行研新材料行业专题系列报告碳纤维

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　　碳纤维是国际认可的现代高科技领域的战略新材料，被誉为＂黑色黄金＂。碳纤维是一种含碳量在90%以上，具有高强度和高模量的新型纤维材料。
　　国务院、科技部等部门先后出台多项碳纤维产业相关政策，明确高性能碳纤维行业发展重点和发展目标。此外，科技部、财政部等部门通过＂973计划＂、＂863计划＂、科技支撑计划、国家重点研发计划、国家高技术产业化示范工程等科技计划，支撑高性纤维相关的基础研究、产业化及工程应用。
　　对于国内企业而言，由于美、日在技术领域处于领先地位，同时日本东丽、美国赫氏这类老牌企业由于产线折旧等方面压力较小，成本端亦存在极大优势， 导致国内企业面临巨头价格打压、产品倾销，生存空间紧张。
　　2019年以来，企业纷纷宣布扩产计划，我们预计产能将在未来几年逐步释放，中国碳纤维有望真正走进低成本时代。
　　撰写：李俊杰
　　编辑：张展
　　01 碳纤维概览
　　基础概况
　　碳纤维十大新材料之一
　　碳纤维是国际认可的现代高科技领域的战略新材料，被誉为＂黑色黄金＂。碳纤维是一种含碳量在90%以上，具有高强度和高模量的新型纤维材料。
　　它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴方向堆砌后，经碳化及石墨化而得到的微晶石墨材料。
　　碳纤维同时具有柔软轻质和强度极高的特点；此外，还具有高模量、耐高温、耐腐蚀等诸多优良性质，使其在一众材料之中脱颖而出，被誉为＂新材料之王＂。
　　因此，近年来碳纤维在航空航天、汽车工业、风电行业、建筑结构等领域都得到了广泛的运用。
　　性能特点
　　碳纤维性能特点图
　　产品比较
　　碳纤维与其他常见材料性能比较
　　产品分类
　　按照原材料不同，碳纤维主要可以分为聚丙烯腈基(PAN-CF)、粘胶基(Rayon-CF)、沥青基碳纤维(Pitch-CF)等，其中沥青基碳纤维又可以分为通用级和高性能级。
　　三类原材料各有其优点和不足，因此有着不同的应用方向。但由于PAN基生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛，占据了碳纤维产量九成以上。而沥青基、粘胶基的产量规模相对较小。因此，目前市面上的碳钎维一般指PAN基碳纤维。
　　按照力学性能(即拉伸强度和拉伸模量)可以将碳纤维分为通用型和高性能型，其中，高性能型又可以细分为高强型、高模量型、超高强型以及超高膜型。业内通常采用日本东丽(TORAY)公司制定的标准进行分类。
　　发展历程
　　18世纪中 ，英国人斯旺和美国人爱迪生利用竹子和纤维素等经过一系列后处理制成了最早的碳纤维，将其用作灯丝并申请了专利。
　　20世纪50年代 ，美国开始研究粘胶基碳纤维，1959年生产出品名＂Thormei-25＂的粘胶基碳纤维。同年日本进藤昭男首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。
　　1962年日本东丽 公司开始研制生产碳纤维的优质原丝，在1967年成功开发出T300聚丙烯腈基碳纤维。1966年，英国皇家航空研究所的Watt等人改进技术，开创了生产高强度、高模量PAN基碳纤维的新途径。
　　1969年，日本东丽公司成功研究出用特殊单体共聚而成的聚丙烯腈制备碳纤维的原丝，结合美国联合碳化物公司的碳化技术，生产出高强高模碳纤维。
　　国内：2005年共有10家企业 ，占世界总产能的1%，2008年开始，在建低端产能过剩，2016年到2020年，十三五期间，需求增速一直维持在两位数以上。
　　东丽2021年碳纤维产品已推出了三十余款型号 ，覆盖领域已从航空航天延伸至了交通轨道、海洋、压力容器、医疗、土木、电子电力等领域。
