2022年碳纤维行业发展现状及应用市场分析 碳纤维是一种丝状碳素材料

1、碳纤维行业：生产壁垒高，国内产能稳步扩张

1.1 特点：原丝品质决定碳纤维性能，大丝束规模效应显著

碳纤维轻质、高强度，具有优异力学性能。碳纤维是一种丝状碳素材料，由有机纤维经碳化以及 石墨化处理而得到，直径 5-10 微米，含碳量高达 90%以上。碳纤维力学性能优异，比重不到钢 的 1/4，但抗拉强度一般在 3500Mpa 以上，是钢的 7-9 倍，具有轻质、高强度、高弹性模量、耐 高低温、耐腐蚀、耐疲劳等特性，广泛应用于航空航天、国防、交通、能源、体育休闲等领域。 完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程。

一般从石油、煤炭、天然气等化石 燃料中制得丙烯，经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝； 原丝经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，随后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。其中，原丝制备过程在凝固成型、牵伸上均匀控制难度较大，而预氧化、碳化中难点在核心温度控制，对工艺和设备均有较高要求， 2020 年精功科技首条国产化千吨级碳纤维生产 线一次性试车成功并交付客户，预氧化炉、碳化炉等碳纤维生产线核心设备出口韩国。

碳纤维原丝作为生产碳纤维的前驱体，很大程度决定碳纤维的品质和成本。碳纤维原丝是生产碳 纤维用的聚合物原丝，是生产碳纤维的关键材料，占碳纤维生产成本的一半以上；原丝的微观形 态结构和致密性决定碳纤维的强度，而碳纤维原丝分子结构和聚集形态结构的缺陷将严重影响碳 纤维的性能。

根据每束纤维中纤维根数不同，可区分大丝束与小丝束，两者具有不同的应用场景。碳纤维按照 每束纤维中所含单纤维根数可分为小丝束和大丝束，碳纤维原丝也对应区分为小丝束碳纤维原丝 和大丝束碳纤维原丝。一般将丝束数量小于 24K（24000 根）的碳纤维称为小丝束， 24K 以上的 称为大丝束。小丝束力学性能优异，主要应用于航空航天领域，如美国 B2 隐身战略机上有超过 50%为碳纤维；大丝束相比成本更低，在生产中允许有一定杂质，氧化过程快，碳化温度较低， 广泛应用于工业领域。

大丝束规模效应显著，生产效率高、成本低。大丝束碳纤维以低价的民用聚丙烯腈（PAN）作为 原丝，其价格是制备小丝束纤维原丝的1/4。同时，碳纤维原丝规模效应显著，相比于应用场景较 为局限的小丝束，工业领域广泛应用的大丝束在相同生产条件下单线产能大幅提升，成本摊薄效 应显著，可降低生产成本 30%以上，同等条件下轴向性能接近甚至可能超过小丝束。 相比于具有严格技术标准的小丝束，大丝束原丝的制备技术难度更大。

碳纤维原丝生产工艺主要 分为聚合、制胶、纺丝三大步骤。聚合、制胶阶段不区分产品规格，聚合中控制温度影响反应速 度和聚合物的规整性；而在纺丝中通过调整不同喷丝头和工艺参数生产不同规格的碳纤维原丝。 48K 的大丝束碳纤维意味着每束纤维中有 4.8 万根碳纤维，设备喷丝口也有 4.8 万个，这样使孔中 喷出的每根丝线具有相当均匀度所面临的困难显著提升；此外，在相同的毛丝占比下，大丝束的 毛丝更为明显，并且碳化过程会放大毛丝问题带来的影响，剧烈的化学反应会导致碳纤维分子化 学键发生断裂，因此更需要生产原丝时严格控制毛丝占比。

1.2 格局：规模需求催生分工细化，聚焦大丝束国产化替代

大丝束生产的规模化程度远超小丝束，催生了产业链进一步细化的需求。由于碳纤维产业链过 长，每一链段均包含高精尖技术与品质，即便是当今世界著名的 8 大碳纤维企业也做不到打通全 链条的商业化运营。随着碳纤维逐步从高端小众市场走向通用领域，单一品种大批量生产的需求 越来越强。2011 年，海外的西格里和三菱首次将原丝和碳化步骤拆分，由日本大竹的 MSP 生产 原丝，送到美国华盛顿的 SGL 完成碳化，最后在德国被加工成汽车零件。但由于终端产品宝马 i3 销量不及预期，项目综合成效不佳。近年来，在风电叶片为主导的工业领域需求飞速扩张背景 下，吉林系在国内企业中首次将原丝、碳化过程分离，强化细分环节的规模效应，其中吉林碳谷 独家卡位高技术壁垒的原丝环节，竞争优势突出。

