1、 敬请阅读末页之重要声明 碳纤维长期需求看好，国内有效供给有待持续释放碳纤维长期需求看好，国内有效供给有待持续释放 相关研究：相关研究： 稀土永磁材料行业2022年投资策略： 政策改善增长边际空间， 新能源及节能推动需求释放 20211231 行业评级：行业评级：增持增持 近十二个月行业表现近十二个月行业表现 % 1 个月 3 个月 12 个月 相对收益 -4 -8 14 绝对收益 -13 -23 -1 注：相对收益与沪深 300 相比 分析师：分析师：王攀王攀 证书编号：证书编号：S0500520120001 Tel：(8621) 50293524 Email： 地址：地址：上海市浦东新区银
2、城路88号中国人寿金融中心10楼湘财证券研究所 核心要点：核心要点： 碳纤维是重要战略物资，下游应用领域广泛。碳纤维产业链价值逐环增碳纤维是重要战略物资，下游应用领域广泛。碳纤维产业链价值逐环增大，碳纤维制备工艺流程复杂大，碳纤维制备工艺流程复杂 碳纤维是由聚丙烯腈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裂解碳化形成碳主链机构制成的无机纤维。下游广泛应用于国防工业以及高性能民用领域，涉及军工、航空航天、海洋工程、体育用品、汽车工业、新能源装备、医疗器械、工程机械、交通运输、建筑及其结构补强等领域。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，占
3、碳纤维总量的 90%以上。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，产业链下游价值逐环放大。碳纤维制备环节工艺流程复杂，原丝质量决定碳纤维性能高低，氧化碳化工艺决定碳纤维最终力学性能。 我国碳纤维技术水平逐渐缩短与国际差距，但在应用技术开发及产业链我国碳纤维技术水平逐渐缩短与国际差距，但在应用技术开发及产业链生态上仍较为薄弱生态上仍较为薄弱 国际碳纤维产业经过 60 年的发展，经历了完整的技术发明-实验技术研发-工程技术研发-规模工业化-产业链整合及应用拓展的历程。我国通过自主研发掌握高性能碳纤维制备技术，与国际差距逐步缩窄。在不同发展阶段，正是由于应用领域的发展材支撑了碳纤维
4、技术的不断进步，我国目前应用技术薄弱，产业链生态尚未成熟。 全球碳纤维需求保持增长全球碳纤维需求保持增长，航空航天为碳纤维需求提供长期支撑，风电，航空航天为碳纤维需求提供长期支撑，风电快速发展将带动相关领域碳纤维继续快速增快速发展将带动相关领域碳纤维继续快速增长长 2020 年受新冠疫情的影响全球碳纤维需求较 2019 年仅增长 3%，近五年全球碳纤维需求年均复合增速为9.3%。 我国碳纤维需求长期依赖于进口供给，2020 年碳纤维国产化率得以明显提升。全球碳纤维需求结构较为分散，风电、航空航天、体育休闲和汽车是主要的应用领域。而我国碳纤维需求主要集中在风电和体育休闲领域，未来随着碳纤维行业供
5、应能力增强及国产化率提升，我国碳纤维需求结构有望向高端应用领域渗透。受益于我国军用航空十四五有望持续增长及全球商用航空需求复苏，叠加碳纤维应用比例提升，全球航空航天市场将为碳纤维提供长期需求支撑。受益双碳战略下风电中长期增长前景，全球及我国风电领域碳纤维需求将保持长期快速增长。 我国有效供给不足，国内需求对外依赖度高，全球碳纤维格局仍由国际我国有效供给不足，国内需求对外依赖度高，全球碳纤维格局仍由国际巨头垄断，我国碳纤维企业同时面临较大的需求提升空间的机遇和在不巨头垄断，我国碳纤维企业同时面临较大的需求提升空间的机遇和在不同需求市场持续提升竞争优势的压力同需求市场持续提升竞争优势的压力 全球产
6、能仍集中于日美企业，我国需求长期依赖进口，自给率不高。我国碳纤维企业正逐步跨越低产能利用率阶段，逐步释放实际供给。短期进口供给受限冲击叠加有效需求不足，国内碳纤维呈现供需紧张格局。全球碳纤维市场格局仍由国际巨头垄断，小丝束产品主要集中在日本企业，大丝束产能则主要在欧美，我国碳纤维企业发展仍需在小丝束领域提升技术优势和在大丝束领域降本增效。 -25%-15%-5%5%15%-20%0%20%40%60%80%碳纤维板块涨跌幅对比基准:沪深300累计涨跌幅-右证券研究报告证券研究报告 2022 年年 03 月月 31 日日 湘财证券研究所湘财证券研究所 行业研究行业研究 新材料新材料行业深度行业深
7、度 2 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 投资建议投资建议 建议关注在航空航天等高端领域建立领先优势，在高端碳纤维具备自主技术体系且实际产能加速释放的公司，以及开始向碳纤维产业链上下游全覆盖，未来有望通过规模扩张降本增效，拓展产品应用领域的公司。给与行业“增持”评级。 风险提示风险提示 下游需求增长不及预期，供给扩张导致竞争加剧，产能无法有效释放，成本上涨风险，技术研发风险。 RZiZpXdWlYsW8Z1UeX8OcM6MpNpPtRnPkPmMmQlOrRsQ7NrRzQwMnOmNxNoPzQ 1 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 正文目录 1 碳纤维具备战略地位，我国仍处于追赶阶段 .
