（報(bào)告出品方/作者：申萬(wàn)宏源研究，鄭嘉偉）1.碳纖維生產(chǎn)流程&主要技術(shù)拆解1.1原絲制備第一步——聚合核心在于多指標(biāo)控制下的高效穩(wěn)定反應(yīng)原絲的制備第一步是聚合過(guò)程得到原液聚合是制備原絲至關(guān)重要的步驟。原料丙烯腈單體和溶劑二甲基亞砜（DMSO

（報(bào)告出品方/作者：申萬(wàn)宏源研究，鄭嘉偉）

1. 碳纖維生產(chǎn)流程&主要技術(shù)拆解

1.1原絲制備第一步——聚合核心在于多指標(biāo)控制下的高效穩(wěn)定反應(yīng)

原絲的制備第一步是聚合過(guò)程得到原液

聚合是制備原絲至關(guān)重要的步驟。原料丙烯腈單體和溶劑二甲基亞砜（DMSO）與共聚單體和引發(fā)劑偶氮二異 丁腈一起按配比投料進(jìn)入聚合釜，在一定溫度下進(jìn)行溶液聚合反應(yīng)，然后進(jìn)行脫單脫泡處理后得到聚丙烯腈原 液。

聚合過(guò)程中聚合溫度、引發(fā)劑用量、水和單體比的控制問(wèn)題是技術(shù)的關(guān)鍵。聚合反應(yīng)過(guò)程中溫度的控制非常重 要，溫度低，反應(yīng)速率慢；溫度高，反應(yīng)速率快，但聚合物的立構(gòu)規(guī)整性變差，會(huì)影響原絲、碳絲的質(zhì)量。引 發(fā)劑用量、水和單體比會(huì)影響聚合物的分子量，分子量及其分布是PAN聚合物重要的性能指標(biāo)，具有較高的分 子量以及適合的分子量分布是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)PAN原絲的基本要求。

1.2 預(yù)氧化——聯(lián)結(jié)PAN原絲和碳纖維的紐帶

預(yù)氧化提高原絲熱穩(wěn)定性，為碳化鋪墊

預(yù)氧化處理又被稱(chēng)為熱穩(wěn)定化或不熔化處理，通常是指在空氣 氣氛中200～300°C下對(duì)PAN原絲進(jìn)行的熱處理，處理過(guò)程中 需對(duì)PAN原絲施加一定的張力，阻礙大分子鏈段的解取向運(yùn)動(dòng)， 從而減少纖維的收縮。該過(guò)程的目的是使線性的PAN大分子鏈 轉(zhuǎn)化為耐熱的含氮梯形結(jié)構(gòu)，這種梯形結(jié)構(gòu)可以使PAN原絲在 后續(xù)的碳化過(guò)程中不熔不燃，并且保持纖維形態(tài)，從而得到高 質(zhì)量的碳纖維。

預(yù)氧化處理是PAN在熱處理過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)最復(fù)雜、最集中的 一步，在這一過(guò)程中PAN大分子會(huì)經(jīng)歷一系列的化學(xué)變化和物 理變化，研究學(xué)者們對(duì)PAN在預(yù)氧化過(guò)程中發(fā)生的物理化學(xué)反 應(yīng)以及結(jié)構(gòu)演化機(jī)理的研究仍未達(dá)成定論。目前，研究普遍認(rèn) 同線性的PAN大分子鏈在預(yù)氧化過(guò)程中發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng) 主要包括環(huán)化反應(yīng)、脫氫反應(yīng)、氧化反應(yīng)和交聯(lián)反應(yīng)，并伴隨 著顏色、密度變化以及熱機(jī)械性能的改變，同時(shí)伴隨著大量的 放熱。

