碳纤维行业深度：乘“风”而起碳纤维产业扶摇直上-天风证券-33页_1mb.pdf

1证券研究报告行业评级：上次评级：行业报告 | 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明碳纤维行业深度强于大市强于大市维持2022年04月03日（ 评级）乘“风”而起，碳纤维产业扶摇直上行业深度报告作者：分析师 李鲁靖 SAC执业证书编号：S1110519050003联系人 朱晔2摘要碳纤维高强轻质，制备工艺壁垒高筑。碳纤维同时具有柔软轻质和性能极高的特点，在一众材料之中脱颖而出。碳纤维制备过程主要面临三方面的壁垒：纺丝环节，即湿法纺丝和干喷湿法纺丝的工艺、预氧化炉和碳化炉。从需求端看，下游应用多元，需求高速增长。从需求总量来看，近年来国内外碳纤维市场总需求持续增长，2020年，在民用航空受疫情影响遭遇重挫的背景下，全球总需求仍有2%的增量，总量高达106.9千吨。而国内碳纤维市场总需求增长更为强劲，2020年同比增长29%。据赛奥碳纤维技术预测，至2025年，国内碳纤维总需求将持续高速增长。从需求结构来看，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，其中风电叶片和体育休闲都占据了主要地位。风机叶片成为拉动碳纤维需求的主要引擎。一方面，风机叶片大型化、轻质化发展的趋势推动碳纤维逐渐取代玻璃纤维，成为风机叶片的主要材料。2020年，国内风电叶片碳纤维需求约占总需求的41%，为第一大需求板块。另一方面，将碳纤维应用于风机叶片具有经济性，主要有三方面原因：第一，在大型化机组中碳纤维的使用可以达到明显减重效果，而直接材料成本并不会有明显增加；第二，叶片减重可相应减少轮毂、机舱、塔架、桩基等结构的重量，减少其他部件的费用支出；第三，碳纤维的疲劳性能较好，可以延长设备使用周期，减少运维费用等综合成本。从供给端看，需求存在缺口，国内产能迎头赶上。目前国内需求仍在很大程度上依靠进口满足。2020年国内进口碳纤维占比超过60%，其中主要来源于日本（15%）、美国（9%）和中国台湾（15%）。但国内产能正在迎头赶上，相比于2019年的31.7%，国产碳纤维的市场份额有6.3%的增长。同时，自2019年以来，国内厂商积极扩产，扩产计划覆盖大小丝束碳纤维、高性能碳纤维、原丝及碳纤维复合材料等，国内碳纤维产能有望不断提高，国际竞争力有望持续增强。我们测算，十四五期间碳化线设备的合计新增市场空间为134亿元左右。风险提示：政策变动风险；原材料和能源价格大幅波动风险；关键原材料及设备进口受限风险；下游需求项目进展不及预期风险。mNsMoRvNrMmQnQvMnRnMpM8O9R7NmOrRpNoMkPmMtPkPpPmQ8OmNtMvPsQoMMYoPwP碳纤维-需求日益增长的“黑金”13请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明4数据来源：新材料在线公众号，中国玻璃纤维公众号，钢结构设计公众号，中冶有色技术平台公众号，上海有色网, 天风证券研究所1.1 碳纤维高强轻质，品类多元碳纤维性能优异，高强轻质。21世纪以来，随着风电行业迅速发展，风机叶片呈现大型化的趋势，寻求质量更轻的新型材料替代传统的玻璃纤维材料已经成为各企业厂商的目标。在此背景下，碳纤维（carbon fiber, 简称CF）因其高强轻质的优点受到国内外厂商的青睐。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。表：碳纤维与其他常见材料性能比较材料名称 拉伸模量(GPa) 拉伸强度(MPa) 密度(g /cm3) 优点 缺点碳纤维 135 1548 1.5 耐高温、耐疲劳性好、可设计性强、耐腐蚀性好 生产成本高，价格贵、脆性材料，易断裂、二次回收困难，重复利用率低玻璃纤维 48.2 1245 2 价格相对便宜，可实现量产 性能弱于碳纤维、材料性脆，耐磨性差、透波率高，电磁屏蔽性能差铝合金 72 393 2.8良好的铸造性能和塑性加工性能、导电性好、导热性好-钛合金 116.7 712 4.5 耐腐蚀性好、耐热性好、强度高 导热性差、黏性大、流动性差镁合金 44.1 250-343 1.8 密度小、减震性好、良好的阻隔电磁波功能 化学活性强，易在空气中氧化燃烧、抗腐蚀性差5数据来源：周嫄娜大小丝束碳纤维性能评价与研究, 吉用秋等大丝束碳纤维产业发展现状及面临的问题，中复神鹰招股书，北京市碳纤维工程技术研究中心公众号，新思界网公众号，赛奥碳纤维技术公众号2020年全球碳纤维复合材料市场报告，光威复材公司公告，天风证券研究所按照每束碳纤维中所含单纤维根数，可将碳纤维分为大丝束和小丝束碳纤维。