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碳纤维行业分析报告:高壁垒、高成长,国产替代正当时

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2022/07/12 03:42发布
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获奖论文推荐——碳纤维行业分析报告:高壁垒、高成长,国产替代正当时

一、碳纤维是不可替代的军民两用重要战略物资,技术壁垒极高

1、碳纤维具有不可替代的优良性能,用途十分广泛

碳纤维是比强度和比模量最高的高性能纤维,用途十分广泛。碳纤维(Carbon Fiber,简称 CF)是一种含碳量在 90% 以上的无机高分子纤维,由聚丙烯腈(PAN)(或沥青、粘胶)等有机母体纤维采用高温分解法在 1,000 摄氏度以上 高温的惰性气体下碳化制成。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,广泛应用于航空航天、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,是发展国防军工与国民经济的重要战略物资。

聚丙烯腈基碳纤维为碳纤维主流产品。按原丝类型分,碳纤维可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤 维。其中,聚丙烯腈基碳纤维具有成品品质优异、工艺较为简单及力学性能优良等优点,已经成为碳纤维主流,占市 场份额的 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。

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小丝束碳纤维主要应用于航天军工和体育休闲领域,大丝束碳纤维主要应用于基础工业领域。按照每束碳纤维中单丝 根数,碳纤维可划分为小丝束和大丝束两大类。一般按照碳纤维中单丝根数与 1,000 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。小丝束碳纤维初期以 1K、3K、6K 为主,逐渐发展为 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,主要下游 产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。一般认为 40K 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。随着目前碳纤维制作工艺的提升及产品价格的下降,小丝束在工业领域的运用已逐步拓宽。

实践中,碳纤维多按其力学性能分类。实践中,拉伸强度及模量是国际碳纤维分类的主要标准,业内一般采用日本东 丽(TORAY)分类法。2011 年《聚丙烯腈基碳纤维》国家标准正式发布实施,标志着我国的碳纤维行业有了自己的 分类方法与标准。按力学性能分类,碳纤维可分为高强型(GQ)、高强中模型(QZ)、高模型(GM)、高强高模 型(QM),碳纤维在应用时多是作为增强材料而利用其优良的力学性能,因此使用中更多的是按其力学性能分类。

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2、碳纤维技术壁垒极高,原丝质量是关键

碳纤维生产工艺流程长,技术壁垒极高。PAN 基碳纤维是以丙烯腈为原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈,聚丙烯腈 经过纺丝得到聚丙烯腈原丝,再通过对原丝进行预氧化、碳化、表面处理等工艺而得。碳纤维复合材料是指以碳纤维 为增强材料,以树脂、橡胶等为基体材料,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。碳纤维生产工艺流程长,整个过程连续走丝,需要对 参数精确控制,每个环节都会影响到碳纤维成品的质量和性能。

原丝制备是碳纤维生产的核心环节,原丝的质量直接决定着最终碳纤维产品的质量、产量和生产成本。碳纤维属于脆 性材料,其最主要的拉伸强度等力学性能受控于纤维内部存在的缺陷,提升碳纤维的拉伸强度等性能就是采取技术措 施减少纤维内在缺陷数量和尺寸的过程。碳纤维的缺陷可分为表面缺陷和内部缺陷,表面缺陷占缺陷总数的 90%左右, 而其产生的原因大部分来自于 PAN 原丝的缺陷“遗传”给碳纤维。原丝成本占整个碳纤维生产成本的五成以上,质 量差的原丝易在后续过程中发生毛丝缠结甚至断丝,这样必然在影响碳纤维质量的同时增加原丝的消耗。因此, PAN 原丝质量不仅影响碳纤维的性能,而且也决定着碳纤维的生产成本和市场竞争能力。

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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。PAN 基碳纤维原丝的生产过程是将丙烯腈单体聚合制成 纺丝原液,然后纺丝成型。高强度高质量碳纤维原丝应具备的主要性能包括强度高、取向度高、均匀性好、杂质少、 孔洞少、断丝少、缺陷少,制备高质量的 PAN 原丝需注意以下几个方面:

(1)丙烯腈单体聚合:在丙烯腈进行聚合反应时,需要加入少量共聚单体,这样在后续预氧化过程中有利于链状大 分子发生环化反应,并且可以缓和化学反应放热的剧烈程度,使预氧化反应容易控制。可以作为共聚单体的物质有甲 基丙烯酸、顺丁烯二酸、甲基反丁烯酸等不饱和羧酸类单体,其含量一般控制在 0.5%~3%之间。

(2)制备聚丙烯腈纺丝液:丙烯腈聚合反应结束后需对 PAN 纺丝原液进行脱单、脱泡等操作制得聚丙烯腈纺丝液, 高质量的 PAN 纺丝液是制备高性能 PAN 原丝的前提,应在纺丝液生产过程中注意控制纺丝液粘度、转化率、残余单 体含量以获取高质量 PAN 纺丝液,其必须具备以下条件:合适的相对分子质量,适中相对分子质量分布,合适的粘 度、固含量,尽可能少的残余单体含量和气泡等。

(3)纺丝成型:PAN 原丝的性能取决于 PAN 分子结构和排列方式,而其排列方式由纺丝工艺决定。在纺丝过程中, 应注意控制 DMSO 残余量,纤度,单丝强度、模量、伸长率,含油率,直径不均率,沸水收缩率等指标以获取优质 的 PAN 原丝。生产 PAN 原丝的纺丝工艺有湿法、干法、干湿法(干喷湿纺)三种,目前广泛使用的是湿法和干湿法, 干湿法可采用分子量大的树脂和固含量高的纺丝液来纺丝,纺出纤维致密性高,强度高(一般为 7.0-10.6 cN/dtex), 且为圆形,适宜制造高性能碳纤维。

