（報告出品方/分析師：天風證券李魯靖朱曄）1碳纖維-需求日益增長的“黑金”1.1碳纖維高強輕質，品類多元?碳纖維性能優異，高強輕質。21世紀以來，隨著風電行業迅速發展，風機葉片呈現大型化的趨勢，尋求質量更輕的新型材料替代傳統的玻璃纖維材料已

（報告出品方/分析師：天風證券 李魯靖 朱曄）

1 碳纖維-需求日益增長的“黑金”

1.1 碳纖維高強輕質，品類多元

? 碳纖維性能優異，高強輕質。21世紀以來，隨著風電行業迅速發展，風機葉片呈現大型化的趨勢，尋求質量更輕的新型材料替代傳統的玻璃纖維材料已經成為各企業廠商的目標。

在此背景下，碳纖維（carbon fiber, 簡稱CF）因其高強輕質的優點受到國內外廠商的青睞。

? 碳纖維是一種含碳量在90%以上，具有高強度和高模量的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸方向堆砌后，經碳化及石墨化而得到的微晶石墨材料。碳纖維同時具有柔軟輕質和強度極高的特點；

此外，還具有高模量、耐高溫、耐腐蝕等諸多優良性質，使其在一眾材料之中脫穎而出，被譽為“新材料之王”。

因此，近年來碳纖維在航空航天、汽車工業、風電行業、建筑結構等領域都得到了廣泛的運用。

? 按照每束碳纖維中所含單纖維根數，可將碳纖維分為大絲束和小絲束碳纖維。大絲束碳纖維通常指纖維根數在48000根(即48k)以上的纖維束，而小絲束碳纖維通常指纖維根數小于48k的纖維束。

? 就性能和生產技術而言，早期小絲束碳纖維優于大絲束碳纖維；但近年來，大絲束碳纖維在性能和生產技術方面奮起直追，但離小絲束仍有差距。

因此，大絲束碳纖維價格通常較低。但從性價比來看，大絲束碳纖維通常更具優勢。

以卓爾泰克公司的產品為例，其大絲束產品PANEX33-48K每美元拉伸強度和拉伸模量分別高達205MPa和13GPa；而小絲束產品T300-12K對應的指標值僅有107MPa和7GPa。

? 就應用方向來看，小絲束碳纖維通常運用于航天軍工等高科技領域和高爾夫球桿、網球拍等體育休閑領域；而大絲束碳纖維則在以風電葉片為代表的能源領域、交通建設、碳碳復材等領域得到廣泛運用。

? 由于性能和生產技術的差異，小絲束碳纖維價格通常高于大絲束碳纖維價格，這也導致不同應用領域的碳纖維價格存在差異，以中復神鷹公司的產品為例，由于航空航天和體育休閑領域使用小絲束碳纖維，相比于其他使用大絲束碳纖維的領域（如風電葉片、交通建設等），其對應的碳纖維產品價格更高；其中，由于航空航天領域對小絲束碳纖維的性能要求最嚴格，其使用的碳纖維價格也相應最為昂貴。

? 按照原材料不同，碳纖維主要可以分為聚丙烯腈基（PAN-CF）、粘膠基(Rayon-CF)、瀝青基碳纖維（Pitch-CF）等，其中瀝青基碳纖維又可以分為通用級和高性能級。

三類原材料各有其優點和不足，因此有著不同的應用方向。但由于PAN基生產工藝相對簡單，產品力學性能優異，用途廣泛，占據了碳纖維產量九成以上。

而瀝青基、粘膠基的產量規模相對較小。因此，目前市面上的碳釬維一般指PAN基碳纖維。

? 按照力學性能（即拉伸強度和拉伸模量）可以將碳纖維分為通用型和高性能型，其中，高性能型又可以細分為高強型、高模量型、超高強型以及超高膜型。

業內通常采用日本東麗（TORAY）公司制定的標準進行分類。

1.2 工藝復雜，涉及原絲、碳絲兩大環節

? 完整的碳纖維產業鏈包含從一次能源到終端應用的完整制造過程。

碳纖維產業鏈上游主要以石油化工行業為主，通過原油煉制、裂解、氨氧化等工序獲得丙烯腈:碳纖維企業通過對以丙烯腈為主的原材料進行聚合反應生成聚丙烯腈，再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲，對原絲進行預氧化、碳化等工藝制得碳纖維。

碳纖維經與樹脂、陶瓷等材料結合，形成碳纖維復合材料，最后由各種成型工藝得到下游應用需要的最終產品。碳纖維下游應用領域廣闊，需求持續增長，碳纖維復合材料被廣泛應用于航空航天、體育休閑、汽車、風電等領域，國內進口替代迫切。