8、 3 1.1 碳纤维是重要战略物资，应用领域广泛 . 3 1.2 碳纤维的分类 . 4 1.3 碳纤维产业链价值逐环增大，碳纤维制备工艺流程复杂 . 5 2 我国碳纤维技术水平逐渐缩短与国际差距，但在应用技术开发及产业链生态上仍较为薄弱 . 8 2.1 国际碳纤维企业进入成熟发展阶段 . 8 2.2 我国通过自主研发掌握高性能碳纤维制备技术，与国际差距逐步缩窄 . 9 2.3 我国应用技术薄弱，产业链生态尚未成熟 . 10 3 航空航天提供长期需求支撑，风电仍是增长驱动力 . 11 3.1 全球碳纤维需求保持增长，我国自给率仍有较大提升空间 . 11 3.2 我国军用航空碳纤维需求有望提升，商
9、业航空碳纤维需求有望逐步恢复 . 13 3.3 风电将持续驱动碳纤维需求快速增长 . 17 3.4 体育休闲将保持对碳纤维的稳定需求 . 20 4 国内供给对外依赖度高提供空间，全球格局仍为巨头垄断仍存压力 . 21 5 投资建议 . 23 6 风险因素 . 23 图表目录 图 1 不同等级的碳纤维 . 3 图 2 碳纤维下游主要应用领域 . 4 图 3 聚丙烯腈（PAN）碳纤维占据主流地位 . 4 图 4 碳纤维产业链 . 6 图 5 碳纤维产业链流程较长，各环节技术复杂 . 7 图 6 全球碳纤维发展历程 . 9 图 7 全球碳纤维需求增长趋势 . 11 图 8 全球碳纤维需求增长趋势 .
10、 12 图 9 全球碳纤维需求增长趋势 . 12 图 10 全球碳纤维需求结构 . 13 图 11 我国碳纤维需求结构 . 13 图 12 复合材料在航空产品应用比例 . 14 图 13 我国军费向装备费倾斜 . 14 图 14 我国军费占经济及财政支出比例较低 . 15 图 15 我国军机与美国有较大差距. 15 图 16 我国先进战机列装落后于美国. 15 图 17 复合材料在商用飞机应用比例发展趋势 . 16 图 18 风能 LCOE 显著下降，经济性明显 . 17 2 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 图 19 2010-2020 年全球风电累计装机容量 . 18 图 20 风电领域碳
11、纤维需求快速增长 . 18 图 21 全球陆上风电风机尺寸和单机功率不断增加 . 19 图 22 全球海上风电项目风机尺寸和单机功率发展趋势 . 19 图 23 我国陆上及海上风电机组单机平均容量呈提升趋势 . 19 图 24 2020 年我国新增陆上风电装机机型占比 . 19 图 25 我国陆上及海上风电机组单机平均容量呈提升趋势 . 21 图 26 2020 年我国新增陆上风电装机机型占比 . 21 图 27 全球碳纤维运行产能 . 22 图 28 全球小丝束碳纤维市场份额. 22 图 29 全球大丝束碳纤维市场份额. 22 表 1 碳纤维主要性能特点 . 3 表 2 不同政策执行 力度下
12、 2021-2030 年风电装机累计需求及年均装机量预测 . 20 3 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 1 碳纤维碳纤维具备战略地位，我国仍处于追赶阶段具备战略地位，我国仍处于追赶阶段 1.1 碳纤维是重要战略物资，应用领域广泛碳纤维是重要战略物资，应用领域广泛 碳纤维（Carbon Fiber，简称 CF）是由聚丙烯腈（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裂解碳化 （其结果是去除除碳以外绝大多数元素） 形成碳主链机构制成的无机纤维，是一种含碳量在 90%以上的无机高分子纤维。 图图 1 1 不同等级的碳纤维不同等级的碳纤维 资料来源：
13、中复神鹰招股书，湘财证券研究所 碳纤维具有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，并具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热及湿膨胀系数低、X 光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽效应等特点，是发展国防军工与国民经济的重要战略物资，应用于国防工业以及高性能民用领域，涉及军工、航空航天、海洋工程、体育用品、汽车工业、新能源装备、医疗器械、工程机械、交通运输、建筑及其结构补强等领域。 表表 1 碳纤维主碳纤维主要性能特点要性能特点 性能特点性能特点 简介简介 强度高 抗拉强度在 3,500M