大丝束碳纤维通常指纤维根数在48000根(即48k)以上的纤维束，而小丝束碳纤维通常指纤维根数小于48k的纤维束。就性能和生产技术而言，早期小丝束碳纤维优于大丝束碳纤维；但近年来，大丝束碳纤维在性能和生产技术方面奋起直追，但离小丝束仍有差距。因此，大丝束碳纤维价格通常较低。但从性价比来看，大丝束碳纤维通常更具优势。以卓尔泰克公司的产品为例，其大丝束产品PANEX33-48K每美元拉伸强度和拉伸模量分别高达205MPa和13GPa；而小丝束产品T300-12K对应的指标值仅有 107MPa和7GPa。分类 小丝束 大丝束性能 性能较高1.早期性能一般，但近年来不断提升；2.在刚度（模量性能）方面，低于小丝束；3.制成的复合材料性能不均匀价格 较高，2020年国际市场售价约为20-22美元/公斤 较低，2020年国际市场售价约为13.5-14.5美元/公斤性能价格比每美元拉伸强度（MPa/美元） 107 205每美元拉伸模量（GPa/美元） 7 13应用 航空航天、体育休闲等方向 交通运输领域、基础设施领域、能源领域生产厂家 国外：日本东丽、日本东邦、日本三菱、美国Hexel；国内：吉林化纤、中简科技、光威复材等 国外：美国Fortafil、美国Zoltek、美国Aldila和德国SGL ；国内：上海石化、新创碳谷、光威复材等表：大小丝束碳纤维比较1.1 碳纤维高强轻质，品类多元6数据来源：中复神鹰招股书，天风证券研究所图：中复神鹰各下游应用碳纤维单吨价格对比（元/公斤）227.69 207.22 201.34 151.55 167.75 172.81 169.55 0.0050.00100.00150.00200.00250.00航空航天 体育休闲 风电叶片 压力容器 碳碳复材 交通建设 其他小丝束碳纤维 大丝束碳纤维就应用方向来看，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；而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；其中，由于航空航天领域对小丝束碳纤维的性能要求最严格，其使用的碳纤维价格也相应最为昂贵。1.1 碳纤维高强轻质，品类多元7数据来源：宋季碳纤维表面改性、界面粘合及金属化的研究，天风证券研究所按照原材料不同，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。分类 优势 劣势 应用占比 应用方向聚丙烯腈基1.力学性能、热学性能良好；2.生产工艺简单；3.价格成本较低- 90%以上 复合材料骨架构建沥青基通用级 1.原料来源广泛，价格低廉；2.高性能级具有高模量、高热导率、优秀的热稳定性和抗冲击能力1.通用级力学性能较差；2.强度不如PAN基；3.沥青属于热塑性物质，碳化处理较困难 约为4%混凝土增强材料高性能级高温结构材料、高导热材料、密封减震材料、核电站减速电极材料、航空工程材料等粘胶基 高强高模、断裂伸长率大、热稳定性好、耐化学腐蚀、编制性好 工艺要求苛刻，生产成本高 不足1%极为重要的航空航天材料，唯一适用于火箭喷嘴结构的碳纤维表：聚丙烯腈基、粘胶基和沥青基碳纤维比较按照力学性能（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。1.1 碳纤维高强轻质，品类多元81.2 工艺复杂，涉及原丝、碳丝两大环节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。