碳纤维行业深度研究报告黑色黄金大放异彩国产布局迎来良机

碳纤维行业深度研究报告：黑色黄金大放异彩，国产布局迎来良机一、新材料之王：碳纤维性能优异，复合材料应用广泛碳纤维在可量产纤维材料中性能最佳，是目前工程上可以大规模应用的比强度最高的材料，其具有优异的物理、化学性能，在军工及民用领域都有着广泛的应用，被称为21世纪的

“黑色黄金”。碳纤维复合材料即以碳纤维为增强体，以树脂、碳质、金属、陶瓷等为基体所形成的复合材料，在结合增强体与基体优异性能的同时，应用范围更加广泛。1.1碳纤维性能优异，PAN基碳纤维占据主流地位碳纤维：“新材料之王”。碳纤维（CarbonFiber）是由聚丙烯腈（PAN）等有机纤维在1000~3000℃高温的惰性气体氛围中经氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的无机高分子纤维，是目前可以获得的最轻的无机材料之一。碳纤维的比强度和比模量等力学性能优异，且具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、高导电导热性、低热膨胀系数、高电磁屏蔽性等特点，其易加工、可设计的性能使其广泛应用于航空航天、军工、能源、体育用品、汽车工业、轨道交通和建筑补强等领域，是国防军工和国民经济不可或缺的战略新兴材料，被誉为“新材料之王”。按照原料不同，碳纤维可分为PAN基、粘胶基、沥青基碳纤维。按照原材料不同，碳纤维主要分为粘胶基（纤维素基、人造丝基）、沥青基（各向同性、中间相）和聚丙烯腈（PAN）基三大类。目前以聚丙烯腈为原料制成的PAN基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的90%以上，如无特殊说明，本文所指碳纤维皆为PAN基碳纤维。按照丝束大小，碳纤维可分为大丝束和小丝束碳纤维。一般按照碳纤维中单丝根数与1000的比值命名，如12K指单束碳纤维中含有12000根单丝的碳纤维。通常将24K及以下的碳纤维称为小丝束碳纤维，初期以1K、3K、6K为主，后逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防军工等高科技领域以及体育休闲用品。通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等（部分领域25K也可称为大丝束），主要应用于能源、交运、建筑等工业领域。按照力学性能，碳纤维可分为通用型和高性能型碳纤维。业内通常采用日本东丽（TORAY）公司分类法，按照拉伸强度及模量标准进行分类。其中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2000MPa、模量250GPa以上）和高模型（模量300GPa以上）和高强高模型等（强度4000MPa以上、模量300GPa以上）。1.2碳纤维产业链涉及较多工艺，复合材料应用广泛碳纤维产业链从上游原油开始，延伸到终端军工、民用等各项应用：原油经过炼制、裂解及氨氧化得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；再经过预氧化、碳化后得到PAN基碳纤维；碳纤维中加入树脂、上浆剂等形成碳纤维复合材料，最后由各种成型加工工艺得到满足不同下游需求的最终产品以碳纤维为增强体的复合材料性能更优，应用更广。复合材料通常由基体和增强体通过一系列反应生成，除具有各材料组分自身独有的性能外，还因为不同材料组分的界面结合效应使之具有更优异的综合性能。碳纤维力学性能优异，但作为结构材料很少单独使用，一般是经过深加工制成编织布等中间产物或者作为增强体加工成复合材料再进行使用。碳纤维作为复合材料的增强材料，根据不同性能要求和使用目的可以选用不同的基体材料，其中碳纤维增强树脂基复合材料CFRP是应用最广泛的碳纤维复合材料（碳纤维含量约65%），其在全球碳纤维复合材料市场中的消费占比超过80%。