聚丙烯腈（PAN）基標模碳纖維是市場主流，在大絲束高性價比、小絲束高性能雙驅(qū)動下，當前大、小絲束全球需求相當。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋廣，包含從原油到終端應用的完整制造過程，其中，中游是核心環(huán)節(jié)：

1）原絲是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的關(guān)鍵，其成本約占碳纖維生產(chǎn)成本的51%，原絲制造壁壘在于聚合，一步法和兩步法的選擇需要綜合研判；

2）碳纖維生產(chǎn)的核心在于預氧化；

3）碳纖維復材成型工藝的選擇，必須同時滿足材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益等多種因素；

4）原絲、碳纖維、復材環(huán)節(jié)設備要求高。

▍需求：預計風、光、氫、無人機等領(lǐng)域?qū)⑼粕?025年全球碳纖維需求至26萬噸。

隨著碳纖維在眾多下游應用領(lǐng)域滲透率不斷提高，我們預計2025年全球碳纖維總需求將達到26萬噸，其中：

1）風、光、氫三大新能源領(lǐng)域有望達13.3萬噸，其占2025年全球碳纖維總需求的比例分別為30.7%/14.1%/6.2%，對應2022-2025年需求CAGR分別為25.8%/48.2%/25.7%，風電仍是推動碳纖維需求增長的第一力量；

2）航空航天領(lǐng)域有望達3.4萬噸，其中無人機是推升碳纖維需求的新興力量，我們預計全球無人機領(lǐng)域碳纖維需求有望從2022年的0.47萬噸增至2025年的1.47萬噸，對應2022-2025年CAGR為45.8%。

▍供給：高行業(yè)壁壘與集中度下2021年我國碳纖維產(chǎn)能躍居世界第一，2021-2025年碳纖維國產(chǎn)量CAGR有望達42%。

中長期維度下，碳纖維供需缺口或?qū)⒊掷m(xù)存在，我們預計2025年全球缺口達2.5萬噸。國產(chǎn)碳纖維型號已成功覆蓋T300級至T1100級、M35至M65 級，實現(xiàn)了對日本東麗主要型號的對標，部分型號抗拉強度、拉伸模量、延伸率等性能指標甚至更優(yōu)。2021年我國更是首次超越美國以6.34萬噸運行產(chǎn)能躍居世界第一，未來全球預計將迎來中國盛宴。我們預計2021-2025年碳纖維國產(chǎn)量CAGR將達42%，2022年有望成為國產(chǎn)量超越進口量的首年，碳纖維國產(chǎn)替代有望加速。

▍展望：預計2023年我國碳纖維市場價將弱調(diào)整，T700級及更高性能的12K及以下絲束規(guī)格供應商經(jīng)營比較優(yōu)勢將凸顯。

我們預計2023年我國碳纖維主流市場參考價為：1）T300（12K）120-150元/kg，降幅4%；2）T300（24/25K）110-140元/kg，降幅7%；3）T300（48/50K）100-130元/kg，降幅7%；4）T700（12K）200-250元/kg，降幅2%。我們預計2022年較于2021年新增產(chǎn)能中，小/中/大絲束投放占比分別為40%/7%/53%，至2025年，其占比更是分別被拉至25%/8%/67%，在碳纖維產(chǎn)能投放沖擊下（以大絲束擴產(chǎn)為主），T700級及更高性能的12K及以下絲束規(guī)格供應商承壓更小，經(jīng)營前景更廣闊。

碳纖維是新一代輕量化高性能的軍民兩用技術(shù)密集型材料。碳纖維是單絲直徑為5-10微米、含碳量高于90%、由碳主鏈構(gòu)成的無機纖維，由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸方向堆砌并在高溫環(huán)境下裂解碳化形成，既具有碳材料的固有本征特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性。其優(yōu)良性能包括低密度、高軸向強度與比性能、高耐化學腐蝕性、無蠕變、耐高低溫、低且各向異性熱膨脹系數(shù)、耐疲勞等，被譽為21世紀的“新材料之王”。

