2022年碳纤维行业发展现状及产业链分析 原丝环节是决定碳纤维性能与成本的核心环节

1、碳纤维力学性能优异

碳纤维性能优越，被誉为 21 世纪新材料之王。碳纤维是由聚丙烯腈（PAN） （或沥青、粘胶）等有机材料在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于 90%的碳主链结构无机纤维。碳纤维性能优越，根据《高科技纤维与应 用》，碳纤维强度高（抗拉强度在 3500MPa 以上），模量高（弹性模 量在 230GPa 以上），且密度小（碳纤维密度是钢的 1/4，是铝合金的 1/2），比强度高（比强度比钢大 16 倍，比铝合金大 12 倍）。此外， 碳纤维耐超高温（非氧化气氛条件下，可在 2000℃时使用）、耐低温、 耐酸、耐腐蚀、热膨胀系数小（可以耐急冷急热，即使从 3000℃的高温 突然降到室温也不会炸裂），导热系数大。

大、中小丝束占比各接近一半，工艺、壁垒、应用场景不同。按照每束 碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为中小丝束和大丝束两大类别。1K 表 示一束碳纤维中有 1000 根单丝，通常将 24K 以内的碳纤维称为中小丝 束（包括 1K、3K、6K、12K、24K 等），将 48K 以上的型号称为大丝 束（包括 48K、50K、60K 等）。目前标模碳纤维有大丝束和中小丝束 的区分，标模以上的碳纤维暂无大丝束出现。根据《2021 年全球碳纤维 复合材料市场报告》，2021 年标模大丝束、标模中小丝束、中模、高模 碳纤维分别占比 43.5%、43.3%、12.5%、0.6%。

从工艺和壁垒来看， 中小丝束工艺技术要求高，在生产中杂质含量严格控制，原丝性能要求 高，氧化过程较慢，碳化过程中有时需要较高温度，同时需要进行产品 认证；而大丝束在生产中允许存在一定杂质，原丝性能要求相较于小丝 束较低，氧化过程快，碳化温度相对较低，无需认证，因此大丝束性能 不如中小丝束。中小丝束成本/价格更高，一般用于航天军工等领域，称 为“宇航级”碳纤维；大丝束注重性价比，主要应用于风电、轨交等工 业领域，也被称为“工业级”碳纤维。

碳纤维生产流程分为原丝制备环节、碳丝生产环节、复材生产环节。首 先，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之后得到聚丙烯腈（PAN） 原丝。然后，产业链中下游企业再经过预氧化、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；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，原丝制备环节工艺、技术壁垒相对较高， 碳化环节资金壁垒相对较高。

2、 碳纤维产业链下游产能快速扩张

碳纤维需求持续增长，中国需求占比持续提升。随着碳纤维应用的不断 拓宽，以及渗透率的不断提升，碳纤维需求持续增长，根据赛奥碳纤维 数据，全球碳纤维需求从 2008 年的 3.6 万吨增长至 2021 年的 11.8 万 吨，13 年 CAGR+9.6%。随着中国应用市场的不断开拓，以及下游风电、 光伏等新能源领域的拉动，中国碳纤维需求从 2008 年的 0.8 万吨增长 至 2021 年的 6.2 万吨，13 年 CAGR+16.9%。中国需求占全球的比例也 不断提高，从 2008 年的 22.8%提升至 2021 年的 52.9%。

碳纤维应用广泛，中国民用需求占比更高。根据《2021 全球碳纤维复合 材料市场报告》，2021 年全球碳纤维下游需求中，风电叶片、体育休闲、 航空航天、压力容器、碳-碳复材分别占比 28.0%、15.7%、14.0%、9.3%、 7.2%，而 2021 年中国碳纤维下游需求中，风电叶片、体育休闲、航空 航天、压力容器、碳-碳复材分别占比约 36.1%、28.1%、3.2%、4.8%、 11.2%。相较全球碳纤维需求结构，我国在风电/体育休闲/碳-碳复材等 民用需求领域占比更高，也意味着国内在民用需求领域具备更强的成长 性；而在航空航天等行业，我国仍存在进一步开拓的空间。

我们预计 2025 年全球碳纤维需求有望达 28.1 万吨，2020-2025 年 CAGR+21.3%。我们测算 2021-2025 年，全球碳纤维需求有望达 13.0/13.5/17.1/20.9/28.1 万吨，YoY+21.1%/3.9%/26.9%/22.4%/34.3%。 对于风电领域需求，我们根据 GWEC 预测的全球陆上/海上风电新增装 机量，并预计在风机大型化下碳纤维在风电机组中的渗透率不断提升， 测算 2025 年风电用碳纤维需求达 9.92 万吨。对于体育休闲领域，我们 假设 20-25 年按照 10.0%的复合增长率增长，测算 2025 年体育休闲领 域用碳纤维需求达 2.48 万吨。

