碳纤维的研究进展「碳纤维发展」

今天带来碳纤维的研究进展「碳纤维发展」，关于碳纤维的研究进展「碳纤维发展」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

（报告出品方/作者：华泰证券，方晏荷）

1 需求比较：玻纤产业化程度更高，碳纤维应用初期

碳纤维性能显著优于玻纤，但玻纤性价比更高

碳纤维在可量产纤维材料中性能最佳，主要体现在低密度、高强度、高模量、耐高温等。碳 纤维是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶、酚醛基）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，其中全球 90%以上的碳纤维通过 PAN 制造。 碳纤维具备出色的力学性能和化学稳定性，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。

相比于传统的高性能纤维玻纤、玄武岩纤维等，碳纤维的主 要特点是重量轻/低密度（密度是钢的 1/5，是铝合金的 1/2）、高强度（T300 拉伸强度 3500MPa，T1000/6370MPa，T1200/9000MPa）、高模量（弹性强弱，T300/230GPa， T800/290GPa，M40/400GPa）、耐高温（2000 摄氏度以上强度不降）、耐腐蚀（耐海水及 各种酸碱盐等介质腐蚀）、热膨胀系数小（急冷急热下尺寸稳定性高）、导热/导电性能独特 （可用于电加热及军工屏蔽防护）。

玻纤相比于碳纤维性价比更高，而中国巨石超高模量玻纤在部分性能上与碳纤维差距已明 显缩小。玻璃纤维是一种综合性能优异的无机非金属材料，以叶腊石、高岭土、石灰石、石 英砂等矿物原料按一定配比混合后经高温熔制等工艺制造而成，价格一般在 5000-10000 元 /吨之间。通常作为复合材料增强基材、电绝缘材料、耐热绝热材料、光导材料、耐蚀材料 和过滤材料等，广泛用于多个产业领域，是国家重点鼓励发展的新材料之一。

与碳纤维相比， 玻纤性能虽较低，但价格是碳纤维的 1/10 以下，性价比相对较高且应用更广泛。此外，中 国巨石 2020 年推出的 E9 超高模量玻纤拉伸模量超过 100GPa，拉伸强度已可达到 3500MPa，软化温度达到 970℃，在部分性能上与碳纤维的差距已明显缩小。

玻纤产业化程度更高，碳纤维需求在拓展初期

玻纤需求量为碳纤维 80 倍，但需求增速显著小于碳纤维

需求体量看，2020 年碳纤维在全球/中国有 11/5 万吨、26/10 亿美元市场规模，预计至 21- 25 年 CAGR 为 13%/25%，国产碳纤维需求预计保持 30%以上高增长。从需求端看，2020 年全 球碳纤维整体需求约 10.7 万吨/26 亿美元，同比 3%/-9%，疫情拖累高价的航空航天领域 销售降低导致市场规模下降；预计 25/30 年需求分别达到 20/40 万吨，21-25/21-30 年 CAGR 分别为 13%/14%。

2020 年中国碳纤维需求约 4.9 万吨，同比 29%，占到全球需求量的 46%，同比 9pct。其 中国产/进口为 1.9/3.0 万吨，同比 54%/ 18%，国产碳纤维增速已连续 3 年超 30%。预计 国内碳纤维需求在 2023/2025 年总体达到 9.4/14.9 万吨，21-25 年 CAGR 为 24%/25%， 其中国产 CAGR 预计为 35%/35%。此外，2020 年国内总体市场规模 10 亿美元。

目前国内大部分碳纤维需求依靠进口满足，2020 年国内需求自给率仅 38%（1.9/4.9 万吨）， 随着国内下游需求的逐步打开，预计到 2023/2025 年碳纤维自给率可达到 48%/55%。进口碳纤维主要来自日本、美国等，2021 年前 9 月，我 国进口碳纤维产品合计为 1.9 万吨，同比 8%，其中碳纤维/碳纤维预浸料/制品 4037/1278/15397 吨，同比 60%/ 90%/-4%。

