳纖維需求，而大絲束碳纖維的纏繞效率是小絲束的3-4倍，在大絲束性能有所突破的前提下，其需求將同步提升，但當前以T700級小絲束為主。

在以下假設下：1）根據國家發展改革委編制的《氫能產業發展中長期規劃（2021-2035年）》，2025年氫燃料電池車保有量約5萬輛，基于此我們猜測2022-2025年我國氫燃料電池車產量為5000/8000/12000/16000輛；2）當前氫燃料電池主要應用在商用車領域，2020年我國商用/乘用車占氫燃料電池車總量的100%和0%，高工氫電網數據顯示2021年我國商用/乘用車比例分別約為99%和1%，鑒于乘用車氫燃料電車將逐步普及，我們假設乘用車占比以每年1%的增速增長至2025年的5%，而商用車將逐年以1%的減速降至2025年95%的比例；3）廣州塞奧數據表明，商用車通常攜帶6-8個儲氫瓶，電池中國網數據表明，乘用車通常攜帶2-3個儲氫瓶，我們假設商用/乘用車儲氫瓶平均數量分別為7/2.5個；4）每輛氫燃料電池汽車至少攜帶5-6kg氫氣，中國儲能網數據顯示，每70MPa/5.6kg的IV型儲氫瓶的碳纖維增強樹脂基復材用量為62-72kg，在碳纖維占復材體積含量60%（質量含量約為66.7%）的前提下，單個儲氫瓶碳纖維平均用量約為45kg；

5）氫智會、氫云鏈、中國汽車工業協會、韓國國土交通部、次時期自動車振興中央等數據顯示，2019/2020/2021年全球氫燃料電池車保有量分別為24132/33398/49562輛，可得2020/2021年全球氫燃料電池車產量分別為9266/16164輛。中國汽車工業協會顯示我國2020/2021年氫燃料電池車產量分別為1199/1777輛，計算可得占全球比例分別為12.9%和11.0%。鑒于我國積極推進氫能及氫燃料電池汽車產業發展并且在世界氫燃料電池車產業中占據重要地位，我們樂觀推測我國燃料電池車占全球比例在2022-2025年分別為19%/23%/27%/30%，2025年占比僅同比提升3pcts是由于2025年我國新增氫燃料電池車產量有所放緩；6）據廣州塞奧猜測，2022年儲氫瓶占壓力容器比例約為63%，由于呼吸氣瓶和CNG氣瓶增長較為穩定，遠低于儲氫瓶增速，我們認為儲氫瓶占比會逐年提高，假設2020-2025年儲氫瓶占壓力容器比例分別約為37%/50%/63%/68%/70%/72%；7）廣州賽奧數據顯示2020、2021年壓力容器領域碳纖維均價分別為20、24美元/kg，鑒于2022年碳纖維價格走勢，我們預計2022年T700級碳纖維均價將下降1%左右，而碳纖維擴產項目落地投產將帶來消費規模化效應，但T700級碳纖維價格降幅會低于T300級碳纖維，因此我們預計碳纖維單價將從2023年起每年下行2%，2025年壓力容器領域碳纖維均價將達22.4美元/kg；結合以上數據及假設對商用/乘用車碳纖維需求進行求和，我們預計2022-2025年全球儲氫瓶和壓力容器領域碳纖維需求量分別為0.8/1.1/1.4/1.6萬噸和1.3/1.6/1.9/2.3萬噸，2022-2025年需求量CAGR分別為25.7%和20.2%；我們預計2025年全球儲氫瓶和壓力容器領域碳纖維市場規模分別可達3.6和5.1億美元，2022-2025年市場規模CAGR分別為23.2%和17.8%。

碳/碳復材作為熱場系統的主要耗材受益于光伏產業高景氣

碳基復合材料應用領域廣闊。先進碳基復材是指以碳纖維為增強體，以碳或碳化硅等為基體，以化學氣相沉積或浸漬等工藝形成的復合材料，主要包括碳/碳復合材料產品和碳/陶復合材料產品等。除光伏熱場外，碳基復合材料還可應用于半導體熱場、剎車制動、密封耐磨、耐腐蝕等領域應用，但在半導體熱場領域，碳基復材占比遠低于石墨。

