碳纤维分类、产业链及成本分析

技术和生产壁垒极高，价值链增幅迅猛。

1、碳纤维简介：性能优异的新材料之“王”

碳纤维是一种含碳量高于 90%的无机纤维，由有机纤维（聚丙烯腈基、沥青基、粘胶 基纤维等）在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构而制得。作为新一代增强纤维，碳纤 维具有出色的力学性能和化学性能，既具有碳材料固有的本性特征，又兼备纺织纤维的 柔软可加工性因此被广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。 碳纤维的分类标准有很多，按原丝种类可以将碳纤维分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、 沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类，PAN 基碳纤维为主流。其中，PAN 基碳纤维成 品品质优异、力学性能优良，且相比于另外两种碳纤维工艺难度更低，是最主要的碳纤 维品种，目前已成为主流，产量占比超 90%；而沥青基碳纤维原料调制复杂，产品性能 较低，粘胶基碳纤维技术难度大，成本高，两者产量均较小。

按丝束规格可以将碳纤维分为小丝束和大丝束。早期小丝束碳纤维以 1K、3K、6K 为主， 逐渐发展出 12K 和 24K，其生产工艺难度大，价格较高，但性能优异，主要应用于军工、 航空航天领域；大丝束碳纤维通常指 48K 以上的碳纤维，包括 48K、60K、80K 等，其 生产成本低，性价比高，主要应用于工业领域。按力学性能可以将碳纤维分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为 1000MPa、模量 为 100GPa 左右，高性能型碳纤维强度和模量分别高于 2000MPa 和 250GPa。高性能型 碳纤维又分为高强型（强度 2000MPa、模量 250GPa）和高模型（模量 300GPa 以上）。 强度大于 4000MPa 的又称为超高强型；模量大于 450GPa 的称为超高模型。

2、碳纤维产业链：技术和生产壁垒极高，价值链增幅迅猛

2.1、碳纤维产业链长，技术、资金壁垒极高

碳纤维产业链包含从上游原油到终端碳纤维成品应用的完整制造过程，技术和生产壁垒 非常高。首先，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；其次，丙烯腈经聚合和纺丝后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；然后，再经过预氧化、 低温和高温碳化后得到聚丙烯腈基碳纤维；最后，碳纤维与其他材料结合（树脂、陶瓷 等），可形成碳纤维复合材料，并应用于下游各个领域。碳纤维生产工序多、流程长，全过程需要连续进行，任何一道工序出现问题都会影响成品质量，技术和生产壁垒非常 高。接下来我们将详细介绍碳纤维产业链中的聚合纺丝、氧化碳化、复合等阶段。

（1）阶段一：聚合纺丝。丙烯腈等原料经过聚合纺丝阶段可得碳纤维原丝。其中聚合 阶段是将原料丙烯腈单体和溶剂二甲基亚砜与共聚单体和引发剂偶氮二异丁腈一起按配 比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，然后进行脱单脱泡。纺丝阶段是 聚合物脱单脱泡后进行过滤喷丝，喷丝时通过喷头的选择决定丝束的大小，喷头为 1000 个细孔、3000 个细孔、6000 个细孔、1.2 万个细孔、2.4 万个细孔喷丝得到的原丝分别为 1K 型、3K 型、6K 型、12K 型和 24K 型，最终得到的碳纤维分别为 1K 型、3K 型、6K 型、12K 型和 24K 型。喷丝产生的原丝在凝固浴中凝固成形，经过成形后的原丝采用设 定温度下进行水洗。水洗后的原丝进入多段热水牵伸，然后经过致密化、蒸汽牵伸等流 程，最终生产出碳纤维原丝。

碳纤维生产的主要技术壁垒在于原丝，其质量对碳纤维的力学性能影响较大。碳纤维原 丝是生产高品质碳纤维的技术关键，其品质缺陷会造成碳纤维力学性能下降。碳纤维的 力学性能与其微观结构有关，如表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等，在后续加工中很难消除，从而造成碳纤维力学性能的下降。除了微孔缺陷，皮芯结构也是影响碳纤 维抗拉强度的重要缺陷。皮芯结构是由纺丝工艺中原丝凝固的双扩散引起，表现为纤维 表面致密，芯部疏松。皮芯结构降低了碳纤维结构径向均一化，造成碳纤维模量及强度 在皮层高而芯部低，从而严重影响最终碳纤维的力学性能。根据刘晗等人在 2021 年 《碳纤维缺陷演变及其原丝制备工艺研究进展》中的研究，微孔缺陷和皮芯结构一定程 度上来源于原丝的后处理工序，但更大程度上来源于原丝本身。

主流原丝制备工艺包括湿法纺丝和干喷湿法纺丝，其中干喷湿纺优势明显。经过长期的 技术研究和工程化实践，国际上形成了湿法纺丝和干喷湿法纺丝两种原丝制备工艺。干 喷湿纺工艺具有碳纤维表面缺陷少、拉伸性能和复合材料加工工艺性能优异、纺丝速度 快等优点，国际上日本东丽和美国赫氏率先实现了干喷湿纺工艺的突破，形成了成熟的 干喷湿纺碳纤维产品。由于干喷湿纺工艺技术难度较大，仅少量企业掌握该生产技术并 形成成熟的碳纤维产品，目前国内大部分碳纤维制造企业仍以湿法纺丝工艺为主。

