1、 证券研究报告证券研究报告 请务必阅读正文之后第请务必阅读正文之后第 56 页起的免责条款和声明页起的免责条款和声明 风、光、氢、无人机等风、光、氢、无人机等领域推升需求领域推升需求，高高性能性能碳纤维国产替代碳纤维国产替代加速加速 新材料行业碳纤维专题报告之一2022.11.29 中信证券研究部中信证券研究部 核心观点核心观点 李超李超 新材料行业首席分析师 S1010520010001 陈旺陈旺 新材料分析师 S1010520090003 张柯张柯 新材料分析师 S1010521100003 受益于下游应用领域的多维发展与渗透率的提升，受益于下游应用领域的多维发展与渗透率的提升，预计预计风
2、、光、氢、无人机等风、光、氢、无人机等领域将合力推升领域将合力推升 2025 年全球碳纤维需求至年全球碳纤维需求至 26.0 万吨，对应万吨，对应 2022-2025 年年CAGR 达达 23.5%。碳纤维全球供需缺口在中长期维度下。碳纤维全球供需缺口在中长期维度下料料将持续存在，将持续存在，预计预计2025 年达年达 2.5 万吨。随着我国碳纤维技术与产能瓶颈的突破，万吨。随着我国碳纤维技术与产能瓶颈的突破，预计预计 2021-2025年碳纤维国产量年碳纤维国产量 CAGR 将达将达 42%，高性能碳纤维的国产替代将持续加速。首，高性能碳纤维的国产替代将持续加速。首次覆盖碳纤维行业并给予“强
3、于大市”评级。次覆盖碳纤维行业并给予“强于大市”评级。概况：碳纤维发展受“高性价比”和“高性能”双驱动，产业链中游是核心。概况：碳纤维发展受“高性价比”和“高性能”双驱动，产业链中游是核心。聚丙烯腈（PAN）基标模碳纤维是市场主流，在大丝束高性价比、小丝束高性能双驱动下，当前大、小丝束全球需求相当。碳纤维产业链覆盖广，包含从原油到终端应用的完整制造过程，其中，中游是核心环节：1）原丝是生产高品质碳纤维的关键，其成本约占碳纤维生产成本的 51%，原丝制造壁垒在于聚合，一步法和两步法的选择需要综合研判；2）碳纤维生产的核心在于预氧化；3）碳纤维复材成型工艺的选择，必须同时满足材料性能、产品质量和经
4、济效益等多种因素；4）原丝、碳纤维、复材环节设备要求高。需求：需求：预计预计风、光、氢、无人机等领域将推升风、光、氢、无人机等领域将推升 2025 年全球碳纤维需求至年全球碳纤维需求至 26 万万吨。吨。随着碳纤维在众多下游应用领域渗透率不断提高，我们预计 2025 年全球碳纤维总需求将达到 26 万吨，其中：1）风、光、氢三大新能源领域有望达 13.3万吨，其占 2025 年全球碳纤维总需求的比例分别为 30.7%/14.1%/6.2%，对应2022-2025 年需求 CAGR 分别为 25.8%/48.2%/25.7%，风电仍是推动碳纤维需求增长的第一力量；2）航空航天领域有望达 3.4
5、万吨，其中无人机是推升碳纤维需求的新兴力量，我们预计全球无人机领域碳纤维需求有望从 2022 年的 0.47万吨增至 2025 年的 1.47 万吨，对应 2022-2025 年 CAGR 为 45.8%。供给：高行业壁垒与集中度下供给：高行业壁垒与集中度下 2021 年我国碳纤维产能跃居世界第一，年我国碳纤维产能跃居世界第一，2021-2025年碳纤维国产量年碳纤维国产量 CAGR 有望达有望达 42%。中长期维度下，碳纤维供需缺口或将持续存在，我们预计 2025 年全球缺口达 2.5 万吨。国产碳纤维型号已成功覆盖 T300级至 T1100 级、M35 至 M65 级，实现了对日本东丽主要
6、型号的对标，部分型号抗拉强度、拉伸模量、延伸率等性能指标甚至更优。2021 年我国更是首次超越美国以 6.34 万吨运行产能跃居世界第一，未来全球预计将迎来中国盛宴。我们预计 2021-2025 年碳纤维国产量 CAGR 将达 42%，2022 年有望成为国产量超越进口量的首年，碳纤维国产替代有望加速。展望：展望：预计预计 2023 年我国碳纤维市场价将弱调整，年我国碳纤维市场价将弱调整，T700 级及更高性能的级及更高性能的 12K 及及以下丝束规格供应商以下丝束规格供应商经营比较优势将凸显经营比较优势将凸显。我们预计 2023 年我国碳纤维主流市场参考价为：1）T300（12K）120-1
