碳纤维的材料特性
　　碳纤维（Carbon Fiber）是由聚丙烯腈（或沥青、粘胶）等有机纤维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，据艾瑞咨询，全球超过90%的碳纤维原材料为聚丙烯腈。
　　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比强度、比模量最高的纤维，具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等优良性能。
　　风险因素
　　新兴领域需求增长和新需求开拓不及预期；
　　行业供需持续恶化；
　　高端市场供需亦恶化；
　　主要企业扩产情况不及预期；
　　主要企业成本下降不及预期。
　　

研究报告全文：碳纤维行业专题碳纤维产业市场格局与发展趋势孙明新中信证券研究部基础材料和工程服务行业首席分析师2023年7月11日请务必阅读末页的免责条款和声明CONTENTS目录1碳纤维生产工艺介绍2风电与氢能对碳纤维复材需求展望需求总览风电氢能3碳纤维国内市场格局211碳纤维的材料特性碳纤维CarbonFiber是由聚丙烯腈或沥青粘胶等有机纤维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据艾瑞咨询全球超过90的碳纤维原材料为聚丙烯腈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比强度比模量最高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优良性能碳纤维成品图几类轻量化材料的性能价格对比密度gcm3抗拉强度Gpa拉伸模量Gpa轻量化材料价格对比元kg200-1055002502-77007884400200633001504521042200100281510811415-220962110075500474200003资料来源上海时百工程建筑材料有限公司官网资料来源中国纤维复材网艾瑞咨询中信证券研究部12碳纤维的生产过程总览原丝碳丝两个阶段的成本各占生产成本的一半左右简化来看碳纤维生产流程主要分为原丝制备碳丝制备两个阶段一般公司也会按照生产环节将生产车间分为原碳纤维生产成本分环节占比丝车间碳丝车间其中原丝制备主要包括聚合纺丝工烧卷6表面上浆4段碳丝制备主要包括预氧化碳化工段制成碳纤维后为进一步提升弹性模量还可石墨化为石墨纤维碳化23原丝51原丝碳丝两个阶段的成本各占生产成本的一半左右均是决定碳纤维质量和成本的重要工序氧化16资料来源RockyMountainInstitute2011年中信证券研究部碳纤维生产的核心流程聚合纺丝预氧化碳化工段石墨化工段聚丙烯腈工段工段表面处理工段丙烯腈原丝预氧丝碳纤维石墨纤维原液200-1000-2000-30020003000丙烯腈聚丙烯腈预氧丝碳纤维石墨纤维4资料来源赛瑞研究转引自新材料在线微信公众号Harlan化浪搜狐号丙烯腈分子图欧阳艳艳姚雅萱刘争等碳纤维材料高温碳化过程研究进展概述聚丙烯腈分子图中复神鹰招股书石墨纤维分子图中信证券研究部12碳纤维的生产过程总览更完整来看碳纤维是长流程生产整体产碳纤维生产的完整流程线长度可超过1公里全流程涉及化工纺织等学科且工序复杂其中涉及的制备工艺参数非常之多每一项没有优化到位的参数都会带来碳纤维的质量缺陷诸多的参数怎样组合才能得到质量优而稳定的碳纤维不仅需要个别环节的专利技术突破还需要长期的试验投入经验沉淀碳纤维长流程生产线5资料来源西宁晚报资料来源中复神鹰光威复材中简科技招股说明书国产高性能PAN基碳纤维制备技术研究进展刘瑞刚徐坚PreparationandCharacterizationofPAN-basedCarbonFiberwithCarbonizationTemperatureHyunJaeLeeJWonSLim等中信证券研究部13原丝制备的生产工艺原丝质量是生产高品质碳纤维的关键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原丝品质缺陷表面孔洞沉积刮伤以及单丝间黏结等在后续加工中很难消除原丝本质是高性能的聚丙烯腈纤维即腈纶诸多碳纤维巨头起源于化纤和腈纶工业积累了工业化生产碳纤维的经验从生产环节看从丙烯腈制备原丝要通过聚合纺丝两个环节原丝的性能取决于其中聚丙烯腈分子的结构和排列形式其中分子结构的控制主要取决于聚合工艺排列形式主要取决于纺丝工艺碳纤维原丝成品图诸多碳纤维巨头起源于化纤和腈纶工业从丙烯腈到原丝的生产流程国家公司碳纤维业务缘起日本东丽起于化纤腈