時(shí)間、溫度和牽伸張力是關(guān)鍵

預(yù)氧化處理是碳纖維制備過(guò)程中至關(guān)重要的一步，是聯(lián)結(jié)PAN 原絲和碳纖維的紐帶，起到承上啟下的作用，預(yù)氧化爐爐溫的 調(diào)校和標(biāo)定、預(yù)氧化爐溫度的控制、停留時(shí)間的控制、 過(guò)程中 靜電的處理、氧化爐內(nèi)部風(fēng)速的控制、牽伸速度的控制等都對(duì) 預(yù)氧絲的性能有非常大的影響。

1.3 碳化/石墨化——去除非碳元素，形成碳纖維

預(yù)氧絲碳化得到碳絲

預(yù)氧絲的碳化過(guò)程在高純氮?dú)庵羞M(jìn)行，一般包括300～1000°C的低溫碳化和1100～1600°C的高溫碳化兩個(gè)階 段。隨著碳化的不斷進(jìn)行，預(yù)氧絲中的非碳元素（H、O、N）從穩(wěn)定的聚合物中裂構(gòu)出來(lái)，較小的梯形聚合物 結(jié)構(gòu)之間不斷進(jìn)行交聯(lián)、縮聚，且伴隨熱解，梯形結(jié)構(gòu)逐步向亂層石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，最終生成含碳量在90%以上 的碳纖維。

碳化后的碳纖維有時(shí)為了提高模量，在2000～3000°C的高溫下進(jìn)行石墨化處理。石墨化過(guò)程中，碳纖維中殘留 的N、H等非碳元素進(jìn)一步被除掉，C-C鍵重新分布，聚合物中非芳構(gòu)化的碳的成分減少，轉(zhuǎn)化為類(lèi)似石墨層面 的組織。石墨化處理過(guò)程并不減少碳纖維的重量，但能改善碳纖維中微晶的序態(tài)和沿纖維軸的取向。

1.4 表面處理/上漿——制成復(fù)合材料必要步驟

表面處理是碳纖維制成復(fù)合材料必要步驟

碳纖維因其高比強(qiáng)度、比模量、耐腐蝕、耐磨損等性能被廣泛研 究與開(kāi)發(fā)，但碳纖維很少單獨(dú)使用，通常作為增強(qiáng)體來(lái)制備碳纖 維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料(CFRP)。

碳纖維因其特殊的排列規(guī)整石墨微晶結(jié)構(gòu)，其表面極性基團(tuán)較少， 呈化學(xué)惰性且表面能、比表面積都較小，因此碳纖維與樹(shù)脂之間 浸潤(rùn)性差，界面結(jié)合力較弱。然而，優(yōu)異的界面性能是碳纖維增 強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有優(yōu)良綜合性能的前提。

因此為了提高材料 的界面性能，許多研究人員從纖維表面入手，對(duì)其進(jìn)行改性處理。 在纖維表面引入極性基團(tuán)或活性位點(diǎn)，以此來(lái)提高纖維和樹(shù)脂間 的浸潤(rùn)性和結(jié)合力，增強(qiáng)分子間作用力，從而提高復(fù)合材料的界 面性能。目前，碳纖維表面改性的方法主要有表面氧化處理法、 等離子體處理法、高能射線輻照處理法、電泳/電化學(xué)沉積處理 法、化學(xué)接枝處理法、化學(xué)氣相沉積處理法及上漿處理法等。隨 著研究人員對(duì)表面改性技術(shù)的深入研究，改性方法也越來(lái)越豐富， 并且均取得了較好的效果。

上漿法是最常用的碳纖維表面處理方法，具有簡(jiǎn)單、快速、高效 以及適合工業(yè)化應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。原理是上漿劑的存在可以提高碳纖 維表面的極性，同時(shí)通過(guò)對(duì)纖維上漿引入過(guò)渡層來(lái)減小纖維和樹(shù) 脂間的表面能差異，有利于增強(qiáng)纖維/樹(shù)脂復(fù)合材料的界面粘結(jié) 力。（報(bào)告來(lái)源：未來(lái)智庫(kù)）

