（報告出品方/作者：申萬宏源研究，鄭嘉偉）1.碳纖維生產流程&主要技術拆解1.1原絲制備第一步——聚合核心在于多指標控制下的高效穩定反應原絲的制備第一步是聚合過程得到原液聚合是制備原絲至關重要的步驟。原料丙烯腈單體和溶劑二甲基亞砜（DMSO

（報告出品方/作者：申萬宏源研究，鄭嘉偉）

1. 碳纖維生產流程&主要技術拆解

1.1原絲制備第一步——聚合核心在于多指標控制下的高效穩定反應

原絲的制備第一步是聚合過程得到原液

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

聚合過程中聚合溫度、引發劑用量、水和單體比的控制問題是技術的關鍵。聚合反應過程中溫度的控制非常重 要，溫度低，反應速率慢；溫度高，反應速率快，但聚合物的立構規整性變差，會影響原絲、碳絲的質量。引 發劑用量、水和單體比會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，具有較高的分 子量以及適合的分子量分布是生產優質PAN原絲的基本要求。

1.2 預氧化——聯結PAN原絲和碳纖維的紐帶

預氧化提高原絲熱穩定性，為碳化鋪墊

預氧化處理又被稱為熱穩定化或不熔化處理，通常是指在空氣 氣氛中200～300°C下對PAN原絲進行的熱處理，處理過程中 需對PAN原絲施加一定的張力，阻礙大分子鏈段的解取向運動， 從而減少纖維的收縮。該過程的目的是使線性的PAN大分子鏈 轉化為耐熱的含氮梯形結構，這種梯形結構可以使PAN原絲在 后續的碳化過程中不熔不燃，并且保持纖維形態，從而得到高 質量的碳纖維。

預氧化處理是PAN在熱處理過程中發生反應最復雜、最集中的 一步，在這一過程中PAN大分子會經歷一系列的化學變化和物 理變化，研究學者們對PAN在預氧化過程中發生的物理化學反 應以及結構演化機理的研究仍未達成定論。目前，研究普遍認 同線性的PAN大分子鏈在預氧化過程中發生的一系列化學反應 主要包括環化反應、脫氫反應、氧化反應和交聯反應，并伴隨 著顏色、密度變化以及熱機械性能的改變，同時伴隨著大量的 放熱。

時間、溫度和牽伸張力是關鍵

預氧化處理是碳纖維制備過程中至關重要的一步，是聯結PAN 原絲和碳纖維的紐帶，起到承上啟下的作用，預氧化爐爐溫的 調校和標定、預氧化爐溫度的控制、停留時間的控制、 過程中 靜電的處理、氧化爐內部風速的控制、牽伸速度的控制等都對 預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

預氧絲碳化得到碳絲

預氧絲的碳化過程在高純氮氣中進行，一般包括300～1000°C的低溫碳化和1100～1600°C的高溫碳化兩個階 段。隨著碳化的不斷進行，預氧絲中的非碳元素（H、O、N）從穩定的聚合物中裂構出來，較小的梯形聚合物 結構之間不斷進行交聯、縮聚，且伴隨熱解，梯形結構逐步向亂層石墨結構轉化，最終生成含碳量在90%以上 的碳纖維。

碳化后的碳纖維有時為了提高模量，在2000～3000°C的高溫下進行石墨化處理。石墨化過程中，碳纖維中殘留 的N、H等非碳元素進一步被除掉，C-C鍵重新分布，聚合物中非芳構化的碳的成分減少，轉化為類似石墨層面 的組織。石墨化處理過程并不減少碳纖維的重量，但能改善碳纖維中微晶的序態和沿纖維軸的取向。

1.4 表面處理/上漿——制成復合材料必要步驟

表面處理是碳纖維制成復合材料必要步驟

碳纖維因其高比強度、比模量、耐腐蝕、耐磨損等性能被廣泛研 究與開發，但碳纖維很少單獨使用，通常作為增強體來制備碳纖 維增強樹脂基復合材料(CFRP)。

碳纖維因其特殊的排列規整石墨微晶結構，其表面極性基團較少， 呈化學惰性且表面能、比表面積都較小，因此碳纖維與樹脂之間 浸潤性差，界面結合力較弱。然而，優異的界面性能是碳纖維增 強樹脂基復合材料具有優良綜合性能的前提。