纶工业日本帝人起于化纤腈纶工业日本三菱起于化纤腈纶工业航空军工复材企业收购碳纤维老牌企美国赫氏业Hercules德国SGL起于碳基材料美国氰特航空军工复材企业收购英国石油碳纤比利时索尔维维业务6资料来源阿里巴巴资料来源各公司年报官网中信证券研究部资料来源中复神鹰招股书13原丝制备的生产工艺聚合由丙烯腈经化学反应制成聚丙烯腈原液聚合工艺主要包括一步法和两步法一般来说一步法加工质量较高两步法生产效率较高成本较低描述一步法指丙烯腈直接在DMSO二甲基亚砜等溶剂中聚合并制成纺丝溶液两步法指丙烯腈先在水相聚合聚丙烯腈不溶于水得到聚丙烯腈粉体再溶解于DMSO等溶剂制成纺丝溶液优势一步法的优势是工序较少可控性好纺丝溶液质量较高一般用于高性能碳纤维制备两步法的优势是水相聚合更有利于控制聚合温度减少聚合过程放热产生的影响因而反应耗时短生产效率高且溶剂易于回收利用成本低全球以一步法生产的厂家居多但如吉林碳谷陶氏阿克萨等以低成本为特色的厂家选择两步法聚合常用溶剂包括DMSODMACDMFZnCl2NaSCNHNO3等聚合溶剂配方会直接影响纺丝溶液的质量从主要厂家来看一步法厂家主要选择DMSO溶剂两步法厂家主要选择DMAC溶剂全球以一步法生产的厂家居多但部分以低成本为特色的厂家选择两步法境内公司聚合工艺聚合溶剂境外公司聚合工艺聚合溶剂光威复材一步法DMSO东丽一步法DMSO恒神股份一步法DMSO帝人一步法ZnCl2中简科技一步法DMSO三菱一步法两步法DMFDMAC中复神鹰一步法DMSO赫氏一步法NaSCN吉林碳谷两步法DMAC陶氏阿克萨两步法DMAC台湾台塑两步法DMAC7资料来源吉林碳谷公告中信证券研究部13原丝制备的生产工艺纺丝由聚丙烯腈溶液经过凝固成型水洗烘干等工序制成原丝纺丝工艺主要包括湿法和干喷湿法一般来说干喷湿法更具优势生产效率更高加工质量更优描述湿法中从喷丝头挤出的纺丝原液直接进入凝固液并凝固成型为纤维干喷湿法中从喷丝头挤出的纺丝原液先经过一段空气层再进入凝固液并凝固成型为纤维优势干喷湿法中纺丝原液在经过空气段时其中的聚丙烯腈分子的取向会先自然地规整然后再进入凝固液开始凝固因而干喷湿法凝固速度更快纺速更高纤维表面平滑密度和强度更高从主要企业公开披露的数据来看但考虑到技术不断进步不一定代表各企业最新情况国内主要企业湿法纺速在100-130mmin左右而干喷湿法纺速在400mmin左右干喷湿法和湿法表面上差异不大实际要规模化生产高品质产品具备明显技术难度目前世界上仅少量企业掌握该生产技术并形成成熟产品国内绝大部分碳纤维企业仍以湿法产品为主湿法和干喷湿法示意图干喷湿法较湿法纺速明显更高干喷湿法空气段的作用说明公司纺丝速度数据披露时间1纺丝原液经过空气段后聚丙烯腈分子链更能沿着国外最高水平干喷湿法500-600mmin上下2020年3月纤维方向排列使得制成的碳纤维强度更高吉林碳谷湿法100mmin以上2022年5月2湿法下纺丝原液未在空气段自然牵引就直接进入凝中简科技湿法130mmin2019年固液原液表面迅速变硬会阻止凝固液向内部扩散也导致湿法的生产速度不能过快中复神鹰干喷湿法400mmin连云港基地2022年光威复材干喷湿法技术上可以做到500mmin正常生产速度400mmin2022年9月资料来源光威复材全景网投资者关系互动平台回复公告吉林碳谷公告中简科技招股书中复神鹰招股书中信证券研究部主要企业纺丝工艺情况境外公司喷丝凝固工艺境内公司喷丝凝固工艺T700T800T1000采用东丽光威复材湿纺干喷湿法干喷湿法其他为湿法帝人湿法恒神股份湿纺干喷湿法三菱干喷湿法中简科技湿纺干喷湿法赫氏干喷湿法中复神鹰干喷湿法吉林碳谷湿法纺丝8资料来源碳纤维研习社微信公众号中信证券研究部资料来源吉林碳谷招股书中信证券研究部14碳丝制备的生产工艺预氧化碳化成品原丝经多段氧化炉在空气气氛下反应得到预氧丝预氧丝在氮气保护下分别经过低温碳化高温碳化得到碳丝随后经表面处理后进行上浆最后经烘干得到高强型碳纤维产品影响整个碳化阶段的质量和成本的因素包括原丝差异碳化线规模和走丝速度各类工艺参数控制碳化温度升温速率碳化时间碳化过程施加的牵引力碳化气流诱导等且对于不同结构的原丝存在不同的最优控制参数一般来说碳化线规模越大单耗越低国内单线产能最大为3000吨原丝质量越高原丝到碳纤维的转化率也越高中间损耗越低据胡晓梅碳纤维产业化发展及成本分析一般来说高质量原丝用量与碳纤维产出比约为221而低质量原丝用量与碳纤维产出比约为251由原丝到碳纤维的生产工序单线产能越大单耗越低单线产能越大单耗越低原丝产线碳化产线成本费用公司碳化线单线产能万元产能产能产能产能250ta3000ta100ta1000ta光威复材2000吨年包