2. 碳纖維生產(chǎn)成本及降本路徑展望

2.1 碳纖維生產(chǎn)成本解析——ORNL數(shù)據(jù)（2012年左右）

根據(jù)美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）數(shù)據(jù)，工業(yè)級(jí)與航空級(jí)碳纖維在規(guī)模化生產(chǎn)下的生 產(chǎn)成本分別約144元/kg與179元/kg，其中原絲制取占成本比重的一半左右。

2.2 碳纖維生產(chǎn)成本解析——規(guī)模效應(yīng)帶動(dòng)成本下降20-30%

國(guó)內(nèi)代表性碳纖維研究中心——山東大學(xué)碳纖維工程技術(shù)研究中心 。參照山東大學(xué)開(kāi)發(fā)的二步法制備碳纖 維原絲生產(chǎn)工藝流程，產(chǎn)能為3300噸/年的原絲生產(chǎn)線，原絲單位成本為3.807萬(wàn)元/噸，相比1100噸/年的原絲生產(chǎn) 線單位成本為4.784萬(wàn)元/噸減少20.42%，其中固定資產(chǎn)折舊降低最為顯著；產(chǎn)能為1500噸/年的碳纖維單位成本為 11.676萬(wàn)元/噸，相比500噸/年的碳纖維生產(chǎn)線單位成本為15.899萬(wàn)元/噸下降26.56%。碳纖維生產(chǎn)制備的前期投入 大，生產(chǎn)設(shè)備、能耗等固定成本高，所以碳纖維的規(guī)模效應(yīng)顯著。

2.3 碳纖維生產(chǎn)成本解析——中復(fù)神鷹——低成本典范

我國(guó)碳纖維代表性企業(yè)——中復(fù)神鷹 。 據(jù)中復(fù)神鷹數(shù)據(jù)，直接材料成本占比約為1/3，丙烯腈為主要直接材料，占比超過(guò)70%，由于丙烯腈為原油產(chǎn)物，屬于大宗化 工產(chǎn)品，價(jià)格波動(dòng)收到石油化工行業(yè)影響；制造費(fèi)用占比超過(guò)50%，單位制造費(fèi)用主要包含燃料及動(dòng)力、固定資產(chǎn)折舊，其 中能耗包括電、蒸汽、煤炭以及天然氣。 按照環(huán)節(jié)拆分，原絲環(huán)節(jié)占比約2/3，預(yù)氧化以及碳化占比1/3。 我們觀察到，中復(fù)神鷹生產(chǎn)成本遠(yuǎn)低于前述ORNL測(cè)算數(shù)據(jù)，且結(jié)構(gòu)上原絲占比更高，一定程度上體現(xiàn)了后續(xù)碳化工藝段的生 產(chǎn)效率進(jìn)一步優(yōu)化。

2.4 碳纖維低成本制備技術(shù)路徑——原絲低成本化+熱處理優(yōu)化

低成本碳纖維是當(dāng)下研究的重中之重

碳纖維依靠其優(yōu)異的性能，被廣泛使用在各個(gè)領(lǐng)域。盡管碳纖維擁 有優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)異機(jī)械性能，但碳纖維的生產(chǎn)成本非常高， 這就使得對(duì)它的應(yīng)用率先在在如飛機(jī)、航空航天和軍事等一些重要 的應(yīng)用上。與飛機(jī)和航空航天等應(yīng)用要求相比，汽車(chē)等設(shè)備對(duì)零部 件的結(jié)構(gòu)韌性要求相對(duì)較低。作為具有極輕與高韌性的結(jié)構(gòu)材料， 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料得到了人們的重視。隨著碳纖維及其復(fù)合材料 在商用、民用等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)對(duì)于低成本 PAN 基碳 纖維的質(zhì)量和產(chǎn)量需求日益增大。這就要求PAN基碳纖維在保證其 基本性能達(dá)標(biāo)的前提下，進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)， 以加快碳纖維更大范圍的應(yīng)用。這一現(xiàn)狀使得 PAN 基碳纖維的低 成本改性工作成為當(dāng)前的一大研究熱點(diǎn)。

