聚丙烯腈（PAN）基標(biāo)模碳纖維是市場(chǎng)主流，在大絲束高性價(jià)比、小絲束高性能雙驅(qū)動(dòng)下，當(dāng)前大、小絲束全球需求相當(dāng)。碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈覆蓋廣，包含從原油到終端應(yīng)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(yù)氧化；

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

4）原絲、碳纖維、復(fù)材環(huán)節(jié)設(shè)備要求高。

▍需求：預(yù)計(jì)風(fēng)、光、氫、無人機(jī)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(yīng)用領(lǐng)域滲透率不斷提高，我們預(yù)計(jì)2025年全球碳纖維總需求將達(dá)到26萬噸，其中：

1）風(fēng)、光、氫三大新能源領(lǐng)域有望達(dá)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(duì)應(yīng)2022-2025年需求CAGR分別為25.8%/48.2%/25.7%，風(fēng)電仍是推動(dòng)碳纖維需求增長(zhǎng)的第一力量；

2）航空航天領(lǐng)域有望達(dá)3.4萬噸，其中無人機(jī)是推升碳纖維需求的新興力量，我們預(yù)計(jì)全球無人機(jī)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(duì)應(yīng)2022-2025年CAGR為45.8%。

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

中長(zhǎng)期維度下，碳纖維供需缺口或?qū)⒊掷m(xù)存在，我們預(yù)計(jì)2025年全球缺口達(dá)2.5萬噸。國(guó)產(chǎn)碳纖維型號(hào)已成功覆蓋T300級(jí)至T1100級(jí)、M35至M65 級(jí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)日本東麗主要型號(hào)的對(duì)標(biāo)，部分型號(hào)抗拉強(qiáng)度、拉伸模量、延伸率等性能指標(biāo)甚至更優(yōu)。2021年我國(guó)更是首次超越美國(guó)以6.34萬噸運(yùn)行產(chǎn)能躍居世界第一，未來全球預(yù)計(jì)將迎來中國(guó)盛宴。我們預(yù)計(jì)2021-2025年碳纖維國(guó)產(chǎn)量CAGR將達(dá)42%，2022年有望成為國(guó)產(chǎn)量超越進(jìn)口量的首年，碳纖維國(guó)產(chǎn)替代有望加速。

▍展望：預(yù)計(jì)2023年我國(guó)碳纖維市場(chǎng)價(jià)將弱調(diào)整，T700級(jí)及更高性能的12K及以下絲束規(guī)格供應(yīng)商經(jīng)營(yíng)比較優(yōu)勢(shì)將凸顯。

我們預(yù)計(jì)2023年我國(guó)碳纖維主流市場(chǎng)參考價(jià)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(yù)計(jì)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(kuò)產(chǎn)為主），T700級(jí)及更高性能的12K及以下絲束規(guī)格供應(yīng)商承壓更小，經(jīng)營(yíng)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(jī)纖維，由片狀石墨微晶等有機(jī)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(qiáng)度與比性能、高耐化學(xué)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(yù)為21世紀(jì)的“新材料之王”。

碳纖維大多作為增強(qiáng)材料與基體材料復(fù)合后以碳纖維復(fù)材的形式應(yīng)用在輕量化/高強(qiáng)/高模/高韌性等領(lǐng)域。與基體材料（陶瓷、金屬、高分子等）復(fù)合后的碳纖維復(fù)合材料克服了單一組分材料的缺點(diǎn)，提高了整體材料性能，其密度、拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、比強(qiáng)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(qiáng)度卻被提高至遠(yuǎn)高于鋼材的水平（碳纖維復(fù)材的比強(qiáng)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(fù)合材料被廣泛應(yīng)運(yùn)在能源裝備、航空航天、國(guó)防軍事、土木工程、交通運(yùn)輸、賽車運(yùn)動(dòng)以及其他體育休閑等領(lǐng)域中。

聚丙烯腈（PAN）基標(biāo)模碳纖維是市場(chǎng)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(xué)性能等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(xué)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(jiǎn)單、原料來源豐富及優(yōu)越的拉伸強(qiáng)度迅速占據(jù)市場(chǎng)（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(chǎng)）。

2）碳纖維的應(yīng)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(jìn)行劃分，小絲束碳纖維包括1K、3K、6K、12K、24K等型號(hào)，大絲束碳纖維包括48K、60K、80K等型號(hào)（目前小、大絲束需求相當(dāng)），巨絲束包括100K及以上型號(hào)。