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，對其進行改性處理。 在纖維表面引入極性基團或活性位點，以此來提高纖維和樹脂間 的浸潤性和結合力，增強分子間作用力，從而提高復合材料的界 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/電化學沉積處理 法、化學接枝處理法、化學氣相沉積處理法及上漿處理法等。隨 著研究人員對表面改性技術的深入研究，改性方法也越來越豐富， 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，具有簡單、快速、高效 以及適合工業化應用等優點。原理是上漿劑的存在可以提高碳纖 維表面的極性，同時通過對纖維上漿引入過渡層來減小纖維和樹 脂間的表面能差異，有利于增強纖維/樹脂復合材料的界面粘結 力。（報告來源：未來智庫）

2. 碳纖維生產成本及降本路徑展望

2.1 碳纖維生產成本解析——ORNL數據（2012年左右）

根據美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）數據，工業級與航空級碳纖維在規模化生產下的生 產成本分別約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 碳纖維生產成本解析——規模效應帶動成本下降20-30%

國內代表性碳纖維研究中心——山東大學碳纖維工程技術研究中心 。參照山東大學開發的二步法制備碳纖 維原絲生產工藝流程，產能為3300噸/年的原絲生產線，原絲單位成本為3.807萬元/噸，相比1100噸/年的原絲生產 線單位成本為4.784萬元/噸減少20.42%，其中固定資產折舊降低最為顯著；產能為1500噸/年的碳纖維單位成本為 11.676萬元/噸，相比500噸/年的碳纖維生產線單位成本為15.899萬元/噸下降26.56%。碳纖維生產制備的前期投入 大，生產設備、能耗等固定成本高，所以碳纖維的規模效應顯著。

2.3 碳纖維生產成本解析——中復神鷹——低成本典范

我國碳纖維代表性企業——中復神鷹 。 據中復神鷹數據，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70%，由于丙烯腈為原油產物，屬于大宗化 工產品，價格波動收到石油化工行業影響；制造費用占比超過50%，單位制造費用主要包含燃料及動力、固定資產折舊，其 中能耗包括電、蒸汽、煤炭以及天然氣。 按照環節拆分，原絲環節占比約2/3，預氧化以及碳化占比1/3。 我們觀察到，中復神鷹生產成本遠低于前述ORNL測算數據，且結構上原絲占比更高，一定程度上體現了后續碳化工藝段的生 產效率進一步優化。

2.4 碳纖維低成本制備技術路徑——原絲低成本化+熱處理優化

低成本碳纖維是當下研究的重中之重

碳纖維依靠其優異的性能，被廣泛使用在各個領域。盡管碳纖維擁 有優于其他結構材料的優異機械性能，但碳纖維的生產成本非常高， 這就使得對它的應用率先在在如飛機、航空航天和軍事等一些重要 的應用上。與飛機和航空航天等應用要求相比，汽車等設備對零部 件的結構韌性要求相對較低。作為具有極輕與高韌性的結構材料， 碳纖維增強復合材料得到了人們的重視。隨著碳纖維及其復合材料 在商用、民用等領域的應用不斷擴大，市場對于低成本 PAN 基碳 纖維的質量和產量需求日益增大。這就要求PAN基碳纖維在保證其 基本性能達標的前提下，進一步降低生產成本，實現大規模生產， 以加快碳纖維更大范圍的應用。這一現狀使得 PAN 基碳纖維的低 成本改性工作成為當前的一大研究熱點。

碳纖維的生產成本前文已經介紹，據美國ORNL數據PAN原絲的生 產成本占其生產總成本的50%以上，其次是熱處理過程（預氧化和 碳化過程）的生產成本占其總成本的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化兩方面進行。