头一期直接成本796860774851中简科技吨年千吨线单耗成本103584712071000固定资产3000吨年12万吨碳纤维复1137713086吉林化纤折旧材项目流动费用89629662中复神鹰3000吨年西宁二期合计1101105714711206资料来源中复神鹰年报光威复材全景网投资9资料来源欧阳艳艳姚雅萱刘争等碳纤维材料高温碳化者关系互动平台回复中简科技招股说明书吉资料来源中复神鹰招股书过程研究进展概述中信证券研究部林化纤公告中信证券研究部CONTENTS目录1碳纤维生产工艺介绍2风电与氢能对碳纤维复材需求展望需求总览风电氢能3碳纤维国内市场格局10211碳纤维需求长期成长全球碳纤维市场300亿元规模11复合增速长期成长赛道据赛奥碳纤维2022年全球碳纤维市场规模44亿美元约合人民币300亿元2014-2022年CAGR约11需求量135万吨2008-2022年CAGR约10应用领域的持续拓宽带动市场稳定扩容全球碳纤维市场规模全球碳纤维需求量全球碳纤维市场规模亿美元同比全球碳纤维需求量万吨同比5040163014-22CAGR10608-22CAGR9845142530401235202010301525108102060155410-102050-200-520142015201620172018201920202021202220082009201020112012201320142015201620172018201920202021202211资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部212碳纤维的需求增长由降本和创新驱动碳纤维的需求特点降本和创新供给驱动需求持续成长碳纤维使用成本降低驱动需求增长纵观碳纤维的需求成长历史1一方面源自降本驱动如右图所示碳纤维价格由1970年约260美元kg持续下降至2010年代15-30美元kg从而适用更多领域2另一方面源自创新供给驱动碳纤维产品的创新性定制性强在相关应用得以被研发验证生产前往往没有相应的需求也因此碳纤维的需求快速增长往往伴随着产能的快速增长而产能的增长又与研发的推进较同步资料来源ZhigangXiePolyacrylonitrilenanofibreyarnelectrospinningandtheirpost-drawingbehaviour注图中价格单位中的lb为磅1lb045kg研发创新驱动需求增长东丽产能增长与研发推进情况较同步碳纤维的需求快速增长往往伴随着产能的快速增长全球碳纤维产能万吨全球产能同比全球需求量同比303025252020151510105500-512资料来源Compositesworld2003-2012年赛奥碳纤维2015-2022年中信证券研究部注其中2015-2018年为资料来源沈琏专利碳纤维必由之路理论产能2019-2022年为运行产能剔除不具备生产能力的落后产能尤其针对中国大陆产能做了消减213近年中国的碳纤维需求增长快于全球需求占全球比例提升国内外市场对比总量中国大陆需求量占全球55近年增速中枢26高于海外据赛奥碳纤维2017-2022年中国大陆的需求占全球的比例从28提升至552018-2022年中国大陆碳纤维需求增速中枢达到26处于快速渗透期而海外发达国家市场自1960年代发展至今需求增长相对更为稳定2018-2022年中国大陆碳纤维需求量增速中枢达到262022年中国大陆占全球需求量的55中国大陆碳纤维需求量万吨同比中国大陆需求占全球比例81006055780506604054403018-22增速25中枢2632020201010-20020082009201020112012201320142015201620172018201920202021202220082009201020112012201320142015201620172018201920202021202213资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部214中国在多数景气细分领域增速均高于全球国内外市场对比需求结构总体相近但在多数细分领域内中国大陆和全球的碳纤维需求结构差异不是很大中国大陆需求量增速高于全球中国大陆碳纤维需求量结构全球碳纤维需求量结构需求占比需求量需求量占需求占比需求量1中国大陆和全球的碳纤维需求结构差异不是很大2022需求需求年中国大陆的体育休闲需求量占比高于全球31vs18202219-22CAGR全球比例202219-22CAGR其余几项主流领域的需求占比相近如风电叶片体育休闲311896体育休闲181724vs26碳碳复材