需求结构看，碳纤维下游需求以风电叶片、航天航空、体育休闲、汽车为主。从全球需求来 看，碳纤维下游相对分散，风电叶片（主梁、梁帽）、航空航天（飞机构件）、体育休闲（球 拍/钓具等）、汽车（轻量化构件）为主要应用领域，2020 年合计占到全球需求的 70%。而 国内碳纤维主要应用于风电叶片和体育休闲，2020 年两者合计占比达到 71%。从附加值来 看，航空航天单价达到 60 美元/kg，产品相对高端，市场基本被海外公司所占据；风电叶片 单价最低（14 美元/kg），全球应用相对更多。但体育用品中碳纤维的发展速度相对较低， 2020 年全球体育用品碳纤维用量 1.5 万吨，同比 3%，预计 2025 年 2.0 万吨，21-25 年 CAGR 达到 5%。

玻纤集中应用在建筑、交通运输等传统领域，碳纤维在风电叶片、汽车轻量化等高端产品 中和玻纤有替代关系，而在建筑中也可用于桥梁补强。玻纤产业化较明显，大众产品占比较 高，相对较低的价格使玻纤主要应用于建筑建材领域（34%）、交通运输（14%）、电子电器 （20%）及工业设备（22%）等领域，例如建筑承载工程中的加固材料（混凝土梁、柱）、 建筑物内外墙体保温、防水、抗裂材料和节能建筑门窗等，汽车中的前端模块、发动机罩、 新能源汽车电池保护盒等，家电外壳、供给水管等。

玻纤高端纱产品主要应用于风电叶片（短切原丝）、汽车轻量化（热塑纱）、PCB（电子纱）， 此外航空航天如飞机上的内外侧副翼、方向舵、扰流板、机舱内的顶板、行李箱、仪表盘、 机身空调舱、盖板等二级结构。以上领域也是碳纤维的主要应用领域，对玻纤具有一定替代 性。传统领域如建筑中，碳纤维也有应用的地方，大丝束产品性能相对较低同时制造成本相 对较低，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，如用于建筑桥 梁的补强。（报告来源：未来智库）

风电叶片：大型化及海风景气，碳纤维或加速渗透玻纤

玻纤增强复合材料为风电叶片主流材料，碳纤维在风电叶片中渗透率仅 3%。玻纤增强复合 材料质轻高强、耐腐蚀性能好、可设计性强及优良的工艺性能，叠加性价比优势，使其成为 制造风电叶片的完美材料。

现阶段大型风机的叶片外壳主要材料为玻纤增强复合材料、玻纤碳纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料，玻纤价格较碳纤维价格优势明显（约为 1/10 以下），玻纤增强复合材料为叶片制造主流选项。根据常州天马集团 2009 年研究估算，1GW 风电机组对玻纤纱需求量约 0.96 万吨；根据 GWEC（全球风能理事会），2020 年全球风电 装机量 93GW，以上可得对应 2020 年理论风电领域玻纤用量 89 万吨。

风电迎来快速发展机遇，叶片大型化尤其是海上风电的快速发展有望加速碳纤维产业化， 预计 21-25 年全球风电叶片碳纤维需求量 CAGR 为 25%。双碳目标下，风电已经成为重要 的发展领域。

海上风电因最小的涡轮机 额定功率为 3MW，且耐腐蚀性等要求更高，碳纤维有望成为最佳的使用材料。根据 GWEC （全球风能理事会）预测，21 年中国海上风电抢装有望带动全球海上风电装机量同比增长 83.6%至 11.2GW，快速增长。21 年海上风电抢装后，海风新增装机量有所下滑，在风电降 本以及海风基地带动下，23 年以后风电再次恢复快速增长，2025 年全球海上风机装机量有 望达到 23.9GW，21-25 年 CAGR 为 31%。