? 以最常見的聚丙烯腈基碳纖維為例，其制備過程主要分為兩個環節：原絲環節和碳絲環節。在原絲環節中，原油經過精煉、裂解等工藝得到丙烯，再通過氨氣氧化得到丙烯腈，丙烯腈經過聚合、紡絲之后得到碳纖維原絲。

這一階段的技術壁壘和工藝差別主要集中在紡絲環節，即濕法紡絲和干噴濕法紡絲的工藝。

在碳絲環節中，原絲經過預氧化、低溫和高溫碳化、表面處理得到聚丙烯腈基碳纖維，再經收絲、包裝即可得到碳纖維成品。第二階段最關鍵的則是預氧化爐和碳化爐。

1.3 下游需求總量高速增長，需求結構多元化

? 自2016年，不論是全球市場還是國內市場，碳纖維總需求都在持續增長。

雖然2020年民用航空受疫情影響遭遇重挫，對全球碳纖維市場造成一定沖擊，但由于其他下游市場強勁補充，當年全球總需求仍有2%的增量，總量高達106.9千噸。

據奧塞維碳纖維技術預測，至2030年，全球碳纖維需求將保持持續增長。

? 國內碳纖維市場總需求增長更為強勁。自2016年以來，國內碳纖維市場總需求迅速增長，并于2020年達到48851噸，對比2019年的37840噸，同比增長了29%。

據賽奧碳纖維技術預測，至2025年，國內碳纖維總需求將繼續保持高速增長的態勢，并于2025年達到149498噸。

?從結構來看，碳纖維下游應用多元，風電行業為主要增量：

碳纖維下游應用分散多元，包括風電葉片、體育休閑、航空航天等領域，但不論從全球范圍還是單就國內市場而言，風電葉片和體育休閑都占據了主要地位。

?近年來，風力發電機功率日益增大的需求促使風機葉片日益大型化、輕質化發展；傳統葉片材料玻璃纖維無法滿足這一需求，而碳纖維因其強高質輕的優點逐漸取代玻璃纖維，成為風機葉片的主要材料。

2020年，全球碳纖維市場中風電葉片占比約為29%，同比增長20%；而國內市場份額則約為40.9%，同比增長45%。

由此可見，風電葉片不僅是碳纖維產業最主要的下游應用，更是國內碳纖維廠商的發展機遇所在。

2 乘“風”而起，受益于風機大型化

2.1 風機葉片為國內碳纖維需求的主要增長引擎

? 風電葉片是中國碳纖維需求快速增長的主要引擎：

? 從需求情況來看，2020年，國內風電葉片碳纖維需求約20000噸，約占總需求的40.9%，為第一大需求板塊。

? 從國內外對比來看，國內市場增長明顯高于國際增長。

2017-2020年中國僅風電葉片碳纖維用量分別為0.3、0.8、1.4、2.0萬噸，四年間的復合增長率為88%。

同時，國內風電碳纖維需求占全球需求量比例由15%提升至65%，證明了國內市場增速顯著高于國際市場。

? 碳纖維主要用在風電葉片的橫梁等關鍵部位：

由于碳纖維比玻纖昂貴，百分百采用碳纖維制造葉片并不合算，目前主要是碳纖維和玻纖混合使用，碳纖維主要用在一些關鍵部位如橫梁（尤其是梁帽）、前后邊緣、葉片表面等，其中梁帽為目前碳纖維的 最主要應用，作用為減輕重量、提升剛度。

2.2 風機葉片中必須應用碳纖維嗎？

? 碳纖維的應用在風電葉片中是否為必須？回答這個問題繞不開風電的變化趨勢——風機的大型化。

? 從主機廠金風科技的銷售情況可以看出，原本占據絕對比例的3MW機組（圖中的2S）的份額正在明顯地下降，同時根據近期陸風項目的招標要求，單機組功率要求4MW以上趨勢逐漸明顯。

? 海風方面，根據我們的統計，2022年以來已經陸續啟動了約4GW海風項目的招標，機組功率要求基本在8MW以上，10MW 以上的要求也屢見不鮮。

? 風機功率與葉片長度關系基本固定，大型化趨勢下，葉片長度必然增加。

? 根據推導，風機功率與葉片長度的平方成正比關系，或者說與掃風面積呈正比關系，即P=1/2ρπr 2V3Cp（對于這一結論我們已經根據現有風機數值進行了驗證）。

反推過來，在假設海風風機額定風速在11m/s的情況下（參考現有風機設計標準），我們計算出當風機功率到達8MW時，葉輪直徑在180m左右，功率達到10MW時，葉輪直徑在200m左右，所以我們判斷，未來海風主流機型葉輪直徑在180m甚至200m以上。