7、50 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%。我们预计 2022 年较于 2021 年新增产能中，小/中/大丝束投放占比分别为 40%/7%/53%，至 2025 年，其占比更是分别被拉至 25%/8%/67%，在碳纤维产能投放冲击下（以大丝束扩产为主），T700级及更高性能的 12K 及以下丝束规格供应商承压更小，经营前景更广阔。风险因素：风险因素：行业产能扩张超预期；上游原材料价格大幅上涨；碳纤维在下游领域的渗透率提升
8、不及预期；国产化不及预期。新材料新材料行业行业 评级评级 强于大市（首次）强于大市（首次）新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 2 投资策略：投资策略：中长期在碳纤维制造应用多维发展背景下，1）碳纤维渗透率持续提升、2）碳纤维需求持续放量、3）碳纤维供需缺口持续存在、4）国产碳纤维实现与海外产品全方位对标，国产替代加速，这四大趋势均将对国产碳纤维市场增长给予强力支撑，预计将驱动 2021-2025 年碳纤维国产量 CAGR 达 42%，行业景气度有望持续向上，同时碳纤维企业盈利有望持续增长。我们首次覆盖碳纤维行业并给予
9、“强于大市”评级。从光伏、储氢等高价值领域小丝束需求持续攀升的角度来看，推荐国产小丝束碳纤维产能龙头中复神鹰；从“十四五”期间军工材料发展具有高确定性的角度来看，推荐军民融合碳纤维龙头光威复材；从风电高景气推升大丝束需求角度来看，推荐大丝束原丝龙头吉林碳谷；从多领域下游驱动碳/碳、碳/陶等复材高速增长的角度来看，推荐光伏热场碳/碳复材龙头金博股份。重点公司盈利预测、估值及投资评级重点公司盈利预测、估值及投资评级 简称简称 代码代码 收盘价收盘价 EPS PE 评级评级 21 22E 23E 24E 21 22E 23E 24E 中复神鹰 688295.SH 47.61 0.31 0.73 1.
10、01 1.27 154 65 47 37 买入 光威复材 300699.SZ 70.75 1.46 1.83 2.57 3.34 48 39 28 21 买入 吉林碳谷 836077.BJ 53.85 1.04 2.07 3.11 3.76 52 26 17 14 买入 金博股份 688598.SH 261.75 5.33 7.06 8.19 9.80 49 37 32 27 增持 资料来源：Wind，中信证券研究部预测 注：股价为 2022 年 11 月 29 日收盘价 dWeWbVOAqQnO7NcMbRsQnNnPnOlOpPqRlOoMsR7NrQuNMYsRwPuOtRyR 新材料新
11、材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 3 目录目录 投资聚焦投资聚焦.6 投资亮点.6 投资逻辑.6 风险因素.6 概况：轻量化、高性能、广应用的新型材料概况：轻量化、高性能、广应用的新型材料.7 碳纤维具备无可比拟的材料优势，应用领域及产业链覆盖极广.7 碳纤维产业链中游是核心环节，技术、资金、设备、产品质量门槛高.9 需求：风光氢合力推动碳纤维进入黄金发展期需求：风光氢合力推动碳纤维进入黄金发展期.15 风机大型化趋势推动碳纤维复材渗透率提高.16 性能优异的 IV 型储氢瓶带动碳纤维需求.20 碳/碳复材作为热场系统的主