风机价格下降，或助力 22 年招标量快速增长。根据北极星电力网披露，10 月开标的中国广 核（003816 CH）象山涂茨海上风电场风机采购和华润电力（0836 HK）苍南 1#海上风电项 目风机(含塔架)推出风机招标。华润苍南项目共 5 家整机商参与投标。最低报价为中国海装 （未上市），投标折合单价为 4061 元/kW，除上海电气外，其余 4 家报价均低于 5000 元/kW， 所有投标人平均单价为 4563 元/kW。

中国广核（003816 CH）涂茨项目最低报价为中国海装， 投标折合单价为 3830 元/kW，所有投标人平均单价为 4352 元/kW，相较于 2020 年 6 月华 润电力海风机组报价 7264 元/kW 大幅下降。21 年海上风电以存量项目抢装为主，10 月华 润苍南项目为 21年首次的风机招标项目。参考陆风案例，风机价格下降后招标量快速提升。 根据水规总院统计，2019 年底江苏等十个省规划核准海上风电总容量约 31.03GW，其中 19 年已经并网 5.93GW，尚有 25.1GW 未并网。考虑到 CWEA 统计 2020 年我国海上风电 装机量为 3.06GW，截至 20 年底仍有 22GW 以上的项目待建设，海上风电储备项目充裕， 支撑后续海上风电发展。

汽车：轻量化最佳用碳纤维，单车复材用量空间仍广阔

碳纤维是汽车轻量化最佳选择，但 2020 年对车用玻纤渗透率仅 4.5%。欧洲铝协研究数据表明，若汽车整车质量降低 10%，燃油效率可提高 6%-8%； 具体从绝对量来说，汽车重量每降低 100kg，每百公里可节约 0.3-0.6L 燃油，二氧化碳排 放可减少约 10g/Km，新能源汽车续航可提高 6%-11%。随着复合材料技术的不断进步，如 今碳纤维复合材料在汽车车身、尾翼、汽车底盘、发动机罩、汽车内饰等各个地方。

宝马 i3 大批量应用碳纤维复合材料，减重约 250-350 公斤；宝马 7 系轿车碳纤维复合材料仅占 7 系轿车车体结构的 3%，但贡献了 40kg 的减重。2024 年全球汽车用碳纤维需 求量可达到 1.8 万吨，21-24 年 CAGR 为 10%。18 年中国交通运输领域玻纤消费量约 53 万吨，其中 70-80%用于汽车制造使用的玻纤增强材料（假设为 75%），则理论汽车用玻纤 体量为 40 万吨，则碳纤维在汽车中使用量仅为玻纤的 4.5%，价格高昂仍为主要劣势。

航空航天：玻纤多用于小部件，碳纤维单机用量可过半

航空航天领域复材应用比例提升是主要逻辑，碳纤维可用于中央翼盒、整机身段等主承力 结构件，玻纤主要用于零散飞机蒙皮和内部仪器的通讯罩等。碳纤维在航空航天领域的需 求仅次于风电叶片。

飞机复材重要的里程碑主要是 A380 第一个将复材用于中央翼盒的大型民机， 整机复材用量超过 25%；A350 和 B787 整机复材用量超 50%。碳纤维在航空中优势有： 1）民航客机的燃油成本占据了整个运营成本的 40%左右，碳纤维与常规材料相比可使飞机 减重 20%-40%，飞机整体重量减轻 6%-12%，可节省较多燃油成本；2）克服了金属材料 易疲劳和易腐蚀的缺点，增加了耐用性；3）降低结构设计成本和制造成本大幅度。以上高 端领域基本为欧美日本等国家碳纤维公司占据。 （报告来源：未来智库）

2 供给比较：玻纤扩产受限 vs 碳纤维突进并加速整合

碳纤维开工率提升并加速扩产，玻纤产能增长受限

全球碳纤维产能 17 万吨，技术和应用受限导致产能利用率仅 62%，国内产能利用率已在 加速追赶国际水平。2020 年全球碳纤维运行产能约为 17.17 万吨。从区域角度来看，美国 是产能最多的国家，运行产能达 3.73 万吨，占 2020 年全球碳纤维运行产能的 22%；中国 大陆位居第二，运行产能为 3.62 万吨，占比为 21%；日本位列第三，运行产能为 2.92 万 吨，占比为 17%。2020 年全球需求量仅 10.7 万吨，占运行产能的 62%，实际产能利用率 较低。