碳纖維大多作為增強材料與基體材料復合后以碳纖維復材的形式應用在輕量化/高強/高模/高韌性等領(lǐng)域。與基體材料（陶瓷、金屬、高分子等）復合后的碳纖維復合材料克服了單一組分材料的缺點，提高了整體材料性能，其密度、拉伸強度、拉伸模量、比強度、比模量范圍分別為1.5-2g/cm3、3500MPa、230-430GPa、1750-2333MPa•cm3/g、153-215GPa•cm3/g。

在相同尺寸的結(jié)構(gòu)件中，用碳纖維分別代替鋁/鈦/鋼將減重約35%/61%/77%，但其強度卻被提高至遠高于鋼材的水平（碳纖維復材的比強度、比模量分別是結(jié)構(gòu)鋼的3-9倍、65-86倍），因此碳纖維及其復合材料被廣泛應運在能源裝備、航空航天、國防軍事、土木工程、交通運輸、賽車運動以及其他體育休閑等領(lǐng)域中。

聚丙烯腈（PAN）基標模碳纖維是市場主流。碳纖維可以按照原絲類型、纖維形態(tài)、絲束規(guī)格、生產(chǎn)工藝、力學性能等標準進行分類，其中常用的三大分類維度是原絲類型、絲束規(guī)格和力學性能：

1）按照原絲類型可分為聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基、粘膠基等，其中PAN基碳纖維因生產(chǎn)工藝簡單、原料來源豐富及優(yōu)越的拉伸強度迅速占據(jù)市場（產(chǎn)量占有率約為91%）；瀝青基碳纖維保持約1000噸年產(chǎn)量（日、美企業(yè)平分秋色）；粘膠基碳纖維基本停產(chǎn)（有可能完全退出碳纖維市場）。

2）碳纖維的應用形態(tài)是纖維狀絲束，按照絲束規(guī)格可分為小、大、巨絲束，以一條絲束內(nèi)碳纖維單絲的根數(shù)進行劃分，小絲束碳纖維包括1K、3K、6K、12K、24K等型號，大絲束碳纖維包括48K、60K、80K等型號（目前小、大絲束需求相當），巨絲束包括100K及以上型號。

3）按照力學性能可分為標模（拉伸模量約230-265GPa）、中模（拉伸模量約270-315GPa）和高模（拉伸模量大于315GPa）。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋廣，完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從原油到終端應用的完整制造過程：上游企業(yè)首先從石油、煤炭、天然氣等化石燃料中制得丙烯，并經(jīng)氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈經(jīng)聚合和紡絲生成原絲之后，通過預氧化、低溫/高溫碳化等工藝步驟得到碳纖維；碳纖維可隨后被制成碳纖維織物、碳纖維預浸料（中間料）、碳纖維復材制件；產(chǎn)業(yè)鏈下游應用主要集中在風電、航空航天、體育休閑等領(lǐng)域。從全產(chǎn)業(yè)鏈來看，中游是核心環(huán)節(jié)，技術(shù)、資金、設備、產(chǎn)品質(zhì)量門檻高。

碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈中游是核心環(huán)節(jié)，技術(shù)、資金、設備、產(chǎn)品質(zhì)量門檻高

原絲是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的關(guān)鍵，其成本約占碳纖維生產(chǎn)成本的51%。通常碳纖維的強度顯著依賴于原絲的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)及其致密性，原絲品質(zhì)缺陷（表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等），在后續(xù)加工中很難消除。而原絲成本一般占碳纖維生產(chǎn)成本的51%左右，高質(zhì)量原絲用量與碳纖維產(chǎn)出比約為2.2:1，有效產(chǎn)率約為45%，而低質(zhì)量原絲用量與碳纖維產(chǎn)出比約為2.5:1，有效產(chǎn)率僅為40%。低質(zhì)量原絲必然增加碳纖維的生產(chǎn)成本，原絲制備能力將直接影響未來碳纖維的競爭格局。

