碳纤维行业分类、产业链、壁垒及进出口分析

性能优异的新材料之王，技术及资金壁垒较 高 。

1.分类标准较多，大小丝束各有侧重

碳纤维是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的 含碳量高于 0%的碳主链结构无机纤维。碳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。碳纤维在航空航天、风电叶片、 体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域广泛应用，是国民经济发展不可 或缺的重要战略物资。

碳纤维按照原丝种类主要分为 PAN 基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维，其中 AN 基碳纤维为主流。其中，PAN 基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异， 用途广泛，自 20 世纪 60 年代问世以来，迅速占据主流地位，占碳纤维总量的 90%以上； 沥青基、粘胶基的产量规模较小。因此，目前碳纤维一般指 PAN 基碳纤维。

按照力学性能，碳纤维还可以分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四类。按 照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标准 GB/T26752-2020 的力学性能分类，PAN 碳纤维分为 高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四类。其中高强型主要对应的是日本东丽的 T300、T700 型号，高强中模型对应 T800、T1000，高模型对应 M40，高强高模型对应 M40J、M46J、M50J、M55J、M60J。

按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别，大小丝束应用 领域各有不同。一般按照碳纤维中单丝根数与 1000 的比值命名，例如，12K 指单束碳 纤维中含有 12,000 根单丝的碳纤维。小丝束碳纤维以 1K、3K、6K 为主，后期逐渐发展 出 12K 和 24K。小丝束碳纤维性能优异但价格较高，一般用于航天军工等高科技领域， 以及体育用品中产品附加值较高的产品类别。一般认为 48K 以上的型号为大丝束，包括 48K、50K、60K 等。大丝束产品性能相对较低但制备成本亦较低，因此往往运用于基 础工业领域，包括土木建筑、交通运输和能源等。

小丝束性能更优、价格更高；大丝束生产成本更低，价格只有小丝束的 50%~60%。大 丝束碳纤维可以采用低价的民用 PAN 丝作为原丝，价格只是制备小丝束碳纤维特种原丝 的大约四分之一，而通常原丝价格约占碳纤维制备成本的 60%，因此，大丝束碳纤维的 价格只有小丝束碳纤维的 50%~60%。大丝束碳纤维生产成本较低，一般用于工业与民 用产品，因此用途较为广泛；小丝束碳纤维对性能的要求更高，在航空航天和军工上应 用较多。

目前国内大丝束还存在诸多技术难题尚未解决。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维生产周期长、 工艺复杂，涉及丙烯腈提纯、聚合、凝固成型、水洗、牵伸、预氧化、碳化、上浆等多 个环节，涉及技术参数控制点为 3000～5000 个。相比小丝束碳纤维，大丝束碳纤维的制 备技术更难，比如凝固成型、牵伸、预氧化、碳化、上浆等的均匀性难度极大。因此， 大丝束碳纤维的离散系数一般较大。同时，毛丝问题也是国产碳纤维的主要问题之一， 由于控制难度加大，大丝束碳纤维毛丝调控更难。在后续应用过程中，由于大丝束碳纤 维丝束较大、易于集聚，因此展纱效果不好，进而造成树脂对大丝束纤维束内部浸润性 较差，丝束间容易产生孔隙且容易造成树脂相的富集与分离等缺陷。另外，在大丝束碳 纤维展纱过程中会出现毛丝甚至断纱，影响预浸料的制备工艺性，导致复合材料力学性 能分散性较大，进一步增加大丝束碳纤维应用难度。

美国、日本企业分别占据大小丝束主要市场份额。小丝束碳纤维方面，2020 年日本东丽、 东邦和三菱三家占据全球小丝束碳纤维市场份额的 49%。大丝束碳纤维方面，美国赫氏 为全球主要的大丝束供应商，占据了 58%的全球市场份额，其次是占比 31%的德国 SGL， 和占比 9%的日本三菱，其他企业仅占剩余的 2%。

2021 年全球市场需求中，大小丝束份额相当。小丝束碳纤维力学性能优异，拉伸强度为 3500～7000MPa、拉伸模量为 230～680GPa，主要应用于航空航天领域，又称宇宙级碳 纤维；而大丝束碳纤维拉伸强度为 3500～5000MPa、拉伸模量为 230～290GPa，主要应 用在汽车、风电叶片、能源建筑和体育用品等，又称为工业级碳纤维。根据《2021 全球 碳纤维复合材料市场报告》，2021 年全球大丝束、小丝束、中模量、高模量市场需求分 别为 5.14、5.11、1.48、0.07 万吨，占比分别为 43.5%、43.3%、12.5%、0.6%。

