碳纤维行业分析研究报告

等成型工艺而形成的复合材料。根据增强纤维材料的不同，可分为有(carbonfiber,简称CF)是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量的无机高分子纤维，与各种基体经过复合工艺后制成的碳纤维复合材料(CFRP),可以应用在航空、军事工业、风力发电叶片、汽车构件、体育休闲产品等其他工业和民用领域。碳纤维材料具备高性能、碳纤维按原料分类。碳纤维主要分为PAN(聚丙烯腈)基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维等。PAN基碳纤维因制备工艺较简单，制成的产品性能更优，是目前碳纤维市场主流产品，约占全球碳纤维总产量的90%。故目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。伸模量，分为通用型碳纤维、高强碳纤维、高模碳纤维、超高强碳纤其产品编号被作为行业标准，如T300、T800、M55等分别对应不同用的碳纤维是由一定数量的碳纤维丝集束而成,1K就代表一束碳纤维中有1000根丝，通常把小于24K的碳纤维称为小丝束碳纤维，小丝束碳纤维主要应用于国防军工(导弹、火箭、卫星等)、航空航天及更加昂贵。通常把48K以上的碳纤维称为大丝束碳纤维，主要用于交通运输、风电叶片、医药卫生、纺织、机电等工业领域，因此被称为大丝束相对小丝束，下游应用更加大众化。2020年全球碳纤维需求结构中，大丝束销量占比约45%,小丝束销量占比约55%,大丝束销成本亦较低。从全球市场平均售价来看，风电领域均价约9万元/吨，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比强度和最高比模量的纤维，具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨纤维的密度为1.5~2g/cm³,相当于钢密度的1/4,铝合金密度的1/2,而其比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍。二是强度高，碳纤维拉伸强度可达3000~4000MPa,弹性比钢大4~5倍，比铝大6~7倍。三是具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，四是导电性，25℃时高模量纤维为775μΩ/cm,高强度纤维为1500μΩ/cm。五是耐高温和耐低温性好，碳纤维可在2000℃下使用，在3000℃非氧化气氛下不融化、不软化。在-180℃低温下，钢铁变得容易损伤。(碳纤维复合材料抗拉不抗穿刺，生活中避免让碳纤维产品碰到锋利的小石子或尖锐物体，以防止发生破裂现象。)呈惰性，能耐浓盐酸、磷酸、硫酸、苯、丙酮等介质侵蚀。将碳纤维放在浓度为50%的盐酸、硫酸、磷酸中，200天后其弹性模量、强度和直径基本没有变化；在50%浓度的硝酸中只是稍有膨胀，其耐碳纤维是极佳的轻量化材料。碳纤维优越的比模量和比强度，使其成为极佳的轻量化材料。在汽车应用上,相较于高强钢,碳纤维可以实现60%的减重，因此在一众需要结构轻量化的领域，如体育、航天等，都能看到碳纤维的身影。碳纤维生产流程复杂，对设备和技术要求极高。制备过程涉及众多控制点，每个控制点都有相应的参数，积累这些参数往往需要几年的周期，而只有每个参数都达到最优，所生产的产品性能才能达到最好。以预氧化环节为例，该环节需对温度的精度、范围进行准确控制，否则将显著影响碳纤维产品的拉伸强度，甚至造成断丝现象。资金壁垒高。碳纤维产线的投资门槛较高，从企业公告的产能计划来看，万吨投资额普遍在20亿元甚至以上，若是高性能碳纤维产线，则万吨投资额在100亿以上,高资金壁垒使得大量企业较难进入到这一行业。此外前期核心技术尚未突破时，不仅产线投资额高且投资回报率低，近几年由于生产效率提升，企业投资回报迎来改善。即使这样，以行业龙头中复神鹰为例，2020年碳纤维吨净利约2.3万元，投资回报期约10年左右。技术壁垒突破期长，龙头企业护城河深。碳纤维行业技术壁垒非常高，体现在三个方面：配方壁垒、工艺壁垒和工程壁垒，三者难度依次增加。