高科技纤维与应用(高科技纤维与应用好接受)

 

经世资本出品

碳纤维行业研究分析

作者：你跺你也麻

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碳纤维（Carbon Fiber）是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）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。

一、碳纤维的分类

照原丝种类、力学性能、丝束规格、原丝制备工艺等不同维度进行分类。

1.原丝种类

碳纤维根据原丝种类主要分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。

其中，PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，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碳纤维。

2.力学性能

按照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标准GB/T26752-2020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，具体分类如下：

3.丝束规格

按照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，例如，12K 指单束碳纤维中含有12,000根单丝的碳纤维。早期小丝束碳纤维以1K、3K、6K为主，逐渐发展出12K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。

二、碳纤维生产流程

1.原料：碳纤维生产的主要原材料和能源包括丙烯腈、天然气、电力、蒸汽等。

（丙烯腈为石油化工产品，市场价格受国际石油价格波动影响较大。根据中复神鹰招股说明书，以2020年度公司主营业务毛利率43.15%为基准测算，若包括丙烯腈在内的直接材料价格上涨5%，公司主营业务毛利率将下降2.84%。）

2.原丝制备：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。

（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下降。）

- 原丝制备的工艺类型

按照溶剂区分：按照纺丝溶剂区分，包括DMSO（二甲基亚砜）、DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸钠）等不同的溶剂类别；

按照聚合工艺区分：一步法、二步法。

按照纺丝工艺区分：湿法和干喷湿纺法。

其中，纺丝工艺的选择及控制为稳定生产高性能原丝的关键因素。干喷湿纺工艺有效结合了干法和湿法，在纺丝速度和原丝性能方面均具有明显优势。由于干喷湿纺工艺技术难度较大，仅少量企业掌握该生产技术并形成成熟的碳纤维产品。目前国内大部分碳纤维制造企业仍以湿法纺丝工艺为主。

原丝制备流程（以干喷湿纺为例）：

(图片来源：中复神鹰招股说明书)

A. 聚合。通过将原料丙烯腈单体、共聚单体、引发剂偶氮二异丁腈和溶剂DMSO（二甲基亚砜）按照一定的配比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，随后进行脱单、脱泡等处理得到聚丙烯腈原液。

B. 纺丝。聚丙烯腈原液喷头的选择可决定丝束的大小，喷头为1,000个细孔、3,000个细孔、4,000个细孔和 6,000个细孔，对应喷丝可以制得1K、3K、6K、12K、24K等型号原丝。喷丝产生的丝束在凝固浴中凝固成型。成型后的原丝再经过多段水洗，降低原丝中DMSO的残留量；随后进行热水牵伸；再经过上油、干燥致密化，达到防黏隔离和降低摩擦的作用；最后再经过蒸汽牵伸工段，最终原丝卷绕成轴。

3.碳丝生产

成品原丝经多段氧化炉在空气气氛下反应得到预氧丝；预氧丝在氮气保护下，分别经过低温碳化、高温碳化得到碳丝；随后经表面处理后进行上浆，最后经烘干得到高强型碳纤维产品。

(图片来源：中复神鹰招股说明书)

为进一步提升产品的弹性模量，将高强型、高强中模型碳纤维在惰性气氛下经 2,000℃以上的温度石墨化处理，再经过表面处理、上浆和干燥处理，得到石墨纤维。

4.生产成本构成

数据来源：《高科技纤维与应用》

三、行业概况

1.全球行业需求

2021年全球碳纤维需求达到11.8万吨。

全球碳纤维三大市场：

- 风电：2021年全球碳纤维需求量最大的领域为风电叶片，需求量为3.3万吨，较2020年增长20%，保持快速增长趋势，2021年需求量占比达29%。根据中复神鹰财报，运用在风电的大丝束工业级T300碳纤维价格约合18.7万/吨。

- 航空航天：需求量为1.65万吨，需求量占比为15%。民用客机是拉动碳纤维需求增长的主要力量。全球新冠疫情对航空业造成不利影响，民用客机主要生产厂家对碳纤维的需求有一定幅度的下降。根据中复神鹰财报，运用在航空的小丝束工业级T700-T1000碳纤维均价约合23万/吨.