　　应用领域
　　应用方向：小丝束碳纤维通常运用于航天军工等高科技领域和高尔夫球杆、网球拍等体育休闲领域。
　　大丝束碳纤维则在以风电叶片为代表的能源领域、交通建设、碳碳复材等领域得到广泛运用。
　　由于性能和生产技术的差异，小丝束碳纤维价格通常高于大丝束碳纤维价格，这也导致不同应用领域的碳纤维价格存在差异。
　　以中复神鹰公司的产品为例，由于航空航天和体育休闲领域使用小丝束碳纤维，相比于其他使用大丝束碳纤维的领域(如风电叶片、交通建设等)，其对应的碳纤维产品价格更高。
　　各下游应用碳纤维单吨价格对比(元/公斤)
　　02 产业链综述
　　产业链
　　完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。
　　上 游
　　碳纤维产业链上游主要以石油化工行业为主，通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得丙烯腈 ：碳纤维企业通过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，对原丝进行预氧化、碳化等工艺制得碳纤维。
　　以最常见的聚丙烯腈基碳纤维为例，其制备过程主要分为两个环节：原丝环节和碳丝环节。
　　在原丝环节中，原油经过精炼、裂解等工艺得到丙烯，再通过氨气氧化得到丙烯腈，丙烯腈经过聚合、纺丝之后得到碳纤维原丝。这一阶段的技术壁垒和工艺差别主要集中在纺丝环节，即湿法纺丝和干喷湿法纺丝的工艺。
　　在碳丝环节中，原丝经过预氧化、低温和高温碳化、表面处理得到聚丙烯腈基碳纤维，再经收丝、包装即可得到碳纤维成品。第二阶段最关键的则是预氧化炉和碳化炉。
　　中 游
　　中游：工艺设备及规模是其成本控制的核心
　　碳纤维产品制备环节，按照生产流程来看，根据产业信息网数据，原丝制备环节成本占比最高，达到51%，其次是碳化，成本占比约为23%。按照成本要素来看，原材料及燃料成本占比均达到了30%。
　　碳纤维复合材料制备环节，不同阶段产品价格大幅增值，同一品种原丝的售价约40元/公斤，碳纤维约180元/公斤，预浸料约600元/公斤，民用复合材料约在1000元以下/公斤，汽车复合材料约3000元/公斤，航空复合材料约8000元/公斤，每一级的深加工都有大幅度的增值。
　　从国内上市公司报表角度，原丝端以主营碳纤维原丝的吉林碳谷为例。吉林碳谷在招股书中指出公司主要产品碳纤维原丝生产过程中直接材料占比最大，材料中以丙烯腈及油剂为主，丙烯腈及油剂成本占总材料成本的90%左右。
　　制造费用方面，根据中复神鹰招股说明书披露，制造费用高主因在于碳纤维生产所需设备价值较高，折旧金额较大，一般通过工艺改进、规模效应来尽可能降低成本。对于规模效应而言，生产1kg碳纤维需要消耗2.2kgPAN原丝，即生产500t碳纤维需配备1100tPAN原丝生产能力。
　　在碳纤维生产制备过程中，即使规模很小，其辅助工程、生产装备也必须齐全，因而规模效益在碳纤维生产制备过程中显得异常突出。
　　工艺设备方面，工艺没有绝对的优劣之分，吃透工艺原理、设备才能掌控定价主动权。碳纤维原丝制备及碳纤维制备方法多种多样，每一种工艺均存在优劣势，如何合理的规避工艺、设备的缺点成为关键。
　　以近期上市的中复神鹰为例，工艺方面，招股书披露，公司＂干喷湿纺千吨级高强/百吨级中模碳纤维产业化关键技术及应用＂成果荣获2017年度国家科学技术进步一等奖，为国内碳纤维领域唯一获得该项殊荣的企业，奠定了公司在国内碳纤维领域的技术领先地位。
　　下 游
　　下游：从结构来看，碳纤维下游应用多元，风电行业为主要增量