据中国化学纤维工业协会统计，2020 年度国产碳纤维总产量 1.80 万吨，产能利用率 仅 50%（同比 5pct，2018 年仅 34%），主要系涌入碳纤维行业的大多数企业在一些关键技 术上无突破，生产线运行及产品质量不稳定，导致“有产能，无产量”的现象出现，另下游 应用未完全打开和疫情亦有影响。国际上正常开车的企业，达产率通常在 65%以上，甚至 有企业已经达到 90%以上，中国跨越了低达产率的历史阶段，达产率正趋近国际水平。

相对成熟的供需环境保证玻纤产能利用率较高，19 年国内生产已占到全球 66%。据卓创资 讯，截至 2021 年 10 月底，全国玻纤纱总产能 660 万吨，在产产能 595 万吨，占比 90%。 2020 年玻纤产能/产量 580/541 万吨，产能利用率在 93%。玻纤相对成熟的供需环境保证 了产能利用率的高位运行。此外，国内生产已经占到全球的主导位置。2019 年全球玻纤产 量 801 万吨，中国产量 527 万吨，占比达到 66%，较 2012 年的 54%提升 12pct。从企业 的收入来看，2020 年全国规模以上玻纤及制品企业收入 1955 亿元，同比 10%。

玻纤供给压力相对碳纤维小，能耗双控下新增产能落地难度加大。据卓创资讯，截至 2021 年 10 月底玻纤在建及拟建池窑产能为 108 万吨，此外海外在建及拟建的有 27 万吨，其中 整体明确计划 22 年点火的有 60 万吨。我们认为，能耗双控政策趋严，玻纤行业虽然单位 能耗较低，但能耗总量相对较高，一定程度上抑制或延缓新增产能的投放。此外，部分玻纤 头部企业已有较为远期的扩产计划，龙头集中度有望加速提升，如中国巨石计划在“十四五” 末玻纤纱产能达到 415 万吨，较现有产能增长近 200 万吨；长海股份（300196 CH）2021 年 5 月 15 日公告拟投资 63 亿元建设 60 万吨高性能玻纤产线，分两期实施，共四条产线 每期两条，预计一/二期分别耗时 30/24 个月；山东玻纤（605006 CH）亦规划在“十四五” 期间将产能从 38 万吨扩张到百万吨。

国企加速碳纤维整合，玻纤已进入第二轮冷修优化

与民企自建产能扩张不同，国有资本加大收购兼并布局碳纤维，已形成陕煤集团/吉林化纤 集团/宝武集团为首的三大碳纤维主力。国有资本加大进入国产碳纤维行业的力度，成为目 前的一种趋势，双方在优势方面形成互补。

2019 年 3 月陕煤集团（未上市）通过二级市场 定向收购恒神 40%股份，成为控股股东。另吉林化纤集团和宝武集团（均未上市）也在通 过兼并收购加速布局，逐步形成三大碳纤维主力。我们认为，碳纤维逐步成为传统材料大型 集团的转型突破口，如陕煤集团“以煤为基、能材并进、技融双驱、蜕变转型”战略的新尝 试且具备悠久的技术积累，宝武集团在钢铁及非金属新材料领域处于全球领先地位，吉林化 纤集团作为老牌化纤企业具有超 40 年的化纤技术沉淀，未来碳纤维布局更为宏大。

3 竞争格局比较：类似的寡头垄断，历史有望再演绎

海外龙头占碳纤维过半市场，国内集中度类似玻纤

海外龙头占据 56%产能，技术领先且全球化扩张加速。供给格局看，卓尔泰克被东丽收购 后全球传统的七大碳纤维巨头变为六大巨头，日本东丽等全球龙头企业已经基本完成国际 产业基地布局，尤其是日本东丽，数十年时间，在日本、韩国、美国、法国、匈牙利、墨西 哥完成大小丝束的布局。巨头们无论是生产技术、成本、应用、生态，都主导着全球碳纤维 行业。其中日本东丽、西格里、三菱丽阳、日本东邦占据全球 56%的产能。