14、Pa 以上 模量高 弹性模量在 230GPa 以上 密度小，比强度高 密度是钢的 1/4，是铝合金的 1/2；比强度比钢大 16 倍，比铝合金大 12 倍 耐超高温 在非氧化气氛条件下，可在 2,000时使用，在 3,000的高温下部熔融软化 耐低温 在-180低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧具有弹性 耐酸、耐油、耐腐蚀 能耐浓盐酸、 磷酸等介质侵蚀， 其耐腐蚀性能超过黄金和铂金， 同时拥有较好的耐油、耐腐蚀性能 热膨胀系数小，导热系数大 可以耐急冷急热，即使从 3,000的高温突然降到室温也不会炸裂 数据来源： 高科技纤维与应用 ，湘财证券研究所 4 行业研究 敬请阅读末页之重要声明
15、图图 2 2 碳纤维碳纤维下游主要应用领域下游主要应用领域 资料来源：中简科技招股书，湘财证券研究所 1.2 碳纤维的分类碳纤维的分类 碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格、原丝制备工艺等不同维度分为不同种类。 按照原丝种类， 目前已实现工业化的碳纤维原丝主要有聚丙烯腈 （PAN）原丝、沥青纤维和粘胶丝，由这三大类原丝生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，粘胶基碳纤维因制造工艺复杂、碳化得率低仅有 20-30%，成本高、产量小。沥青基碳纤维尽管原料来源丰富，碳化得率高达 80-90%、成本低，但强度较低致使其应用领域受限。PAN 基碳纤维由于
16、生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛， 自 20 世纪 60 年代问世以来， 迅速占据主流地位， 占碳纤维总量的 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。 图图 3 3 聚丙烯腈（聚丙烯腈（PANPAN）碳纤维占据主流地位）碳纤维占据主流地位 资料来源：中简科技招股书，湘财证券研究所 91%8%1%PAN基碳纤维沥青基碳纤维粘胶基碳纤维 5 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 按力学性能分，碳纤维分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为 100GPa 左右；高性能型碳纤维又分为高强型（强度大于2000MPa、模量大于 25
17、0GPa）和高模型（模量 300GPa 以上） 。强度大于 4000MPa 的又称为超高强型； 模量大于 450GPa 的称为超高模型。 碳纤维因其优异的力学性能作为增强材料而广泛应用，因此业内主要采用力学性能进行分类。业内产品分类主要参考日本东丽的牌号，并以此为基础确定自身产品的牌号及级别。按照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标准的力学性能分类，PAN 碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四类。 按照丝束规格，亦即每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别， 一般按照碳纤维中单丝根数与 1,000 的比值命名。 早期小丝束碳纤维以 1K、3K、6K 为主，逐渐发展出 12
18、K 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。 PAN 基碳纤维原丝是生产高品质碳纤维的技术关键，原丝品质缺陷，如表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等，在后续加工中很难消除，从而造成碳纤维力学性能的
19、下降。PAN 基碳纤维原丝的生产过程为将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后纺丝成型。按纺丝溶剂区分，包括 DMSO（二甲基亚砜） 、DMAC（N,N-二甲基乙酰胺） 、NaSCN（硫氰酸钠）等不同类别；按照聚合工艺的连续性，可以分为一步法、两步法；按照纺丝工艺，可以分为湿法和干喷湿纺法。 1.3 碳纤维碳纤维产业链产业链价值逐环增大，碳纤维制备价值逐环增大，碳纤维制备工艺流程工艺流程复复杂杂 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。从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯，丙烯经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤