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。碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合，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。碳纤维下游应用领域广阔，需求持续增长，碳纤维复合材料被广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车、风电等领域，国内进口替代迫切。数据来源：新材料在线公众号，天风证券研究所图：碳纤维产业链9原油 丙烯 丙烯腈（AN） 聚丙烯腈（PAN）精炼、裂解 氧化氨气聚合 碳纤维原丝纺丝水溶剂 油剂聚氧化乙烯（PEO）合成油剂碳纤维原丝 预氧化 表面处理碳化 碳纤维预氧化炉 碳化炉 电解质溶液碳酸铵 上浆剂溶液EP树脂碳纤维成品收丝、包装原丝环节碳丝环节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。图：聚丙烯腈碳纤维制备流程图数据来源：吉林碳谷招股书，王艳芝等聚丙烯腈基炭纤维的制备，天风证券研究所1.2 工艺复杂，涉及原丝、碳丝两大环节10数据来源：赛奥碳纤维技术公众号2020 年全球碳纤维复合材料市场报告，天风证券研究所1.3 下游需求总量高速增长，需求结构多元化图：全球碳纤维市场需求（千吨） 图：国内碳纤维市场需求（吨）自2016年，不论是全球市场还是国内市场，碳纤维总需求都在持续增长。虽然2020年民用航空受疫情影响遭遇重挫，对全球碳纤维市场造成一定冲击，但由于其他下游市场强劲补充，当年全球总需求仍有2%的增量，总量高达106.9千吨。据奥塞维碳纤维技术预测，至2030年，全球碳纤维需求将保持持续增长。国内碳纤维市场总需求增长更为强劲。自2016年以来，国内碳纤维市场总需求迅速增长，并于2020年达到48851吨，对比2019年的37840吨，同比增长了29%。据赛奥碳纤维技术预测，至2025年，国内碳纤维总需求将继续保持高速增长的态势，并于2025年达到149498吨。106.92004002%14% 15%0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%050100150200250300350400450全球碳纤维需求（千吨） 增长率19563488519412814949829%34%27%0%5%10%15%20%25%30%35%40%0200004000060000800001000001200001400001600002016 2017 2018 2019 2020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E中国碳纤维需求（吨） 增长率11数据来源：赛奥碳纤维技术公众号2020 年全球碳纤维复合材料市场报告，天风证券研究所1.3 下游需求总量高速增长，需求结构多元化从结构来看，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。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。图：2020年全球碳纤维需求结构15.39%28.64%14.41%11.70%8.24%8.89%4.68% 3.84%1.40% 1.12% 0.94% 0.76% 航空航天风电叶片体育休闲汽车压力容器混配模成型碳碳复材建筑电子电气船舶40.94%29.89%6.14%4.50%4.09% 3.48%3.48%2.46% 2.46% 0.82% 0.25% 1.50% 风电叶片体育休闲碳碳复材建筑补强压力容器航空航天混配模成型电子电气汽车电缆芯图：2020年国内碳纤维需求结构乘“风”而起，受益于风机大型化212请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明132.1 风机叶片为国内碳纤维需求的主要增长引擎风电叶片是中国碳纤维需求快速增长的主要引擎： 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。