二、军民两用优异材料，驱动碳纤维需求持续走高碳纤维本身具备低比重、高强度的优异属性，与其他材料复合制成的碳纤维复合材料具有高强轻量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等特点，因此在诞生之初便作为战略性物资应用于国防、航空航天等军用行业。之后随着商业化的顺利推进及成本的不断降低，碳纤维优异属性被广泛认知，应用范围持续拓宽，并逐步在民用领域大放光彩，成为军民两用的优异新材料品种。2.1全球碳纤维需求持续增长，我国结构性差异蕴含机遇2.1.1全球碳纤维需求以风电叶片、航空航天、体育及汽车为主全球碳纤维需求量稳步增长，未来仍将处于高速增长期。过去10余年间，随着碳纤维下游应用渗透率的提升，全球碳纤维需求量稳步增长，2019年全球碳纤维需求量首次突破10万吨，相较2008年CAGR达10%。2020年受疫情影响下游航空业受损明显，但其他产业需求旺盛，全年需求量仍较19年同比提升3%达到10.7万吨，据赛奥碳纤维技术预测，2025年全球碳纤维需求量有望达到20万吨，5年CAGR将达13.3%，未来或将持续处于高速增长期。风电叶片、航空航天、体育及汽车为全球碳纤维主要应用领域。全球范围来看，碳纤维下游应用较为分散，各产业应用蓬勃发展，风电叶片、航空航天、体育及汽车为主要应用领域。按用量计，风电叶片近年来快速发展，现已成为全球第一大碳纤维消费市场，2020年需求量3.06万吨占比29%，航空航天、体育休闲及汽车分别占比15%、14%和12%。值得关注的是，若以金额计，航空航天产业以9.87亿美元排名第一，占比高达38%，体现出航空航天领域碳纤维产品的高产值，而风电叶片虽用量大，但其使用的碳纤维是低成本的大丝束产品，因此金额计占比仅约16%。航空航天领域产品具备高附加值，大丝束产品份额持续提升。上文提到，小丝束碳纤维产品生产工艺要求严格且难度大，生产成本较高，故多用于航空航天等高科技及高附加值领域，航空航天领域产品单价约60美元/吨。而大丝束产品性能相对逊色但胜在生产成本低，以风电叶片为代表的碳纤维产品单价低至14美元/kg，因此在风电、电缆等基础工业领域需求旺盛，2020年大丝束产品需求占比约45%，较2019年提高2个PCT。未来在风电领域高景气叠加对部分小丝束产品替代的推动下，大丝束产品份额有望进一步提升。2.1.2我国碳纤维需求存在结构性改善机遇我国碳纤维行业进入快速发展期，需求增长显著。我国碳纤维行业目前已逐渐步入快速发展期，相关能源产业竞争优势明显，在“双碳”政策目标指引下，风电、光伏、氢能等产业有望迎来加速发展，碳纤维市场空间广阔。根据赛奥碳纤维数据，我国碳纤维需求从2008年的0.8万吨增长至2020年的4.9万吨，期间CAGR高达16%，明显高于同期全球增速。此外，我国碳纤维需求总量全球占比也在不断提高，2020年达到45.7%，较2008年提升近23个PCT。预计到2025年，我国碳纤维需求量将达15万吨，5年CAGR达25%。风电叶片、体育为我国碳纤维主要应用领域，需求结构差异蕴含机遇。受益于下游风电领域需求拉动，风电叶片已超过体育休闲位列我国第一大碳纤维消费市场，2020年需求占比41%。相较于全球碳纤维需求分布领域的多点开花，我国碳纤维需求分布集中于中低端领域，风电叶片与体育休闲合计占比达71%，当前民用需求领域具备更强的成长性，而航空航天、汽车、电子电气等高端领域需求合计占比不足10%，结构性差异明显。未来伴随我国碳纤维产品国产化率以及产业链供应能力的进一步提升，碳纤维需求结构将逐步向全球范围更成熟且附加值更高的消费结构靠拢，相关高端产业领域蕴含转型发展机遇，未来航空航天、风电叶片、汽车等领域有望成为国内最大的需求增长点。2.2始于军用，先进材料应用方兴未艾一代材料造就一代装备，碳纤维复材驱动航天事业发展。航天事业的发展,与机体材料、结构材料、发动机材料以及各类组件材料的创新化应用密不可分，使用先进材料,是实现航天器材高性能、轻量化、长寿命、低成本的重要保障。