国内企业处于快速扩产阶段，中国 2021 年首次超过美国成为全球碳纤维最大产能国。目前全球 十强碳纤维厂家中，包含吉林化纤、中复神鹰以及宝旌三家中国大陆企业。吉林化纤集团（包括 吉林化纤、吉林碳谷、国兴碳纤维等）预计在十四五期间完成 20 万吨原丝、6 万吨碳纤维以及 1 万吨复合材料的全产业链扩产计划，2022 年新增碳纤维产能 2.7 万吨；中复神鹰在西宁实施 2 万

吨扩产计划，上海石化也正在建设 1.2 万吨大丝束项目，中简科技 2021 年公布定增 18.67 亿元的 1500 吨碳纤维及其制品扩产计划。此外，部分公司也开始着力拓展碳纤维复材产品，光威复材 2020 年以来扩建其原有碳梁、预浸料生产线，预计项目建成后具有 1190 万米碳梁和 1460 万平 方米预浸料生产能力；吉林化纤则预计到十四五末实现 6.5 万吨复材生产能力。

碳纤维原丝产能供给国产化替代大有可为。按照广州赛奥估计，中国市场目前 6.2 万吨的碳纤维 需求已经是全球 11.8 万吨的最大市场，占比高达 52.9%；供给方面，2.2 万吨为进口，也就是国 产纤维的自给量在 4 万吨；而从产能角度，中国已经成为全球最大产能国，2021 年产能达 6.3 万 吨，占全球比例 30%，从供需占比上看存在的扩产机会，目前国内碳纤维行业投资规模较大但与 国际先进水平仍然存在差距。（报告来源：未来智库）

随着国内碳纤维产品质量稳步提升，未来有望与国外竞争对手对抗 扩大国产替代比例，并进一步开拓海外市场。目前没有发现国际碳纤维巨头向国内批量出口碳纤 维原丝的情况，国际碳纤维产业巨头主要向国内出售碳纤维或碳纤维制品，且发达国家高尖端产 品亦限制出口，限制了国内碳纤维行业的发展。碳纤维作为军民两用产品，属性较为敏感，国际 巨头很难向国内出口技术门槛较高的碳纤维原丝。2020 年-2021 年，我国吉林化纤集团、上海石 化、广东金辉碳纤维材料公司、国泰大成新材料科技产业园等陆陆续续公布了原丝产能扩建计划。

碳纤维吨投资成本高昂，碳化环节更为突出。碳纤维生产属于高度集中寡占型市场，其中碳纤维 原丝制备具有工艺、技术壁垒，碳纤维产业链上各区间技术要求区别大，前期研发投入高。同时 生产线建设时间长、投资额高，根据碳纤维生产线（不包括原丝）投资额及产能计算，可以 得到碳纤维产线万吨投资额平均成本 20 亿元，相比之下，中国巨石二期年产 8 万吨无碱玻璃纤维 池窑拉丝生产线项目万吨投资额仅 1.18 亿元。碳纤维产线建成后，通过调整技术参数以实现低成 本和大规模工业生产对研发费用及固定成本摊薄效应明显，在资金和成本上均有明显的先发优势。

2、碳纤维工业化下游应用市场广阔

2.1 风电：大型化趋势下，叶片成碳纤维主要增长动力

风电叶片是接受风资源的关键部位，其设计、材料和工艺决定风机的发电效率。风机叶片是一个 薄壳结构，由大梁、腹板、外蒙皮组成，复合材料在叶片中占比达 90%以上，主要是树脂基玻纤 增强复合材料。通常来讲，叶片长度与风机功率成正比，为实现风机功率增加，叶片设计长度不 断加长，根据 GWEC 数据，目前直径在 111~130m 的叶片占比达 57%，取代 91~110m 的叶 片。但是较大尺寸的叶片对于材料性能要求更为苛刻，原有的玻纤增强复合材料模量低、密度 大，导致其制成的叶片质量重的缺陷逐渐显露，较重的玻纤材料消耗过多能量，发电效率不高从 而抬高风电成本。随着风电叶片长度增加，为减轻叶片重量，提高刚度，叶片轻量化技术在风电 中显得愈发重要。