12、要耗材受益于光伏产业高景气.23 航空航天领域军民两用需求持续释放.27 预计 2022-2025 年全球碳纤维需求 CAGR 将达 23.5%.35 供给：行业集中度高，我国产能扩张加速国产替代供给：行业集中度高，我国产能扩张加速国产替代.37 2022 年碳纤维供需整体持平，预计 2025 年供需缺口 2.5 万吨.37 国产企业已打破日、美技术封锁，布局碳纤维全序列产品.42 高壁垒下头部玩家竞争将提升碳纤维综合技术，国产全面替代指日可待.45 展望：2023 年我国碳纤维市场价将弱调整，T700 级及以上中小丝束供应商凸显比较优势.48 风险因素风险因素.51 投资策略投资策略.52
13、投资亮点.52 投资逻辑.52 新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 4 插图目录插图目录 图 1：碳纤维的比强度/比模量与其他材料的对比.8 图 2：碳纤维的广泛下游应用.8 图 3：碳纤维分类.8 图 4：碳纤维全产业链.9 图 5：碳纤维生产成本构成.9 图 6：碳纤维生产流程.11 图 7：2016-2021 年全球和中国碳纤维需求量.15 图 8：2016-2021 年全球和中国碳纤维市场规模.15 图 9：2021 年全球碳纤维市场需求-应用及占比.16 图 10：2021 年中国碳纤维市场需求-应用及占比
14、.16 图 11：全球及我国陆地风电和海上风电新增装机量预测.16 图 12：风机零部件成本占比.17 图 13：拉挤成型过程.18 图 14：风电叶片中的碳梁使用.18 图 15：风电装机尺寸和单机容量的发展.18 图 16：2015 年碳纤维和玻璃纤维在风电叶片的渗透率.19 图 17：2021 年碳纤维和玻璃纤维在风电叶片的渗透率预测.19 图 18：储氢瓶压力容器类型和结构.21 图 19：先进碳基复合材料产业链情况.23 图 20：2013-2021 年全球光伏硅片产能与产量.24 图 21：2011-2021 年全球光伏新增装机量.24 图 22：单晶拉制炉热场系统构成.24 图
15、23：单晶拉制炉热场系统的碳基复材产品部件及优势.24 图 24：碳纤维复合材料在航空航天领域应用实例.28 图 25：碳纤维复合材料在军机上的使用比例.29 图 26：2021 年美、中、俄、印四国军机数量.29 图 27：复合材料在波音和空客飞机上的应用比例.30 图 28：2021 年航空航天领域碳纤维需求分布.30 图 29：未来 20 年商用飞机新机交付量预测.31 图 30：2020-2027 年全球无人机复合材料市场规模.32 图 31：航空航天领域碳纤维需求-趋势.35 图 32：2015-2021 年全球碳纤维运行产能、产量及产能利用率.37 图 33：2015-2025 年
16、全球碳纤维供需关系（仅统计可行性高的扩产项目）.38 图 34：2015-2025 年全球碳纤维供需关系（统计可行性高和较高的扩产项目）.39 图 35：2015-2025 年全球碳纤维供需关系（统计可行性高、较高和其余扩产项目）.41 图 36：2020 年全球小丝束碳纤维主要生产企业占能比.42 图 37：2020 年全球大丝束碳纤维主要生产企业占能比.42 图 38：2021 年全球碳纤维行业竞争格局（按运行产能）.44 图 39：2021 年中国碳纤维行业竞争格局（按运行产能）.44 图 40：2015-2021 年我国碳纤维运行产能全球占比.44 图 41：2021 年全球碳纤维运行
17、产能-区域.44 图 42：碳纤维上中游年度产能集中度.46 新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 5 图 43：2021 年中国大陆碳纤维及原丝运行产能.46 图 44：国内碳纤维进口出均价情况.48 图 45：2016-2025 年国内碳纤维的国产率情况.48 图 46：华东地区国产碳纤维市场价.48 图 47：华东地区丙烯腈市场价.49 图 48：2021 年我国碳纤维运行产能分布情况.50 图 49：2022 年较于 2021 年新增产能分布情况.50 图 50：2023 年较于 2021 年新增产能分布情况.