　　碳纤维很少直接应用，大多是经过深加工制成中间产物或复合材料使用。碳纤维以其质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域，如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭、人造卫星和雷达罩等，且航空航天领域用碳纤维的性能等级相对而言是最高的。
　　近些年，随着风电行业的迅猛发展，大叶风电叶片对碳纤维的需求激增，形成了航空航天驱动与风电用驱动的双引擎驱动模式。
　　碳纤维复合材料在航空领域的应用大致可分为1、应用在受力不大或非承力构件阶段(如舵面、口盖等)；2、应用在次承力或承力较大构件阶段(如机翼等)；3、应用在主承力构件或复杂受力构件阶段(如机身、中央翼盒)等；
　　碳纤维下游应用分散多元，包括风电叶片、体育休闲、航空航天等领域，但不论从全球范围还是单就国内市场而言，风电叶片和体育休闲都占据了主要地位。
　　碳纤维可有效降低风电叶片重量，促进风力发电向大功率方向发展。风力发电系统主要由发电机、叶片、塔架和控制系统组成。其中，复合材料叶片是发电机的核心部件之一，叶片成本约占发电机系统成本的18%-22%。
　　由于风力发电机的电能与叶片长度成正比，故此为提高发电功率需要增加叶片长度，叶片重量也随之增加，为更好地平衡叶片重量与长度，碳纤维复合材料成为风电叶片的理想选择。
　　近年来，风力发电机功率日益增大的需求促使风机叶片日益大型化、轻质化发展；传统叶片材料玻璃纤维无法满足这一需求，而碳纤维因其强高质轻的优点逐渐取代玻璃纤维，成为风机叶片的主要材料。
　　2020年，全球碳纤维市场中风电叶片占比约为29%，同比增长20%；而国内市场份额则约为40.9%，同比增长45%。由此可见，风电叶片不仅是碳纤维产业最主要的下游应用，更是国内碳纤维厂商的发展机遇所在。
　　03 行业分析
　　国家政策
　　国务院、科技部等部门先后出台多项碳纤维产业相关政策，明确高性能碳纤维行业发展重点和发展目标。
　　此外，科技部、财政部等部门通过＂973计划＂、＂863计划＂、科技支撑计划、国家重点研发计划、国家高技术产业化示范工程等科技计划，支撑高性纤维相关的基础研究、产业化及工程应用。
　　我国近年促进碳纤维行业发展的相关政策
　　市场结构
　　2021年，我国碳纤维需求为6.24万吨，较2020年增长27.7%，远超同期全球市场10.4%的增幅。
　　一方面因为全球风电叶片对碳纤维需求大幅增长，国际风电叶片代工由欧洲转向国内，带来国内该领域的碳纤维需求激增；另一方面，国内民航领域的需求占比远小于全球民航领域需求占比，因此受疫情负面影响相对较小。
　　从碳纤维供应来看，日本和韩国仍为我国主要碳纤维进口地区。2021年，我国从日本、中国台湾、美国、墨西哥等地区的碳纤维进口量均有不同程度的降低，尤其日本与韩国，进口量占比从2020年的15%降至11%。
　　除了日本对中国碳纤维出口管制的原因，碳纤维国产化步伐的加快也是关键的因素。 由于国内进口小丝束主要供应商为日本东丽和韩国晓星，2020年8月日本开始限制出口，韩国进口量增长较大，占比从2020年的5%增长至8.5%。
　　我国军机单机重量和碳纤维复合材料含量同步提升，放量后将产生乘数效应。据《复合材料在航空战机上的应用》表述，以歼击机为例，我国歼-7空重5.3吨，碳纤维复材含量约2%， 新一代战机空重17吨，碳纤维复合材料含量约25-30% ，相比老旧机型，新机型单机重量与碳纤维复材含量均显著提升，未来将产生乘数效应支撑碳纤维需求增长。
　　2019年，全球陆上风电新增装机容量为54.2GW，同比增长17%；累计装机规模迈过600GW这一新的里程碑，达到621GW。其中，我国陆上风电新增并网容量为23.8GW，占全球比重44%，累计并网容量达到230GW。