风电市场需求旺盛，新增装机单机容量持续提升，且风机尺寸不断加大。根据 GWEC 的《全球 风能报告 2022》，全球 2021 年风电装机新增 93.6GW，中美两国陆上风电分别为 30.7GW 和 12.7GW，欧洲、拉丁美洲、非洲和中东陆上新增装机增长 19%、27%、120%。同时海上风电实 现 21.1GW 的新增并网，为前一年的 3 倍以上，其中中国海上风电增量占全球 80%，成为全球海 上风电累计装机最多的国家。为提升发电效率，风机尺寸持续提升，叶片直径屡创新高。根据 CWEA，中国目前陆上、海上风电装机单机容量呈现上升趋势， 2021 年新增装机的单机容量已 经分别达到 3.1KW、5.6KW，相比 2011 年实现翻倍。根据 EWEA，2013-2015 年，105、110 和 111米叶片替代了原来的93米叶片成为行业主流；2016年115米和121米叶片是绝对主力叶型； 2018 年，121 米叶片占领了大部分市场，131 米叶片也开始批量生产。

在风机大型化趋势下，碳纤维是叶片轻量化的最优选择。碳纤维复合材料应用于叶片关键部位， 如大梁、蒙皮，减轻叶片重量，使得风机输出功率曲线更为平滑。据统计，GEC 设计的 50m 叶 片中占总长度 50%的大梁由碳纤维（CFRP）组成，相比全部由玻璃纤维（GFRP）制造的叶 片，大梁厚度减少一半，叶片重量下降 16%；而通过在蒙皮表面运用碳纤维，可以显著减少支撑 梁受力和扭矩，抵抗拉力和压力性能显著提升。碳纤维替代玻璃纤维成为风机大型化的必经之 路，然而其成本上升却是当前风电企业要面对的不争事实。根据对中国建材叶片的测算，使用碳 纤维的叶片比使用玻璃纤维叶片质量下降 27.02%，而成本增加 16.93%。同时在叶片大型化趋势 下，碳纤维与玻璃纤维的成本差距逐渐缩小。

Vestas 专利到期有望进一步打开碳纤维在风电中应用空间。Vestas 是世界十大风机设备供应商 之首，唯一具备大丝束碳梁工艺的主机厂，其2002年向各国专利局申请了以碳纤维条带为主要材 料的风力涡轮叶片专利包含制造先预制的条带方法和制造风力涡轮机叶片的方法。2015 年 Vestas 首次将碳纤维应用于整条风电梁，大幅缩减碳纤维梁帽与玻纤梁帽的成本差异，2018 年 风电已经成碳纤维消耗最大的市场。

根据国家知识产权局，2022 年 Vestas 碳梁专利保护即将到 期，国内风电厂商有望进一步扩大碳纤维在风电叶片中使用规模。 预计到 2025 年风电用碳纤维市场规模达 93 亿元。当前陆上、海上风电装机瓦数和叶片直径呈现 明显上升趋势，2021 年 2 月中国船舶宣布 10MW 海上风机正式下线， 9 月上海电气发布 102 米 海上风电叶片，11月东方电气宣布拥有完全自主知识产权的103米叶片，到2022年3月VESTAS 宣称其已经拥有 15MW 叶片长度 115.5 米的海上风机。随着风电叶片长度不断增加，碳纤维对于 其减重降本发挥越来越重要作用，我们预计到 2025 年，全球陆上、海上风机碳纤维用量分别 5.3 万吨、2.4 万吨，共计产生碳纤维需求 7.7 万吨，按照每吨 12 万元计算，风电碳纤维市场规模达 93 亿元。

2.2 其他：下游应用广泛，产业化生产可能性亟待探索

除风电叶片外，碳纤维还广泛应用于其他工业领域。尤其是在要求高温、物理性能稳定的场合， 由于碳纤维复合材料具有较高的比强度、比模量，制成品自重小、刚度大，兼具两种优异性能， 适用于有迫切轻量化需求的多种工业领域，包括体育休闲、建筑补强、压力容器等。国际主要碳 纤维生产企业较早布局碳纤维工业应用，如土耳其的阿克萨于 2006 年就开始研究工业级碳纤维 的生产，2012 年与陶氏化学成立合资公司 DowAksa 致力于下游制品研发。

体育休闲：碳纤维复合材料应用于钓鱼竿、高尔夫球杆、自行车、球拍、滑雪板等体育器材 的高端型号，碳纤维鱼竿比玻璃纤维鱼竿轻 50%、撒杆距远 20%；碳纤维高尔夫球杆比传 统球杆轻 10%~40%，具有高阻尼特性拉长击球时间。疫情下，远程旅行受阻掀起新的全民 运动热潮，在冬奥等赛事带动下攀岩、滑板、帆船、冰球等小众运动的参与人群日益增加； 同时户外运动如露营、骑行、滑雪等项目受到热捧。中国国家体育总局发布的数据显示，中国运动人数增长迅猛，预计 2025 年将达到 5 亿人，根据江苏省体育局，疫情背景下全省体 育产业总规模持续增长，体育休闲不断向高端化、大众化方向发展。据广州赛奥，2021 年 全球碳纤维体育休闲市场的需求量持续增长至 1.85 万吨，同比增加 20.13%。