对于碳/碳复材领域，我们根据 CPIA 对光 伏新增装机的乐观估计，并预计碳/碳复材在光伏热场系统中渗透率不断 提升，测算 2025 年碳/碳复材用碳纤维需求达 1.91 万吨。对于压力容器 领域，我们根据弗若斯特沙利文对 2025 年全球氢能汽车销量的预计， 并根据中科院宁波材料所测算的单车碳纤维用量数据，测算 2025 年压 力容器用碳纤维需求量有望达 4.28 万吨。对于航空航天领域，我们根据 《2020 年全球碳纤维复合材料市场报告》预测，测算 2025 年航空航天 用碳纤维有望达 2.63 万吨。对于其他应用领域，我们假设 20-25 年按照 13.0%的复合增长率增长，测算 2025 年其他应用领域用碳纤维需求达 6.82 万吨。

我们预计2022/2023年全球大丝束碳纤维有效产能分别为7.4/10.8万吨， YoY+27.3%/45.9%，全球中小丝束碳纤维有效产能分别为 7.7/8.9 万吨， YoY+13.6%/16.4%。根据赛奥碳纤维数据，2020 年全球碳纤维产量为 11.8 万吨，考虑到全球“有产能，无产量”情况明显，我们假设 2020 年底全球碳纤维在产产能为 11.8 万吨。根据赛奥碳纤维数据，2020 年 全球大丝束/中小丝束需求占比分别为 45.2%/54.8%，我们假设相应产能 占比相同。考虑到部分企业虽有扩产规划，但无明确投产时间，或可能 因为技术/资金等原因，导致产能投放延期，因此我们并未将所有的拟扩 产项目纳入测算。

我们测算 2022-2023 年全球中小丝束碳纤维供需格局仍有望保持紧平 衡，大丝束碳纤维或逐渐宽松。大、中小丝束碳纤维产品由于其性能差 异，前者一般对应 T300，后者一般对应 T700 及以上产品，所以应用场 景有所不同，其中碳-碳复材/压力容器（储氢瓶）/航空航天领域主要用 中小丝束碳纤维产品，风电领域主要用大丝束碳纤维产品。

考虑到体育 休闲领域大、中小丝束碳纤维均有应用，我们假设体育休闲中，大、中 小丝束碳纤维需求各占 50%。可测算 2022-2023 年全球大丝束碳纤维需 求为 5.7、8.0 万吨，中小丝束碳纤维需求为 7.7、9.1 万吨。结合全球大、 中小丝束碳纤维供给测算，我们可得 2020-2023 年全球大小丝束碳纤维 供需平衡表。对于全球碳纤维供需格局情况，我们预计 2022/2023 年将 逐渐宽松，主要由于大丝束碳纤维供给新增较多所致。但中小丝束供需 格局仍有望保持紧平衡，景气度有望延续。

原丝因为高壁垒，整体供需格局偏紧。由于碳纤维生产过程中原丝：碳 丝的量通常为 2:1，因此原丝需求量=碳纤维产量*2，可测算 2022-2023 年全球原丝需求为 30.1、39.4 万吨。对于全球原丝供需格局情况，整体 呈现偏紧格局。

3、 原丝是碳纤维制备核心环节，技术、工艺壁垒高

原丝环节是决定碳纤维性能与成本的核心环节。根据《国产碳纤维微晶 结构与缺陷结构研究》，原丝制备过程中所形成的一些物理化学缺陷会 遗传给以其为原材料制备的碳纤维，进而影响碳纤维的质量与性能。碳 纤维的强度显著依赖于原丝的微观形态结构及其致密性，质量过关的原 丝是产业化的前提，是稳定生产的基础。根据《碳纤维企业如何跨过高 成本这道坎》，原丝成本占碳纤维生产总成本的 51%，其性价比与供应 稳定性是碳纤维产业链的重要影响因素，直接影响碳纤维应用领域的广 度。

聚合过程是制得高质量纺丝原液的关键。聚合是将溶剂和共聚单体加入 到聚合釜中进行充分搅拌，加入引发剂使单体聚合，制成纺丝原液的过 程。聚合过程主要分为一步法和两步法。根据吉林碳谷公开发行说明书， 一步法采用均相溶液聚合工艺，所用的溶剂既能溶解单体，又能溶解聚 合物，聚合液可直接纺丝，使聚合纺丝连续化。该方法工序较少、操作 性强、可控性好，有利于获得高质量的 PAN 原丝，更适合生产中小丝束 碳纤维产品。两步法采用非均相溶液聚合（水相沉淀聚合法）得到 PAN 固体粉末，再经分离后用合适的溶剂重新溶解，以制成纺丝原液。该方 法反应平稳均衡、易于获得高分子量的纺丝原液，溶解得到的原液可用 于纺丝的范围广，且生产更为灵活，更适合生产大丝束碳纤维产品。目 前国内企业中吉林碳谷采用两步法，其余厂商采用一步法。

溶剂以 DMAC、NaSCN 和 DMSO 为主流，DMAC、NaSCN 适用于大 丝束生产，DMSO 适用于中小丝束的生产。纺丝原液的质量很大程度上 与所选用溶剂有关, 因此溶剂的选择对PAN纺丝成纤极其重要。根据《聚 丙烯腈溶解行为的研究》，目前用于生产 PAN 原丝的溶剂主要有以下几 种：