20、维，并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，作为生产碳纤维复合材料的原材料；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。 6 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 图图 4 4 碳纤维产业链碳纤维产业链 资料来源：新材料在线，赛瑞研究，湘财证券研究所 碳纤维产业链下游价值逐环放大。根据中国碳纤维行业现状及发展趋势 （俞胜华，2016） ，在碳纤维整体产业链中，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 1,000 元以下/公斤， 汽车复合材料约 3,0
21、00 元/公斤，航空复合材料约 8,000 元/公斤，每一级的深加工都有大幅度的增值。 碳纤维制备环节工艺流碳纤维制备环节工艺流程复杂，程复杂，原丝质量决定碳纤维性能高低，氧化碳原丝质量决定碳纤维性能高低，氧化碳化工艺决定碳纤维化工艺决定碳纤维最终最终力学性能力学性能。进入 21 世纪，碳纤维生产工艺技术己经成熟， 其中 PAN 基碳纤维产能最大、 应用最为广泛， 工艺技术也相对更加成熟，其生产关键包括单体聚合、纺丝、预氧化、碳化、表面处理等环节。丙烯腈自由基共聚制备纺丝原液，原液通过纺丝工艺得到 PAN 原丝，原丝再经过预氧化、碳化、石墨化及后处理等一系列工序得到具有乱层石墨结构的高性能碳纤
22、维。其中 PAN 原丝的质量控制是生产高性能碳纤维的基础，而预氧化和碳化工艺则决定碳纤维最终的力学性能。 单体聚合阶段，制备纺丝原液有一步法和二步法，一步法是采用均相溶液聚合的方法，直接获得均一的 PAN 溶液，再经洗涤、脱单、脱泡一系列处理后得到纺丝原液，优点是黏度低、可直接纺丝，而缺点是产物收率低，溶剂不易再回收，需要有洗涤、精制等工序。二步法是通过非均相聚合工艺，制得 PAN 固体粒子，粉料再经清洗、干燥、粉碎和溶解后制得均匀的 PAN溶液，再经后续的脱单、脱泡处理，获得纺丝原液，相对于溶液聚合，这种方法的优点是可以获得分子量较高、分子量分布比较均匀的聚合物，并且聚合速率较快、转化率较高
23、。缺点是纺丝前需要重新溶解，相较于一步法增加 7 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 一道程序，同时固体粒子的分离和干燥耗能较大。 图图 5 5 碳纤维产业链碳纤维产业链流程较长，各环节技术复杂流程较长，各环节技术复杂 资料来源：上市公司招股书，湘财证券研究所 纺丝：在制备 PAN 原丝过程中，纺丝工艺主要有湿法纺丝和干喷湿纺。湿法纺丝是纺丝原液从喷丝头出来后直接浸入凝固液中，这种方法工艺简单，容易控制，典型代表是东丽 T300、T800，通过这种方法制备的碳纤维表面有沿纤维轴向排布的沟槽，这种沟槽增大了碳纤维表面积有利于碳纤维与树脂的物理啮合，提高复合材料界面结合性能，但同时沟槽也是碳纤维表面
24、的缺陷，容易产生应力集中，影响碳纤维的拉伸强度。干喷湿纺是原液从喷丝头流出后先经过空气再浸入凝液中，纺丝速度快，纤维致密，表面光滑，PAN分子链段沿纤维方向排列取向优化，拉伸强度更高，但缺点是纺丝原液细流断裂后原液容易沿喷丝头漫流，严重影响纺丝过程的连续性，同时容易残留的有机溶剂。 预氧化：原丝碳化前，为防止 PAN 纤维在高温中熔融，要对原丝进行预氧化处理，即将原丝置于 200-300预氧化炉的氧化气氛中，分子链延纤维轴向取向，形成热稳定性能好的梯形结构。预氧化工艺的关键在于温度控制及设备排风，要及时排除炉内反应热防止局部过热导致纤维断裂。 碳化：经过预氧化处理后，预氧丝要在高纯度氮气的保护
25、下进行两次碳化处理，分别是低温碳化，温度一般为 300-900；高温碳化，温度一般为1200-1800。预氧化过程中产生的热稳定性梯形大分子发生交联，氢、氮、氧等元素随着碳化温度升高逐渐裂解排出，纤维中碳元素含量从 60%提高到 8 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 90%以上，最终得到乱层石墨片状结构的 PAN 基碳纤维。 石墨化：如果进一步制备高模量石墨碳纤维。则对碳化处理后的碳纤维进行石墨化处理， 温度一般控制在为 2600-3000， 高纯度氩气作为介质气氛，碳纤维内部结晶在一定张力下进一步发生取向，最终产生有序的二维网面层状石墨结构纤维，碳元素含量也进一步提升到 99%。 表面处理及
