2024年碳纤维行业专题报告：底部渐现，航空航天和机器人有望成需求热点

碳纤维性能优越，工艺复杂

碳纤维是“21 世纪新材料之王”

碳纤维(Carbon Fiber)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的微晶石墨材料，直径5-10微米，含碳量高达90%以上。碳纤维力学性能优异，同时具有轻质、高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性，广泛应用于航空航天、国防、交通、能源、体育休闲等领域。

聚丙烯腈碳纤维为目前主流碳纤维产品

聚丙烯腈(PAN)基碳纤维为目前碳纤维主流产品。世界碳纤维产业已形成了黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基三大原料体系，其中黏胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，而聚丙烯腈基碳纤维兼具良好的结构和功能特性，是碳纤维发展和应用的主要品种。

碳纤维产业链长，技术壁垒高

PAN 基碳纤维的制备过程一般分为原丝制备和碳丝制备两个阶段，其中原丝制备包括聚合、纺丝工段，碳丝制备包括预氧化、碳化工段。碳纤维工艺复杂，生产条件要求严格，整个工艺流程中涉及技术参数控制点3000-5000个。

小丝束碳纤维力学性能优异、成本高

碳纤维按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束。小丝束性能优异，但成本较高。碳纤维的开发起初应用于航空航天领域，小丝束性能更能满足航空航天、军工复材的需要，但受成本制约，难以在风电叶片等领域实现推广应用。大丝束在保持碳纤维优良性能的前提下，通过提高单线产能，大幅降低成本，打开碳纤维广泛运用于工业和民用领域大门。

小丝束碳纤维性能优异但价格较高，大丝束碳纤维性能相对较低但成本亦较低。相比小丝束，大丝束碳纤维最大的优势就是在相同的生产条件下可大幅度提高碳纤维的单线产能，实现生产的低成本化。而且在复合材料制备过程中的铺层效率也更高，生产成本能降低约30%以上，有助于打破碳纤维因价格较高带来的应用局限，为碳纤维复合材料进一步拓展应用市场奠定基础。

碳纤维长期被日美欧企业垄断，中国企业取得长足进步

PAN基碳纤维的生产起步于20世纪60年代，日美领先。日本高度重视高性能PAN基碳纤维及能源和环境友好相关技术开发，培育出了东丽、三菱等一批碳纤维行业领军企业。1988年，美国国会通过法令，军用碳纤维所用聚丙烯腈原丝要逐步实现自给，由此扶持了赫氏、氰特等本土碳纤维企业的发展。上世纪90年代卓尔泰克开始研发并推进低成本大丝束在工业领域的应用，形成了高性能小丝束和低成本大丝束两种技术路线，2014年，卓尔泰克被东丽收购。目前，世界碳纤维技术仍主要掌握在日本公司手中，其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位，日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产“领头羊”。

我国碳纤维工业总体上与日本碳纤维的研发同步进行，经历了长期低水平徘徊、技术转型和快速发展3个阶段。依靠长期自主研发，打破了国外技术装备封锁，碳纤维产业化目前取得长足进步。

多重拉动，需求快速增长

碳纤维广泛应用于国防工业以及高性能民用领域

碳纤维应用于高端领域，发展前景广阔。碳纤维具有目前其他材料难以比拟的高比强度（强度比密度）及高比刚度（模量比密度）性能，还具有耐腐蚀、耐疲劳等特性，广泛应用于国防工业以及高性能民用领域，涉及航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、交通设施等，是一种国家亟需、应用前景广阔的战略性新材料。

碳纤维需求多点开花，风电仍具潜力

从下游应用结构上看，风电叶片和体育休闲依然占据绝对主流。根据赛奥碳纤维，2022年全球碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片25.7%、体育休闲 17.8%、航空航天军工14.9%，国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是体育休闲30.9%、风电叶片23.5%、碳碳复材9.1%。

从中国与全球应用对比来看，国内多领域发力，风电碳纤维在国内有较大发展空间。航空航天军工及压力容器迅猛发展，大幅度缩小与国际差距，达到相当水平，2022年碳纤维需求量同比分别+290%/+100% ；国内体育休闲、碳碳复材、建筑、电子电气已成为特色优势应用市场，2022年需求量同比分别+31%/-3%/+24%/+43%；风电(扣除大量来料加工，只统计国内风电厂家用量)与国际依然有巨大差距，2022年风电碳纤维用量同比-22%；汽车及混配模成型因中国新能源车高速发展而潜力巨大，2022年碳纤维需求量同比分别+50%/+33%。