(4)降低原丝杂质含量:制备碳纤维原丝时,要求所用单体、水、溶剂等原料纯度高,车间内无尘,容器设备耐腐 蚀,使原丝中杂质含量(包括金属离子含量)降到最低,因为杂质会增加原丝缺陷,降低碳纤维的性能。另外,原丝 质量的变异系数要小,这样有利于原丝的结构均匀,在预氧化和炭化热处理时反应完全,质量稳定。

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碳化和石墨化对碳纤维产品的最终性能影响很大。预氧化丝在惰性气体保护下进入炭化炉,在炉内进行碳化反应,直 链状大分子交联后转变为稠环状结构,纤维中碳含量从 60%左右升至约 95%,形成梯形六元环连接的乱层状石墨片 结构。碳化过程中,在低温时,大分子结构中的氢、氮主要以 H2O、CH4、HCN 和 NH3 的形式从纤维中分离出来;温度较高时,氢、氮除了以上述形式分离外,还以分子态氢和氮的形式分离,同时氧也以 H2O、CO2和 CO 的形式分 离,这些热解产物的瞬间排除是碳化工艺的技术关键。炭化炉的设计和工艺要使分解产物顺利排出,否则会造成纤维 表面缺陷,影响碳纤维的质量。为了进一步提高碳纤维的模量,可将碳纤维在 3000 oC 高温下进行石墨化热处理,使 纤维的含碳量升至 99%以上,以改进纤维的结晶在大分子轴向的有序和定向排列。

规模效益在生产碳纤维过程中较为突出。碳纤维技术壁垒极高,碳纤维原料生产及制造成本使其在下游行业的广泛应 用受到了限制,尤其是在环保投入不断加大的情况下,生产及运输等费用(包括原材料、包装材料)大幅上涨进而增 加了生产成本。由于碳纤维制造前期投入大,生产设备、能耗等固定成本高,可通过扩大生产规模来提高资源综合利 用率,以进一步降低碳纤维生产的能源消耗及成本费用,从而提高企业效益。在碳纤维直接成本分配中,同年产 1000 吨碳纤维(消耗 3000 吨原丝)相比,年产 100 吨碳纤维(消耗 250 吨原丝)的直接费用占比减小约 7.8%、流动费 用差别不明显、固定资产折旧占比约高 4% ,结果表明原丝和碳纤维的生产成本同生产规模呈反比,非直接生产因素 占比在不断增加生产规模和产量的情况下会逐渐减小。计算对比碳纤维年产 100 吨及 1000 吨成本费用,大规模的原 丝及碳纤维单耗成本是小规模费用的 56%和 44%,即通过规模化生产可有效降低碳纤维生产成本。

二、国内企业不断打破技术垄断,国产碳纤维正处于进口替代机遇期

国外巨头长期掌握碳纤维核心技术,在全球市场占据主导地位。国际上碳纤维的生产起步于 20 世纪 60 年代,经过 五十余年的发展到 21 世纪初,其生产工艺技术已经成熟,碳纤维的应用领域从行业发展初期的军工和宇航领域向工 业领域和普通民用领域扩大。目前日、美等少数发达国家掌握了世界碳纤维的核心生产技术,尤其是新近开发的先进技术主要掌握在日本东丽、东邦帝人、三菱丽阳三大碳纤维生产企业中,日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生 产领域的“领头羊”,其他国家基本上处于追赶阶段,距离日本碳纤维技术尚有一定差距。

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国内企业逐步打破国外技术封锁,与世界碳纤维先进技术水平的差距在逐渐缩小。我国碳纤维工业的起步可以追溯到 1962 年,总体上与日本同时起步,但由于受到各种条件的制约,以及日、美等碳纤维企业采取严格的技术封锁和产 品封锁,我国碳纤维研究进展缓慢,长期受制于人,严重依赖进口。2000 年以来,国家加大对碳纤维领域自主创新 的支持力度,将碳纤维列为重点研发项目。伴随着国家政策的大力扶持,国内碳纤维行业在技术上取得重大突破,产 业化程度快速提升,应用领域不断扩大。我国已先后突破了 T700、T800 等高性能碳纤维的千吨级产业化,2019 年 中复神鹰实现了干喷湿纺 T1000 级超高强度碳纤维工程化,标志着我国碳纤维生产技术水平又上了一个台阶。经过 近几年的追赶,国产 T700S-12K 小丝束碳纤维的复丝拉伸强度与模量达到同级别东丽碳纤维性能,与世界碳纤维先 进技术水平的差距在逐渐缩小。

政策加码促进国内碳纤维产业快速发展。近年来我国推出了多项关于碳纤维及碳纤维复合材料的支持政策,促进碳纤 维产业的发展。2015 年国务院对未来国产碳纤维及其复合材料技术成熟度提出阶段性要求,为确保技术研发的持续 推进提供了政策支撑;2016 年发布的“十三五”规划纲要中将高性能碳纤维列入高端材料,提出需要大力发展高性 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;2021 年发布的“十四五”规划和 2035 远景目标纲要中, 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。这 些政策的推出,强有力地促进了我国碳纤维及其复合材料的科研创新、产业化推广以及产能提升。

全球碳纤维产能稳步增长,行业集中度高。近年来为满足全球市场碳纤维日益增长的需求,各大碳纤维企业扩产意愿 明显,2021 年全球碳纤维运行产能 20.76 万吨,同比增长 20.9%。由于碳纤维技术壁垒极高、资金投入巨大,使得 国际上真正具有碳纤维研发和规模化生产能力的公司屈指可数,目前全球碳纤维主要生产商包括日本东丽、吉林化纤、 美国赫氏、日本东邦/帝人、日本三菱、德国西格里、中复神鹰、宝旌、台塑和美国氰特等,其中日本东丽是世界最大的碳纤维制造企业(含收购卓尔泰克产能),拥有碳纤维产能 5.75 万吨,占全球碳纤维运行产能的 27.7%,其生 产的碳纤维综合竞争力全球排名第一,业内一般对标东丽的产品标准进行研发;吉林化纤和美国赫氏并列第二,均拥 有产能 1.6 万吨,占比 7.7%;位列第四到第六的企业分别是帝人、三菱、西格里,占比分别为 7.0%、6.9%、6.3%, 行业 CR6 为 63.2%,行业集中度高。