碳纖維的生產(chǎn)成本前文已經(jīng)介紹，據(jù)美國(guó)ORNL數(shù)據(jù)PAN原絲的生 產(chǎn)成本占其生產(chǎn)總成本的50%以上，其次是熱處理過(guò)程（預(yù)氧化和 碳化過(guò)程）的生產(chǎn)成本占其總成本的40%左右。因此，PAN及碳纖 維的低成本化改性工作基本都是從PAN原絲入手，主要圍繞PAN原 絲低成本化和熱處理優(yōu)化兩方面進(jìn)行。

3. 需求：10年高增，國(guó)內(nèi)外格局分化

3.1 東麗10年前對(duì)行業(yè)的判斷過(guò)于樂(lè)觀，但是未來(lái)可能中國(guó)會(huì)推動(dòng)這種樂(lè)觀

碳纖維的應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，主要是交通領(lǐng)域輕量化帶來(lái)的節(jié)能減碳以及新能源產(chǎn)品帶來(lái)的輕量化高強(qiáng)度需求。

3.2 東麗10年前對(duì)行業(yè)的判斷過(guò)于樂(lè)觀，但是未來(lái)可能中國(guó)會(huì)推動(dòng)這種樂(lè)觀

歷史上東麗預(yù)測(cè)2020年碳纖維行業(yè)需求達(dá)到14萬(wàn)噸，但實(shí)際上2020年全球需求約10.69萬(wàn)噸，即使考慮2020年開(kāi)始的疫情 對(duì)各領(lǐng)域需求的影響，東麗當(dāng)年對(duì)行業(yè)需求的估計(jì)仍顯樂(lè)觀。 盡管如此，我們并不懷疑未來(lái)行業(yè)需求的空間，我們認(rèn)為隨著中國(guó)碳纖維生產(chǎn)能力與成本的趕超，疊加上下游產(chǎn)業(yè)鏈配套 （主要是復(fù)合材料創(chuàng)新工藝與成本下降），碳纖維行業(yè)下游需求有望加速擴(kuò)張。

3.3 雙碳為主線，推動(dòng)碳纖維短中長(zhǎng)期需求增長(zhǎng)

碳纖維作為“21世紀(jì)新材料之王”，應(yīng)用范圍廣闊 。 碳纖維已廣泛應(yīng)用在航空航天、風(fēng)電葉片、體育休閑、壓力容器、碳/碳復(fù)合材料、交通建設(shè)等領(lǐng)域。從全球市場(chǎng)來(lái)看，2020年碳纖 維需求的前三大應(yīng)用領(lǐng)域依次為風(fēng)電葉片、航空航天和休閑體育。 具體而言，風(fēng)電葉片需求量最大，需求量為3.06萬(wàn)噸，較2019年 增長(zhǎng)20%，保持快速增長(zhǎng)趨勢(shì)，2020 年需求量占比達(dá)29%。其次是航空航天，需求量為1.65萬(wàn)噸，全球新冠疫情對(duì)航空業(yè)造成不利 影響，民用客機(jī)主要生產(chǎn)廠家對(duì)碳纖維的需求有一定幅度的下降，需求量較2019年下降30%，2020年需求量占比為15%。需求量排 名第三的領(lǐng)域?yàn)轶w育休閑，需求量為1.54 萬(wàn)噸，較2019年增長(zhǎng)3%，需求量占比為14%，主要使用在高爾夫球桿、自行車(chē)架、釣魚(yú)竿、 球拍、曲棍球棍等高端休閑體育市場(chǎng)。