溶液紡絲法是原絲生產(chǎn)的大前提，不同環(huán)節(jié)多種細分工藝并存。按成纖高聚物的性質(zhì)不同，紡絲方法可分為熔體紡絲法和溶液紡絲法（即熔液紡絲法）兩大類及非常規(guī)的紡絲方法，但由于聚丙烯腈（即PAN）在220-300ºC時會軟化分解，在熔體紡絲過程中處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此溶液紡絲更適用于碳纖維原絲的生產(chǎn)，即將成纖高聚物溶解在某種溶劑中，制備成具有適宜濃度的紡絲溶液，再將該紡絲溶液從微細的小孔吐出進入凝固浴或是熱氣體中，高聚物析出成固體絲條，經(jīng)拉伸——定型——洗滌——干燥等處理即可得到成品纖維。

在溶液紡絲法的制造大前提下，按照紡絲溶劑的選擇、聚合工藝的連續(xù)性、紡絲原液的凝固方式等，可對溶液紡絲法進一步細分：紡絲溶劑：有機溶劑包括DMSO（二甲基亞砜）、DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）、DMF（N,N-二甲基甲酰胺）；無機溶劑包括NaSCN（硫氰酸鈉）等；聚合工藝的連續(xù)性：可以分為一步法、兩步法來制備紡絲溶液；紡絲原液的凝固方式：干法紡絲、濕法紡絲和干噴濕紡（即干濕法紡絲）。

原絲工藝壁壘在于聚合環(huán)節(jié)，一步法和兩步法各有優(yōu)缺點。聚合物的分子量及其分布不僅直接影響紡絲液的流變性和可紡性，還在一定程度上影響PAN原絲的性能和質(zhì)量，具有較高的分子量以及適合的分子量分布是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)PAN原絲的基本要求。一步法采用均相溶液聚合工藝，聚合紡絲一條線，工序較少，操作性強，可控性好，產(chǎn)品起步性能高，但膠狀PAN不易保存，更適合連續(xù)平穩(wěn)的生產(chǎn)，成本較高。兩步法生產(chǎn)工藝額外增加水洗過濾步驟以去除聚合物中的雜質(zhì)和各種金屬離子，進而提高紡絲原液聚合物分子量和濃度上限，其粉末狀PAN純度較高且儲存周期長。兩步法聚合工藝可實現(xiàn)連續(xù)進料、耗時短，并且由于聚合釜大（水相反應更均勻）能實現(xiàn)更大的產(chǎn)量，但產(chǎn)品起步性能低。因此，一步法與兩步法不能簡單對比評價，聚合工藝的選擇需要綜合研判。

碳纖維生產(chǎn)流程復雜，技術(shù)關(guān)鍵點多，預氧化是核心。碳纖維生產(chǎn)全過程連續(xù)走絲，涉及3000多個工藝點，任何一道工序出現(xiàn)些許問題都會影響生產(chǎn)的穩(wěn)定性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。原絲到碳纖維制成的中間環(huán)節(jié)包括預氧化、碳化、石墨化（非必要，制備高模碳纖維的額外步驟）、表面處理、上漿、烘干等步驟：1）預氧化主要包含PAN分子鏈上的側(cè)基—C≡N環(huán)化交聯(lián)過程，即PAN分子鏈由原來的熱塑性線形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成非塑性耐熱梯形結(jié)構(gòu)，同時抑制熱解小分子的產(chǎn)生以提高碳纖維的性能和碳化收率，保證PAN原絲在預氧化過程中形成合適的環(huán)化結(jié)構(gòu)是獲得理想碳纖維的最基本因素；此外，預氧化時間占碳纖維總生產(chǎn)時間的90%左右，極大程度上控制著碳纖維的質(zhì)量和產(chǎn)量；2）預氧化和后續(xù)的碳化/石墨化環(huán)節(jié)是制備高性能碳纖維的關(guān)鍵，直接決定碳纖維的強度和模量；3）表面處理影響碳纖維性能的發(fā)揮；4）上漿可形成有機保護層，減少碳纖維起毛斷絲現(xiàn)象。