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我国碳纤维产能快速扩张,产能利用率快速提升。近年来受下游需求拉动,我国碳纤维产能快速扩张,2021 年我国 碳纤维运行产能 6.35 万吨,同比增长 75.41%,占全球碳纤维运行产能的 30.5%,产能规模全球第一。2021 年我国 碳纤维产量 2.43 万吨,同比增长 31.35%,产能利用率为 38.27%,产量增速不及产能增速,主要系新增产能多在 2021 年下半年或年底投产,正常生产时间不足所致,预计 2022 年这些产能将充分释放。过去我国碳纤维产业“有产能无 产量”的现象较为严重,产能利用率远低于国际平均水平,近年来随着国内企业不断实现技术突破,产能利用率快速 提升,从 2016 年的 14.94%增长至 2020 年的 51.1%,但较 65%-85%的国际普遍水平仍有一定提升空间。

国产碳纤维正处于进口替代机遇期,稳质降本是实现国产碳纤维“从有到优”的具体路径。经过长期的技术积累,我 国以吉林化纤、中复神鹰、宝旌、新创碳谷、恒神股份、光威复材等为代表的国内碳纤维龙头企业正逐步打破国外技 术垄断,产能规模不断扩张,已有部分企业能实现 T700 级、T800 级碳纤维的规模化生产,产品性能与国际龙头比 肩;但行业内仍有不少企业没有掌握碳纤维核心生产技术,存在工业生产稳定性差、成本高的问题,产品大多围绕低 附加值领域。目前国产碳纤维正处于加速进口替代的机遇期,风电叶片领域碳纤维需求快速提升,航空航天、压力容 器、碳碳复材等高附加值领域应用前景广阔,持续提升生产技术水平,稳质降本是实现国产碳纤维“从有到优”的具 体路径。

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未来全球碳纤维新增产能主要来源于中国。据广州赛奥统计,目前全球在建碳纤维产能约 16.18 万吨,国内在建碳纤 维产能 15.15 万吨,占比 93.6%,中国是全球碳纤维产能增长的主要来源。国内在建碳纤维产能预计有 4.9 万吨于 2022 年投产,包括吉林化纤 2.7 万吨,新创碳谷 1.2 万吨、光威包头 0.4 万吨和新疆隆炬 0.6 万吨。国外碳纤维在建 碳纤维产能约 1.03 万吨,包括 ZOLTEK 6000 多吨,DOWAKSA 1800 吨和韩国晓星 2500 吨。(报告来源:未来智库)

三、双碳政策驱动下游应用多点开花,碳纤维市场需求空间广阔

近年来中国碳纤维市场规模高速增长,远超全球平均水平。2021 年全球碳纤维市场规模 43 亿美元,同比增长 30.1%, 中国碳纤维市场规模 15.88 亿美元,同比增长 54.6%,自 2015 年以来年均复合增速分别为 4.8%、23.1%,中国碳纤 维市场规模增速远超全球平均水平。2020 年受新冠疫情影响,在全球市场占比较高的航空航天领域需求大幅下降, 全球碳纤维市场规模小幅下滑,而航空航天领域在国内需求占比较小,中国碳纤维市场规模仍维持高速增长。2021 年全球碳纤维市场规模大幅提升,主要系全球碳纤维供给不足,碳纤维价格上行所致。

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全球碳纤维需求持续增长,风电、体育器材、碳碳复材及压力容器等领域持续发力。2021 年全球碳纤维需求量 11.8 万吨,同比增长 10.38%,恢复至长期年均复合增速水平,虽然受全球新冠疫情影响,民用航空领域需求低迷,但风 电、体育器材、碳碳复材及压力容器领域仍保持较快增长,带动行业整体需求提升。据广州赛奥预测,到 2025 年全 球碳纤维需求量将达 20 万吨,到 2030 年将达 40 万吨,5 年年均复合增长率分别为 11.13%和 14.9%。大丝束产品份额与小丝束基本相当,低成本优势驱动大丝束市场份额提升。从产品结构来看,2021 年全球大丝束产 品需求量 5.14 万吨,占总需求量的 43.5%,小丝束产品需求量 5.11 万吨,占比 43.3%,大丝束产品份额与小丝束基 本相当。从成本角度考虑,生产大丝束产品是降低成本的有效路径,所以它不仅会通过低成本扩大工业方面的应用, 也会不断吞噬成本较敏感的小丝束传统市场。

我国碳纤维市场需求高速增长,需求量全球占比超五成。近年来我国碳纤维市场需求不断提升,2021 年我国碳纤维 市场需求量达 6.24 万吨,同比增长 27.7%,自 2015 年以来年均复合增速为 24.45%。从需求增速来看,我国碳纤维 需求增速远超全球 10.38%的需求增速,需求量占全球碳纤维需求总量的 52.9%,较 2020 年提升了 7.2 pct,主要系 国内民航碳纤维需求占比远小于全球民航占比,疫情影响下全球碳纤维需求因民航市场严重受挫增速放缓,而国内负 面影响较小;另一方面系全球风电叶片碳纤维需求保持较快增长,同时风电碳纤维代工逐渐由欧洲向国内转移。据广 州赛奥预测,预计到 2023 年、2025 年我国碳纤维需求量将分别达到 9.86 万吨、15.92 万吨,未来四年年均复合增 速为 26.4%。