18、51 图 51：2025 年较于 2021 年新增产能分布情况.51 表格目录表格目录 表 1：碳纤维的优良性能.7 表 2：一步法和两步法对比.10 表 3：原丝和碳纤维生产设备情况.12 表 4：碳纤维制造公司生产工艺对比.13 表 5：预浸料及碳纤维复材主要成型工艺情况.14 表 6：2021 年中国风场项目不同单机容量的经济指标.17 表 7：全球风电领域碳纤维需求测算.20 表 8：储氢容器性能对比.21 表 9：全球储氢瓶及压力容器领域碳纤维需求测算.22 表 10：单晶拉制炉热场系统中各零部件渗透率.24 表 11：全球光伏热场及整体碳/碳复材领域碳纤维需求测算.26 表 12：
19、各种飞行器减重的经济效益数据分析表.27 表 13：中美三代及以上部分战斗机对比情况.29 表 14：未来 20 年全球和中国客机碳纤维需求测算.31 表 15：未来 20 年 C919 客机碳纤维需求测算.32 表 16：中国及全球民用无人机碳纤维需求测算.33 表 17：军用无人机复材比例.34 表 18：全球无人机碳纤维需求测算（含军用）.34 表 19：碳纤维在航天领域的应用.34 表 20：全球碳纤维总需求测算.35 表 21：2021 年全球碳纤维运行产能及扩产计划-制造商.37 表 22：可行性高的国内外碳纤维扩产项目梳理.38 表 23：可行性较高的国内外碳纤维扩产项目梳理.4
20、0 表 24：其余国内外碳纤维扩产项目梳理 .41 表 25：各公司碳纤维产品对比性能对比.42 表 26：碳纤维壁垒梳理.45 表 27：碳纤维行业相关企业投资项目.46 表 28：2022 年 1-6 月按主要国别/地区分碳纤维产品进口情况表（吨）.47 表 29：碳纤维相关企业总结.53 新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 6 投资聚焦投资聚焦 投资投资亮点亮点 目前正处于碳纤维发展关键期：（1）轻量化、高性能等特性持续助力碳纤维下游应用领域的快速拓展，我们预计风、氢、光、无人机等领域将推升 2025 年全球碳
21、纤维需求至 26万吨，对应 2022-2025 年全球需求量 CAGR 为 23.5%；（2）全球碳纤维产能扩张速度稳健，碳纤维供需缺口仍将持续存在，我们预计 2025 年缺口达 2.5 万吨；（3）我国成功突破日、美技术封锁，掌握碳纤维核心生产技术，众多厂商具备以 DMSO 为溶液的一步法聚合工艺、兼备湿纺纺丝和干喷湿纺喷丝凝固工艺，国产碳纤维型号覆盖 T300 级至 T1100 级、M35至 M65 级，实现了对日本东丽主要碳纤维型号的对标；（4）2021 年我国碳纤维产能首次超越美国，以 6.34 万吨的总运行产能占据全球 30.5%的比例，成为全球最大产能国，未来全球有望迎来中国盛宴；
22、（5）我们预计 2021-2025 年我国碳纤维产量将从 2.9 万吨增至 11.9万吨，对应 2021-2025 年 CAGR 达 42%，同时 2022 年有望成为国产量超越进口量的首年，我国碳纤维的国产替代有望加速；（6）我们预计 2023 年我国碳纤维主流市场参考价为：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%；（7）我们预计 2025 年较于 2021 年新增产能中，大丝束投放占
23、比高达 67%，在碳纤维产能投放冲击下，T700 级及更高性能的 12K 及以下丝束规格供应商经营前景更广阔。投资投资逻辑逻辑 中长期在碳纤维制造应用多维发展背景下，1）碳纤维渗透率持续提升、2）碳纤维需求持续放量、3）碳纤维供需缺口持续存在、4）国产碳纤维实现与海外产品全方位对标，国产替代加速，这四大趋势均将对国产碳纤维市场增长给予强力支撑，预计将驱动 2021-2025年碳纤维国产量 CAGR 达 42%，行业景气度有望持续向上，同时碳纤维企业盈利有望持续增长。我们首次覆盖碳纤维行业并给予“强于大市”评级我们首次覆盖碳纤维行业并给予“强于大市”评级。重点推荐四条主线：1）光伏、储氢等高价值
24、领域小丝束需求有望随着新能源发展趋势高速攀升，推荐国产小丝束碳纤维产能龙头中复神鹰；2）“十四五”期间军工材料的发展具有高确定性，推荐军民融合碳纤维龙头光威复材；3）风电持续高景气且是推动碳纤维需求增长的第一动力，国产大丝束突破下，推荐大丝束原丝产能龙头吉林碳谷；4）碳/碳、碳/陶等复材在光伏、制动盘、军工等多领域下游驱动下，有望迎来高速增长，推荐光伏碳/碳热场龙头金博股份。风险因素风险因素 行业产能扩张超预期；上游原材料价格大幅上涨；碳纤维在下游领域的渗透率提升不及预期；国产化不及预期。新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款