图：中国及全球风电碳纤维需求情况（吨）数据来源：赛奥碳纤维技术公众号2020 年全球碳纤维复合材料市场报告，天风证券研究所15%36%54%65%0%10%20%30%40%50%60%70%050001000015000200002500030000350002017年 2018年 2019年 2020年中国 全球 比例14碳纤维主要用在风电叶片的横梁等关键部位：由于碳纤维比玻纤昂贵，百分百采用碳纤维制造叶片并不合算，目前主要是碳纤维和玻纤混合使用，碳纤维主要用在一些关键部位如横梁（尤其是梁帽）、前后边缘、叶片表面等，其中梁帽为目前碳纤维的最主要应用，作用为减轻重量、提升刚度。图：VESTAS风电叶片结构示意图数据来源：新材料在线公众号，沈真国产碳纤维在风电叶片产业中的机会，天风证券研究所2.1 风机叶片为国内碳纤维需求的主要增长引擎应用部位 应用效果主梁帽 使叶片重量明显降低，且提升叶片刚度蒙皮表面 提高叶片抗压力和抗拉能力，缓解环境对叶片的腐蚀叶片根部1、提升根部材料的断裂程度和承载强度，降低根部螺栓的压力；2、使螺栓数量增多，巩固叶片与轮毂连接处的性能，提升静态强度和疲劳强度防雷系统 叶片前后缘经过特殊设计，使叶片高效避免雷击叶尖 1、降低重量，降低轮毂负载；2、可以使叶片振动方向和强度得到保证；表：碳纤维复合材料在风电叶片的具体应用15碳纤维的应用在风电叶片中是否为必须？回答这个问题绕不开风电的变化趋势风机的大型化。从主机厂金风科技的销售情况可以看出，原本占据绝对比例的3MW机组（图中的2S）的份额正在明显地下降，同时根据近期陆风项目的招标要求，单机组功率要求4MW以上趋势逐渐明显。海风方面，根据我们的统计，2022年以来已经陆续启动了约4GW海风项目的招标，机组功率要求基本在8MW以上，10MW以上的要求也屡见不鲜。表：海风招标项目统计数据来源：金风科技官网，风电龙船网，风芒能源，天风证券研究所2.2 风机叶片中必须应用碳纤维吗？图：金风科技风机销售情况（MW）招标时间 项目 所在地 招标内容 机组要求2022.1.4 三峡阳江青洲五、六、七海上风电项目 广东阳江 合计3GW机组及附属设备（含塔筒） 8MW及以上2022.1.5 浙能台州1号海上风电场项目 浙江台州 300MW风电机组及附属设备（含塔筒） 7-9MW2022.1.15三峡集团2021年新能源领域设备物资（标段二、三）福建平潭 40+60MW风机及塔筒 8MW及以上2022.3.21 华能汕头勒门（二）海上风电场项目 广东汕头 594MW风机+塔筒 11MW及以上16风机功率与叶片长度关系基本固定，大型化趋势下，叶片长度必然增加。根据推导，风机功率与叶片长度的平方成正比关系，或者说与扫风面积呈正比关系，即P=1/2r2V3Cp（对于这一结论我们已经根据现有风机数值进行了验证）。反推过来，在假设海风风机额定风速在11m/s的情况下（参考现有风机设计标准），我们计算出当风机功率到达8MW时，叶轮直径在180m左右，功率达到10MW时，叶轮直径在200m左右，所以我们判断，未来海风主流机型叶轮直径在180m甚至200m以上。表：风机功率与叶片长度的关系数据来源：天风证券研究所计算2.2 风机叶片中必须应用碳纤维吗？公式 推导 解释P=Cp*E 风力发电的本质为风能转换为电能 P为风机功率，E为风功率，Cp为风能利用系数P=1/2*m*V2*Cp 风功率为单位时间通过风机的动能 m为空气质量，v为风速P=1/2*S*V3*Cp 计算空气质量m=*S*V 为空气密度，一般为1.2 kg/m3，S为扫风面积P=1/2*r2*V3*Cp 计算扫风面积 r为叶片长度17叶片长度增加后对于“重量”和“刚度”提出要求，碳纤维的重要性凸显。刚度方面：对于大型叶片 ,刚度成为主要问题，为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架,叶片必须具有足够的刚度。风吹到叶片做功的时候，叶片旋转时会弯向塔架，碳纤维复合材料的弹性模量是玻纤的23倍，更不容易发生形变。重量方面：叶片重量对运行、疲劳寿命、能量输出有重要的影响。