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我国碳纤维整体呈现供不应求局面,国产替代空间广阔。从我国碳纤维来源来看,2021 年国产纤维供应量为 2.92 万 吨,占总需求的 46.9%,较 2020 年增长 58.1%;进口量 3.31 万吨,占总需求的 53.1%,较 2020 增长 9.2%,整体 来看,我国碳纤维仍处于供不应求的局面。国产化率从 2016 年的 18.4%提升至 2021 年的 46.9%,国产替代趋势明 显,主要原因一是受疫情影响碳纤维进口难度增加;二是日本、美国等国限制碳纤维对华出口,国内需求缺口增加;三是国内碳纤维新产能投放,产量增加。随着国内新产能的进一步投产和放量,预计今年国产化率将超过 50%,但仍 有广阔的国产替代空间。从进口来源来看,日本、美国、韩国、墨西哥等为主要进口国家;从进口产品类别来看,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,中国台湾则是大小丝束兼顾。

碳纤维主要应用于风电叶片、体育休闲、航空航天、碳碳复材等领域。从下游应用领域来看,2021 年全球碳纤维需 求量占比最大的仍是风电叶片,需求量达 3.3 万吨,占比 28%;体育休闲赶超航空航天,重回第二大应用领域,需求 量 1.85 万吨,同比增长 20%,占比 15.7%,主要系疫情影响下人们增加了体育运动;航空航天领域占比 14%,位列 第三,主要是受新冠疫情影响民航领域需求低迷。国内碳纤维需求量最大的也是风电叶片,需求量达 2.25 万吨,占 比 36.1%;体育休闲和碳碳复材占比分别为 28.1%、11.2%,位列第二、第三。与全球碳纤维需求结构相比,我国在 航空航天和汽车等高附加值领域的需求占比明显低于国际水平,产品需求结构存在进一步升级的空间。

中国市场占全球市场近四成,航天航空市场主要在国外,风电叶片、体育休闲、碳碳复材市场主要集中在中国。据广 州赛奥,2021 年航空航天领域碳纤维价格为 72 美元/公斤,价格水平为其他领域碳纤维价格的 2.5 倍以上,主要系 航空航天领域用碳纤维附加值较高;体育休闲、电子电气、船舶、电缆芯等领域碳纤维价格为 27.6 美元/公斤,风电 叶片用碳纤维价格为 16.8 美元/公斤。从市场结构来看,全球碳纤维市场中占据前三的分别是航空航天、风电叶片、 体育休闲领域,而国内前三分别是体育休闲、风电叶片、碳碳复材领域。中国市场占全球市场的 36.9%,航空航天市 场主要分布在国外(中国占比 12.1%),而风电叶片、体育休闲、碳碳复材市场主要集中在中国,国内风电叶片、体 育休闲、碳碳复材市场规模分别占全球的 68.2%、94.6%、82.4%。

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碳纤维复合材料在航空航天领域中应用广泛。碳纤维复合材料由于其比强度、比模量高,不生锈,已成为飞机、导弹、 运载火箭、人造卫星等结构上不可缺少的基础材料。飞机主翼、水平和垂直的横尾翼和横梁、装饰材料、板材料采用 碳纤维复合材料可大幅度降低飞机结构重量,减少燃料消耗,加强其抗侵蚀性能和整体强度。据统计,碳纤维复合材 料在大型客机应用上占15%~50%,军用飞机上占30%~40%,小型商务飞机和直升飞机上的使用量已达到70%~80%。

民用航空市场持续低迷,军机、无人机市场急剧增长,待疫情过后航空航天市场有望回暖。2021 年全球航空航天碳 纤维需求为 1.64 万吨,与 2020 年基本持平,2021 年年中波音 797 被查出存在生产缺陷并暂停交付,全年仅交付 14 架波音 787,远低于 2020 年 53 架的交付量;A350 飞机 2021 年交付 55 架,仍处低迷状态,叠加疫情影响,2021 年商用航空需求持续低迷,但是其他如军机、无人机市场急剧增长。国际航空专家预测商用航空飞机有望于 2025 年 恢复。2021 年我国航空航天碳纤维需求为 2000 吨,同比增长 17.65%,占国内碳纤维总需求的 3.2%,仍有很大提 升空间。

随着民机碳纤维渗透率不断提升,我国民机碳纤维市场需求将持续增长。民用飞机上,随着技术的不断进步,碳纤维 复合材料逐渐由非承力构件转为次承力构件和主承力构件,世界最大客机 A380 上复合材料使用占比 25%,其中 22% 为碳纤维增强塑料(CFRP),具体应用在主承力构件如中央翼盒、尾翼、机体等,和次承力构件如方向方向舵、副 翼、整流罩等。最新的空客 A350 和 B787 复合材料用量超过 50%,机头、尾翼、机翼蒙皮等部位均采用了碳纤维复 合材料。我国大飞机 C919 碳纤维复材用量占 12%,主要用于尾翼和中央复合材料壁板等部位,而据商飞统计,中俄 联合制造的下一代 C929 机型中复材使用将超过 50%,随着我国民用飞机的交付和碳纤维在民机领域渗透率的提高, 我国民机碳纤维需求量将持续增长。

我国军机升级换代需求强烈,军机碳纤维使用比例将不断提升。我国军机与美国相比存在一定差距,美国的战机以 F-15、F-16、F-18 为代表的三代战机为主,占比 66%,以 F-22 和 F-35 为代表的四代战机占比 12%,F-22 和 F-35 上碳纤维复材用量分别达到 24%、26%,B-2 隐身轰炸机上碳纤维复材重量占比 38%;我国战机中以歼-7、歼-8 为 代表的二代机占比 48%,以歼-10、歼-11、歼-15 为代表的三代战机占比 41%,以歼-20 和歼-31 为代表的四代战机 尚未大规模使用,歼-10 和歼-1 的碳纤维用量仅占 6%、10%,歼-20 碳纤维用量为 27%。“十四五”期间是我国国 防军工发展的重要窗口期,主战装备将过度到“批量建设”的放量期,我国军机升级迭代有望加速,随着战机的升级 换代,军机碳纤维使用比例也将不断提升。