? 葉片長度增加后對于“重量”和“剛度”提出要求，碳纖維的重要性凸顯。

? 剛度方面：對于大型葉片,剛度成為主要問題，為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架,葉片必須具有足夠的剛度。風吹到葉片做功的時候，葉片旋轉時會彎向塔架，碳纖維復合材料的彈性模量是玻纖的2~3倍，更不容易發生形變。

? 重量方面：葉片重量對運行、疲勞壽命、能量輸出有重要的影響。全玻璃鋼葉片重量比較大，而碳纖維復具有更低的密度，可以保證風電葉片在增加長度的同時,重量降低。

? 葉片長度增加后碳纖維的滲透率在明顯提升。

根據美國桑迪亞國家實驗室報告，盡管隨著工藝的進步玻纖目前仍適用于任何長度的風機葉片，但碳纖維的應用隨著葉片長度的增加明顯地提升，當葉片長度大于70m時，碳纖維的滲透率達到了55%,根據前文表述，未來海風主流機型在8MW以上，葉片長度在90m以上，這為碳纖維提供了廣闊的舞臺。

? 10MW以上機型碳纖維滲透率有望達到百分百。

桑迪亞實驗室預計，碳纖維的主要發力機型在于3-5MW和8-10MW區間，其中10MW以上機型有望100%使用碳纖維梁帽。

同時參考國內海風葉片的發展情況，東方電氣、上海電氣等公司陸續推出10MW以上的海風葉片，根據目前的情況，功率10MW且葉片90米以的風機都使用了碳纖維，與SANDIA預計情況基本一致。

3 國產替代機會于各環節中孕育

3.1 需求存在缺口，國內產能迎頭趕上

? 目前國內需求存在缺口，仍在很大程度上依靠進口滿足。2020年國內國產碳纖維占比38%，進口碳纖維占比超過60%，其中主要來源于日本（15%）、美國（9%）和中國臺灣（15%）。但國內產能正在迎頭趕上，相比于2019年的31.7%，國產碳纖維的市場份額有6.3%的增長。

? 就總產能而言，國內廠商主要面臨美國和日本的競爭。2020年度，美國碳纖維總產能最高，達37.3千噸，占全球總產能21.7%；其次是中國，占據全球市場21.1%的份額；日本總產能達到29.2千噸，在全球市場占比17.0%，排名第三。

? 在小絲束市場方面，中國主要競爭對手是日本、日本東麗在韓國工廠及韓國曉星公司，其2020年在華銷售總量約為9,900噸（盡管東麗在2020年8月份之后被暫停出口）。

在大絲束市場方面，國內主要產能來源于藍星及碳谷+寶旌，其總產能約為4,000噸。而中國競爭對手主要是東麗旗下卓爾泰克（包括其在美國、墨西哥和匈牙利的工廠）、日本三菱、德國西格里、臺塑及土耳其DowAksa，其總量大約17,000噸。

?國內廠商積極擴產，國內產能迎頭趕上。

自2019年以來，國內主要碳纖維廠商大多開始策劃或建設大型碳纖維生產項目，擴產計劃覆蓋大小絲束碳纖維、高性能碳纖維、原絲及碳纖維復合材料等，國內碳纖維產能有望不斷提高，國際競爭力有望持續增強。

3.2 原絲環節-紡絲工藝逐漸進步

? 原絲制備環節是碳纖維制備的首要環節。碳纖維制備的主要工藝包括原絲制備、預氧化、碳化、表面上漿和卷繞，其中原絲成本在碳纖維總成本中占比高達51%。

? 碳纖維原絲的工藝主要分為聚合過程、制膠過程、紡絲過程三個過程。在聚合過程中，丙烯腈共聚單體引發體系水，經聚合反應、脫單、水洗和干燥后得到聚合物粉料（PAN基）；在制膠過程中，聚合物粉料（PAN基）經溶解、脫泡后得到凝固浴紡絲；最后進入紡絲過程，凝固浴紡絲經水洗、上油和牽伸得到碳纖維原絲。

