碳纤维产业链、分类、制造工艺、应用及需求分析

风电加速碳纤维需求增长。

1.碳纤维材料制备工艺复杂，技术壁垒高

碳纤维复合材料是一种性能优异的新型材料。碳纤维是由聚丙烯腈（PAN）或沥青、 粘胶等有机母体纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量在 90%以上的无机高 分子纤维。具备出色的力学性能和化学稳定性，密度比铝低、强度比钢高，是目前已大量 生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，具有质轻、高强度、高模 量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等一系列其他材料所不可替代的 优良性能。 碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程。产业链上游企业先从石油、煤 炭、天然气等化石燃料中制得丙烯，并经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝得到 聚丙烯腈（PAN）原丝。产业链中下游企业经过预氧化、低温和高温碳化得到碳纤维；碳 纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料；碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合可形成碳纤维复 合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。

碳纤维可以依据拉伸模量和丝束数量进行区分。碳纤维分类标准较多，通常按照力学 性能或用途进行划分。碳纤维标准模量是指拉伸模量为 230~265GPa；中等模量是指拉伸 模量为 270~315GPa；高模量是指拉伸模量超过 315GPa。对于标准模量的碳纤维，可以 依据其丝束数量进一步分划分为小丝束(或常规丝束，1~24K(含))和大丝束(大于等于 48K(东丽定义为 40K))。 大丝束与小丝束碳纤维分别适用于不同的场景。碳纤维自身的本征力学性能存在一定 差异，同时整体力学性能也受丝束数量影响，物理性质跨度较大，不同应用场景下碳纤维 的选择也存在一定区别。大丝束碳纤维制造成本低于小丝束碳纤维，但其性能不及小丝束 碳纤维。通常而言，大丝束碳纤维适合工业品、民用等对性能要求较低，但对成本较为敏 感的领域；小丝束则更适合对性能有特殊要求如储气瓶、军用等领域。

碳纤维合成工艺具有较高技术壁垒。基于 PAN（聚丙烯腈）的碳纤维制造包括四个工 艺步骤：聚丙烯腈塑料通过纺丝机制成纤维、对纤维进行热处理以增强阻燃性（氧化性）、 再次加热纤维使其碳化、表面处理。碳纤维制备过程主要分原丝和碳丝两个环节。制备过 程涉及的工艺参数众多，同时对生产设备的紧密型和稳定性也有极高的要求，工艺壁垒在 于产品的一致性和稳定性。

碳丝制备是碳纤维产业链的核心环节，不同工艺适合不同丝束的碳纤维生产。经过长 期的技术研发与工程化实践，逐渐形成了 PAN 溶液湿法纺丝和干湿法纺丝两种原丝制备 工艺。湿法纺丝技术中可同时处理上万根原丝，且可以一次成型，成本较低，但该工艺的 产品模量和强度不是最优的，适合大丝束碳纤维生产。干喷湿法可同时处理原丝数量较为 局限，碳纤维材料品质均一性更好，利于高性能原丝生产，更适合生产小丝束碳纤维。

通过规模化、改进生产工艺是实现碳纤维降本的有效途径。随着生产规模、产量的增 加，非直接生产因素占总成本的比例逐渐减小。《PAN 基碳纤维生产成本分析及控制措施》 （马祥林、任婷、黄辽东等）中的测算揭示大规模原丝和碳纤维直接生产费用分别是小规 模直接生产费用的 60.94%和 48.34%。此外，碳纤维生产中能耗成本占比极高，氧化工序 能耗约占生产成本的 16%，炭化工序能耗约占生产成本的 23%。因此在碳纤维生产过程 中，通过优化生产工艺和设备，提高资源的综合利用率如废热等可降低生产成本。

我国与日本等传统碳纤维强国在技术上仍然存在较大差距。日本是全球最大的碳纤维 生产国，产业发展最早，已经形成了较为完备的产业链发展模式。日本企业在产业链上游 碳纤维制备方面、产业链中游碳纤维复合材料方面、产业链下游碳纤维应用领域方面均重 点布局了大量相关专利。在碳纤维产业方面，日本和美国对我国采取了封锁策略，造成国 内碳纤维产业发展举步维艰。目前我国技术及产业化水平只约相当于日本 20 世纪 80 年代 的水平。

2.碳纤维国产替代正当时，市场空间广阔

碳纤维应用于诸多领域，应用场景多元化。目前碳纤维的主要应用领域包括航空航天、 能源、汽车部件等高端行业的零部件制造和作便携式电源的导热材料。同时碳纤维成本较 高，中长期内的应用领域始终会在有一定价格承受能力、有技术要求特别高的领域。

中国首度成为全球碳纤维最大生产地。PAN 基碳纤维的生产起步于 20 世纪 60 年代， 日美领先，我国碳纤维技术起步较晚。随着我国碳纤维技术不断突破，我国成为全球碳纤 维重要生产地。直到 2021 年，中国首次超过美国成为全球最大碳纤维产能国。2022 年， 中国碳纤维产能在全球遥遥领先。

碳纤维产业规模整体较小，产能较为集中。根据《2022 全球碳纤维复合材料市场报 告》（林刚），2021 年，全球碳纤维运行产能总计为 20.76 万吨，其中东丽公司拥有产能 4.26 万吨居全球首位。由于碳纤维市场需求不断增长，各企业也纷纷扩大自身产能规模， 其中 64%的新建产能源自我国企业。根据各公司已公布的修建计划，2022 年底行业产能 将达到 25.49 万吨，2023 年底行业产能将达到 30.79 万吨，其中新增大丝束产能主要集 中在吉林化纤和上海石化。