　　2019年，全球海上风电新增装机容量超过6GW，是有史以来表现最好的一年。其中，我国的新增规模达到创纪录的2.3GW，居全球第一。英国的新增规模接近1.8GW，依然是全球重要的海上风电市场。德国的新增规模超过1.1GW，居全球第三。
　　市场规模
　　2019年全球碳纤维需求首次突破10万吨。据《2019全球碳纤维复合材料市场报告》测算，2019年全球碳纤维需求总量达10.4万吨，同比增长12%，金额达到28.7亿美元，同比增幅11.6%。 2008-2019年全球碳纤维需求量CAGR为10%。
　　这是全球碳纤维发展60余年来需求量首次突破10万吨大关，其直接反映了碳纤维下游需求的持续扩张。
　　随着各国对碳纤维投入加大，核心技术将不断突破，当绝大部分核心技术被掌握后，下一个10万吨需求增长的用时间将急剧缩短，据《2019全球碳纤维复合材料市场报告》预测， 2025年全球碳纤维需求量将达到20万吨，2030年将达到40-50万吨。
　　从需求情况来看， 2020年，国内风电叶片碳纤维需求约20000吨，约占总需求的40.9%，为第一大需求板块。
　　从国内外对比来看，国内市场增长明显高于国际增长。2017-2020年中国仅风电叶片碳纤维用量分别为0.3、0.8、1.4、2.0万吨，四年间的复合增长率为88%。同时，国内风电碳纤维需求占全球需求量比例由15%提升至65%，证明了国内市场增速显著高于国际市场。
　　风电：2025年全球风电领域碳纤维复材市场空间约140亿元规模
　　由于轻质和高强度的特点，碳纤维复合材料是目前满足风电叶片性能要求的最佳选择之一。传统风电叶片广泛采用的玻璃纤维复合材料，其抗拉强度为1000 2000MPa，密度在2.5g/cm3左右，性能已经趋于极限。相对之下，碳纤维复合材料抗拉强度高达3000 5000MPa,密度仅有1.6g/cm3。除了轻质和高强度外，碳纤维复材还具有高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、耐疲劳等优异特性。
　　此外，通过采用气动效率更高的薄翼型和增加叶片长度，能提高风能利用率和年发电量，从而降低综合使用成本。 尤其是近年来碳纤维行业采用大丝束碳纤维拉挤梁片工艺以降低成本，大丝束碳纤维及其复合材料价格下降，使得碳纤维在风电叶片领域用量急剧增加。
　　碳纤维复合材料较多应用在风电叶片的关键部位，如主梁帽、蒙皮表面、叶片根部等。 由于碳纤维价格比较高，考虑到叶片的制造成本，碳纤维只应用到叶片的一些关键部位。其中，主梁帽是风电叶片主承力结构的重要组成，将碳纤维应用于此可以最大限度的发挥其高刚性的特点，最大限度地减重而不过多地增加成本；蒙皮表面整体使用碳纤维，可以降低作用在内支撑梁上的受力和扭矩；碳纤维应用于叶片根部时，不仅可以提高根部材料的断裂强度和承载强度，使施加在螺栓上的动态载荷减少，还可以增加根部法兰处的螺栓数量，从而增加叶片和轮毂连接处的静态强度和疲劳强度。 目前24K及以上的碳纤维已经部分应用于叶片梁帽、叶根、蒙皮全表面，未来碳纤维及其复合材料在风电叶片领域必将广泛使用。
　　2025年，全球风电行业碳纤维复材市场空间预计约140亿元规模。全球迫切降低碳排放量前提下，风能将成为全球最大清洁能源之一。叠加风机叶片大型化、轻量化的趋势，全球风电行业碳纤维市场空间仍将保持较快增长。 目前碳纤维复材在风电行业使用渗透率约在25% ，随着渗透率的逐步提升，叠加全球风电装机量高速增长。到2025年，预计全球风电行业碳纤维复材市场空间预计将达20.7亿美元，对应约140亿人民币市场规模。
　　军机迭代将新增8210吨碳纤维需求，市场规模达到328亿元。
　　我国军机总数仅为美国四分之一，高端战机占比不足，军机迭代迫在眉睫。 据《WorldAirforces2020》统计，2019年我国军机总量为3210架，虽位列世界第三但仅为美国的四分之一。目前我国以歼-7、歼-8为代表的二代战斗机仍是主力，占比达到58%，四代机占比仅为1%，而美军现役已无二代战斗机，其三、四代机型占比分别为87%和13%。我们认为，未来我国军机升级换代将是大势所趋。