碳纤维复合材料作为先进材料的典型代表，贯穿整个先进复合材料的发展历程，是目前航天器结构应用范围最广、技术成熟度最高的先进材料，同时也是实现航天器结构轻量化、多功能化的关键材料。目前航天器结构用碳纤维以高强高模PAN基碳纤维为主，树脂基体已逐步采用耐热性更好、吸湿率更低、尺寸稳定性更高的高性能氰酸酯来代替传统的环氧树脂。与其他航空航天金属复材相比，碳纤维复材拥有更高的比强度、比模量以及更轻的重量，同时碳纤维复材的耐高温性非常好，机件在使用过程中能够承受温度交变的影响而不产生材料性质变化，为碳纤维复合材料在航空航天领域的广泛应用打下了坚实的基础。将碳纤维先进复合材料应用于航空航天领域，可以实现：（1）装备大幅度减重，降低能耗的同时可增加有效载荷，且由于零件和紧固件较少，装配成本进一步降低；（2）优异的力学性能；（3）具备在高低温环境下以及腐蚀性介质中的尺寸稳定性；（4）材料结构可设计，实现结构功能一体化；（5）可满足不同的性能需求，如电磁屏蔽、热烧蚀防护等。碳纤维复合材料经历飞机承力部件应用变迁。航空飞行器长期的发展目标是：轻量化、高可靠性、长寿命、高效能。碳纤维复合材料凭借优异的高模轻量、耐高温性、抗疲劳性及阻燃性等特点，不断满足航空领域涌现的材料升级需求。碳纤维复合材料作为飞机结构件材料可使结构质量减轻30％~40％，其应用已从最初的前机身段、机翼外翼、整流壁板等次承力结构逐步发展到当今的机翼、机身等主承力结构。采用碳纤维复合材料不仅可实现构件轻量化和设计自由化，还可在实现整体成型的基础上减少零件数量（零件使用减少61.5%，紧固件使用减少61.3%），降低生产装配成本，并进一步提高生产效率。碳纤维及复合材料对军用飞机性能提升显著。为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡航及隐身的需求，军用战斗机于80年代开始大量采用复合材料结构。通过在军机主结构、次结构以及特殊部位等方面的应用，碳纤维复合材料的结构减重和功能化应用能够给军用飞机带来机动性、作战半径、滞空时间、飞行速度等众多指标的提升。对于现代军机而言，应用碳纤维复合材料带来的性能提升至关重要。军用航空领域对碳纤维的应用领先于民航领域。碳纤维复合材料作为新一代国防装备的战略基础材料，加速发展相关的技术及应用是提升国防实力、保持军事地位的重要前提，因此碳纤维在军用领域的应用及发展均领先于民用航空领域。同时，伴随生产工艺及产品性能的持续提升，碳纤维复合材料应用领域不断拓宽，并进一步延伸至涡轮发动机等军用航空应用领域。碳纤维复合材料用量已成为衡量军用装备先进性的重要标志，未来我国军用航空领域对碳纤维的需求驱动主要来自两大方面：（一）我国军用飞机数量及更新换代需求提速；（二）单机碳纤维复合材料的使用比例持续提升。据FlightGlobal，目前我国有约60%的军用飞机面临退役，战斗机将进行快速更新换代，以三代、四代战斗机为标志的新一代空战力量将逐步占据主流，新机型批量生产有望加速。由于碳纤维复合材料在结构轻量化中无可替代的材料性能，其在战斗机上的用量持续提升。上世纪70年代初，美国第三代战斗机F14A上的碳纤维复合材料的用量占比仅有1%，至2000年第四代战斗机F35的碳纤维复合材料用量占比已提高至36%，在最新一代欧洲台风战斗机的占比更是达到70%，碳纤维复合材料的用量已经成为衡量军用装备先进性和可靠性的重要标志。未来伴随我国新型战机的换代升级加速，单机碳纤维复合材料的使用比例有望持续提升。2.3强于民用，多点开花打开广阔空间2.3.1风电领域：“海风徐来”，叶片大型化趋势如火如荼全球碳中和推动风电装机逐年走高，海上风电增速将领先于陆风。碳中和目前已成为全球共识，各个国家和地区相继出台能源转型时间表，意图在新一轮的能源革命中占得先机。风能作为一种取之不尽、环保清洁的能源拥有无可比拟的生命力与发展潜能，在当前全球碳中和的合力推动下，风电装机热度逐年走高，2020年实现累计风电装机量743GW，十年CAGR达14%。2020年全球新增风电装机量93GW，其中陆上风电占比93%，海上风电占比约7%。考虑到全球各国能源转型的紧迫性以及在风电领域持续的资金、政策加码，全球风电装机量在“抢装潮”退去后仍有望保持高速增长态势。根据GWEC，2025年全球新增风电装机量预计将突破112GW，其中海上风电占比将超21%，未来4年海风新增装机量复合增速（21%）将显著领先于陆风（4%）。中国风电装机贡献主要增量。我国于2020、2021年分别经历陆上、海上风电“抢装潮”