全玻璃钢叶片重量比较大，而碳纤维复具有更低的密度，可以保证风电叶片在增加长度的同时,重量降低。表：叶片长度与重量增加后的影响数据来源：金属加工公众号，陈宗来、陈余岳大型风力机复合材料叶片技术及进展，天风证券研究所2.2 风机叶片中必须应用碳纤维吗？影响 说明共振问题 重量的增加大于刚度的增加，使叶片固定频率下降，易发生共振，造成结构破坏主梁帽层间失效 质量上升，载荷上升，使层间失效风险增加叶根疲劳失效叶片变长，使根部反复交替的载荷增加，易发生疲劳失效扭转问题 长度增加，使风轮在摆动方向上受到较大的载荷，与气动载荷耦合作用，易导致扭转变形图：叶片旋转时会弯向塔架18叶片长度增加后碳纤维的渗透率在明显提升。根据美国桑迪亚国家实验室报告，尽管随着工艺的进步玻纤目前仍适用于任何长度的风机叶片，但碳纤维的应用随着叶片长度的增加明显地提升，当叶片长度大于70m时，碳纤维的渗透率达到了55%,根据前文表述，未来海风主流机型在8MW以上，叶片长度在90m以上，这为碳纤维提供了广阔的舞台。数据来源：Optimized Carbon Fiber Composites in Wind Turbine Blade Design，天风证券研究所2.2 风机叶片中必须应用碳纤维吗？图：碳纤维渗透率随叶片长度增加而提升19 10MW以上机型碳纤维渗透率有望达到百分百。桑迪亚实验室预计，碳纤维的主要发力机型在于3-5MW和8-10MW区间，其中10MW以上机型有望100%使用碳纤维梁帽。同时参考国内海风叶片的发展情况，东方电气、上海电气等公司陆续推出10MW以上的海风叶片，根据目前的情况，功率10MW且叶片90米以的风机都使用了碳纤维，与SANDIA预计情况基本一致。数据来源：Optimized Carbon Fiber Composites in Wind Turbine Blade Design，新材料平台复合材料行业中心公众号，天风证券研究所2.2 风机叶片中必须应用碳纤维吗？图：各功率下碳纤维渗透率2021e100% 98% 90%61%47%100% 100%57%0%0% 2% 10%39%53%0% 0%43%100%0%20%40%60%80%100%120%玻纤 碳纤维公司 叶片信息 碳纤维使用情况东方电气 90米长的10MW叶片 主梁用碳纤维东方电气 103米长13MW叶片 主梁用高模量高比强碳纤维上海电气风电 102米11MW海风叶片 主梁用碳纤维明阳风电 99米11MW海风叶片 主梁用碳玻混杂表：国内大功率海风叶片发展情况国产替代机会于各环节中孕育320请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明21目前国内需求存在缺口，仍在很大程度上依靠进口满足。2020年国内国产碳纤维占比38%，进口碳纤维占比超过60%，其中主要来源于日本（15%）、美国（9%）和中国台湾（15%）。但国内产能正在迎头赶上，相比于2019年的31.7%，国产碳纤维的市场份额有6.3%的增长。就总产能而言，国内厂商主要面临美国和日本的竞争。2020年度，美国碳纤维总产能最高，达37.3千吨，占全球总产能21.7%；其次是中国，占据全球市场21.1%的份额；日本总产能达到29.2千吨，在全球市场占比17.0%，排名第三。在小丝束市场方面，中国主要竞争对手是日本、日本东丽在韩国工厂及韩国晓星公司，其2020年在华销售总量约为9,900吨（尽管东丽在2020年8月份之后被暂停出口）。在大丝束市场方面，国内主要产能来源于蓝星及碳谷+宝旌，其总产能约为4,000吨。而中国竞争对手主要是东丽旗下卓尔泰克（包括其在美国、墨西哥和匈牙利的工厂）、日本三菱、德国西格里、台塑及土耳其DowAksa，其总量大约17,000吨。数据来源：各公司公告，赛奥碳纤维技术公众号2020 年全球碳纤维复合材料市场报告，天风证券研究所3.1 需求存在缺口，国内产能迎头赶上38%15%15%9%6%5%5%7% 中国日本中国台湾美国墨西哥匈牙利韩国其他进口图：2020年中国碳纤维需求来源21.7%21.1%17.0%5.8%5.1%5.4%2.1%3.0%2.3%1.2% 4.8%0.3%9.0%1.2%美国 中国大陆 日本 墨西哥 中国台湾 韩国 土耳其德国 英国 俄罗斯 法国 西班牙 匈牙利 其他图：2020年各国碳纤维产能223.1 需求存在缺口，国内产能迎头赶上国内厂商积极扩产，国内产能迎头赶上。