26、上浆：表面处理是为了提高碳纤维表面与树脂基体的界面结合强度，未经表面处理的碳纤维表面具有石墨材料的天然化学惰性，反应活性低与树脂浸润性差，不能形成稳定的结合界面，当复合材料受到比较大的力的作用时，作为增强相的碳纤维不能有效传递来自树脂基体的载荷，阻止破坏发展，使得复合材料性能降低使用寿命减少。目前碳纤维表面处理的方法主要有两大类，分别是氧化处理和化学接枝。上浆是在碳纤维表面形成一层有效保护膜， 隔绝环境中的杂质及水分， 从而提高纤维的集束性和耐磨性，改善使用中的工艺性能。上浆剂成分和含量对碳纤维表面活性和纤维与树脂基体之间的界面性能有很大的影响，是目前碳纤维生产商的核心技术之一。 2 我国碳纤
27、维技术水平逐渐缩短与国际差距，但在应我国碳纤维技术水平逐渐缩短与国际差距，但在应用技术开发及用技术开发及产业链生态上仍较为薄弱产业链生态上仍较为薄弱 2.1 国国际际碳纤维碳纤维企业进入成熟发展阶段企业进入成熟发展阶段 国际碳纤维产业经过 60 年的发展， 经历了完整的技术发明-实验技术研发-工程技术研发-规模工业化-产业链整合及应用拓展的历程。 19 世纪八十年代，英国人 Joseph Swan 和美国人 Thomas Edison 首先发现了最原始的碳纤维碳丝，并且申请了发明专利，20 世纪 50 年代美国聚焦于粘胶基碳纤维，而日本大阪工业试验所的近藤昭男于 1959 年发明了 PAN 基
28、碳纤维制备技术。 20 世纪 60 年代是由日本与英国为主导的实验技术研发时期， 日本主要有大阪工业试验所、 东海碳素公司和日本碳素公司 （最早获得近藤的专利授权） 、东丽、三菱、东邦等；英国主要有皇家航空研究所（RAE） 、皇家原子能公司(AERA)、考陶尔兹(Courtaulds)，罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)等。1964 年，英国皇家航空研究所（RAE）的瓦特等人打通了生产高性能聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的工艺流程， 使聚丙烯腈 （PAN）基碳纤维成为主流产品。1967 年，日本东丽公司舍弃了质量较差的民用腈纶，采用共聚原丝作为生产 PAN 基碳纤维的前驱体，并突破了预氧化工
29、艺和碳化工艺的关键技术。20 世纪 70 年代英国、美国、日本技术合作频繁，实现了 150 吨/年的工程化产能，美国赫拉克勒斯（Hercules）在英国碳纤维技术转移时获得英国皇家航空研究所碳化技 9 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 术，日本东丽、东邦、三菱也纷纷与美国相互转让技术，同时碳纤维在体育器材等民用领域开始应用。20 世纪 80 年代碳纤维单线产能达到千吨/年，东丽公司基本完成了现有绝大部分产品系列，碳纤维应用突破至航空航天领域，英国由于缺乏应用支撑开始向新兴国家转让技术，同样地技术转让也促使美国工业碳纤维开拓者卓尔泰克的诞生。 图图 6 6 全球碳纤维发展历程全球碳纤维发展历程
30、资料来源：广东奥赛，湘财证券研究所 20 世纪 90 年代国际碳纤维行业兴起并购大潮。美国航空材料厂赫氏（Hexcel）并购了美国赫拉克勒斯；美国石油巨头阿莫科（AMOCO）整合了大部分美国的碳纤维资源， 最后这些碳纤维资产在2001年成了氰特 （CYTEC） ；德国石墨巨头西格里 （SGL） 在 1997 年收购了英国考陶尔兹留下的 RK carbon。2000 年前后除了延续并购外，碳纤维工业应用开始起步，碳纤维产品开始进入压力容器、工业机器、船艇、土木工程和建筑、修复和补强等领域。2007年卓尔泰克与风电巨头维斯塔斯（VESTAS）建立合作，碳纤维应用拓展至风电领域。2010 年以后碳纤
31、维航空航天、风电需求迅猛增长，并试图进入汽车轻量化领域。 同时碳纤维产业内部整合更加深入， 2014 年东丽收购卓尔泰克。 2.2 我国通过自主研发掌握高性能碳纤维制备技术，与国我国通过自主研发掌握高性能碳纤维制备技术，与国际差距逐步缩窄际差距逐步缩窄 我国从 20 世纪 60 年代初期与日本基本上同步开展了 PAN 原丝及碳纤维研究工作，最早从事碳纤维研发的机构主要为中科院山西煤化所、长春应用 10 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 化学研究所、化学研究所（北京） 。1975 年 11 月张爱萍将军主持的“7511”会议上确定 PAN 碳纤维为战略核武器的关键材料，组织了全国力量进行科技攻关