后，预计后续风电装机量增长将逐步回归正常水平。我国历年新增风电装机量约占全球同期新增装机量的40%-50%左右，2020年更是高达70%以上，为全球风电增长的主要贡献力量。2020年中国新增装机量72GW，实现累计风电装机量282GW，近十年CAGR高达25%。海上风电资源禀赋显著，风电开发重点逐渐向海上风电转移。与陆上风电相比，海上风电具有十分突出的资源禀赋：1、海上风能资源更加丰富，平均风速比陆上风速高约20%，平均空气密度更高，发电效率更高。2、不占用陆地资源，远离居住地，受噪音、电磁波等问题限制少。3、处于用电需求更大的沿海地区，供电成本更低。全球主要国家和地区相继出台系列政策推动海上风电发展，2030年前海上风电装机量将持续增长。制约海上风电发展的关键问题在于成本，降本的关键举措在于单机容量大型化。海上风电建设成本主要包括风电机组、电力设施、安装工程、地质勘查费用、海上桩基和财务费用，其中风电机组和安装工程占比最大，合计超过52%。根据《平价时代风电项目投资特点与趋势》，在同等装机规模下，当单机容量由2WM升高至4.5WM时，项目成本逐渐降低，其中，当容量高于3WM时，成本将显著降低。在给定100MW项目容量下，在单机容量由2WM升高至4.5MW的过程中，静态投资由6449元/千瓦下降到5517元/千瓦；LCOE由0.3451元/千瓦时下降到0.2983元/千瓦时。单机容量的大型化之所以能够实现成本的降低，一方面在于全寿命周期风电机组发电量随着单机容量的提升而增加，进而实现度电成本的降低。另一方面，在同等项目规模下，随着单机容量的提高，在风电机组台数减少所带来的经济效益影响下，风电机组的单瓦制造成本不断下降。在可预见的未来，海上风机装机容量将不断提高以实现降本增效，且在成本因素推动下，海上风机的单机容量将较陆上风机表现出更加明显的扩容趋势。根据GWEC预测，到2025年海上风机平均单机容量将达到15-17MW。单机容量大型化带动风机叶片大型化。风机单机容量的提升对配套的叶轮直径提出了要求，额定功率达到10MW的风机要求配套具有200m以上风能直径的风机，过短的叶片无法发挥大功率机组的性能优势，相同风场下，扫风面积随风机叶片直径的增加而提升，进而提高了相应的风机发电效率。目前全球风机最大风轮直径已经从2010年的90m提升至2021年的220m，预计到2030年时最大风轮直径能够达到230-250m。我国新增风机平均单机容量从2008年的1214KW提升到了2019年的2453KW，相应的风轮直径也已由2008年的65m增加至2018年的120m。未来单机装机容量的不断上升将加速风机叶片大型化的趋势，叶片的发展趋势主要体现在长度更长、成本更低，材料更轻、强度更高等。风机叶片大型化进程加快，碳纤维渗透率有望持续提升。玻璃纤维凭借其耐腐蚀性能优异、强度高、可设计性好以及性价比等优势，成为此前风机叶片的主流材料，然而随着叶片长度的增加，其质量将发生指数性上升。在当前叶片大型化的趋势下，若依然使用玻璃纤维，其质量的大幅增加将带来风机发电效率和力学性能的衰退，特别是在环境恶劣的海上，若使用过重的叶片将造成风机寿命的降低。同时碳纤维有着更高的弹性模量，进而减小了超大叶片在强风载下发生挠曲而击中支柱的可能性。碳纤维主要以拉挤板形式应用于风电叶片主梁。与玻璃纤维相比，碳纤维的密度比玻璃纤维小约30%，风电巨头Vestas生产的V-90型3.0MW风机叶片已经实现了较玻璃纤维减重32%、降