自2019年以来，国内主要碳纤维厂商大多开始策划或建设大型碳纤维生产项目，扩产计划覆盖大小丝束碳纤维、高性能碳纤维、原丝及碳纤维复合材料等，国内碳纤维产能有望不断提高，国际竞争力有望持续增强。表：国内厂商碳纤维生产线投资计划数据来源：赛奥碳纤维技术公众号2020 年全球碳纤维复合材料市场报告，立鼎产业研究网，各公司公告、德州贝斯特复合材料有限公司官网，天风证券研究所公司名称 计划日期/建设日期 计划详情光威复材 2019年8月20日 年产1万吨大丝束碳纤维（含原丝），上海石化 2020年3月26日 年产1.2万吨48k大丝束碳纤维项目（配套2.4万吨原丝）新创碳谷 2020年11月 年产原丝3.8万吨，大丝束碳纤维1.9万吨，大丝束碳纤维复合材料部件2.8万吨杭州超探 2020年12月 建设年产1万吨高性能碳纤维及碳碳复合材料等项目广东金辉 2020年12月 年产碳纤维原丝5万吨、碳纤维2万吨、碳纤维复合材料4万吨中复神鹰 2021年1月20日 计划投资5.15亿元专注于航空树脂、航空用碳纤维中间制品和成型工艺的研究、开发和制造吉林化纤 2021年2月5日 引进国际国内先进设备，生产1K、3K小丝束特殊领域应用的碳纤维，形成年产碳纤维600吨的产品规模国泰大成 2021年3月 年产2.5万吨原丝、1万吨碳纤维、碳纤维织物及复合材料吉林碳谷 2021年4月 “十四五”期间将完成15万吨碳纤维原丝建设，届时碳纤维原丝产能将达到20万吨新疆隆炬 2021年7月18日 年产5万吨高性能碳纤维项目23数据来源：新材料在线公众号，吉林碳谷招股书，天风证券研究所3.2 原丝环节-纺丝工艺逐渐进步原丝制备环节是碳纤维制备的首要环节。碳纤维制备的主要工艺包括原丝制备、预氧化、碳化、表面上浆和卷绕，其中原丝成本在碳纤维总成本中占比高达51%。碳纤维原丝的工艺主要分为聚合过程、制胶过程、纺丝过程三个过程。在聚合过程中，丙烯腈共聚单体引发体系水，经聚合反应、脱单、水洗和干燥后得到聚合物粉料（PAN基）；在制胶过程中，聚合物粉料（PAN基）经溶解、脱泡后得到凝固浴纺丝；最后进入纺丝过程，凝固浴纺丝经水洗、上油和牵伸得到碳纤维原丝。纺丝环节是整个原丝制备环节的技术壁垒和工艺差别所在，对原丝质量有重大影响。51%16%23%4%6%原丝 预氧化 碳化 表面上浆 卷绕图：碳纤维成本构成 图：原丝制备过程聚合制胶纺丝24数据来源：光威复材招股书，李文杰干湿法与湿法PAN基碳纤维制备过程中纤维结构性能的差异性研究，李龙干湿法纺丝过程PAN初生纤维取向结构形成研究，天风证券研究所碳纤维原丝的纺丝方法主要包括干法纺丝制备和湿法纺丝制备、干湿法纺丝制备（干喷湿法纺丝）和熔融法纺丝制备等。其中干法制备和熔融法制备工艺目前尚不完善，工业运用不多。而湿法纺丝具有稳定性较好，易于控制反应等优点，在工业生产中得到了广泛使用。此外，由于同时具备湿法纺丝和干法纺丝的优点，干喷湿法纺丝近年来得到推广。项目 湿法纺丝 干湿法纺丝喷丝孔直径 小，0.050.075mm 大，0.100.30mm纺丝液 中、低分子量和固含量 高分子量，高固含量，高粘度牵伸率 喷丝后为负牵伸，一般负率20%50% 喷丝后为正牵伸，一般正率100%400%纺速 纺丝纺速速度慢，一般80m/min左右 纺丝纺速速度快，可在300m/min左右纤维 纤维表面有沟槽，体密度一般 纤维表面光亮平滑，纤维致密，密度较高纺丝温度 纺丝温度较高，一般为50-70度 纺丝温度较低，一般为40-45度优点 稳定性较好，易于控制反应制成的原丝相对均匀，结晶程度高，分子链排列整齐，内部孔隙结构少，物理性能更优缺点形成的纤维内部和表层结构差异性较大，表皮结构致密，芯层结构松散，化学结构杂乱，且这些缺陷会遗传给碳纤维-湿法纺丝工业运用悠久，技术较为成熟。方法是将喷丝板浸入在溶液中，纺丝细流由于浓度差异产生由表及里的剧烈凝固过程。但是由于外内层扩散的剧烈程度不同，开始扩散的时间存在差异，使纤维内部和表层结构差异性比较大，表皮结构致密，芯层结构松散，化学结构杂乱。