碳纤维降本诉求将扩大大丝束产品份额。2019-2022 年，标模碳纤维在市场的渗透率 在不断提升，主要得益于风电等对性能要求相对较低的工业领域的发展。工业、民用领域 碳纤维对于成本较为敏感，具有较强的降本诉求。基于目前技术水平，大丝束是主要的降 低成本的思路，所以我们认为它不仅会通过低成本扩大工业方面的应用，也会不断吞噬成 本较敏感的小丝束传统市场。

我国大丝束产品产能依旧匮乏。纵观我国碳纤维发展历史，我国早期碳纤维的应用研 发主要围绕如军工等特殊领域，因此相关生产工艺技术也基本围绕小丝束碳纤维为主，产 能也主要集中在小丝束产品。由于日美等国对中国的技术封锁，导致我国大丝束碳纤维技 术水平发展缓慢，与世界发达国家的产能结构还存在相当大的差距。

中国碳纤维产品仍存在进口依赖，国产替代持续发展。2022 年，我国碳纤维总需求 为 7.4 万吨，其中 4.5 万吨源自我国企业，占比为 63.3%。我国进口碳纤维主要来自日本、 中国台湾、美国、韩国等国家及地区。随着我国制造业的不断增强，我国碳纤维主要来源 逐步由进口向国产过渡。未来我国对碳纤维产品的需求将进一步增多，我国碳纤维行业还 需要进一步补足技术劣势，构筑国际竞争优势。

3.风电加速提振碳纤维需求增长

风电叶片是碳纤维下游市场需求的主力军。由于现阶段中国在飞机和高端汽车领域的 制造能力相对较弱，因此我国的碳纤维需求结构与全球碳纤维需求略有不同。然而，碳纤 维的第一大应用领域皆为风电叶片领域，全球和我国的风电叶片碳纤维需求占比分别为 28% 和 36%。随着全球风电装机量的进一步快速增长，风电叶片将依然是碳纤维需求增长的核 心驱动力。

风电叶片是风力发电的关键。风电叶片的设计会直接影响风能的转换率，风电叶片主 要由基体树脂、增强材料、加薪材料、结构胶以及表面涂料等构成。目前国内外风电叶片 是由碳纤维与玻璃纤维混合使用。 风电降本下行引领海上风电发展。随着风电招标价格不断下降，对风电机组的性价比 要求趋严。Wind Energy 杂志发表的《Expert Perspectives on the Wind Plant of the Future》 （Philipp Beiter、Joseph Rand、Joachim Seel 等）中预计随着涡轮机尺寸的持续增长，设计上的改进将支持风电 LCOE 降低 27%（陆上）和 17%–35%（浮动和固定底部海上）， 机组大型化是推动降本的有效途径。陆地上的风力资源的稳定性和风能强度不及海上，陆 上风力可以推动叶片尺寸不及海上，同时大型叶片的运输较为困难，因此大型叶片的发展 将更大程度上由海上风电来推动。

风机大型化以及海上风电的发展将会提高风电叶片材料的要求。EWEA 测算，风电机 组的发电量每增加 1 倍，叶片直径增加 1.4 倍，重量增加 2.8 倍，当风车转动时，叶片基 部更易断裂。海上风电机组更大，对叶片长度要求更高，因此对材料的强度等要求更为苛 刻。此外，海上风电维修难度更大，工作环境更为严峻，抗腐蚀性要求更高。

海风新增装机量持续提升，风机大型化下碳纤维需求提升。碳纤维较玻璃纤维具有更 好的刚性强度和耐腐蚀性，同时具有更低的密度，更适用作大型化和海风风机叶片。海上 风电和风电机组大型化利好碳纤维材料在风电机组的渗透率。Vestas 的碳梁专利保护期于 7 月 19 日正式到期，风电叶片制造商料将加速布局碳梁风电叶片产品。我们预测 2022 年 全球风电对碳纤维的需求达到 4.0 万吨，到 2025 年需求达到 8.0 吨，对应 2022-2025 年 风电碳纤维需求 CAGR 为 25.8%。

未来碳纤维行业发展重心是应用开拓，碳纤维供需结构依然存在变数。海外地区航空 航天及汽车等制造工业较我国更为成熟，对碳纤维材料的市场需求量更大，未来我国在该 领域还有广阔的开拓与发展空间。此外，疫情期间全球航空制造业发展受阻，航空制造商 减产或暂停生产。随着全球航空业逐渐开始复苏，海外航空制造商恢复生产，全球海外地 区航空航天对碳纤维需求也将边际复苏。全球碳纤维的下游应用也在不断开拓。随着全球 新能源发展快速，除风电叶片领域，碳碳复材作为光伏单晶硅的制造设备的核心材料，碳 纤维压力容器作为燃料电池汽车的储氢罐，有望在光伏和燃料电池发展中充分受益。

全球碳纤维整体需求增速将进一步提升。随着碳纤维技术持续发展，制造成本将进一 步下降，叠加应用场景的不断拓展，全球碳纤维需求将持续提升。《2022 全球碳纤维复合 材料市场报告》（林刚）中指出 2025 年全球碳纤维需求预计将达到 20 万吨，2008-2022 年全球碳纤维需求 CAGR 为 9.81%；2022-2025 碳纤维需求 CAGR 为 11.75%。