（2）阶段二：氧化碳化。原丝经过氧化、碳化工段得到碳纤维。成品原丝经氧化炉空 气气氛下反应得到预氧丝，预氧丝在氮气保护下，分别经过低温碳化、高温碳化得到碳 丝，之后经表面处理后进行上浆，最后经烘干得到碳纤维产品；如果想为进一步提升产 品的弹性模量，可以将高强型、高强中模型碳纤维在惰性气氛下经 2000℃以上的温度石 墨化处理，再经过表面处理、上浆和干燥处理，得到石墨纤维。

预氧化炉、高低温碳化炉等重要生产设备国外控制较严，国内碳纤维企业开始自行研发。 自上世纪 60 年代起，西方国家就开始对我国实施碳纤维材料的技术禁运。根据“巴统”和 之后《瓦森纳协定》，美国等西方国家不向我国出售协议清单中列出的高端技术和设备， 日本也长期对碳纤维设备严格保密，生产设备一概不对外出售。在此背景下，国内不少 碳纤维生产企业开始自行研发相关设备，例如威海拓展和中复神鹰都具有成熟的机械装 备生产经验，为设计、制造保密性要求高的碳纤维生产装备提供了保障。

（3）阶段三：复合。碳纤维与其他材料复合后可以制成综合性能优异的碳纤维复合材 料。碳纤维复合材料主要是以碳纤维为增强材料，以树脂等作为基体材料，经过复合制 成的结构或功能材料。目前碳纤维复合材料以树脂基复合材料（CFRP）为主，占全部 碳纤维复合材料市场份额的 90%以上。从碳纤维到复合材料的中间产物包括碳纤维织物、 碳纤维短切、碳纤维预浸料等。

碳纤维生产技术上存在配方壁垒、工艺壁垒和工程壁垒，难度依次增加，合计突破时间 需要 10 年以上。根据光威复材《大丝束碳纤维产业化项目可行性报告》，碳纤维生产技 术上主要存在三大壁垒：1）配方壁垒。配方主要是各种原辅料的配比，比如原丝制备 环节中丙烯腈与溶剂、引发剂的配比等，配方一般可通过购买或挖角技术人员等方式获 取，取得后可迅速消化吸收，壁垒突破时间为 1-2 年。2）工艺壁垒。这是指在配方的基 础上，配合装备、人工进行不断地工艺调整和磨合，最后才能工业化生产出合格的产品， 比如原丝生产过程中的喷丝工艺、蒸汽牵伸工艺等，工艺壁垒突破时间为 3-5 年。3）工 程壁垒。多道生产工艺就组成了全套工程体系，工程体系需要每个生产工艺的协调配合， 工程壁垒突破时间在 5 年以上。

碳纤维资金壁垒高，每万吨投资额可达 20 亿左右。碳纤维行业属于资本密集型行业， 新进入企业需要面对大规模固定资产投入的挑战。生产碳纤维需要经过聚合、纺丝、氧化碳化三个工段，每个工段均需要几十台甚至上百台大型设备，以及配套的生产厂房与 相应的环保设施等。因此生产碳纤维需要大量的资金投入，资金壁垒是进入碳纤维行业 的天然壁垒。以各主要上市公司为例，每万吨碳纤维投资额就需 20 亿左右。中简科技 由于投资的是高性能碳纤维及织物项目，且含有部分产线和车间建设，项目每万吨投资 额达到 124.67 亿元。

2.2、产业链价值增幅迅猛，原丝环节成本占比最大

价值量方面，随着碳纤维产业链的深入，不同阶段的产品价格大幅增值。根据《中国碳 纤维行业现状及发展趋势》，同一品种原丝的售价约 40 元/公斤，碳纤维约 180 元/公斤， 预浸料约 600 元/公斤，民用复合材料约在 1000 元以下/公斤，汽车复合材料约 3000 元/ 公斤，航空复合材料约 8000 元/公斤，在碳纤维产业链中，每一级的深加工都将带来产 品价格的大幅增值。

成本方面，碳纤维各生产环节中，原丝阶段成本占比最高，为 50%左右，规模生产后 占比略有提升。根据美国橡树岭国家实验室的研究数据，碳纤维生产各环节中，原丝阶 段在碳纤维总成本中占比较高，其中工业级碳纤维及航天级碳纤维原丝阶段成本占比分 别为 54.51%、48.05%，规模生产后（以年产能 2.5 万吨为例）原丝成本占比略有提升， 工业级和航天级碳纤维原丝阶段成本占比分别为 56.06%、51.74%。

碳纤维成本中制造费用占比较高，原材料主要为丙烯腈等化学原料，受原油价格影响较 大。碳纤维成本中，制造费用和直接材料占比较高，以主做碳纤维的中复神鹰为例， 2021 年上半年公司碳纤维成本中，制造费用和直接材料占比分别为 51.03%、32.56%。 碳纤维的原材料主要是丙烯腈等化学原料，属于大宗化工产品，价格波动受到国际原油 价格影响较大。截至 2022 年 9 月，布伦特原油现货价为 90.16 美元/桶，同比增长 20.86%，较 2022 年最高点 120.08 美元/桶下降明显。