干湿法有效改善了湿法纺丝中的一些缺陷。在干湿法纺丝过程中，纺丝液经喷丝孔喷出后，先经过空气层（即“干喷段），再进入凝固浴进行双扩散、相分离和形成丝条。此方法纺出的纤维体密度较高，表面平滑无沟槽，且可实现现速纺丝，用于生产高性能、高质量的碳纤维原丝。表：湿法纺丝和干喷湿法纺丝对比3.2 原丝环节-纺丝工艺逐渐进步25数据来源：中复神鹰招股书，天风证券研究所纺丝方法 干湿法纺丝 湿法纺丝日本东丽级别中复神鹰 光威复材 恒神股份 中简科技牌号 拉伸强度（Mpa） 牌号 拉伸强度（Mpa） 牌号 拉伸强度（Mpa） 牌号 拉伸强度（Mpa）T800S SYT55S 5900TZ800S 5880 HF40 5500-5700ZT8 5500TZ800H 5490 HF40T 6000T1000G SYT65 6400 TZ1000G 6370 HF50 6500 ZT9 5800M40J SYM40 4700 TZ4J 4410 HM3 4900-5000 ZM40J 4400表：湿法纺丝和干喷湿法纺丝对比干湿法生产出的碳纤维原丝性能更强。国内目前采用干湿法纺丝的厂商主要包括中复神鹰、光威复材和恒神股份。中复神鹰在国内率先突破T700 级、T800 级、T1000 级干喷湿纺核心技术，在干喷湿纺碳纤维的技术成熟度方面具有一定优势；光威复材、恒神股份过往以湿法碳纤维为主，近年来逐渐突破了干喷湿纺工艺技术，开发了T700、T800 级及T1000 级干喷湿纺产品，目前已形成批量化的干喷湿纺产品市场销售；而中简科技则主要生产湿法碳纤维，在T800 级及以上的同级别产品性能方面，较采用干喷湿纺工艺的同级别产品，在拉伸强度方面性能较低。3.2 原丝环节-纺丝工艺逐渐进步26数据来源：李川碳纤维预氧化炉温度特性仿真及其监控系统研究，碳纤维及其复合材料公众号，天风证券研究所3.3 碳丝环节-设备国产替代趋势明显预氧化工艺在整个制备过程中所占用的时间超过其他工艺的时间，是整个生产过程的重中之重。预氧化炉的作用是使热塑性的PAN线形大分子链转化为具有非塑性耐热梯形结构的预氧丝，其在碳化高温下不熔不燃，热力学处于稳定状态。目前使用的热空气预氧化设备，按热空气与丝面运行方向的夹角不同分为3种吹风方式：一是热风从丝条运行的垂直方向吹入，称为垂直吹风方式，其主要特点是在炉腔外面增加端气封，端气封吹出一定温度的热空气，起到将外界冷空气隔离的作用；二是热风从丝条的侧面吹入，称为侧吹风方式，主要采用将送风管道的热空气引到端气封，企图用热空气对吹的方式来阻挡炉内热空气的溢出和炉外冷空气的进入；三是热风从氧化炉中间位置平行于丝条的运行方向吹向两端，称为中间向两端送风方式，采用氧化炉下半部分作为新鲜空气的进风口，而上半部分作为废气的排放口。不同吹风方式在工业化生产中都有应用。图：碳纤维预氧化炉工艺流程种类 优点 缺点垂直送风方式 -1.增加能耗；2.增加了设备的整体尺寸；3.要求加热控制系统与氧化炉的加热控制系统要有高度的协调匹配侧吹风方式 -1.对氧化炉的风机功率要求高；2.端气封可能扰乱端部气场和温度中间向两端送风方式节能 会有一定量的冷空气随之进入炉内，从而造成炉内端部温度场的异常。表：碳纤维预氧化炉种类对比27数据来源：欧阳艳艳等碳纤维材料高温碳化过程研究进展概述，姜元虎低温碳化炉不锈钢马弗炉的设计及内部温 度和应力分析，郑州泰达矿冶设备有限公司官网，天风证券研究所碳化炉是碳纤维生产过程中的另一关键设备。碳化炉的主要作用是使预氧丝的梯型结构转化为碳纤维的乱层石墨结构。碳化炉可以分为高温碳化炉和低温碳化炉。国内外碳纤维高温碳化生产线主要采用开式炉膛，多温区加热，工况温度在1000以上，采用石墨板为炉体，石黑发热体为热源，高纯惰性气体(如氨气)为密封与冷却气，结构如右图所示。碳化炉的设计最基本要求是碳化炉温度场温度分布均匀，可量。但高温碳化要求的绝对无氧条件限制了温度的测控及温度分布均匀性。高温碳化的情况下，即使少量的空气也足以持续去除石墨分子层进而造成严重腐蚀，导致过早失效，因此，高温炉两端需要气压密封并精确控制。