原絲和碳纖維生產(chǎn)設備要求高。原絲到碳纖維生產(chǎn)過程中用到的設備較多，主要有：原絲設備（聚合釜、噴絲板等）、紡絲設備（碳纖紡絲機、蒸氣牽伸機、水洗機等）、預氧化設備（預氧化爐、前期驅(qū)動裝置）、碳化爐（分為低溫和高溫碳化爐，與之配套的是非接觸式迷宮密封裝置、加熱系統(tǒng)、廢氣排出和處理系統(tǒng)以及牽伸裝置）、石墨化爐等。

整體來看，1）原絲生產(chǎn)設備目前國產(chǎn)化程度低，碳纖維生產(chǎn)設備目前部分廠商仍然使用進口設備，進口設備與國產(chǎn)設備在T700級別性能沒有明顯差異，真正差距在更高級別；2）原絲單萬噸設備投資為2.1-2.2億，其中聚合釜占1.5-1.6億，碳纖維生產(chǎn)單萬噸設備投資（針對風電用碳纖維）約為7億，其中爐體占50%；3）設備部分進口、部分國產(chǎn)對產(chǎn)品的一致性有影響，兼容設計需要運行經(jīng)驗。

中游碳纖維制造廠商原絲及碳化工藝指標差距較大，東麗技術(shù)領(lǐng)先全行。目前，海內(nèi)外碳纖維重點企業(yè)均以自制原絲為主，以日本東麗為首的多數(shù)企業(yè)采用以DMSO為溶劑的一步法聚合工藝。噴絲凝固工藝方面，干噴濕紡法較濕紡存在明顯的效率優(yōu)勢，其中日本東麗的干噴濕紡法紡速領(lǐng)先，達700m/min，國內(nèi)企業(yè)大多掌握干噴濕紡法，其中光威復材及中復神鷹原絲紡速可超500m/min。

碳化階段，國內(nèi)企業(yè)碳化線速約為10-13m/min，碳化單線產(chǎn)能最高達3000噸/年，接近日本東麗4000噸/年的單線產(chǎn)能。成型工藝方面，日本東麗公司成型工藝儲備領(lǐng)先行業(yè)，能夠根據(jù)客戶需求開發(fā)成型工藝。國內(nèi)企業(yè)對纏繞成型的掌握度較高，熱壓成型、RTM、模壓成型技術(shù)亦逐漸成熟。

碳纖維復材成型工藝的選擇，必須同時滿足材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益等多種因素。碳纖維制品的制成一般會經(jīng)歷原絲制備、碳纖維制造、（織物/預浸料）、復材制件生產(chǎn)三大（或四大）環(huán)節(jié)。碳纖維（或織物）與樹脂、陶瓷等材料結(jié)合后，便可形成碳纖維復材，隨后經(jīng)成型工藝加工即可得到下游應用的最終產(chǎn)品。

碳纖維復材成型工藝主要分為兩類：1）預浸料鋪放成型，即生產(chǎn)預浸料后通過壓力罐或其他模具，在一定溫度和壓力下壓擠成型；2）不需要生產(chǎn)預浸料型，直接將碳纖維（或織物）和樹脂混雜在模具內(nèi)成型。碳纖維復材生產(chǎn)各種工藝的成本、用途均不同，但對設備投資要求較高，且與下游應用聯(lián)系深入，復材生產(chǎn)設備包括熱壓罐、固化爐、復合材料數(shù)控下料銑、激光鋪層定位系統(tǒng)、自動鋪帶機、RTM成型設備、縫合設備以及無損檢測設備等，多由美國公司壟斷，國內(nèi)部分企業(yè)在自動化鋪放工藝的工程化應用方面取得了較大突破。（來源：中信證券）

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