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叶片是风力发电机的核心部件,风机大型化促进风电叶片碳纤维需求持续增长。风力作为一种清洁能源,在全球双碳 目标下,近十几年以来经历了全球化的高速增长。风力发电机最主要的结构部件是叶片,叶片尺寸的大小直接决定着 风力发电机组的功率大小。随着风力发电机功率增大,全球风机大型化的趋势日益明显,叶片尺寸越大对叶片的强度 和刚度的要求就越高,于是叶片用复合材料纷纷由玻纤转向碳纤维。在满足刚度和强度的前提下,碳纤维比玻璃钢叶 片质量轻 30% 以上,当前风轮直径已突破 120m,叶片重量达 18 吨,采用碳纤维的 120m 风轮叶片可以有效减少 总体自重达 38%,成本下降 14%。2021 年全球风电叶片碳纤维需求量 3.3 万吨,同比增长 7.8%,中国碳纤维需求 量 2.25 万吨,同比增长 12.5%,自 2016 年以来年均复合增长率高达 49.6%,据广州赛奥预测,预计到 2025 年全球 风电叶片碳纤维需求将达 8.06 万吨。

全球风电装机规模稳步增长,新增装机量将持续提升。近年来全球风电市场发展迅速,2021 年全球累计装机容量 837 GW,新增风电装机容量 93.6 GW,为历史第二高年份,较 2020 年下降了 1.78%;其中,陆上风电新增装机容量为 72.5 GW,同比下降 17.99%,海上新增装机容量为 21.1 GW,同比增长 205.8%。风力等新能源行业发展前景广阔, 预计在未来很长时间内将保持高速增长,同时盈利能力也会随着技术的逐渐成熟稳步提升。据全球风能理事会预测, 未来五年(2022-2026)全球风电新增 557 GW,复合年均增长率为 6.6%,2026 年全球风电新增装机容量将达 128.8 GW,其中陆上风电新增装机 97.4 GW,海上风电新增装机 31.4 GW,海上风电新增装机占比逐渐提升,风力发电行 业及风电叶片用碳纤维的需求前景可观。

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中国为全球风电增长的引擎,双碳政策驱动风电叶片碳纤维需求持续增长。2021 年中国风电累计装机容量 328.5 GW, 新增风电装机容量 47.6 GW,为“十三五”以来年投产第二多,其中陆上风电新增装机 30.7 GW,占比 64%,海上 风电新增装机 16.9 GW,占比 36%。中国新增风电装机容量占同期全球新增装机总容量的 51%,是全球风电增长的 引擎。双碳政策为我国风电行业提供了前所未有的发展机遇,根据北京国际风能大会上通过的《风能北京宣言》,“十 四五”期间我国年均新增装机 50 GW 以上,2025 年我国累计装机将达到 538 GW,预计将带动我国风电叶片碳纤维 需求持续增长。

全球风电新增吊装容量超 100 GW,风电企业盈利能力短期承压。尽管受新新冠疫情、原材料价格上涨和物流的多重 压力,2021 年全球风电整机制造商仍然实现了 104.7 GW 的新增吊装容量,创历史新高,但高企的外部成本和激烈 的价格竞争环境仍使风电企业盈利能力短期承压。目前,全球风电整机制造市场份额集中于以维斯塔斯(Vestas)、 西门子、GE 为代表的国外巨头和以金风科技、远景能源为代表的国内龙头企业。其中 Vestas 占有全球 17.7%的市 场份额,位居第一;中国金风科技排名第二,市占率为 11.8%;西门子和远景能源分别位居第三、第四,市占率分别 为 9.7%、8.65%,在全球前十五强整机制造商中中国企业占到十家。新增风机的功率和叶轮尺寸在继续增大,2021 年新安装风机的平均功率超过 3.5 MW,叶轮直径大于 140 米的风机占到新增装机的 58%,这有赖于海上风机安装量 在 2021 年创下新纪录。同时,中国的陆上风电从 2021 年起进入平价时代,新项目的风机尺寸也在明显变大。

碳纤维拉挤梁片工艺已成市场主流,Vestas 推动全球风电叶片进入碳纤维时代。2015 年之前,碳纤维在风电叶片的 应用主要是通过预浸料真空袋压成型(预浸料工艺)或织物预成型+真空导入(碳纤维织物灌注工艺)的方式,这两 种工艺存在生产效率低、产品性能差、成本高的问题。Vestas 使用拉挤碳板制备叶片大梁,这种工艺提高了纤维体 积含量,减轻了主体承载部分的质量,在保证产品性能的一致性和稳定性的同时极大地降低了运输成本和最后组装整 体成型的生产成本,使得风电叶片碳纤维用量急剧增加。从工艺角度来看,拉挤板材用于大梁已成为主流,目前风电 叶片大规模采用碳纤维的是 Vestas,风电叶片碳纤维需求主要来自 Vestas。

风电叶片碳纤维渗透率有望大幅提高。当前碳纤维主要用在海风装机风电叶片上,在超过 100 米的风电大叶片中,碳 纤维才具有性价比,小叶片已经不能满足远海的建设需求,大叶片将会成为主流,但碳纤维的价格昂贵制约了其大规 模工业化应用。Vestas 在 2002 年 7 月 19 日分别向中国/丹麦等国家知识产权局、欧洲专利局、世界知识产权局等国 际性知识产权局申请了以碳纤维条带为主要材料的风力涡轮叶片的相关专利,专利权利要求包含了制造预先预制的条 带的方法和制造风力涡轮机叶片的方法,专利将于 2022 年 7 月到期,到期后其他风电厂家有望采取该技术来生产大 叶片,同时随着国内碳纤维新产能投放和风电整机厂商的持续发展,低成本碳纤维的供应能力会增强,碳梁叶片成本 有望进一步降低,风电叶片碳纤维的渗透率有望大幅提升,届时将带动风电叶片碳纤维产品需求快速增长。