高速列车：当前轨道交通复合材料结构研制已经取得显著成果，如青岛四方和长客的全碳纤 维地铁车体、有轨电车车体、枕梁和四方的转向架。据估计，轨道交通车辆可能是继风电叶 片后，先于汽车行业大量使用碳纤维复合材料的工业领域。截至 2020 年，我国动车组已达 3.13 万辆车, 运行总里程数和速度均创造世界之最；上海、北京、广东运营城市轨道车辆数 量分别为 7071、6779、6593 辆，尤其是当前我国正在研发的超高速 4000km/h 的真空磁悬 浮列车，对于碳纤维的工业化使用需求迫切。碳纤维在高速列车领域大有可为，2018 年， 江苏恒神与中车长客合作试制全碳纤维符合材料地铁车体；2022 年上海石化与中国中车合 作生产的碳纤维列车车头罩应用于广州地铁18号线“湾区蓝”高速列车，最高时速可达160 公里。

汽车：碳纤维材料可通过优化汽车结构实现汽车零部件轻量化，在汽车上的应用包括汽车车 身、制动器衬片、燃料贮罐、座椅加热垫、传动轴、轮毂等。宝马公司是碳纤维使用的先驱， 2009 年宝马与 SGL 成立合资公司以创新工艺提升碳纤维生产效率，从而使得碳纤维能够适 用于大批量生产的车型，随后碳纤维应用于宝马 i3、i8 车型的车身设计，2014 年宝马 7 系 采用碳纤维材质成功减重 230kg。在汽车电动化趋势下，以现有的电池能量密度车身轻量化 势在必行，2021 年宝马发布 iX 纯电动 SUV 使用 Carbon Cage 碳纤维架构，比之前发布的 Carbon Core 在电动化方向更进一步。根据广州赛奥，全国碳纤维汽车市场 2021 年的需求 量为 1600 吨，占比 2.6%，同比增长 33.33%（报告来源：未来智库）

新型建材：碳纤维对于建筑加固具有高强高效、耐腐蚀、不增加结构尺寸等优点，目前全球 处于第五期地震活跃期, 对建筑物包括楼房、桥墩、隧道、机场、高速公路重要路段和军事 设施的加固需求量有望增加。2018 年帝人宣布其开发高性能碳纤维与木板集成的先进纤维 增强木材 AFRW，弯曲强度比木材高 2-4 倍，比一般集成材料的刚性高 2 倍, 设计自由度高， 有利于建材的轻量化，提高建筑物的耐震性和空间利用率。

压力容器：压力容器的增长点主要在氢气瓶领域。根据广州赛奥，2021 年全国的气瓶碳纤 维用量大约为 3000 吨，占比 4.8%，同比增长 50%，其中储氢气瓶用量约为 1900 吨。氢能 因其零排放特点被认为是汽车的终极能源，氢能利用完整链条中安全可靠的储氢技术是决定 氢能广泛应用的关键因素，其中车载储氢具有成本低、能耗小等优点, 是应用最广泛的储氢 方式。据广州赛奥，2022 年中国将至少新增 1 万辆氢能源车，氢燃料电池 汽车预计总量能到使用到 2500 吨以上。2022 年 3 月，发改委发布《氢能产业发展中长期规 划（2021-2035 年）》指出 2025 年氢气燃料电池车保有量达 5 万辆， 21 年现存保有量仅 0.9 万辆，广东赛奥判断，未来碳纤维气瓶市场在 3-4 年有望成长为万吨级别的市场。

热场系统：以碳纤维为增强体的先进碳基复合材料开始广泛应用于单晶拉制炉、多晶铸锭炉 热场系统。光伏发电通过利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能，其产业 链上游主要由光伏电池相关原材料组成，由硅料经单晶拉制炉、多晶铸锭炉热场系统处理形 成硅棒和硅锭进而形成硅片。在这个过程中，单晶拉制炉、多晶铸锭炉热场系统是非常关键 的设备，先进碳基复合材料（以碳纤维为增强体、以碳或碳化硅等为基体、以化学气相沉积或浸渍等工艺形成的复合材料）较传统石墨材料性价比、安全性更高，近年来被广泛用于光 伏、半导体等领域。据国际能源署（IEA）预测 2030 年全球光伏累计装机量有望达到 1721GW，基于智研数据，中国 2025 年碳碳热场市场总需求达 1.02 万吨。

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