全国来看碳纤维格局集中趋势未变，玻纤 CR3 集中度 10 年来保持 65%以上。我国碳纤维 格局较为集中，呈现 4 家独大的格局，类似于玻纤行业。2020 年碳纤维原丝/碳纤维产能 CR4 占 84%/78%，均为碳谷 宝旌、中复神鹰、江苏恒神、光威复材，同时产业技术进步 明显，头部企业产品规格和结构更加丰富。玻纤 CR4 格局 2009 年到 2020 年均为发生较 大的变化，玻纤行业规模以上企业收入由 2010 年的 864 亿元增至 2020 年的 1955 亿元， 行业蛋糕持续变大的过程中并未对头部格局产生明显的影响，新进入者并未撼动头部企业 的领先地位，我们认为主要是头部企业在规模和成本上形成了较全面的壁垒。

强者恒强巩固寡头垄断，碳纤维有望复制玻纤发展

比玻纤更高的资金/技术/成本壁垒，寡头垄断或持续

玻纤长时间的寡头垄断格局源于投资和技术的高壁垒。自 2009 年到 2020 年，国内玻纤行 业竞争格局稳定，CR3 保持在 65%以上。我们认为主要系资金和技术壁垒较高，且该壁垒 在时间的积累下不断加强：1）在资金投入方面，以粗纱为例，单吨玻璃纤维所需固定资产 投入约为 1 万元，对应投资一条 12 万吨的粗纱生产线需要约 12 亿元的固定资产投入，而 电子纱产线每吨投资更是近 4 万元，其中不断涨价的铂铑合金投入占到整线投资额的 50% 以上；2）在技术储备方面，玻纤企业需要掌握池窑设计、节能燃烧、玻璃配方、漏板设计 与制造、表面处理、纤维成型等多项核心技术才能进行规模化生产，否则在成本、市场拓展 等方面不具备竞争力。（报告来源：未来智库）

类比玻纤发展历史，降本带来的产业化逻辑基本相似

玻纤军转民逐步渗透 vs 碳纤维民军互通，降本带来市场拓展打开规模化基础。玻璃纤维起 源于 20 世纪 30 年代的美国。1938 年，欧文斯科宁（OC）成为世界上第一家玻璃纤维企 业，其采用铂金坩埚拉制连续玻璃纤维的生产技术，实现了大规模玻璃纤维生产，为现代玻 璃纤维制造工业的发展奠定了基础。在二战期间，玻璃纤维主要用于航空工业方面，如飞机 雷达罩、副油箱等。

二战后，玻璃纤维逐步向火箭发动机外壳、船舶材料等领域延伸，并且 逐步在交通、建筑、风电、电子等民用领域被大量使用。碳纤维在 1950 年前后被美国空军 用于耐高温武器材料中。1970 年日本东丽和美国联合碳化公司（未上市）进行技术合作， 实现碳纤维量产，接下来在鱼竿、高尔夫球杆等日常体育用品中开始使用。此后碳纤维被广 泛应用于飞机次承力结构及零部件，类似目前的玻纤，后在 90 年代扩大到飞机主承力结构 以及网球拍、高尔夫球杆等。通过技术进步，玻纤与碳纤维的成本不断降低，逐渐被市场接 受并应用到军用与民用的各个领域，为规模化生产奠定了基础。