我國(guó)碳纖維應(yīng)用結(jié)構(gòu)與全球相比差異大，國(guó)產(chǎn)替代加速 。從應(yīng)用結(jié)構(gòu)來(lái)看，2020年我國(guó)碳纖維主要用于風(fēng)電和體育休閑領(lǐng)域，航空航天在我國(guó)占比較少。具體而言，風(fēng)電葉片應(yīng)用最大，在我 國(guó)應(yīng)用占比41%，需求量為20000噸，但這一領(lǐng)域所用的碳纖維大都是進(jìn)口產(chǎn)品，客戶也基本上是國(guó)外公司；其次是體育休閑，占比 為30%，需求量為14600噸；航空航天在我國(guó)的應(yīng)用僅為1700噸，占比為3.5% ； 從國(guó)產(chǎn)替代角度來(lái)看，2020年國(guó)產(chǎn)碳纖維18500噸，占總需求的38%，相比2019年的12000噸，增長(zhǎng)率為54.2%，連續(xù)2年超過(guò) 30%的高速增長(zhǎng)；2018年增長(zhǎng)率為21.6%。

4. 供給：增量供給看國(guó)內(nèi)，優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能不過(guò)剩

國(guó)內(nèi)供給：大幅擴(kuò)產(chǎn)，原絲比碳絲多，但優(yōu)質(zhì)產(chǎn)能預(yù)計(jì)遠(yuǎn)小于名義

名義產(chǎn)能看2年內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)將嚴(yán)重過(guò) 剩，但理解供給需要注意以下問(wèn)題： 1）擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)度低預(yù)期（重資產(chǎn)、高科技）；2）供給有效性 ；3）碳絲與原絲的搭配 ； 總體我們認(rèn)為優(yōu)質(zhì)供給不會(huì)太過(guò)剩。

5. 投資邏輯：重視“中國(guó)東麗組合”，看好軍民龍頭及復(fù)材細(xì)分冠軍

小絲束看中復(fù)神鷹，大絲束看吉林碳谷

從需求角度來(lái)看，我們認(rèn)為碳纖維行業(yè)景氣度高，但不必過(guò)于擔(dān)心新競(jìng)爭(zhēng)者的進(jìn)入，由于技術(shù)壁壘與資金壁壘的原因會(huì)使得部分新進(jìn)入者的規(guī)劃產(chǎn)能可能不及 預(yù)期，對(duì)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)格局影響有限，景氣度態(tài)勢(shì)仍將持續(xù)，中長(zhǎng)期增長(zhǎng)邏輯清晰，雙碳帶動(dòng)碳纖維需求爆發(fā)；（報(bào)告來(lái)源：未來(lái)智庫(kù)）

從供給角度來(lái)看，未來(lái)名義產(chǎn)能目前會(huì)大幅超過(guò)需求，但實(shí)際產(chǎn)能小于需求；

從企業(yè)技術(shù)路徑的角度來(lái)看，各家企業(yè)的技術(shù)路徑不一，當(dāng)下碳纖維行業(yè)嚴(yán)重供不應(yīng)求的情況下，技術(shù)路徑的差異并不會(huì)對(duì)企業(yè)帶來(lái)重大影響，但是在未來(lái)行 業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，各家企業(yè)比拼的是成本和產(chǎn)品質(zhì)量，關(guān)鍵就是工藝的成熟度，國(guó)內(nèi)企業(yè)的成本目前已經(jīng)足以和國(guó)際企業(yè)匹敵，即使未來(lái)進(jìn)口放開(kāi)，國(guó)內(nèi) 企業(yè)完全具備競(jìng)爭(zhēng)能力；

從企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，各家企業(yè)的布局思路不同，一類(lèi)是以大絲束碳纖維作為未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)，一類(lèi)是不斷深耕小絲束，高性能。我們推薦關(guān)注國(guó)內(nèi)最早 突破干噴濕紡技術(shù)的中復(fù)神鷹，重點(diǎn)布局碳纖維大絲束原絲、大絲束原絲市占率第一的吉林碳谷，這兩家企業(yè)在大、小絲束的明顯優(yōu)勢(shì)，形成了類(lèi)似全產(chǎn)業(yè)鏈 龍頭日本東麗的水平，我們?cè)阜Q(chēng)之為”中國(guó)東麗組合”。

報(bào)告節(jié)選：

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