- 体育休闲：需求量为1.84万吨，需求量占比为14%，主要使用在高尔夫球杆、自行车架、钓鱼竿、球拍、曲棍球棍等高端休闲体育市场。

虽然航空航天用量少，但因为用的是高端碳纤维，价值较高，如果根据消费产值计算，2021年全球碳纤维需求产值34亿美元，其中航空航天11.88亿占比34.9%，风电叶片5.54亿占比16.3%，体育休闲5.1亿占比15%。

2.全球产能供给

2021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%。

3.国内碳纤维需求

- 2021年，我国碳纤维需求达4.88万吨，较2020年增长达29 %。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，主要原因一方面是全球风电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，导致国内该领域的碳纤维需求由2019年的1.38万吨增长至2020年2.00万吨，增幅达45%；值得注意的是：国内需求结构和全球需求结构差异较大，国内民航领域的需求占比远小于全球民航领域需求占比，2020年占国产总需求的比例仅为3%左右，需求量不到1500吨。

2021年国内需求中，进口碳纤维供应量为3.04万吨，占需求量的62%；国产碳纤维供应量为1.84万吨，占需求量的38%，国产占比较2020年的32%增长6个百分点，国产替代趋势明显，着重表现在：

①风电叶片需求。着国际风电主机厂将碳纤维拉挤板代工由欧洲转向国内，风电叶片已经成为国内最大的碳纤维应用领域之一。2021年国内风电叶片领域碳纤维需求量为3.3万吨，占国内需求总量的41%，较2019 年的1.38万吨增长45%。使用产品主要以国内外T300级24K、48K、50K等产品为主。

②体育器材市场。全球近90%的碳纤维体育器材加工在中国大陆和中国台湾完成。2021年国内体育用品领域碳纤维需求量为1.46万吨，占国内需求总量的30%，较2020年增长4%。体育休闲领域产品类别广泛，对碳纤维的需求呈现高低端并存的局面，国内需求主要以T300 级、T700级为主，包括少量T800级和高模量产品。规格以3K、12K等小丝束为主，需求种类较多。

③碳/碳复合材料市场。碳/碳复合材料主要使用在刹车盘、航天部件等领域，由于2021年国内光伏市场高速增长，单晶硅炉的市场需求量迅速增长，单晶硅炉内主要有碳毡功能材料和坩埚、保温桶、护盘等碳/碳复合材料，因而2021年国内碳/碳复合材料领域的碳纤维需求量增长迅速。2021年，我国碳/碳复合材料碳纤维需求量为0.30万吨，占比为6%，较2019年增长150%。

4. 国内碳纤维供给情况

2021年国产碳纤维供给量为1.84万吨，占国内需求的比重仅为38%。由于较多国产碳纤维企业尚未实现关键技术的突破，生产线运行及产品质量不稳定，国产碳纤维行业长期存在有产能，无产量的现象。国产碳纤维理论产能较大，但实际产量却较少，目前碳纤维市场仍处于供不应求的状态。

2020年下半年以来，日本、美国加强了对碳纤维出口中国的政策管控，导致国内碳纤维境外供应难度进一步较大，国产碳纤维供不应求。2020年12月22日，因日本东丽子公司出口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，要求东丽子公司防止再次发生此类事件，并彻底做好出口管理。

以上行业数据来源：《2021全球碳纤维复合材料市场报告》

5. 国内碳纤维竞争格局

数据来源：wind

其他公司产能情况：

现有产能合计约3.08万吨，在建产能约19.7万吨。

数据来源：中信建投研报

四、行业关键点

行业快速增长，但碳纤维生产成本需要压降，来应对其他低成本材料的竞争。

1）根据《2021全球碳纤维复合材料市场报告》，2025年全球碳纤维需求量预计为20万吨，我国16万吨，年均复合增长率将近30%。主要的逻辑在于：在于全球风电叶片需求从2021年的3.3万吨一跃增长到2025年的8.1万吨。

2）根据中信建投的研报：预测到2025年中国陆上风电碳纤维需求为4.39万吨，海上风电碳纤维需求为1.50万吨，两者合计总需求达5.89万吨，复合增速达27.2%。预计到2025年，风电领域碳纤维需求将占全球风电领域碳纤维总需求（8.06万吨）的73.08%。

3）目前国内陆上风电以玻璃纤维为主：叶片价格约2美元/公斤。而用作风电叶片的碳纤维大丝束叶片价格高达 13.5-14.5美元/公斤。短期内碳纤维叶片很难在陆上普及，多数还是应用在海上风电。

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