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碳碳复材是极佳的热场材料,逐渐取代石墨广泛应用于光伏领域。碳碳复合材料是碳纤维及织物增强的碳基体复合材 料,主要应用于刹车盘、航天部件、热场部件三大领域。碳纤维刹车盘由于具有质量轻、耐高温、热膨胀系数低、无 热衰退等特点而广泛应用于飞机与高铁,并且由于其消耗品的属性,消费市场较大;航天部件市场方面,碳碳复材是 飞行器端头帽、固体火箭发动机喷管喉衬等部件的首选材料,随着兵器技术性能要求不断提高,具有优异性能的碳碳 复材需求呈稳定增长趋势;热场部件市场方面,碳碳复材是极佳的热场材料,安全性和经济性均高于石墨材料,已经 逐渐取代石墨广泛应用于光伏领域,具体应用在单晶硅炉内碳毡功能材料、保温桶、护盘等部件。由于供给不足,2021 年我国碳碳复材在光伏热场渗透率约 58%,未来渗透率有望持续提升。

双碳政策驱动光伏市场高速发展。近年来在双碳政策下全球光伏市场高速发展,2021 年全球新增光伏装机量约 133GW,据中国光伏行业协会预测,2025 年全球光伏新增装机将达到 270GW-330GW。近日国家发展改革委、国 家能源局发布《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》,方案提出到 2025 年公共机构新建建筑屋顶光伏覆 盖率力争达到 50%,到 2030 年我国风电、太阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上的目标,截至目前,我国光伏 发电在建项目 1.21 亿千瓦。2021 年国内新增光伏装机容量 54.88GW,据彭博新能源财经预测 2022 年国内新增光伏 装机量将逾 100GW,占今年全球预期新增装机容量的一半。光伏市场高速增长将带动碳碳复材碳纤维需求快速提升。2021 年,全球碳碳复材碳纤维需求量 8500 吨,同比增长 70%,中国碳碳复材用碳纤维需求量 7000 吨,同比增长 133.3%,占全球的碳碳复材用碳纤维需求量 82.4%。据广 州赛奥预测,2025 年全球碳碳复材碳纤维需求量将达 2.43 万吨,自 2021 年起年均复合增速约 30%,随着光伏产业 的快速发展,将带动碳碳复材碳纤维需求快速提升。

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碳纤维性能优异,广泛应用于高尔夫球杆、羽毛球拍等各类体育用品中。碳纤维轻量化、耐疲劳、耐磨、耐腐蚀,使 其很适合应用于体育用品,原来制造体育用品采用的最好木材是杉木和梧桐,而碳纤维复合材料的比强度和比模量分 别是杉木的 4 倍和 3 倍,是梧桐的 3.4 倍和 4.4 倍,因此越来越多的体育用品在制造过程中采用碳纤维,其广泛应用 于钓鱼竿、高尔夫球杆、自行车、网球拍、羽毛球拍、曲棍球杆、滑雪板、滑雪杖和帆板桅杆等体育用品中。体育休 闲领域产品类别广泛,对碳纤维的需求呈现高低端并存的局面,国内需求主要以 T300 级、T700 级为主,包括少量 T800 级和高模量产品,规格以 3K、12K 等小丝束为主,需求种类较多。中国为全球体育休闲碳纤维主要市场,预计未来休闲体育碳纤维需求将稳定增长。全球近 90%的碳纤维体育器材加 工在中国大陆和中国台湾完成,2021 年全球体育用品领域碳纤维需求量为 1.85 万吨,同比增长 20.1%,国内体育 用品领域碳纤维需求量为 1.75 万吨,同比增长 19.9%,占全球的 94.6%,2021 年不少国家开始放开群体运动,带动 体育器材高速增长。据广州赛奥预测,预计到 2025 年,全球体育休闲领域碳纤维需求量将达 2.25 万吨,年均复合增 速约 5%。

节能减排背景下,汽车轻量化拉动汽车碳纤维需求量持续增长。碳纤维在汽车车体和内外装饰中已得到大量应用,汽 车制造采用碳纤维材料可以使汽车重量得以降低 40%以上,据了解,汽车结构减重 10%,可节燃油 7%。2021 年全 球汽车用碳纤维需求量 9500 吨,较 2020 年减少 3000 吨,主要系宝马公司在 2020 年底停产了复合材料车型 I8,又 于 2021 年 7 月停产了 I3,据广州赛奥预测,2024 年全球汽车碳纤维需求量将达 1.26 万吨。2021 年中国汽车碳纤 维需求量 1600 吨,同比增长 33.3%,全球占比 16.8%,存在较大提升空间。在节能减排和大丝束纤维技术持续发展的背景下,碳纤维在汽车上的应用日益增多。2021 年 Saint Jean Industries 采用 Hexcel 公司预浸料生产的混合碳纤维/铝悬架转向节;由 Williams Advanced Engineering 开发的 CFRP 叉臂在 90 秒钟内用再生碳纤维和 RraceTRAK 工艺成型 Rassini 为 MY2021 福特 F150 皮卡车开发的碳纤维后悬架系统;意 大利 Polynt Composites 公司、瑞士 AOC 公司和帝人汽车技术公司在过去几年里都增加了新的 SMC 生产线,所有新 增 SMC 生产线都有能力生产碳纤维 SMC;Bucci Composites SpA 宣布为英国汽车制造商 Bentley 的 Bentayga SUV开发 22 英寸全碳纤维车轮,据说每个车轮可减轻 6 公斤的重量,汽车轻量化趋势将为碳纤维带来更多市场空间。