　　我国军机单机重量和碳纤维复合材料含量同步提升，放量后将产生乘数效应。据《复合材料在航空战机上的应用》表述，以歼击机为例，我国歼-7空重5.3吨，碳纤维复材含量约2%，新一代战机空重17吨，碳纤维复合材料含量约25-30%，相比老旧机型，新机型单机重量与碳纤维复材含量均显著提升， 未来将产生乘数效应支撑碳纤维需求增长。
　　04 相关公司
　　国际市场
　　美、日几乎垄断全球碳纤维市场，国内传统领域面临极大竞争压力。 据《碳纤维产业释放良机2019》统计，2019年全球碳纤维运行产能约为15.5万吨，其中日本碳纤维产能约为2.9万吨，占全球产能的18.8%；美国产能约为3.7万吨，占全球产能的24.1%。
　　日本是全球最大的碳纤维生产国，日本东丽、日本东邦和日本三菱丽阳拥有全球丙烯腈基碳纤维50%以上市场份额，掌握世界顶尖碳纤维生产技术，产品的质与量均处于世界领先地位，而美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的少数国家之一， 同时又是世界上最大的丙烯腈基碳纤维消费国，约占世界总消费量的1/3。
　　据中国化学纤维工业协会统计，在小丝束碳纤维市场，日本企业所占全球产能的49%；在大丝束碳纤维市场上，美国企业所占全球产能的89%左右。
　　国内市场
　　国内企业主要通过扩充产能提升规模效应以应对激烈的竞争
　　对于国内企业而言，由于美、日在技术领域处于领先地位，同时日本东丽、美国赫氏这类老牌企业由于产线折旧等方面压力较小，成本端亦存在极大优势， 导致国内企业面临巨头价格打压、产品倾销，生存空间紧张。
　　无论是传统民用市场（包含航空航天），还是具有大规模需求潜力的市场，如风电、汽车、轨道交通等，价格和性价比始终是企业考虑的首要因素，由此催生出各具商业价值的碳纤维品种。
　　2019年以来，企业纷纷宣布扩产计划，我们预计产能将在未来几年逐步释放，中国碳纤维有望真正走进低成本时代。
　　风险揭示
　　政策变动风险
　　碳纤维制造行业属于新材料领域，对国家相关战略产业的发展具有重要支撑作用。近年来，国家不断出台产业政策、技术扶持政策，对该行业的发展起到了积极的引导作用。但不排除未来国家产业政策发生重大不利变化，而对碳纤维行业的市场空间及发展前景带来严重影响的风险。此外，碳纤维生产经营活动会带来大量废弃物，包括废气和废渣。不排除国家可能采用更严格的环境标准，从而导致碳纤维生产企业在环境方面产生额外支出的风险。
　　原材料和能源价格大幅波动风险
　　碳纤维生产的主要原材料和能源包括丙烯腈、天然气、电力、蒸汽等。丙烯腈为石油化工产品，市场价格受国际石油价格波动影响较大。因此不排除原材料和能源价格大幅上述，从而导致碳纤维行业成本增加的风险。以中复神鹰公司为例，该公司2018-2021年间丙烯腈采购单价大幅波动，分别为1.37万元/吨、1.06万元/吨、0.77万元/吨、1.28万元/吨，对其主营业务利润产生重大影响。
　　关键原材料及设备进口受限风险
　　目前国内企业的原材料(原油等)和主要设备(预氧化炉、碳化炉等)的供应仍在一定程度上依靠进口。一方面，在当下新冠疫情和国际关系日益严峻的背景下，不能排除一些重大突发事件可能造成的原材料和主要设备供应的中断，从而对国内碳纤维行业生产带来的重大风险。另一方面，一般而言，国内企业收入以人民币计价，而采购国外原材料及设备则以外币计价。不排除未来人民币可能贬值而来带的成本增加风险。
　　下游需求项目进展不及预期风险
　　国内碳纤维行业下游应用主要包括风电叶片、航天航空和体育休闲。在疫情背景下，航空领域、风电领域难免遭受冲击，带来碳纤维需求下降风险。