9vs7压力容器风电叶片24850风电叶片2611航空航天碳碳复材97876碳碳复材7488vs1110vs15压力容器85941压力容器1126以上四项合计722065以上四项合计61182但在多数细分领域内中国大陆的需求增速要明显高于航空航天107739航空航天15-5全球带来中国大陆整体需求增速高于全球对比中国大陆以上五项合计822460以上五项合计7611和全球在主要细分领域2019-2022年需求量CAGR体育休其他183141其他243闲为18vs17风电叶片为8vs11碳碳复材为合计1002555合计100978vs48压力容器为59vs26航空航天为77vs-资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部5其他领域为31vs3多数领域中国大陆需求占比持续提升表面增速快于全球各领域中国大陆需求量占全球比例这一方面源自在部分新兴领域中国大陆的需求拓展引领全球如碳碳复材压力容器领域中国大陆需求分别已占全球的20192020202120221007641中国大陆贡献了全球的大部分增量另一方面9080源自在部分相对传统领域中国大陆的渗透不及境外成熟处7060在产业生命周期的更前端体现在航空航天建筑补强汽5040车船舶等领域中国大陆的需求量增速高于国外302010014资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部CONTENTS目录1碳纤维生产工艺介绍2风电与氢能对碳纤维复材需求展望需求总览风电氢能3碳纤维国内市场格局15221风电叶片是需求最大的碳纤维应用领域近年在波动中成长风电叶片是全球需求量最大的碳纤维应用领域2022年风电叶风电叶片是全球需求量最大的碳纤维应用领域片碳纤维全球需求为347万吨为最大应用领域市场规模为全球碳纤维需求量结构2022642亿美元碳纤维在风电叶片中的主要应用部位为主梁1824体育休闲近年来风电碳纤维市场在波动中成长2017-2020年全球风电叶片需求增速维持在10-20且中国增速高于全球2021和2022年受中国市场显著降速和下滑影响全球需求增速分别碳碳复材回落至85压力容器航空航天1526近年来中国风电碳纤维需求占比呈提升趋势中国风电碳纤其他维需求量占全球比例由2017年的15提升至2022年的50117资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部近年来风电碳纤维市场在波动中成长中国风电碳纤维需求占比呈提升趋势全球风电碳纤维需求量吨中国风电碳纤维需求量吨全球yoy中国yoy中国风电碳纤维需求量占比400001008068350008070653000060546050250005040200004032201620150001011308500100002017155000-20100-4002016201720182019202020212022201620172018201920202021202216资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部资料来源赛奥碳纤维中信证券研究部222风电碳纤维需求增长驱动力风电新增装机稳定增长总体上全球风电碳纤维需求量增速和风电新增装机增速呈风电碳纤维需求增速和新增装机呈相关性但一般更高现正相关性但一般高于装机增速全球风电碳纤维需求量增速全球风电新增装机增速60风电新增装机情况全球和我国风电装机有望重回增长502021和2022年受我国抢装潮落幕等影响全球风电新增40装机分别同比下降217考虑到2022年我国风电招标3020量已明显复苏同比增长据中国招投标公共服务平7510台我们预计2023年起风电新增装机有望重回增长0-10预测年全球风电新增装机为GWEC2023-2027CAGR8-20其中陆风为6海风为19我们预测中国2023-201520162017201820192020202120222025CAGR为12其中陆风7海风41资料来源GWEC赛奥碳纤维中信证券研究部全球风电新增装机容量GW中国风电新增装机容量GW中国已成全球风电最重要新增装机市场陆风海风合计yoy陆风海风合计yoy全球风电新增装机容量GW18070120100中国风电新增装机容量GW6016080中国占全球比例5010075140707074406016080120801406070301004012052496020604542801004150102035604080284000603040-10402020-2020-2020100-300-400