尽管可以通过直接购买和挖角技术人员等方式获取配方，但仍需要时间去吸收和消化，配方壁垒突破时间为1-2年；想要突破工艺壁3-5年；工程体系要求各生产工艺之间协调配合，需要企业投入大量资本去设计、改造、调整装备和训练人员，壁垒突破时间5年以上。因此，碳纤维三大技术壁垒的突破期合计超过10年，已经掌握成熟技产业链附加值高达200倍。由于碳纤维制备难度高，工艺复杂，因此其产品越往下游附加值越高，尤其是应用于航空航天领域的高端碳纤维复材，因下游客户对其可靠性、稳定性要求十分严苛，产品价格也较普通碳纤维呈几何倍数增长。据江苏恒神公开转让说明书(2015年)材每公斤价格分别约40元、180元、600元、不到1000元、3000元和8000元，每经一级深加工产品价格都将实现飞跃，航空复材价格较原丝更是翻了200倍。纤维的均价约在160元/kg,是铝、镁等合金的6-7倍，是玻璃纤维的8倍。而即使考虑到碳纤维用量的因素，这一巨大的价格差异也仍然无法被抹平。根据宝马公司对汽车单位减重成本的测算，使用碳纤维的单位减重成本约在32E/kg,仍然是铝的7倍。价格战等多方面打压下，国内碳纤维产业发展缓慢。我国碳纤维行业的发展历程可以分为三个阶段：1)奠基阶段：我国的碳纤维几乎与日本同时起步，1962年，中国石油吉林石化开始采用PAN原料研制碳纤维，但是因为缺乏相应的科学知识和组织，没有取得实质性的进展，与此同时，美日等国家将其2)起步阶段：1975年，原国防科委主任张爱萍将军开始主持碳纤维研发工作，先后组织了二十多名科研和企事业单位，组成原丝、碳化等五个专业组。但由于知识产权归属问题没有得到妥善解决，各部门之间的利益难以协调，进展速度缓慢。在此之后的80年代中期，我3)发展阶段：2000年，两院院士师昌绪提出要大力发展碳纤维产业，这引起了政府的重视，至此我国开始采取措施大力支持碳纤维领域的自主创新，在863、973计划中也将碳纤维作为重点研发项目。2005年国内碳纤维行业企业仅有10家，合计产能仅占全球产能的1%。2008年，以国有企业为代表的企业开始进入碳纤维行业，但大部分企业在核心关键技术上还无任何突破，无论是生产线的运行还是产品质长期以来一直在美国对华的禁运清单中，与原子能、半导体核心技术等同列。西方国家在上世纪60年代就开始对华实施碳纤维材料的技术禁运，按照“巴统”和之后《瓦森纳协定》,以美国为首的西方国对未经许可范围内而企图购买和贩卖碳纤维的个人实施抓捕，足见封锁之彻底。除了碳纤维原丝禁运之外，其制备技术及装备一直被国外政策高度重视碳纤维的发展。自1962年吉林石化开始PAN基碳纤维研究的数十年间，碳纤维一直受益于政策的高度重视，先后由张爱萍将军和师昌绪院士主导过两次研发大潮。在863、973计划中也将碳纤维作为重点研发项目。随着中美贸易摩擦的开始，国外进一步收业共同努力下，我国碳纤维技术迈入世界领先水平，技术突破之后，丝束由于性价比优势，更易在大规模工业领域迎来放量。目前国内碳纤维企业发展路径主要是两类：一是小丝束，国产替代更为迫切，三大龙头已然崛起。小丝束碳纤维因用于军工领域等，故国产替代更为以干喷湿法为例，最早是中复神鹰在2013年率先突破千吨级碳纤维原丝干喷湿纺制造技术并于2015年实现稳定运行，随后光威复材、中简科技、恒神股份等企业陆续实现了干喷湿法的纺丝工艺。同时企业进行更高性能碳纤维的研制，以T1000级为例，中简科技2015年采用湿法纺丝技术研制成功T1000级碳纤维，光威复材2018年QZ6026(T1000级)碳纤维在工程化生产线上实现连续生产成功，中复神鹰2019年百吨级超高强度QZ6026(T1000G级)碳纤维年我国大丝束碳纤维技术实现突破：1)吉林碳谷在原奇峰化纤20年腈纶制备基础上进行研发，2008年设立就取得了DMAC为溶剂的湿法两步法专有技术，于2013-2015年间逐步实现了小丝束产品的DMAC为溶剂的湿法两步法的技术更新与优化，2017-2019年突破24K、25K、48K等大丝束产品稳定产业化生产技术，打破国际碳纤维巨头在原丝生产技术上的垄断情况；2)上海石化曾是国内最大的腈纶生产企业，2018年官方称突破48K大丝束碳纤维，2021年开始中国碳纤维需求量快速增长，增速领先全球。2015年国内碳纤维需求量仅为1.7万吨，仅五年就增长逾3倍，2020年达到了4.9万吨