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随着氢能产业高速发展,压力容器碳纤维市场需求高速增长。压力容器是碳纤维复合材料增长最快的市场之一,近年 来氢能发展迅速,逐渐被应用于汽车等各种交通运输工具。氢燃料电池汽车的快速推进,促进了相配套的 CF 缠绕超 高压储罐、车载高压氢气瓶等的发展。2021 年全球压力容器碳纤维需求量 1.1 万吨,同比增长 25%,中国压力容器 碳纤维需求量 0.3 万吨,同比增长 50%,全球气瓶主力在欧美。据广州赛奥预测,预计未来几年该市场将以 20%年 增长率高速增长,2025 年全球压力容器碳纤维需求量将达 2.3 万吨。

预计到 2025 年我国燃料电池车辆保有量约 5 万辆,中国碳纤维气瓶市场有望达万吨级别。从中国压力容器碳纤维需 求结构来看,储氢气瓶用量约 1900 吨,占比 63.3%;其次是呼吸气瓶用量约 600 吨,占比 20%;CNG 气瓶用量约 500 吨,占比 16.7%,储氢瓶领域为主要增长点。据相关政策及预测,2022 年中国将至少新增 1 万辆氢能源车,主 要在物流车、重卡和大巴领域,其中重卡为 6,000 台。重卡储氢气瓶为 210L-385L,单个瓶子碳纤维用量在 40-45 公 斤之间,单车一般配置 6-8 个瓶组,重卡领域碳纤维用量大约 1700-1900 吨。加上其他物流车、客车领域的用量, 预计氢燃料电池汽车碳纤维需求总量能到 2500 吨以上;加上呼吸气瓶及天然气气瓶维持稳定增长,预计 2022 年国 内压力容器碳纤维用量将达 3600-3800 吨。2022 年 3 月发改委发布《氢能产业发展中长期规划(2021-2035 年)》, 规划到 2025 年燃料电池车辆保有量约 5 万辆;同时,随着未来几年物流车以及大巴车的示范加大和重卡的逐渐推广 (最大重卡碳纤维用量约为 500KG),单车氢气瓶用量将有所提升,未来中国碳纤维气瓶市场有望成长为万吨级别 的大市场。

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供给端:

(1)根据前文统计,2022 年预计国内新增碳纤维产能 4.9 万吨,考虑投产时间多为下半年或年底,假设 2021 年建 成的 6.35 万吨运行产能的产能利用率为 50%,2022 年新产能的产能利用率为 25%,故 2022 年产量为 4.4 万吨;假 设 2023-2025 年国内产能增速为 20%,随着国内企业生产技术的提高,产能利用率逐渐提高,假设 2023-2025 年产 能利用率分别为 50%、52%、54%。

(2)进口方面,考虑全球除中国以外其他国家在建碳纤维产能较少,而全球碳纤维需求稳步增长,国外碳纤维供需 关系或仍维持紧张局面;另外随着国内技术水平的提升和产能释放,国产化率有望持续提高,而国内高端碳纤维产品 仍然存在依赖国外进口的现象,故假设 2022-2025 年进口量增速维持在 10%。(报告来源:未来智库)

需求端:

随着我国航空航天领域碳纤维渗透率的不断提高,假设 2022-2025 年航空航天碳纤维需求增速为 18%;随着国内风 电新能源行业的快速发展以及海上风电新增装机占比的提升,假设 2022-2025 年风电叶片碳纤维需求增速为 30%;考虑到近几年我国光伏产业的快速发展,碳碳复材在光伏热场渗透率的持续提升,假设 2022-2025 年碳碳复材领域 碳纤维需求增速分别为 45%、40%、30%、30%;考虑到氢能行业的快速发展以及储氢瓶需求的提升,假设 2022-2025 年压力容器领域碳纤维需求增速分别为 40%、30%、30%、30%;假设 2022-2025 年汽车领域和其他领域碳纤维需 求增速维持在 30%。

预计未来几年国内碳纤维需求高速增长,高性能低成本优质产能依旧短缺。未来几年在双碳政策下,全球风电、光伏、 氢能、新能源汽车等行业高速发展,带动风电叶片碳纤维、碳碳复材碳纤维、压力容器碳纤维、汽车用碳纤维等需求 快速提升,同时碳纤维作为军民两用战略物资,在航空航天、体育休闲、建筑等领域的需求持续增长,预计未来四年 我国碳纤维市场需求年均复合增速将维持在 26%以上。未来几年全球规划碳纤维新增产能主要集中在中国,由于碳纤 维技术壁垒极高,目前国内掌握碳纤维核心生产技术的企业仍仅有几家龙头公司,碳纤维规模效应明显,龙头企业扩 产有利于降低生产成本提升市场竞争力,同时碳纤维成本下降将有利于提升其在下游的渗透率。此外,近年来碳纤维 行业国产化率从 2016 年的 18.4%提升至 2021 年的 46.9%,但仍有超过 50%的国产替代空间,尤其是国内具有高性 能、高质量和低成本的优质产能依然比较稀缺。随着国家政策持续加码、下游需求增长以及国内企业技术水平的不断 提高,国产替代进程有望加速推进。

四、重点公司分析

1、光威复材

公司是国内碳纤维行业领军企业,是我国最早实施碳纤维国产化事业的民营企业,率先打破了西方国家对我国碳纤维 的垄断地位以及技术、装备的封锁。公司业务涵盖碳纤维、经编织物和机织物、系列化的树脂体系、各种预浸料、复 合材料构制件和产品的设计开发、装备设计制造、检测(CNAS/DIlAC 认证国家和国防实验室)等上下游,依托在碳 纤维领域的全产业链布局,成为复合材料业务的系统方案提供商。公司主要产品包括 GQ3522(T300 级,湿法工艺)、 GQ4522(T700 级,湿法工艺/干湿法工艺)、QZ5526(T800 级,湿法工艺/干湿法工艺)、QZ6026(T1000 级, 湿法工艺)、QM4035(M40J 级,湿法工艺)、QM4050(M55J 级,湿法工艺)等系列化的碳纤维、经编织物和机 织物等。