光伏行業的快速發展推動碳/碳復材需求快速增長。全球光伏硅片產量持續增長，自2013年的38.4GW增長至2021年的170GW，八年間CAGR為20.4%。據CPIA猜測，2025年全球光伏新增裝機量將在270-330GW之間，對應2021-2025年CAGR在12.3%-18.0%之間。硅片可由單晶拉制爐、多晶鑄錠爐制造，碳/碳復材又是單晶拉制爐、多晶鑄錠爐熱場系統的耗材，因此受益于光伏行業，碳/碳復材需求有望保持快速增長。

碳/碳復材在晶硅制造熱場系統中浸透率逐步提升，直拉單晶硅工藝目前是市場主流。光伏行業發展早期，即2005年之前，晶硅制造熱場系統（主要包括單晶拉制爐、多晶鑄錠爐）部件主要是以等靜壓石墨等特種石墨為主，伴著N型電池的發展、N型硅片需求的增長，碳/碳復材產品因技術、性能、成本、供貨周期等優勢，在熱場系統中的浸透率逐步提升，成為晶硅制造熱場系統的主要耗材。此外，單晶硅在與多晶硅競爭多年后，逐漸淘汰多晶硅的市場，消費單晶硅的直拉單晶硅工藝已成為主流。

直拉單晶硅工藝對碳/碳復材的需求來自三方面。單晶拉制爐的主要消耗品部件為坩堝、加熱器、導流筒、保溫筒等，其需求主要分為新增需求、替換需求和改造需求：1）新增需求：新增單晶爐裝機帶來的需求；2）改造需求：通過熱場改造以提升原有裝備消費效率來順應硅片發展趨勢；3）替換需求：在單晶爐不更換的情景下，消耗件因運用壽命問題需定期更換。

在以下假設下：1）光伏電站容配比：假設2020-2025全球光伏電站容配比為1.2；2）新增產能中單晶硅片占比：據CPIA數據，2020年全球新增硅片產能中單晶硅片占比為90%，單晶硅片浸透率呈逐年上升趨勢，假設2021-2025年單晶硅片占比分別為95%/98%/100%/100%/100%；3）單晶硅片產能利用率：據CPIA數據，2020年全球光伏硅片整體產能利用率為68%，且2013-2020年的整體產能利用率在68%-86%之間浮動。我們預計2020、2021年單晶硅片產量分別約為140和194GW，而CPIA數據顯示2020、2021年單晶硅片產能為199.8和339GW，由此測算2020、2021年單晶硅片產能利用率約為70%和57%。伴著硅片向大尺寸迭代、新進入者入局帶動新一輪擴產，硅片環節競爭趨于激烈化，且由于疫情導致的全球開工率不足、終端需求疲軟等因素，產能利用率可能進一步下降，我們猜測未來幾年單晶硅片產能利用率逐年升高2pcts，到2025年降至49%；

4）當年單晶硅片新增產能：當年單晶硅片總產能與去年單晶硅片總產能的差值；5）單晶硅片產能存量改造比率：鑒于單晶硅片產能中老產能可通過技改晉級為兼容產能，同時考慮到裝備優化迭代放大新建產能成本優勢，我們假設2021-2025年單晶硅片產能存量改造比率穩定在10%；6）單GW所需單晶爐臺數：據金博股份關于向特定對象發行股票申請文件的審核問詢函的回復，單GW產能所需單晶拉制爐約75-80臺，我們假設2020年單GW產能所需單晶爐臺數為80臺，伴著技術的晉級，我們猜測單GW所需單晶爐臺數將逐年遞減，并在2025年達65臺；