017资料来源GWEC含预测中信证券研究部资料来源GWECCWEA中信证券研究部预测资料来源GWEC含全球预测CWEA中信证券研究部含中国预测223风电碳纤维需求增长驱动力单位风电装机的碳纤维用量提升1单位风电新增装机的碳纤维用量呈现提升趋势单位风电新增装机的碳纤维用量呈现提升趋势全球风电碳纤维需求量当年风电新增装机容量吨GW碳纤维在风电领域的渗透率提升一方面源自海上风电的500434447比例提升450419370400353海风较陆风由于单机容量更高叶片更长碳纤维渗透350329321284率更高2021年海风陆风叶片中碳纤维主梁比例分别为3002502003427148150新增装机中海风比例持续提升全球新增装机中海风比100例从年的提升至年的预测502014252022113GWEC0该比例有望提升至2027年的229201420152016201720182019202020212022资料来源赛奥碳纤维GWEC中信证券研究部海风较陆风叶片碳纤维主梁应用比例更高新增装机中海风比例持续提升2021年全球海陆风主梁材料占比全球海风新增装机占比碳纤维主梁玻纤主梁2522522921310019390208015714470661560731131035010848640723048362034525102700陆风海风2014201520162017201820192020202120222023E2024E2025E2026E2027E18资料来源WoodMackenzie转引自碳纤维在风电叶片中的应用进展牟书香文景波徐俊等中信证券研究部资料来源GWEC含预测中信证券研究部224风电碳纤维需求增长驱动力单位风电装机的碳纤维用量提升2风电新增装机的平均单机容量加速提升另一方面无论海陆风都呈现大型化趋势以满足降本增效的需要而大型化推动碳纤维应用比例的提升新增风电装机的平均单机容量MW陆风-中国海风-中国陆风-欧洲海风-欧洲近年来我国风电新增装机的平均单机容量加速提升92019-2022年陆风单机容量由24MW提升至43MW超8过欧洲的41MW海风单机容量由42MW提升至74MW76接近欧洲的77MW54随着单机容量提升叶片长度增加碳纤维相较玻纤带来32的全生命周期成本和运行稳定性改善更为明显1020122013201420152016201720182019202020212022资料来源CWEAWindEurope中信证券研究部风电单机容量和叶片长度同步增长随着叶片增长碳纤维带来成本和运行稳定性改善效果更明显碳纤维在风电叶片中的主要应用部位为主梁与同级别的高模玻纤主梁叶片相比采用碳纤主梁设计的叶片可实现减重2030以122m长叶片为例叶片重量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上的载荷进而减少轮毂机舱塔架和桩基等结构部件1520的重量有效降低风机10以上的整体成本随着碳纤维叶片强度和刚度的提升可以减少叶片在运行时的动态变形有效改善叶片的空气动力学性能提升风轮的发电效率因此通过应用碳纤维叶片降低对轮轴和塔架的负载风机的输出功率更加平稳均衡运行效率更高且碳纤维复合材料的抗疲劳性能较好通过后评估还可以延长叶片的生命周期降低日常维护费用等综合成本19资料来源EWEA转引自严说一点微信公众号资料来源碳纤维在风电叶片中的应用进展牟书香文景波徐俊等中信证券研究部225风电碳纤维需求增长驱动力单位风电装机的碳纤维用量提升3全球风电单机容量的持续提升有望推动海陆风中碳纤维应用随叶片长度增加碳纤维主梁叶片的占比变化比例均提升碳纤维主梁叶片占比玻璃纤维主梁叶片占比风电平均单机容量有望持续提升以海风为例GWEC预测100全球海风平均单机容量有望自2022年的76MW提升至2025年908045的115MW706075735091碳纤维在海风中的渗透率提升有望快于陆风Wood403055Mackenzie预测转引自碳纤维在风电叶片中的应用进展202527牟书香文景波徐俊等陆风中碳纤维叶片主梁比例有望自10902021年的约27提升至2025年的约50海风中碳纤维叶片r50m50mr60m60mr70mr70m主梁比例有望自2021年的约34提升至2025年的约95资料来源Sandia国家实验室转引自碳纤维在风电叶片中的应用进展牟书香文景波徐俊等中信证券研究部陆风玻纤碳纤维叶片主梁占比预测海风玻纤碳纤维叶片主梁占比预测20资料来源WoodMackenzie转引自碳纤维在风电叶片中的应用进展牟书香文景波徐俊资料来源WoodMackenzie转引自碳纤维在风电叶片中的应用进展牟书香文景波徐俊等含预测为预测等含预测为预测