卫星互联网持续催化，卫星、火箭有望打开碳纤维应用新格局

我国在航天领域对碳纤维复合材料（CFRP）结构的研究始于上世纪70年代，自从1984年我国东方红1号卫星上首次使用碳纤维/环氧复合材料以后，CFRP 在我国卫星的结构件、大型运载火箭以及空间相机上获得了广泛的应用。 在卫星方面，目前我国自行研制的卫星结构中，大量采用CFRP结构。因为卫星结构纯属有效载荷，减重的经济效益很大，又因其空间环境恶劣，要求卫星结构的尺寸和性能稳定、变形一致，所以在卫星的主体骨架结构、外壳结构、太阳能电池板组件、桁架结构、天线结构、仪器安装板和支架结构等都在不断扩大使用CFRP。 根据李威等《碳纤维复合材料在航天领域的应用》一文研究，运载火箭上所采用的CFRP件在质量上比铝合金构件节省约10%-25%。在运载火箭方面，由于CFRP具有耐高温、比强度和比模量高等力学特性，常被应用在火箭的排气锥体、发动机盖、壳体、燃烧室、发动机喷管、喉衬、扩散段及整流罩等部位。

风机大型化推动碳纤维渗透率提升

风机大型化推动碳纤维在叶片中渗透率不断提高，降低机组的综合成本。风机大型化是未来的发展趋势，叶片重量随着长度增加呈几何级数增长，使得风机载荷增大、风机部件成本增加。在满足刚度和强度的前提下，采用碳纤维的风轮叶片比玻璃钢叶片质量轻30%以上，虽然碳纤叶片成本上升，但其带来的传动链上相关部件以及塔筒的优化减重，使得风电机组的整体成本降低10%以上。例如120m的碳纤维风轮叶片可以减少总体自重达38%，使得风电机组的整体成本下降14%。

成本是碳纤维在风电大规模应用的关键因素

碳纤维主梁叶片能否实现大规模应用与成本息息相关。结合北极星风力发电网、中材科技风电叶片股份有限公司等测算，当碳纤维价格降低到80元/kg时，风电行业对叶片规模化应用碳纤维的接受度会比较高；此外，世界风能协会、中国可再生能源学会风能专业委员会认为，当碳纤维价格下降至70-100元/kg时，将对风电行业带来翻天覆地的变化。目前碳纤维头部供应商卓尔泰克批量供应的碳纤维价格（约13美元/kg）可以作为大丝束碳纤维企业的参照。因此综合来看，我们认为碳纤维价格达到80元/kg以下时有望为逐步打开碳纤维在风电行业的大规模应用。 根据百川盈孚，截至2023年12月，国内大丝束碳纤维已降至80元/kg以下，碳纤维在风电领域的应用有望逐步进入放量阶段。

产能释放叠加提质增效

中国成为全球碳纤维最大产能国

2021年，中国首次超越美国成为全球碳纤维最大产能国。根据赛奥碳纤维， 2021年国内碳纤维产能6.34万吨，占全球总产能20.76万吨的31%；2022年中国碳纤维产能占比持续提升，已达到43%。 国内企业已克服低达产率瓶颈。产能利用率从2015年的10.5%达到了2022年的53.3%。

国内供应发力，碳纤维进口明显减少，出口呈增加趋势

根据赛奥碳纤维信息，2022年，中国台湾、韩国、德国对中国大陆出口均有不同程度降低，主要原因是国产替代；匈牙利及美国对中国大陆出口降低，而墨西哥大增，主要原因是匈牙利因为天然气短缺的停产，卓尔泰克对中国大陆出口对比2021年减少8.2%，主要是因为风电市场疲软的原因；日本对中国大陆出口保持了高增长，这充分说明了日本产品的竞争优势及客户忠诚度。从进口碳纤维原产地来看：日本及韩国主要是小丝束产品，美国、墨西哥、匈牙利、德国主要是大丝束产品，而中国台湾则是大小丝束兼顾。 总体来看，随着国产碳纤维供应逐渐增加，我国碳纤维进口量持续降低，出口则呈增长态势。

我国小丝束碳纤维初步具备一定的产业基础

国内小丝束碳纤维初步具备一定产业基础。以光威复材、中复神鹰等碳纤维企业为代表，国内产品强度、模量等性能逐渐向日本东丽等国际巨头靠拢，已初步实现对领先企业的追赶和对标。 但国内小丝束碳纤维仍有较大发展空间，技术突破是根本要素。国内小丝束碳纤维在规模、产品质量稳定性、产品牌号丰富度、与下游应用的匹配性等方面仍有差距，尤其是高端产品方面，未来技术突破仍然是关键。

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编辑：火腿肠