7）新建單晶爐碳/碳復材需求：據金博股份關于向特定對象發行股票申請文件的審核問詢函的回復，新建單晶拉制爐對碳基復材熱場部件的需求約為270kg/臺；8）單晶爐替換碳/碳復材需求：在單晶拉制爐不更換的情景下，碳/碳熱場消耗件因運用壽命問題需要定期更換，據金博股份關于向特定對象發行股票申請文件的審核問詢函的回復，每臺單晶拉制爐對碳基復材熱場部件的替換性需求約為225kg；9）光伏熱場碳/碳復材總需求：新增、改造、替換需求的總和；10）碳/碳復材碳纖維質量占比：《ElectricalBehaviorofCarbonFiber/PhenolicCompositeduringPyrolysis》（WillianeOliveiradeSouza、KledermonGarcia、ChristianFredericodeAvilaVonDollinger等）和《Effectoffiberweightfractiononmechanicalpropertiesofcarbon–carboncomposite》（PadmayyaShaniyaraNaik、SurendranathanAttakuliOrangalu、NeelakanthaV.Londhe）研究顯示碳纖維復材中碳纖維質量占比浮動范圍為30-73%，因此我們假設碳/碳復材中碳纖維質量占比為65%；

11）據我們的產業調研，光伏熱場碳/碳復材占碳/碳復材比例在近年較高且逐年提升，假設2020-2022年占比分別為55%/65%/80%，但在航天、剎車盤碳/碳復材需求帶動下，光伏熱場碳/碳復材占比將會在中長期升高，我們猜測2023-2025年光伏熱場碳/碳復材占比分別為75%/70%/65%；12）碳/碳復材領域碳纖維均價：廣州賽奧數據顯示2020、2021年碳/碳復材領域碳纖維均價分別為18、21.6美元/kg，鑒于2022年以來的碳纖維價格走勢，我們預計2022年T700級碳纖維均價將下降1%左右，而碳纖維擴產項目落地投產將帶來消費規模化效應，但T700級碳纖維價格降幅會低于T300級碳纖維，因此我們預計碳纖維單價將從2023年起每年下行2%，2025年碳/碳復材領域碳纖維均價將達20.1美元/kg；結合以上數據及假設，我們預計2022-2025年全球光伏熱場和整體碳/碳復材領域碳纖維需求量分別為1.1/2.1/2.7/3.7萬噸和1.4/2.8/3.9/5.7萬噸，2022-2025年需求量CAGR分別為48.2%和58.8%；我們預計2025年全球光伏熱場和整體碳/碳復材領域碳纖維市場規模分別可達7.4和11.4億美元，2022-2025年市場規模CAGR分別為45.2%和55.6%。

航空航天領域軍民兩用需求持續釋放

碳纖維正推動航空航天邁入輕量化時期，減重兼備功能和經濟效益。碳纖維復材最大優勢在于減重，軍用飛行器方面，減重一方面可以節省燃料，另一方面還可以提升飛行作戰半徑，提高其戰場生活能力和戰斗能力；而民用飛行器方面，減重可以節省燃料，并提高航程和載重能力，具有顯著的經濟效益。同時碳纖維復材還克服了金屬材料易疲憊和易腐蝕的缺點，其良好的成型性促使結構設想和制造成本下行，是大型整體化結構的理想材料。碳纖維復材在航空領域應用大致可分為三類：①應用在受力不大或非承力構件階段(如舵面、口蓋等)；②應用在次承力或承力較大構件階段(如機翼等)；③應用在主承力構件或復雜受力構件階段(如機身、中心翼盒)等。2）航天領域應用主要觸及衛星、宇航器，航天動力系統等。航空航天領域對碳纖維的需求主要來自兩大方面，一是不斷提高的碳纖維復材的應用比例，二是新增的飛機和導彈等訂單。

航空領域

軍機領域

碳纖維復材的應用程度是衡量軍機先進程度的重要指標之一，海內外軍機碳纖維復材應用比例已大幅提升至近30%及以上。碳纖維復材在軍機的應用研究始于上世紀70年代，以美國軍機為例，Mirage-2000戰機碳纖維復合材料用量僅7%，到F-22和F-35為代表的第四代戰斗機上碳纖維復合材料用量分別達24%和36%，目前國外軍機上碳纖維復材用量在20%-50%之間。對比海內，以我國戰斗機殲系列為例，碳纖維復合材料用量從殲-8的1%，逐漸擴大到殲-10的6%和殲-11的10%，殲-20用量已高達27%。