25、和声明 7 概况概况：轻量化、高性能、广应用的新型材料：轻量化、高性能、广应用的新型材料 碳纤维具备无可比拟的材料优势碳纤维具备无可比拟的材料优势，应用领域及产业链覆盖极广，应用领域及产业链覆盖极广 碳纤维是新一代轻量化高性能的军民两用技术密集型材料。碳纤维是新一代轻量化高性能的军民两用技术密集型材料。碳纤维是单丝直径为 5-10微米、含碳量高于 90%、由碳主链构成的无机纤维，由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴方向堆砌并在高温环境下裂解碳化形成，既具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性。其优良性能包括低密度、高轴向强度与比性能、高耐化学腐蚀性、无蠕变、耐高低温、低且各向异性热膨
26、胀系数、耐疲劳等，被誉为 21 世纪的“新材料之王”。表 1：碳纤维的优良性能 优良性能优良性能 说明说明 低密度 一般碳纤维的密度为 1.75g/cm3，仅为铝（2.7g/cm3）、钛（4.5g/cm3）、钢密度（7.85g/cm3）的 65%、39%和 22%，因此，在相同尺寸的结构件中，用碳纤维分别代替铝、钛和钢将减重约 35%、61%和 77%高轴向强度 强度是指材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力，碳纤维沿纤维轴方向表现出高强度，其径向强度不如轴向强高比性能 强度或比模量（即刚度）与密度的比值分别为比强度和比模量，比模量是确定材料刚度（即抗变形能力）的最有效方法，以碳纤维增强环氧
27、树脂复合材料为例，其比强度、比模量在现有结构材料中是最高的 高耐化学腐蚀性 碳是最稳定的化学元素之一，高含碳量（90%）是碳纤维化学性质稳定，耐腐蚀的主要原因，碳纤维对一般的有机溶剂、酸、碱都具有良好的耐腐蚀性 无蠕变 蠕变是指在应力作用下固体材料缓慢且永久的变形，碳纤维无蠕变 耐高低温 在非氧化气氛条件下，碳纤维可在 2000时使用，且在 3000的高温下不融熔软化，在-180低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧柔软 低且各向异性热膨胀系数 大多数碳纤维在室温下的热膨胀系数为负数，即-(0.5-1.6)10-6K-1，在 200-400时为 0，在小于 1000时仅为1.510-6K-1，
28、碳纤维不易变形和膨胀，能够在温差较大的条件下保持物体原来的形状 耐疲劳 疲劳是指在循环应力下，发生在材料某点处局部的、永久性的损伤递增过程，经足够的应力或应变循环后，损伤累计可使材料产生裂纹，或使裂纹进一步扩展至完全断裂，而碳纤维呈现优良的耐疲劳性与疲劳极限，其使用寿命较长。X 射线透光性佳 碳纤维 X 射线透过性佳的特性有利于其在医疗设备或其他 X 射线系统中的应用拓展 优良导电导热性能 碳纤维具有良好的导电和导热性能，其导热系数为 0.025-0.09Cal/cm s，电阻率为(0.8-1.8)10-3 cm 电磁屏蔽性能优良 碳纤维良好的导电性能使其具有优良的电磁屏蔽能力 资料来源：De
29、xcraft，AnyTesting，高分子网，中信证券研究部 碳纤维大多作为增强材料碳纤维大多作为增强材料与基体材料复合后以碳纤维复材的形式应用在轻量化与基体材料复合后以碳纤维复材的形式应用在轻量化/高强高强/高模高模/高韧性高韧性等领域。等领域。与基体材料（陶瓷、金属、高分子等）复合后的碳纤维复合材料克服了单一组分材料的缺点，提高了整体材料性能，其密度、拉伸强度、拉伸模量、比强度、比模 量 范 围 分 别 为 1.5-2g/cm3、3500MPa、230-430GPa、1750-2333MPacm3/g、153-215GPacm3/g。在相同尺寸的结构件中，用碳纤维分别代替铝/钛/钢将减重约
30、35%/61%/77%，但其强度却被提高至远高于钢材的水平（碳纤维复材的比强度、比模量分别是结构钢的 3-9 倍、65-86 倍），因此碳纤维及其复合材料被广泛应运在能源装备、航空航天、国防军事、土木工程、交通运输、赛车运动以及其他体育休闲等领域中。新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 8 图 1：碳纤维的比强度/比模量与其他材料的对比 资料来源：The fatigue of carbon fibre reinforced plastics-A review（Parvez Alam、Dimitrios Mamalis、