32、， 对几乎所有可能的溶剂工艺路线都进行了探索， 但由于当时体制机制、基础科学、工程技术、工业装备等诸多原因，我国一直停留在制备少量低性能碳纤维材料的水平，国防军工用于结构材料的高性能碳纤维几乎全部依赖国外产品。到 20 世纪末，我国在 PAN 原丝及碳纤维领域与国外先进水平相差甚远，工程化技术没有得到有效的突破，面临着既无法引进技术、又不能进口高性能 PAN 碳纤维、通用碳纤维供应极不稳定的严峻局面，甚至连技术发展方向都未能达成基本一致。国防军工结构材料用的碳纤维无货可供，国防军工急需、民口规模化应用的碳纤维全部依赖进口。 2000 年在师昌绪先生牵头发起了中国碳纤维技术攻关的又一轮战略构思，
33、在师老的请示受到中央主要领导的高度重视下， 2001 年 10 月国家科技部决定设立碳纤维关键技术专项（代号 304 专项） 。在政策支持、机制体制调整和专家组指导下， “十五”结束时我国聚丙烯腈碳纤维国产化研发已经有了根本性的改观， 国防建设关键材料的难题之一， CCF-1 级 （相当于日本东丽 T300 级）碳纤维的工业规模制备关键技术，开始向国防工业供货。后续又经过近十年碳纤维关键技术攻关和聚丙烯腈碳纤维的重大基础科学问题研究， 在 “十五” 、“十一五” 、 “十二五”三个五年计划重点专项的强力支持下，基本上完成了高性能碳纤维及其复合材料国产化的过程，高性能碳纤维关键技术突破和产业规模
34、生产。 国内主要企业碳纤维基本实现了对 T300 级至 T1000 级、 M40 级别的产品覆盖，产品性能指标与对应的日本东丽产品相当。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 级干喷湿纺产品并陆续推出市场，目前已形成批量化的干喷湿纺产品市场销售。 2.3 我国应用技术薄弱，产业链生态尚未成熟我国应用技术薄弱，产业链生态尚未成熟 通过碳纤维国际发展历史，我们看到在不同发展阶段，正是由于应用
35、领域的发展材支撑了碳纤维技术的不断进步，而在此过程中工艺、产品无法适应相关应用领域的企业，也最终被淘汰出局。这表明一个先进材料的诞生成长，离不开高端应用支撑的产业链与生态。 目前，国外已经形成设计、制造、分析及验证、应用牵引系统化的碳纤维复合材料体系。 如日本东丽和美国赫克塞尔都有预浸料、 织物、 短切纤维、 11 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 夹层材料等中间成型物，同时，直接为客户提供量身定制的复合材料解决方案和产品，方便了客户的使用，也解决了碳纤维产品与树脂匹配性问题。由于国内大部分碳纤维复合材料企业技术尚不成熟，缺乏相应的研发及工艺支持，未能形成体系化、系列化的碳纤维产业链发展模式。
36、 3 航空航天提供长期需求支撑，风电仍是增长驱动力航空航天提供长期需求支撑，风电仍是增长驱动力 3.1 全球碳纤维需求保持增长，我国自给率全球碳纤维需求保持增长，我国自给率仍有较大提升仍有较大提升空间空间 2020 年全球碳纤维需求继 2019 年之后再次突破 10 万吨级，达到 10.69万吨。 在全球新冠疫情的影响下， 2020 年全球碳纤维需求较 2019 年增长 3%，与 2019 年的全球需求同比增长率 12%相比已较大幅度放缓，但仍然保持了增长的态势。拉长来看，近五年全球碳纤维需求年均复合增速为 9.3%。 根据 Composites World 相关估计，2021 全球所有领域对
37、碳纤维的需求为11.38 万吨，2026 年有望增加到 18.04 万吨，年均复合增速预计为 9.65%。根据广州奥赛碳纤维预计，2025 年和 2030 年全球碳纤维需求有望分别达到 20 万吨和 40 万吨，年均复合增速分别为 13.3%和 14.9%。 图图 7 7 全球碳纤维需求增长趋势全球碳纤维需求增长趋势 资料来源：广州奥赛，湘财证券研究所 2020年中国碳纤维需求规模为4.89万吨， 同比2019年增长29%， 2015-2020年年均复合增速达到 23.82%,2018-2020 年增速明显提升。2020 年国内碳纤维需求同比增幅远高于全球碳纤维需求同比增幅，一方面是受全球风电
38、叶片对碳纤维需求大幅增长，同时国际风电叶片代工由欧洲转向国内带动，另一方面国内需求结构决定受受疫情负面影响相对于国外较小。 0%2%4%6%8%10%12%14%16%5540200025E2030E全球PAN基碳纤维需求量（万吨）YOY 12 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 根据广州奥赛预测，2023 年和 2025 年中国碳纤维需求有望分别增长至9.41 万吨和 14.95 万吨，2021-2025 年年均复合增速有望达到 25.1%。 图图 8 8 全球碳纤维需求增长趋势全球碳纤维需求增长趋势 资料来源：广州奥赛，湘财证