預計未來我國軍機至少還有1萬架上升空間，其中新增三代及以上殲擊機的需求在3000-3500架左右。《WorldAirForcesdirectory2022》（FlightGlobal）數據顯示，2021年我國軍用飛機數量總數為3285架，相較于美國（13246架）和俄羅斯（4173架）具有肯定的差距，若看齊美國軍用飛機總數，我國至少有1萬架的上升空間。目前我國殲擊機以二代和三代為主，而美國現役殲擊機以三代機和四代機結合為主。我國軍機正處于更新換代的要害時代，老舊機型將逐漸退役，若對標美國，則未來我國新增三代及以上殲擊機的需求在3000-3500架左右。

預計未來我國三代及以上殲擊機帶來的新增碳纖維需求約5000噸。伴著海內軍機列裝提速和單機碳纖維用量的提升，軍用碳纖維將成為未來空間較大的一部分。假設1）未來我國新增三代及以上殲擊機的需求中45%來自于J-10/J-11/J-16機型，55%的需求來自于J-20；2）J-16的碳纖維復材比例介于J-10和J-20之間，約為15%，則新增三代及以上殲擊機對應碳纖維總需求量為5082噸。

$中簡科技(SZ300777)$$光威復材(SZ300699)$$中復神鷹(SH688295)$

民機領域

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無人機領域

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供應：行業集中度高，我國產能擴張加速國產替代

2022年碳纖維供需整體持平，預計2025年供需缺口2.5萬噸

全球碳纖維產能穩步擴張，2015-2021年產能擴張CAGR+7.5%。2015-2020年全球碳纖維產能利用率整體在70%上下波動，但2021年過快的產能擴建速度致使產能利用率下滑。廣州奧賽數據顯示，2020、2021年全球碳纖維運行產能分別為17.2和20.8萬噸，同比增幅達21%，以2015年13.5萬噸的全球碳纖維運行總產能為基準，則2015-2021年CAGR+7.5%，其中，2021年全球十強廠家包含了吉林化纖集團、中復神鷹與寶旌三家中國大陸企業。由于碳纖維基本需求面長期旺盛，相關制造商積極擴產，全球產能擴張節奏整體穩健。

中長期碳纖維供需缺口仍將持續存在，預計2025年缺口2.5萬噸。2021年起碳纖維供需平衡的情景被打破，逐漸呈現供不應求的態勢，盡管目前碳纖維廠商紛紛宣布擴產計劃，但擴產計劃到項目建成落地之間仍有較多阻礙需要克服。結合各個廠商擴產的可行性與當前進度，在以下前提下：①僅統計可行性高的擴產項目，可行性高項目指項目已開工并有望建成投產；②項目建成與滿產之間需要爬坡，根據項目建成工夫給予不同項目當年產能利用率為50%或70%或100%，我們預計1）2022年全球碳纖維需求和產量分別為13.8萬噸和14.1萬噸，整體呈現供需持平情景；2）較于2021年，2023年將有較大產能集中投放，2023年全球碳纖維產量將達17.5萬噸，略高于16.6萬噸的需求，碳纖維均價于2023年仍將走低；3）2025年全球碳纖維產量將達23.5萬噸，供需缺口達2.5萬噸，中長期維度碳纖維賽道仍舊景氣。

若統計包含可行性較高擴產項目，中長期維度碳纖維產量或將略高于需求。在以下前提下①統計的擴產項目涵蓋可行性高和較高項目，可行性較高項目指項目已開工但產線開車需要工夫驗證，或廠商已具備成熟碳纖維消費經驗但目前僅宣布相應碳纖維擴產規劃目標；②項目建成與滿產之間需要爬坡，根據項目建成工夫給予不同項目當年產能利用率為50%或70%或100%，我們預計1）可行性較高擴產項目將在2023年額外新增0.20萬噸產量，2023年全球碳纖維產量將達17.7萬噸，高于16.6萬噸的需求；3）可行性較高擴產項目將在2025年額外新增2.83萬噸產量，2025年全球碳纖維產量將達26.3萬噸，略高于26.0萬噸的需求。