3）按照力學(xué)性能可分為標(biāo)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(yīng)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(yù)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(yù)浸料（中間料）、碳纖維復(fù)材制件；產(chǎn)業(yè)鏈下游應(yīng)用主要集中在風(fēng)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(shè)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(shè)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(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)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(xì)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(shí)會(huì)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(xì)的小孔吐出進(jìn)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(duì)溶液紡絲法進(jìn)一步細(xì)分：紡絲溶劑：有機(jī)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(jī)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(diǎn)。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(qiáng)，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(jìn)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(chǔ)存周期長(zhǎng)。兩步法聚合工藝可實(shí)現(xiàn)連續(xù)進(jìn)料、耗時(shí)短，并且由于聚合釜大（水相反應(yīng)更均勻）能實(shí)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(jiǎn)單對(duì)比評(píng)價(jià)，聚合工藝的選擇需要綜合研判。

碳纖維生產(chǎn)流程復(fù)雜，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)多，預(yù)氧化是核心。碳纖維生產(chǎn)全過程連續(xù)走絲，涉及3000多個(gè)工藝點(diǎn)，任何一道工序出現(xiàn)些許問題都會(huì)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(yù)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(yù)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(shí)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(yù)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(yù)氧化時(shí)間占碳纖維總生產(chǎn)時(shí)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(yù)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(qiáng)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(jī)保護(hù)層，減少碳纖維起毛斷絲現(xiàn)象。

原絲和碳纖維生產(chǎn)設(shè)備要求高。原絲到碳纖維生產(chǎn)過程中用到的設(shè)備較多，主要有：原絲設(shè)備（聚合釜、噴絲板等）、紡絲設(shè)備（碳纖紡絲機(jī)、蒸氣牽伸機(jī)、水洗機(jī)等）、預(yù)氧化設(shè)備（預(yù)氧化爐、前期驅(qū)動(dòng)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(shè)備目前國(guó)產(chǎn)化程度低，碳纖維生產(chǎn)設(shè)備目前部分廠商仍然使用進(jìn)口設(shè)備，進(jìn)口設(shè)備與國(guó)產(chǎn)設(shè)備在T700級(jí)別性能沒有明顯差異，真正差距在更高級(jí)別；2）原絲單萬噸設(shè)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(shè)備投資（針對(duì)風(fēng)電用碳纖維）約為7億，其中爐體占50%；3）設(shè)備部分進(jìn)口、部分國(guó)產(chǎn)對(duì)產(chǎn)品的一致性有影響，兼容設(shè)計(jì)需要運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

中游碳纖維制造廠商原絲及碳化工藝指標(biāo)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(diǎn)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(shì)，其中日本東麗的干噴濕紡法紡速領(lǐng)先，達(dá)700m/min，國(guó)內(nèi)企業(yè)大多掌握干噴濕紡法，其中光威復(fù)材及中復(fù)神鷹原絲紡速可超500m/min。

碳化階段，國(guó)內(nèi)企業(yè)碳化線速約為10-13m/min，碳化單線產(chǎn)能最高達(dá)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(chǔ)備領(lǐng)先行業(yè)，能夠根據(jù)客戶需求開發(fā)成型工藝。國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)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(fù)材成型工藝的選擇，必須同時(shí)滿足材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益等多種因素。碳纖維制品的制成一般會(huì)經(jīng)歷原絲制備、碳纖維制造、（織物/預(yù)浸料）、復(fù)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(fù)材，隨后經(jīng)成型工藝加工即可得到下游應(yīng)用的最終產(chǎn)品。

碳纖維復(fù)材成型工藝主要分為兩類：1）預(yù)浸料鋪放成型，即生產(chǎn)預(yù)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(yù)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(fù)材生產(chǎn)各種工藝的成本、用途均不同，但對(duì)設(shè)備投資要求較高，且與下游應(yīng)用聯(lián)系深入，復(fù)材生產(chǎn)設(shè)備包括熱壓罐、固化爐、復(fù)合材料數(shù)控下料銑、激光鋪層定位系統(tǒng)、自動(dòng)鋪帶機(jī)、RTM成型設(shè)備、縫合設(shè)備以及無損檢測(cè)設(shè)備等，多由美國(guó)公司壟斷，國(guó)內(nèi)部分企業(yè)在自動(dòng)化鋪放工藝的工程化應(yīng)用方面取得了較大突破。（來源：中信證券）

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