39、券研究所 我国碳纤维需求长期依赖于进口供给，2020 年碳纤维国产化率得以明显提升。2016 年以前我国碳纤维需求 80%以上需要从国外进口，碳纤维供给对外依赖度很大，尽管近几年有所提高，但国内自给率仍仅为 30%左右。2020年受疫情打断进口供应链和日美等主要碳纤维生产国紧缩对国内的供给影响，国产碳纤维供应量大幅增长至 1.84 万吨，占需求量的 38%，自给率较 2019年增长 6 个百分点，国产替代趋势明显。 图图 9 9 全球碳纤维需求增长趋势全球碳纤维需求增长趋势 资料来源：广州奥赛，湘财证券研究所 全球碳纤维需求结构较为分散，下游应用领域众多，按照需求量统计风电、航空航天、体育休闲
40、和汽车是主要的应用领域，占比分别为 29%、15%、14%和 12%， 各应用领域分布相对均衡。 而我国碳纤维需求主要集中在风电和体育休闲领域，分别占比 41%和 30%。未来随着碳纤维行业供应能力增强及国产化率提升，我国碳纤维需求结构有望向高端应用领域渗透。 0%5%10%15%20%25%30%35%0246852001920202023E2025E中国碳纤维需求量（万吨）YOY0%20%40%60%80%100%2008200920000192020进口占比国产占比 13 行业研
41、究 敬请阅读末页之重要声明 图图 10 全球碳纤维需求结构全球碳纤维需求结构 图图 11 我国碳纤维需求结构我国碳纤维需求结构 资料来源：广东奥赛，湘财证券研究所 资料来源：广东奥赛，湘财证券研究所 3.2 我国军用航空我国军用航空碳纤维需求有望提升碳纤维需求有望提升，商业航空，商业航空碳纤维碳纤维需求有望逐步恢复需求有望逐步恢复 3.2.1 我国我国军用军用航空航空为碳纤维提供长期需求空间为碳纤维提供长期需求空间 航天航空领域，以高性能碳纤维复合材料为典型代表的先进复合材料作为结构、功能或结构/功能一体化构件材料，在导弹、运载火箭和卫星飞行器上也发挥着不可替代的作用。其应用水平和规模已关系到
42、武器装备的跨越式提升和型号研制的成败，碳纤维复合材料的发展推动了航天整体技术的发展。碳纤维复合材料主要应用于导弹弹头、弹体箭体和发动机壳体的结构部件和卫星主体结构承力件上。 碳纤维复合材料是生产武器装备的重要材料，在战斗机和直升机上碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、 主翼、 垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明显的减重作用，大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。随着技术进步碳纤维的产量不断增大，质量逐渐提高，而生产成本稳步下降，各种性能优异的碳纤维复合材料将会越来越多地出现在航天航空领域中。 由于碳纤维复合材
43、料在结构轻量化中无可替代的材料性能，在军用航空的应用领域得到了广泛应用和快速发展，自 20 世纪 70 年代至今，国外军用飞机从最初将复合材料用于尾翼级的部件制造到用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等。采用复合材料构件不仅可实现轻量化和设计自由度大，而且可以整体成型，减少零件数量，降低生产成本并提高生产效率。从 1969风电叶片, 29%航空航天, 15%体育休闲, 14%汽车, 12%混配模成型, 9%压力容器, 8%碳碳复材, 5%建筑, 4%电子电气, 1%船舶, 1%电缆芯, 1%其他, 1%风电叶片, 41%体育休闲, 30%碳碳复材, 6%建筑补强, 5%压力容器, 4%航空航
44、天, 4%混配模成型, 3%电子电气, 2%汽车, 2%电缆芯, 1%船舶, 0%其他, 2% 14 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 年起，美国 F14A 战机碳纤维复合材料用量仅有 1%，到美国 F-22 和 F35 为代表的第四代战斗机上碳纤维复合材料用量达到 24%和 36%，在美国 B-2 隐身战略轰炸机上，碳纤维复合材料占比更是超过了 50%，用量与日俱增。 图图 1212 复合材料在航空产品应用比例复合材料在航空产品应用比例 资料来源：中简科技招股书，湘财证券研究所 我国军费持续增长，军费向装备倾斜。自 2016 年以来，我国国防预算增长率维持在 6.6%-8.1%之间，根据 2