若統計包含所有碳纖維擴產項目，則2025年全球碳纖維產量將達46.1萬噸，或不能實在反映產量趨勢。在以下前提下①統計的擴產項目涵蓋可行性高、較高及其余擴產項目，其余擴產項目指廠商僅宣布相應碳纖維擴產規劃目標，但未見項目開工，或廠商建設進程受疫情或其他負面擾動較大，或廠商為新進入者；②項目建成與滿產之間需要爬坡，根據項目建成工夫給予不同項目當年產能利用率為50%或70%或100%，我們預計1）其余擴產項目將在2023年額外新增0.45萬噸產量，2023年全球碳纖維產量將達18.2萬噸，高于16.6萬噸的需求；3）其余擴產將在2025年額外新增19.8萬噸產量，2025年全球碳纖維產量將達46.1萬噸。但這些擴產項目的產業化進程仍需等候工夫的驗證。

國產企業已打破日、美技術封鎖，布局碳纖維全序列產品

碳纖維產能分布不同，國際碳纖維市場及世界級碳纖維技術依然為日、美企業所壟斷。日本東麗（Toray）是高性能碳纖維研究與消費的“領頭羊”，東麗與卓爾泰克合并后，2021年總運行產能在業內更是一枝獨秀達5.75萬噸。美國是繼日本之后把握碳纖維消費技術的少數幾個發達國家之一，也是世界上最大的PAN基碳纖維消費國和生產國之一。據《2021全球碳纖維復合材料市場報告》（廣州賽奧），2021年日、美碳纖維總運行產能為7.37萬噸，占全球比例的35.5%。中國化學纖維工業協會2020年數據顯示，日本企業在小絲束碳纖維市場上占有絕對優勢，產能占比達49%；在大絲束市場上，美、德企業處于明顯的主導地位，產能占比達89%。

我國企業崛起正當時，碳纖維產品已完成與日本東麗主要型號的對標，部分型號以至性能更優。2010-2020年十年間我國碳纖維發展特點是“狂飆猛進”和“優勝劣汰”，大浪淘沙下穩扎穩打的企業迎來了春天，例如中復神鷹、中簡科技、光威復材、原絲龍頭吉林碳谷等。國產碳纖維型號覆蓋T300級至T1100級、M35至M65級，產品性能指標完成了對日本東麗主要碳纖維型號的對標，包括高強標模型、高強中模型、高強高模型等各類型碳纖維品種，部分產品的性能以至超越東麗同級別碳纖維產品，如中復神鷹SYT55S（T800級）具有稍高的強度和模量優勢，如光威復材TZ1100G（T1100級）具有延伸率優勢，如恒神股份HM37（M40級）的抗拉強度、拉伸模量、延伸率更高。

我國碳纖維CR5達78.1%，高于全球行業集中度下完成碳纖維整體技術T400以上。2021年全球前五大廠商的運行產能合計占有率為57.0%，海內前五大廠商的運行產能合計占有率為78.1%，行業集中度超過全球。海內廠商中，2021年吉林化纖、中復神鷹、寶旌碳纖維的運行產能均超1萬噸，國產碳纖維行業整體達到T400的技術能力，部分企業完成了T700碳纖維規模化消費，T800已經進入了小批量實驗消費階段，但龍頭企業和國際巨頭在產能和技術方面仍存在不小的差距，T1000、T1100、M60、M65級等碳纖維產品的產業化技術攻關亟待解決。

2021年我國首次超越美國成為碳纖維最大產能國，未來全球預計將迎來中國盛宴。廣州賽奧數據顯示我國2015-2021年碳纖維運行總產能分別為2.38/2.38/2.60/2.68/2.69/3.62/6.34萬噸，對應產能擴張CAGR+17.7%，占全球比例分別為17.6%/17.1%/18.0%/17.0%/17.3%/21.1%/30.5%。2015-2019年期間我國碳纖維企業運行產能擴張緩慢，但海內消費工藝及技術的突破使得我國從2020年起開啟產能的持續高速擴張，其同期運行產能增速達35%。2021年伴著各企業擴產項目的落地投產，中國大陸地區更是首次超越美國，以6.34萬噸的總運行產能占據全球30.5%的比例，成為全球最大產能國。此外，中復神鷹、光威復材、吉林化纖、上海石化、蘭州藍星、新創碳谷等廠商的萬噸級產線均處于規劃在建途中，中國廠商的產能占比將在未來持續提高，較長期保持第一產能國的地位。