? 紡絲環節是整個原絲制備環節的技術壁壘和工藝差別所在，對原絲質量有重大影響。

? 碳纖維原絲的紡絲方法主要包括干法紡絲制備和濕法紡絲制備、干濕法紡絲制備（干噴濕法紡絲）和熔融法紡絲制備等。其中干法制備和熔融法制備工藝目前尚不完善，工業運用不多。而濕法紡絲具有穩定性較好，易于控制反應等優點，在工業生產中得到了廣泛使用。此外，由于同時具備濕法紡絲和干法紡絲的優點，干噴濕法紡絲近年來得到推廣。

? 濕法紡絲工業運用悠久，技術較為成熟。方法是將噴絲板浸入在溶液中，紡絲細流由于濃度差異產生由表及里的劇烈凝固過程。

但是由于外內層擴散的劇烈程度不同，開始擴散的時間存在差異，使纖維內部和表層結構差異性比較大，表皮結構致密，芯層結構松散，化學結構雜亂。

? 干濕法有效改善了濕法紡絲中的一些缺陷。

在干濕法紡絲過程中，紡絲液經噴絲孔噴出后，先經過空氣層（即“干噴段），再進入凝固浴進行雙擴散、相分離和形成絲條。此方法紡出的纖維體密度較高，表面平滑無溝槽，且可實現現速紡絲，用于生產高性能、高質量的碳纖維原絲。

? 干濕法生產出的碳纖維原絲性能更強。

國內目前采用干濕法紡絲的廠商主要包括中復神鷹、光威復材和恒神股份。中復神鷹在國內率先突破 T700 級、T800 級、T1000 級干噴濕紡核心技術，在干噴濕紡碳纖維的技術成熟度方面具有一定優勢；

光威復材、恒神股份過往以濕法碳纖維為主，近年來逐漸突破了干噴濕紡工藝技術，開發了 T700、T800 級及 T1000 級干 噴濕紡產品，目前已形成批量化的干噴濕紡產品市場銷售；

而中簡科技則主要生產濕法碳纖維，在 T800 級及以上的同級別產品性能方面，較采用干噴濕紡工藝的同級別產品，在拉伸強度方面性能較低。

3.3 碳絲環節-設備國產替代趨勢明顯

? 預氧化工藝在整個制備過程中所占用的時間超過其他工藝的時間，是整個生產過程的重中之重。預氧化爐的作用是使熱塑性的PAN線形大分子鏈轉化為具有非塑性耐熱梯形結構的預氧絲，其在碳化高溫下不熔不燃，熱力學處于穩定狀態。

? 目前使用的熱空氣預氧化設備，按熱空氣與絲面運行方向的夾角不同分為3種吹風方式：

一是熱風從絲條運行的垂直方向吹入，稱為垂直吹風方式，其主要特點是在爐腔外面增加端氣封，端氣封吹出一定溫度的熱空氣，起到將外界冷空氣隔離的作用；

二 是熱風從絲條的側面吹入，稱為側吹風方式，主要采用將送風管道的熱空氣引到端氣封，企圖用熱空氣對吹的方式來阻擋爐內熱空氣的溢出和爐外冷空氣的進入；

三是熱風從氧化爐中間位置平行于絲條的運行方向吹向兩端，稱為中間向兩端送風方式，采用氧化爐下半部分作為新鮮空氣的進風口，而上半部分作為廢氣的排放口。不同吹風方式在工業化生產中都有應用。

? 碳化爐是碳纖維生產過程中的另一關鍵設備。碳化爐的主要作用是使預氧絲的梯型結構轉化為碳纖維的亂層石墨結構。

? 碳化爐可以分為高溫碳化爐和低溫碳化爐。國內外碳纖維高溫碳化生產線主要采用開式爐膛，多溫區加熱，工況溫度在 1000℃以上，采用石墨板為爐體，石黑發熱體為熱源，高純惰性氣體(如氨氣)為密封與冷卻氣，結構如右圖所示。

碳化爐的設計最基本要求是碳化爐溫度場溫度分布均勻，可量。但高溫碳化要求的絕對無氧條件限制了溫度的測控及溫度分布均勻性。

高溫碳化的情況下，即使少量的空氣也足以持續去除石墨分子層進而造成嚴重腐蝕，導致過早失效，因此，高溫爐兩端需要氣壓密封并精確控制。

低溫碳化爐系統則包括六大組成部分：

低溫碳化爐和主體結構和分區加熱裝置、兩端的非接觸式迷宮密封裝置、廢氣排出口位置及廢氣處理裝置、高純氮氣的氣封作用和氮氣的載氣作用裝置、碳化爐兩端的牽伸機組和電器控制系統。其中，廢氣的及時排放并且不滯留在爐膛內是低溫碳化爐技術的核心。