2. 碳纤维产业链较长，制作流程复杂

完整的碳纤维产业链包含一次能源到终端应用的全部过程。从石油、煤炭、天然气均可 以得到丙烯，经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原 丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维。碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维 预浸料，可作为生产碳纤维复合材料的原材料；碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合，可制 成碳纤维复合材料，再经各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。

原丝是生产高品质碳纤维的技术关键，纺丝工艺的选择及控制是稳定生产高性能原丝的 关键因素。碳纤维企业通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得丙烯腈，然后对以丙烯 腈为主的原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈，再以其纺丝获得聚丙烯腈原丝。PAN 基碳 纤维原丝是生产高品质碳纤维的技术关键，原丝品质缺陷，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。PAN 基碳 纤维原丝的生产过程为将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后纺丝成型。按照纺丝溶剂 的选择，聚合工艺的连续性，纺丝采用的工艺方法等，原丝制备可以分为不同的工艺类 型：按照纺丝溶剂区分，包括 DMSO（二甲基亚砜）、DMAc（N，N-二甲基乙酰胺）、 NaSCN（硫氰酸钠）等不同的溶剂类别；按照聚合工艺的连续性，可以分为一步法、两 步法；按照纺丝工艺，可以分为湿法和干喷湿纺法。其中，纺丝工艺的选择及控制为稳 定生产高性能原丝的关键因素。 PAN 原丝经过预氧化、碳化后得到碳纤维成品。PAN 原丝经过送丝架湿热预牵伸后，由 牵伸机器依次传送到预氧化炉，经过数台预氧化炉群的不同梯度的温度烤化后，形成氧 化纤维即预氧丝；预氧丝经过中温、高温碳化炉后形成碳纤维；碳纤维再经过最终的表 面处理上浆、干燥等工艺得到碳纤维成品。

3.碳纤维技术和资金壁垒较高

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： ）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。 ）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。 ）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 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大概需要 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。

4. 日美等国对我国碳纤维出口管控趋严，国内政策支持力度较大

日、美是我国碳纤维海外需求的主要来源，近几年对我国碳纤维出口政策管控趋严。长 期以来我国碳纤维进口来源以日、美、韩等国为主。2020 年下半年以来，日本、美国加 强了对碳纤维出口中国的政策管控，导致国内碳纤维境外供应难度进一步较大。2020 年 12 月 22 日，因日本东丽子公司出口碳纤维流入了未获日本《外汇及外国贸易法》许可 的中国企业，日本经济产业省对该公司实施了行政指导警告，要求东丽子公司防止再次 发生此类事件。2021 年 2 月 24 日，美国总统拜登签署了行政命令，在联邦机构间展开 为期 100 天的审查，以解决四个关键产品供应链中的漏洞，其中包括碳纤维。在此背景 下，碳纤维进口增速进一步放缓，国产碳纤维将迎来进口替代的机遇期。

支持政策持续出台，碳纤维发展动力强劲。2015 年以来，关于碳纤维的政策层出不穷， 2016 年十三五规划中提出大力发展高性能碳纤维与复合材料等技术，满足国家建设和经 济发展需求；2019 年 10 月，国家发改委发布《产业结构调整指导目录（2019 年本）》， 将碳纤维等高性能纤维及制品的开发、应用和生产列为国家产业架构调整指导目录的鼓 励类项目；2021 年 3 月，十四五规划纲要中提出要加强碳纤维等高性能纤维及其复合材 料的研发应用，为未来碳纤维行业的技术进步提供了良好的政策环境；2022 年 9 月，工 信部等三部门出台《原材料工业“三品”实施方案》，提出推进高性能化工材料、碳纤 维及其复合材料等的技术攻关。

5.我国进口依赖度逐步下降，“十四五”期间众多企业宣布扩产

国内碳纤维产量持续扩张，进口依赖度逐步降低，2021 年进口依赖度为 53.11%，到 025 年预计降至 8.99%。2021 年碳纤维进口量为 3.31 万吨，同比增长 8.98%，增速较 上年有所下降；2021 年碳纤维国产量为 2.93 万吨，同比增速达到 58.11%，连续两年保 持 50%以上增速。2017-2021 年，我国碳纤维进口依赖度（进口碳纤维数量/国内碳纤维 市场需求）呈现逐步下降趋势，2021 年进口依赖度为 53.11%，同比下降 9.1pct，降幅明 显。到 2025 年，我国碳纤维进口依赖度预计将降至 38.99%。

“十四五”期间国内众多企业宣布扩产，产能增量主要集中在大丝束。近年来，在风光 氢等新能源领域的带动下，我国碳纤维市场需求快速增长，国内众多企业纷纷宣布扩充， 从规划的产品来看，除了中复神鹰、中简科技、光威复材等少部分公司外，绝大部分公 司扩产的产品均为大丝束碳纤维，预计“十四五”期间我国大丝束产能将迎来较快增长。