高壁壘下頭部玩家競爭將提升碳纖維綜合技術，國產全面替代指日可待

技術、裝備、成本、資金和應用是碳纖維行業最為核心的競爭要素。碳纖維屬于技術密集型產品，產業鏈長，產品系列眾多，消費技術繁雜，且研發周期長，資金投入量大，同時對產品性能與質量穩定性要求嚴苛，種種因素共同鑄就了極高的行業壁壘。

我國碳纖維產業鏈中上游高集中，碳纖維頭部玩家的競爭有望進一步提升綜合能力。我國丙烯腈、原絲及碳纖維產能集中度較高，CR5在2020年和2021年均大于75%，占據較大市場份額，其中碳纖維消費原料丙烯腈主要集中于上海賽科、斯爾邦、吉林石化等，原絲及碳纖維產能主要集中在吉林化纖、中復神鷹、寶旌碳纖維、恒神股份等制造商。據各家碳纖維企業宣布的擴產項目計劃，估算可得萬噸碳纖維原絲消費線投資范圍為1-2億，萬噸原絲+碳纖維消費線投資范圍為20-30億，而萬噸航空航天極碳纖維消費線投資額更是超100億，資金壁壘使得大量企業較難進入到這一行業，頭部玩家之間的競爭更有利于其綜合能力的多向提升。

碳纖維國產化正加速，2022H1碳纖維進口量已同比下降16%。根據中國海關數據，我國大陸碳纖維進口來源主要是日本、中國臺灣、韓國、美國、墨西哥，占比達88%。2021H1受“東麗風波”事件影響，日本對中國大陸的出口量有所減少，2022H1日本對我國大陸的出口雖有所增長，但漲幅并不明顯，主要是受日本本土以及歐美需求增長的影響，日本出口到我國市場的碳纖維依然緊缺。2022年1-6月，我國進口碳纖維產品合計14739噸，較2021年同比下降16%，原因一方面是波音、空客等歐美主要企業對碳纖維需求逐漸恢復，出口到海內總量減少，另一方面也表明國產碳纖維供應逐步增加，市場份額正逐漸提高。

2021-2025年碳纖維國產量CAGR有望達42%。從進出口均價來看，國外企業嚴禁向中國出口軍工級碳纖維，且東麗采取低價打壓海內企業的策略，使得碳纖維進口均價基本維持在20美元/kg以下；盡管由于出口數量較少導致出口均價波動幅度較大，但是出口均價的中樞明顯高于進口均價，我們認為海內頭部企業的高端產品已完成出口，邁出國產替代的要害一步。廣州賽奧統計數據顯示，2021年我國碳纖維進口量為3.31萬噸，國產化率為47%，同比提升9pcts。伴著未來中國碳纖維廠商消費技術及產能持續提升，碳纖維國產化進程有望加速，2022年碳纖維國產量有望超過進口量，依據中國海關上半年數據，我們預計2022年國產化率將達56%，2025年增至75%。結合廣州賽奧對2025年中國碳纖維市場銷售總量為15.9萬噸的猜測，計算可得2025年碳纖維國產量為11.9萬噸，對應2021-2025年碳纖維國產量CAGR達42%。

展望：2023年我國碳纖維市場價將弱調整，T700級及以上中小絲束供給商凸顯比較優勢

2022年海內外碳纖維市場價格高位走跌。1）2022年1-7月，光伏熱場碳/碳復材和儲氫瓶領域碳纖維需求增量大，而市場整體供給偏緊，因此T700級碳纖維價格高位守穩；而T300級碳纖維受疫情影響導致工廠庫存積壓，加之海內整體產量增加，但需求跟進不足，價格普遍下調。2）2022年8-9月中旬，T700級碳纖維價格小幅走高，T300級碳纖維價格寬幅下降；3）2022年9月下旬至今，供給端新裝置陸續投產，且T700及T300級各型號碳纖維庫存均偏高，市場現貨供給略顯足夠，持貨商出貨承壓；需求端受制于外圍經濟環境影響，各地疫情反復，下游企業開工不足，且有肯定庫存，整體采購偏弱，需求偏淡，因此T700及T300級碳纖維市場價格同步下滑。截至2022年11月25日，國產T300（12K）、T300（48/50K）、T300（24/25K）、T700（12K）市場價格較今年年初跌幅分別為9.6%、5.2%、4.9%、1.3%。