?目前碳纖維廠商使用的預氧化爐和碳化爐在一定程度上依靠進口，例如江蘇恒神股份所使用的預氧化爐和碳化爐都使用德國埃森曼公司的產品，而藍星集團生產線的預氧化爐依賴美國進口，碳化爐則依賴德國進口。目前國外生產預氧化爐的主要廠商包括德國埃森曼、美國DESPATCH、美國利茲勒等；生產碳化爐的國外主要廠商包括美國哈泊、德國埃森曼、美國利茲勒等。

?但國內也有不少企業開始自行建造預氧化爐和碳化爐。中復神鷹、光威復材和中簡科技在依賴進口設備的同時具有一定自行建造能力，頂立科技和精功科技則是國內碳纖維設備的主要生產廠商，其中頂立科技主要生產臥式真空碳化爐、立式真空碳化爐、連續式碳化爐、連續式預氧化爐，而精功科技則具備全套碳纖維生產線生產能力。

? 目前國內廠商已經具備生產碳纖維成套生產線能力。

以精功科技為例，其碳纖維成套生產線由放紗架、氧化爐組、低溫碳化爐、高溫碳化爐、表面處理浴池、上漿浴池、干燥機、卷繞機等組成，可實現對PAN基碳纖維原絲連續多道熱處理和后續處理，其所生產的產品可廣泛應用于汽車交通、航空航天、風力發電、醫療器材以及建筑等領域。

? 截止2021年末，精功科技碳纖維生產線已形成批量化生產，在該生產線上生產的碳纖維已廣泛應用于汽車交通、航空航天等領域。

2021年，精功科技碳纖維生產線整線交付周期大大縮短，共累計完成6條生產線的交付工作。

? 我們測算，十四五期間碳化線設備的合計新增市場空間為134億元左右，關鍵假設如下：

? 根據精功科技公告，其向吉林化纖1.2萬噸碳纖維復材項目提供4條碳纖維生產線的訂單價格為6.8億元，推算每萬噸碳化線設備投資額為5.67億元。

? 參考新疆隆炬年產5萬噸高性能碳纖維項目的投資請款（每萬噸綜合投資12億元），再考慮到國內設備性能逐步提升，有望對齊國外設備。我們認為價格具有提升趨勢，因此假設每萬噸碳纖維設備價值每年提升15%。

? 國內生產線目前整體產能較低，2020年“運行產能”為36,150噸，銷量是18,450噸，銷量/產能比為51%；

? 根據賽奧纖維預計，2025年國內碳纖維需求15萬噸，2020年需求為4.89萬噸，年均新增需求2萬噸左右。

風險提示

? 政策變動風險。碳纖維制造行業屬于新材料領域，對國家相關戰略產業的發展具有重要支撐作用。近年來，國家不斷出臺產業政策、技術扶持政策，對該行業的發展起到了積極的引導作用。但不排除未來國家產業政策發生重大不利變化，而對碳纖維行業的市場空間及發展前景帶來嚴重影響的風險。此外，碳纖維生產經營活動會帶來大量廢棄物，包括廢氣和廢渣。不排除國家可能采用更嚴格的環境標準，從而導致碳纖維生產企業在環境方面產生額外支出的風險。

? 原材料和能源價格大幅波動風險。碳纖維生產的主要原材料和能源包括丙烯腈、天然氣、電力、蒸汽等。丙烯腈為石油化工產品，市場價格受國際石油價格波動影響較大。因此不排除原材料和能源價格大幅上述，從而導致碳纖維行業成本增加的風險。以中復神鷹公司為例，該公司2018-2021年間丙烯腈采購單價大幅波動，分別為1.37萬元/噸、1.06萬元/噸、0.77萬元/噸、1.28萬元/噸，對其主營業務利潤產生重大影響。

? 關鍵原材料及設備進口受限風險。目前國內企業的原材料（原油等）和主要設備（預氧化爐、碳化爐等）的供應仍在一定程度上依靠進口。一方面，在當下新冠疫情和國際關系日益嚴峻的背景下，不能排除一些重大突發事件可能造成的原材料和主要設備供應的中斷，從而對國內碳纖維行業生產帶來的重大風險。另一方面，一般而言，國內企業收入以人民幣計價，而采購國外原材料及設備則以外幣計價。不排除未來人民幣可能貶值而來帶的成本增加風險。

? 下游需求項目進展不及預期風險。國內碳纖維行業下游應用主要包括風電葉片、航天航空和體育休閑。在疫情背景下，航空領域難免遭受沖擊，帶來碳纖維需求下降風險。

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