3. 需求：10年高增，國內外格局分化

3.1 東麗10年前對行業的判斷過于樂觀，但是未來可能中國會推動這種樂觀

碳纖維的應用場景廣泛，主要是交通領域輕量化帶來的節能減碳以及新能源產品帶來的輕量化高強度需求。

3.2 東麗10年前對行業的判斷過于樂觀，但是未來可能中國會推動這種樂觀

歷史上東麗預測2020年碳纖維行業需求達到14萬噸，但實際上2020年全球需求約10.69萬噸，即使考慮2020年開始的疫情 對各領域需求的影響，東麗當年對行業需求的估計仍顯樂觀。 盡管如此，我們并不懷疑未來行業需求的空間，我們認為隨著中國碳纖維生產能力與成本的趕超，疊加上下游產業鏈配套 （主要是復合材料創新工藝與成本下降），碳纖維行業下游需求有望加速擴張。

3.3 雙碳為主線，推動碳纖維短中長期需求增長

碳纖維作為“21世紀新材料之王”，應用范圍廣闊 。 碳纖維已廣泛應用在航空航天、風電葉片、體育休閑、壓力容器、碳/碳復合材料、交通建設等領域。從全球市場來看，2020年碳纖 維需求的前三大應用領域依次為風電葉片、航空航天和休閑體育。 具體而言，風電葉片需求量最大，需求量為3.06萬噸，較2019年 增長20%，保持快速增長趨勢，2020 年需求量占比達29%。其次是航空航天，需求量為1.65萬噸，全球新冠疫情對航空業造成不利 影響，民用客機主要生產廠家對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 名第三的領域為體育休閑，需求量為1.54 萬噸，較2019年增長3%，需求量占比為14%，主要使用在高爾夫球桿、自行車架、釣魚竿、 球拍、曲棍球棍等高端休閑體育市場。

我國碳纖維應用結構與全球相比差異大，國產替代加速 。從應用結構來看，2020年我國碳纖維主要用于風電和體育休閑領域，航空航天在我國占比較少。具體而言，風電葉片應用最大，在我 國應用占比41%，需求量為20000噸，但這一領域所用的碳纖維大都是進口產品，客戶也基本上是國外公司；其次是體育休閑，占比 為30%，需求量為14600噸；航空航天在我國的應用僅為1700噸，占比為3.5% ； 從國產替代角度來看，2020年國產碳纖維18500噸，占總需求的38%，相比2019年的12000噸，增長率為54.2%，連續2年超過 30%的高速增長；2018年增長率為21.6%。

4. 供給：增量供給看國內，優質產能不過剩

國內供給：大幅擴產，原絲比碳絲多，但優質產能預計遠小于名義

名義產能看2年內碳纖維產業將嚴重過 剩，但理解供給需要注意以下問題： 1）擴產進度低預期（重資產、高科技）；2）供給有效性 ；3）碳絲與原絲的搭配 ； 總體我們認為優質供給不會太過剩。

5. 投資邏輯：重視“中國東麗組合”，看好軍民龍頭及復材細分冠軍

小絲束看中復神鷹，大絲束看吉林碳谷

從需求角度來看，我們認為碳纖維行業景氣度高，但不必過于擔心新競爭者的進入，由于技術壁壘與資金壁壘的原因會使得部分新進入者的規劃產能可能不及 預期，對行業的競爭格局影響有限，景氣度態勢仍將持續，中長期增長邏輯清晰，雙碳帶動碳纖維需求爆發；（報告來源：未來智庫）

從供給角度來看，未來名義產能目前會大幅超過需求，但實際產能小于需求；

從企業技術路徑的角度來看，各家企業的技術路徑不一，當下碳纖維行業嚴重供不應求的情況下，技術路徑的差異并不會對企業帶來重大影響，但是在未來行 業競爭激烈的情況下，各家企業比拼的是成本和產品質量，關鍵就是工藝的成熟度，國內企業的成本目前已經足以和國際企業匹敵，即使未來進口放開，國內 企業完全具備競爭能力；

從企業產品結構的角度來看，各家企業的布局思路不同，一類是以大絲束碳纖維作為未來發展重點，一類是不斷深耕小絲束，高性能。我們推薦關注國內最早 突破干噴濕紡技術的中復神鷹，重點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，這兩家企業在大、小絲束的明顯優勢，形成了類似全產業鏈 龍頭日本東麗的水平，我們愿稱之為”中國東麗組合”。

報告節選：

（本文僅供參考，不代表我們的任何投資建議。如需使用相關信息，請參閱報告原文。）

精選報告來源：【未來智庫】。未來智庫 - 官方網站