中国巨石万吨池窑线打破规模化阻碍，进口受阻带来碳纤维国产化机遇。2004 年，中国巨 石建设了国内第一条年产 6 万吨池窑拉丝生产线，该生产线效率提高显著、能耗降低明显， 标志着我国大型玻纤企业快速扩张和大规模生产的开始。打破规模化阻碍后，我国玻璃纤维 生产技术不断发展，2007 年我国玻纤产量达到 160 万吨，跃居世界第一；2008 年，我国 玻纤的使用量和出口量跃居世界第一。通过近 10 多年的提高与创新，我国已建立了完整的 玻璃纤维原料、制造、装备等配套体系，中国玻纤产业在池窑技术、玻璃配方与表面处理技 术、自动化与智能化设备应用、节约能源技术等方面达到国际领先的水平。2020 年以来， 日本、美国对于碳纤维出口中国的政策限制不断增加。

2020 年 12 月，因日本东丽子公司 出口的碳纤维流入了未获日本《外汇及外国贸易法》许可的中国企业，日本经济产业省对该 公司实施了行政指导警告，要求日本东丽子公司防止再次发生此类事件。2021 年 2 月，美 国总统拜登签署了行政命令，在联邦机构间展开审查，以解决包括碳纤维在内的关键产品供 应链中的漏洞，主要目标是增强供应链的弹性，以保护美国免于未来面临关键产品短缺，保 持美国的竞争优势并加强美国国家安全，该政策增加了国内进口美国碳纤维的不确定性。此 外，受全球新冠疫情影响，2020 年以来碳纤维进口难度也有所增加。

国外引进玻纤池窑技术和产线，并通过自我优化逐步突破，国内主要企业碳纤维生产技术 已实现国产化。我国早期玻纤生产通过引进国外池窑技术与产线，1989 年，珠海玻纤厂首 次引进年产 4,000 吨无碱玻璃纤维池窑拉丝生产线全套技术和装备，开始了我国池窑法生 产玻璃纤维的新征程。1998 年，我国第一条完全国产化技术与装备的 7,500 吨池窑生产线 在杭州玻璃集团有限公司新兴玻璃纤维厂建成投产，标志着我国全面掌握全套生产技术与 装备，为我国玻纤工业发展奠定了基础。

后来逐步完成全面国产化，并通过不断自我优化达 到世界领先水平。国外碳纤维龙头企业使用的设备基本上都是根据自身技术特点进行的自 主设计，在专有设备的基础上改进升级，形成了具有自主知识产权的专有碳纤维生产装备； 国内碳纤维生产企业中设计产能千吨级以上的有 3-4 家，生产技术已实现国产化，且与国外 龙头领先技术相同。但大多数碳纤维生产企业由于缺乏核心技术团队，对进口生产装备的技 术参数和性能指标缺乏消化和吸收能力，生产线自动化程度和对自身碳纤维生产技术的匹 配性落后于国外同行，导致生产工艺的稳定性和过程控制的一致性较差，影响了碳纤维产品 质量和稳定性，且生产成本很高，造成设备闲置、经营亏损，无法与国际先进企业竞争。（报告来源：未来智库）

下游需求高度重叠，市场扩张和渗透率提升均有看点

碳纤维和玻纤复合材料在大部分应用领域互为替代材料，实际上在碳纤维增强树脂复合材 料技术突破前，玻纤增强树脂复合材料几乎是主要复材。在航空领域，碳纤维复合材料自 20 世纪 70年代以来首次被应用在飞机上的一些二级结构，如整流罩、控制仪表盘和机舱门等。 近三十年来，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，碳纤维复合材料的 使用逐步进入到机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。

如上文所说，波音 B787 及 空客 A350 飞机上碳纤维用量已超过 50%，未来在其他品类飞机上使用率有望增多，且据 中复神鹰招股书，国产大飞机 C919 上碳纤维复材用量仅占整机重量的 12%，中国商用飞 机有限责任公司和俄罗斯联合航空制造集团公司正在携手研制远程宽体客机 CR929，预计 该机型对于碳纤维复材的应用将大幅提升。此外，风电、汽车中碳纤维对玻纤的渗透率均低 于 5%，随着降本的持续进行，渗透率加速提升将是大概率事件。此外玻纤和碳纤维本身的 需求每年仍有较高的增速，市场蛋糕依然在加速成长。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站