45、022 年政府预算草案，2022 年军费支出增速预计增长 7.1%， 近两年军费支出增长有所回升。 据 新时代的中国国防 ，我国国防费由人员生活费、 训练维持费和装备费三部分构成 ， 2010-2017 年，我国国防费中装备费从 1774 亿元增至 4288 亿元，年均增速 13.44%，在国防费中占比从 33.2%增至 41.1%，军费支出向装备倾斜。 图图 1313 我国军费我国军费向装备费倾斜向装备费倾斜 资料来源：新时代的中国国防，湘财证券研究所 据新时代的中国国防 ，2012-2017 年我国国防费占 GDP 的平均比重为 1.3%，我国国防费占财政支出的平均比重为 5.3%，低于美
46、、俄、印等国，我国防投入不足与我国经济地位不加匹配。 中共中央关于制定国民经济和社会发展第十四个五年规划和二三五年远景目标的建议提出，要“加快国33.20%34.20%36%36.60%39.10%40.20%41.30%41.10%31.90%31.50%34.80%36.40%32.20%28.80%27.40%28.10%34.90%34.30%29.20%27.00%28.70%31.00%31.30%30.80%0%20%40%60%80%100%2000162017人员生活费训练维持费装备费 15 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 防和军
47、队现代化，实现富国和强军相统一” 、 “提高国防和军队现代化质量效益” 、 “促进国防实力和经济实力同步提升” ，因此未来我国军费支出有望维持稳定增长。考虑到当前航空航天装备已成为现代战争制胜的关键要素，未来我国航天航空投入仍将处于较快增长。 图图 1414 我国军费占经济及财政支出比例较低我国军费占经济及财政支出比例较低 资料来源：新时代的中国国防，湘财证券研究所 我国不仅在航空装备数量上与其他大国有差距，而且在先进装备结构上也有较大差距，根据 World Air Forces 2021 数据，美国军机数量约 1.3 万架，我国仅 3000 余架。从结构上看，美国战斗机以三、四代机为主，我国
48、战斗机中二代机尚占据半壁江山，缺乏战略轰炸机及重型直升机。随着近十年武器装备研制大量军费投入，重点型号近年来逐步定型列装将有望为碳纤维需求提供长期增量空间。 图图 15 我国军机与美国有较大差距我国军机与美国有较大差距 图图 16 我国我国先进战机列装先进战机列装落后于美国落后于美国 资料来源：World Air Forces 2021，湘财证券研究所 资料来源：World Air Forces 2021，湘财证券研究所 根据沈阳所扬州院对国产战机未来数量的预测，未来 15 年国产战机的数量将达到美国的七成左右， 2035年将达到6500架左右。 其中战斗机将达到2100架，大型飞机达到 10
49、00 架，教练机 1000 架，直升机 2400 架。按照各型军机0%2%4%6%8%10%12%14%中国美国俄罗斯印度英国法国日本德国国防费/GDP国防费/财政支出00400050006000中国美国51%048%83%1%17%0%20%40%60%80%100%中国美国四代机三代机三代以下 16 行业研究 敬请阅读末页之重要声明 空重和碳纤维复合材料比例， 未来军机碳纤维需求量将达到 14154 吨， 年均需求 944 吨。 3.2.2 民用航空有望迎来复苏拐点，民用航空有望迎来复苏拐点，国产大飞机国产大飞机 C919 订单释放有望订单释放有望驱动碳纤维需求驱动碳
50、纤维需求 20 世纪 80 年代开始，碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件，在早期的 A310、B757 和 B767 上，碳纤维复合材料的占比仅为 5%-6%，随着技术的不断进步，碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在客机上， 其质量占比也开始逐步提升， 到 A380 时， 复合材料占比达到 23%，具体应用在客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等，次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料等，开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。而最新的 B787 和 A350，复合材料的用量达到了 50%以上，有更多部件使用碳纤维，例如机头、尾翼、机翼蒙
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