低温碳化炉系统则包括六大组成部分：低温碳化炉和主体结构和分区加热装置、两端的非接触式迷宫密封装置、废气排出口位置及废气处理装置、高纯氮气的气封作用和氮气的载气作用装置、碳化炉两端的牵伸机组和电器控制系统。其中，废气的及时排放并且不滞留在炉膛内是低温碳化炉技术的核心。图：碳纤维连续式碳化炉结构图图：开式炉膛碳化炉结构图3.3 碳丝环节-设备国产替代趋势明显28数据来源：新材料在线公众号，各公司官网，天风证券研究所表：国内部分碳纤维生产企业关键设备情况企业 预氧化炉 碳化炉中复神鹰 进口和自行制造 进口和自行制造江苏恒神 德国埃森曼 德国埃森曼光威复材 进口和自行建造 进口和自行建造蓝星集团 美国进口 德国进口中简科技 进口和自行建造 进口和自行建造设备 主要生产厂商原丝生产设备 意大利MAE、日本川崎重工预氧化炉 德国埃森曼、美国DESPATCH、美国利兹勒、顶立科技、精功科技碳化炉 美国哈泊、德国埃森曼、美国利兹勒、顶立科技、精工科技收丝卷绕设备 日本神津、德国萨姆表：碳纤维设备主要生产厂商目前碳纤维厂商使用的预氧化炉和碳化炉在一定程度上依靠进口，例如江苏恒神股份所使用的预氧化炉和碳化炉都使用德国埃森曼公司的产品，而蓝星集团生产线的预氧化炉依赖美国进口，碳化炉则依赖德国进口。目前国外生产预氧化炉的主要厂商包括德国埃森曼、美国DESPATCH、美国利兹勒等；生产碳化炉的国外主要厂商包括美国哈泊、德国埃森曼、美国利兹勒等。但国内也有不少企业开始自行建造预氧化炉和碳化炉。中复神鹰、光威复材和中简科技在依赖进口设备的同时具有一定自行建造能力，顶立科技和精功科技则是国内碳纤维设备的主要生产厂商，其中顶立科技主要生产卧式真空碳化炉、立式真空碳化炉、连续式碳化炉、连续式预氧化炉，而精功科技则具备全套碳纤维生产线生产能力。3.3 碳丝环节-设备国产替代趋势明显29数据来源：精功科技官网，精功科技2021年年报，天风证券研究所目前国内厂商已经具备生产碳纤维成套生产线能力。以精功科技为例，其碳纤维成套生产线由放纱架、氧化炉组、低温碳化炉、高温碳化炉、表面处理浴池、上浆浴池、干燥机、卷绕机等组成，可实现对PAN基碳纤维原丝连续多道热处理和后续处理，其所生产的产品可广泛应用于汽车交通、航空航天、风力发电、医疗器材以及建筑等领域。截止2021年末，精功科技碳纤维生产线已形成批量化生产，在该生产线上生产的碳纤维已广泛应用于汽车交通、航空航天等领域。2021年，精功科技碳纤维生产线整线交付周期大大缩短，共累计完成6条生产线的交付工作。纺丝 高碳炉欧式罗拉低炭炉预氧化炉表面处理 上浆立式烘干 收丝图：精功科技碳纤维成套生产线3.3 碳丝环节-设备国产替代趋势明显30 我们测算，十四五期间碳化线设备的合计新增市场空间为134亿元左右，关键假设如下： 根据精功科技公告，其向吉林化纤1.2万吨碳纤维复材项目提供4条碳纤维生产线的订单价格为6.8亿元，推算每万吨碳化线设备投资额为5.67亿元。 参考新疆隆炬年产5万吨高性能碳纤维项目的投资请款（每万吨综合投资12亿元），再考虑到国内设备性能逐步提升，有望对齐国外设备。我们认为价格具有提升趋势，因此假设每万吨碳纤维设备价值每年提升15%。 国内生产线目前整体产能较低，2020年“运行产能”为36,150吨，销量是18,450吨，销量/产能比为51%； 根据赛奥纤维预计，2025年国内碳纤维需求15万吨，2020年需求为4.89万吨，年均新增需求2万吨左右。数据来源：精功科技公司公告，德州贝斯特复合材料有限公司官网，赛奥碳纤维技术公众号2020 年全球碳纤维复合材料市场报告，天风证券研究所表：市场空间测算2021 2022 2023 2024 2025新增需求（万吨） 1.2 1.5 1.8 2.5 3.1产能利用率 50% 55% 60% 65% 65%新增产能需求 2.40 2.73 3.00 3.85 4.77 每万吨碳化线设备价值（亿元） 5.67 6.52 7.50 8.62 9.92 碳化线设备新增市场空间（亿元） 13.61 17.78 22.50 33.17 47.30 3.3 碳丝环节-设备国产替代趋势明显31 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