截至 2021 年底,公司碳纤维设计产能 2655 吨,在建 5030 吨,其中内蒙古光威低成本碳纤维项目规划产能 1 万吨, 一期在建产能 4000 吨,预计于年内投产;高性能碳纤维产业化项目在建 M55J 级纤维产能 30 吨,以满足航天工程 以及高端民品对高强高模碳纤维应用需求的快速增长;另外通过技改在原实验线基础上形成一条新的千吨级产业化生 产线,用于生产 T700G/T800H 级碳纤维产品,为两款产品在下游航空装备领域的应用需求或潜在的订单做产能储备, 项目目前已进入验收阶段,已经实现小批量供应,预计今年年内完成项目验收。截至 2021 年底,公司拥有碳梁产能 1020 万米,在建 170 万米,预计 2022 年投产;预浸料产能 1375 万平方米,在建 85 万平方米,项目已建设完成, 待验收后投入使用。

2、中简科技

公司是专业从事高性能碳纤维及相关产品研发、生产、销售和技术服务的高新技术企业,主要产品为碳纤维及其织物, 主要应用于航空航天领域。公司主要客户为国内航空航天领域所属企业,各项指标参数要求较高,在航空航天装备论 证阶段即对碳纤维各项指标予以确定,公司凭借持续稳定、高质量的产品通过了极为严苛的航空材料验证,打造了“产 品技术+关键设备+工控系统”三大自主可控优势,已率先实现了 ZT7 系列高性能碳纤维产品在国家航空航天领域的 稳定批量应用。2022 年 3 月,公司签订 21.69 亿元重大销售合同,合同标的为碳纤维、碳纤维织物,履行期限为 2022 至 2023 年,将助推公司业绩快速增长。

2021 年公司千吨线完成等同性验证工作并进行了试生产,进一步提高了公司产能及稳定批量供货能力。2022 年 3 月,公司募集资金 20 亿元用于建设年产 1500 吨(12K)高性能碳纤维及织物产品项目,该项目正在抓紧建设中,预计于 2023 年部分投产,2024 年全部投产,届时公司将更进一步的满足航空航天及其他中高端市场对高性能碳纤维的持续 需求,提升国产碳纤维在高端领域的自主保障能力。

3、中复神鹰

公司是一家专业从事碳纤维研发、生产和销售的国家高新技术企业,通过多年自主研发掌握了碳纤维生产全流程核心 技术,在国内率先突破了千吨级碳纤维原丝干喷湿纺工业化制造技术,建成了国内首条具有自主知识产权的千吨级干 喷湿纺碳纤维产业化生产线。公司主要产品为 T700 级及以上小丝束碳纤维,主要产品型号包括 SYT45、SYT45S、 SYT49S、SYT55S、SYT65 和 SYM40 等,涵盖了高强型、高强中模型、高强高模型等类别,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。

截至 2021 年年底,公司拥有碳纤维产能 1.15 万吨,产能规模位居国内第二。西宁项目一期年产 10,000 吨高性能碳 纤维及配套原丝项目已于 2021 年陆续投产,随着产能的进一步释放,公司将有效满足航空航天、新能源、交通建设 等下游应用领域对高性能碳纤维的需求。同时,公司西宁二期年产 14000 吨高性能碳纤维及配套原丝建设项目已于 2021 年 10 月开工建设,预计于 2023 年年初陆续建成投产,该项目建成投产后公司产能规模将实现翻番,将进一步 提高公司碳纤维产品的市场占有率。

4、吉林碳谷

公司是国内碳纤维原丝主要供应商,原丝在国内碳纤维市场占有率达到了 50%以上。公司销售的主要产品是碳纤维原 丝,覆盖了从碳纤维原丝小丝束到大丝束的全系列产品,全系列产品都能稳定大规模生产,部分产品实现了高品质的 稳定规模生产。公司产品已广泛应用于军工、航天航空、风电、高端装备、汽车、新能源、体育休闲用品及建筑材料 等领域。公司连续聚合稳定运行技术在国内属于首创,并获得国家发明专利,公司亦在国内是首家采用三元水相悬浮 聚合两步法生产碳纤维聚合物,DMAC 为溶剂湿法生产碳纤维原丝的企业。目前,基于“碳纤维正从满足特殊领域 需求演进到满足普通大众日常需求的快速发展阶段”的行业发展状况,普通大众的日常需求及增长将远大于特殊领域 需求,公司将抓住上述大丝束碳纤维的巨大市场机遇,不断做大做优原丝产品,持续降低原丝产品成本,尤其是大丝 束原丝产品,不断扩大公司在碳纤维产业链的优势,持续增加竞争壁垒。目前公司已经实现定型的大丝束原丝品种包 括 24K、25K、35K、48K 和 50K。

2022 年年初,公司原先建设的“4 万吨原丝项目”的所有生产线已经全部陆续建成投产,逐步实现装备国产化。目 前公司拥有 4.5 万吨柔性化产能,预计今年年底将新增柔性化产能 4 万吨以上,力争实现新增柔性化产能 6 万吨;同时,公司 300 吨高性能碳纤维碳化生产线生产正常,并承担着部分新品研发的任务。公司将根据市场情况和规划, 稳步推进扩产计划,计划未来 2-3 年新增 15-20 万吨左右的原丝产能。

*文章来源 未来智库

*侵权必删

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