二甲基甲酞胺 (DMF)、二甲基乙酞胺(DMAc)、二甲基亚矾(DMSO)、 氯化锌 (ZnCl2)、硫氰酸钠(NaSCN)及硝酸(HNO3)等。相比而言, 有机 溶剂对 PAN 的溶解能力比无机溶剂高, 因此纺丝原液浓度较高, 但稳定 性较差；无机溶剂原液浓度虽低，黏度却高，而稳定性好、贮存时间较长。传统腈纶工艺选用的溶剂主要为 DMAC 和 NaSCN，因此从腈纶工 艺沿用下来的溶剂 DMAC 和 NaSCN 较为适合生产大丝束碳纤维产品。 DMSO 虽然价格较高，但精细化程度相较 DMAC 和 NaSCN 更高，能 满足原丝高强化、细旦化、高纯化发展要求，适合生产小丝束碳纤维产 品。

碳纤维原丝制备的技术壁垒、工艺差别主要体现在纺丝过程。目前国内 用于制得碳纤维原丝的主流技术包括湿法纺丝和干喷湿法纺丝。在湿法 纺丝过程中，纺丝原液在离开喷丝孔后直接进入凝固浴，凝固浴中的凝 固剂扩散至原液细流内部，同时原液中溶剂向凝固浴扩散，实现双扩散 后凝固成型。干喷湿法纺丝与湿法纺丝最大的不同在于，纺丝液细流经 喷丝板喷出需经过空气段后再进入凝固浴。空气段虽然很短，但对凝固 相分离和成纤结构有着重大影响，原丝结构的形成一部分发生在空气层。 经干喷湿法制得的碳纤维表面缺陷少，拉伸性能和复合材料加工工艺性 能更优越。

湿法纺丝更适用于生产大丝束碳纤维，干喷湿法纺丝更适用于生产中小 丝束碳纤维。湿法纺丝工艺简单易行，且喷丝过程中偶发性断丝不影响 整体流程的进行，适用于大规模产线生产（通过规模效应降本），但缺点在于生产出的纤维表面粗糙、孔洞较多、内部结构松散、大分子取向 结构较差，纤维直径分散，质量不均匀，适合大丝束碳纤维的制备。干 喷湿法纺丝工艺纤维固含量高，表面光滑，致密度高，且纺速相较湿法 纺丝工艺更快，达到 300-450m/min（通过效率提升降本），但对纺丝 工艺和原液质量要求极高，适合制备高性能中小丝束碳纤维。

湿法纺丝技术路线源于腈纶工艺。腈纶工艺与大丝束原丝生产工艺较为 相似，根据《土耳其 AKSACA 碳纤维发展状况及其对我国的借鉴》，掌 握腈纶工艺的企业依托强大的丙烯腈聚合能力与经验，在碳纤维原丝生 产中具有无法比拟的技术优势。纵观国际碳纤维巨头的发展历程，大多 具有腈纶生产经历，尤其是日本东丽、帝人东邦、三菱丽阳均曾为纤维 制造商，拥有腈纶生产经验。目前在大丝束碳纤维领域，突破了原丝技 术的企业均有腈纶工艺基础，且掌握了溶剂的生产，包括吉林碳谷、上 海石化等。

干喷湿法纺丝技术路线源于日本东丽和美国赫氏。1980 年，波音公司提 出了对高强碳纤维的需求，刺激了碳纤维的发展。1983 年前后，日本东 丽和美国赫氏首先研发出干喷湿法的纺丝方式，打破了原先湿法纺丝独霸的技术体系。干喷湿法的出现是碳纤维原丝纺丝技术的重大突破，极 大地提高了碳纤维的生产效率、性能和品质稳定性。目前在国内企业中， 中复神鹰在 2013 年实现突破并已实现成熟的应用，江苏恒神于 2014 年 建成干喷湿纺专用原丝生产线和碳化生产线，光威复材 2019 年通过了 T700S 级碳纤维干喷湿法产业化制备项目鉴定。

各企业需根据自身特点及相关目标市场，选择适合的工艺和发展路线。 从国外企业技术来看，行业龙头日本东丽同时具备高性能中小丝束和大 丝束生产能力（大丝束主要为卓尔泰克生产），在聚合阶段采用 DMSO 为溶剂的一步法，在纺丝阶段中，T700、T800 和 T1000 产品采用干喷 湿法纺丝工艺，其他产品采用湿法纺丝工艺。国内中复神鹰主要生产高 性能中小丝束，聚合阶段采用 DMSO 为溶剂的一步法，纺丝阶段主要采 用干喷湿法纺丝工艺（同时掌握湿法纺丝工艺）。吉林碳谷主要生产大 丝束原丝，同时依托腈纶工艺基础，聚合阶段采用 DMAC 为溶剂的两步 法，纺丝阶段采用湿法纺丝工艺。

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