我們預計到明年年底海內碳纖維市場價格以區間內偏弱調整為主。碳纖維價格受多種因素影響，包括原料成本、供給面、進出口面、需求面以及其他因素：

原料成本：預計未來一年丙烯腈市場價格將偏強盤整，價格波動空間為500-1000元/噸左右。丙烯腈仍有新產能投產預期，且部分裝置重啟恢復，供給量預期增加，但同時下游行業開工率上調，在供需均有提升條件下，市場價格波動不大。在其他成本變化有限的前提下，我們預計未來一年（即2023年）碳纖維成本面影響有限，難以形成利好支撐。

供給面：2023年底前海內各型號碳纖維供給料將保持較為富裕。海內碳纖維產能持續擴張，據我們統計，2022、2023年海內確定性高的新增碳纖維產能投放分別約為2萬噸和3萬噸，且碳纖維裝置或將維持穩定運行為主，因此各型號碳纖維供給將保持較為富裕。

進出口面：2022年將成為國產比例大于進口比例的首年，未來碳纖維出口將增加。盡管我國部分產品型號仍需依靠進口，但在我國廠商積極擴產下，碳纖維產量正大幅增加，我們預計2022年碳纖維國產量將大于進口量，且未來出口量將持續有所增加。

需求面：2022年需求小幅增加，中長期維度來看需求依舊旺盛。在以下領域1）風電葉片：未來會有較大的放量，但受制于碳纖維高價以及補貼退坡的影響，短期需求增量有限；2）體育休閑：海內外疫情反復，影響下游接單情景；3）碳/碳復材：整體需求表現較好，光伏熱場由于其他主體原料價格連續上漲，對碳纖維降本需求較為突出，但鑒于光伏在我國能源比重較大，光伏熱場碳/碳復材應用前景依然廣闊，且中長期維度會有碳/陶制動盤帶來的增量；4）壓力容器：儲氫瓶海內整體需求受政策補貼影響大，量小但增速快；5）航空航天：受疫情影響較大，但無人機作為新興力量將推動該領域碳纖維需求增量。總體而言，我們預計2022年碳纖維市場需求小幅增加，但中長期來看，碳纖維需求將在2023-2025年有突出增幅。

綜上，我們預計未來一年原料面給予碳纖維支撐不足，供給端較為富裕，而需求面增幅有限，未來一年碳纖維價格區間將偏弱調整。我們預計未來一年（即2023年）碳纖維主流市場參考價為：1）T300（12K）120-150元/kg，降幅4%；2）T300（24/25K）110-140元/kg，降幅7%；3）T300（48/50K）100-130元/kg，降幅7%；4）T700（12K）200-250元/kg，降幅2%。我國碳纖維擴產以大絲束為主，T700級及更高性能的12K及以下絲束規格供給商發展前景更廣闊。2021年我國碳纖維6.34萬噸的總運行產能中，6.05萬噸碳纖維的絲束規格分布較為明確，在我國市場絲束規格劃分體系下，即1/3/6K、12K、24/25/35/48/50K分別屬于小、中、大絲束，2021年我國6.05萬噸運行產能中小/中/大絲束占比分別為19%/13%/68%。在中長期維度下，2025年新增產能（較于2021年）中，預計大絲束占比將進一步被拉升至67%，而小/中絲束占比分別為25%/8%。大絲束過快的擴張或將使供給大于需求，而12K及以下碳纖維不僅擴張速度較慢，且光伏、儲氫瓶、無人機等下游需求增速快，結合上文我們對碳纖維價格的預判，我們認為在產能投放沖擊下，T700級及更高性能的12K及以下絲束規格碳纖維供給商經營前景更廣闊。

研報來源和作者：中信證券[李超,陳旺,張柯]

研報原文PDF：基礎化工-新材料行業碳纖維專題報告之一：風、光、氫、無人機等領域推升需求，高性能碳纖維國產替代加速-中信證券[李超,陳旺,張柯]-20221129【56頁】

來源:雪球-價值目錄