31、Colin Robert 等），中信证券研究部 图 2：碳纤维的广泛下游应用 资料来源：江苏浩瑞恩国际贸易有限公司网站 聚丙烯腈（聚丙烯腈（PAN）基标模碳纤维是市场主流。）基标模碳纤维是市场主流。碳纤维可以按照原丝类型、纤维形态、丝束规格、生产工艺、力学性能等标准进行分类，其中常用的三大分类维度是原丝类型、丝束规格和力学性能：1）按照原丝类型可分为聚丙烯腈（PAN）基、沥青基、粘胶基等，其中PAN 基碳纤维因生产工艺简单、原料来源丰富及优越的拉伸强度迅速占据市场（产量占有率约为 91%）；沥青基碳纤维保持约 1000 吨年产量（日、美企业平分秋色）；粘胶基碳纤维基本停产（有可能完全退出碳纤维
32、市场）。2）碳纤维的应用形态是纤维状丝束，按照丝束规格可分为小、大、巨丝束，以一条丝束内碳纤维单丝的根数进行划分，小丝束碳纤维包括1K、3K、6K、12K、24K 等型号，大丝束碳纤维包括 48K、60K、80K 等型号（目前小、大丝束需求相当），巨丝束包括 100K 及以上型号。3）按照力学性能可分为标模（拉伸模量约 230-265GPa）、中模（拉伸模量约 270-315GPa）和高模（拉伸模量大于 315GPa）。图 3：碳纤维分类 资料来源：2021 全球碳纤维复合材料市场报告（广州赛奥），中国化学纤维工业协会，东丽官网，中简科技招股说明书，中信证券研究部 新材料新材料行业行业碳纤维专
33、题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 9 碳纤维产业链覆盖广，碳纤维产业链覆盖广，完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程：完整的碳纤维产业链包含从原油到终端应用的完整制造过程：上游企业首先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯，并经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝生成原丝之后，通过预氧化、低温/高温碳化等工艺步骤得到碳纤维；碳纤维可随后被制成碳纤维织物、碳纤维预浸料（中间料）、碳纤维复材制件；产业链下游应用主要集中在风电、航空航天、体育休闲等领域。从全产业链来看，中游是核心环节，技术、资金、设备、产品质量门槛高。图 4：碳纤
34、维全产业链 资料来源：中复神鹰官网、招股说明书，光威复材招股说明书，中简科技招股说明书，中信证券研究部 碳纤维碳纤维产业链中游是核心环节，产业链中游是核心环节，技术、资金、技术、资金、设备、设备、产品质量门槛高产品质量门槛高 原丝是生产高品质碳纤维的关键原丝是生产高品质碳纤维的关键，其，其成本成本约约占碳纤维生产成本的占碳纤维生产成本的 51%。通常碳纤维的强度显著依赖于原丝的微观形态结构及其致密性，原丝品质缺陷（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。而原丝成本一般占碳纤维生产成本的 51%左右，高质量原丝用量与碳纤维产出比约为 2.2:1，有效产率约为 45%，而低质
35、量原丝用量与碳纤维产出比约为 2.5:1，有效产率仅为 40%。低质量原丝必然增加碳纤维的生产成本，原丝制备能力将直接影响未来碳纤维的竞争格局。图 5：碳纤维生产成本构成（单位：$/kg 和%）资料来源：赛瑞研究，中信证券研究部 新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 10 溶液纺丝法是原丝生产的大前提溶液纺丝法是原丝生产的大前提，不同环节不同环节多种细分多种细分工艺工艺并存并存。按成纤高聚物的性质不同，纺丝方法可分为熔体纺丝法和溶液纺丝法（即熔液纺丝法）两大类及非常规的纺丝方法，但由于聚丙烯腈（即 PAN）在 220-
36、300 C 时会软化分解，在熔体纺丝过程中处于不稳定状态，因此溶液纺丝更适用于碳纤维原丝的生产，即将成纤高聚物溶解在某种溶剂中，制备成具有适宜浓度的纺丝溶液，再将该纺丝溶液从微细的小孔吐出进入凝固浴或是热气体中，高聚物析出成固体丝条，经拉伸定型洗涤干燥等处理即可得到成品纤维。在溶液在溶液纺丝法的制造纺丝法的制造大大前提下，前提下，按照按照纺丝溶剂的选择、聚合工艺的连续性、纺丝溶剂的选择、聚合工艺的连续性、纺丝原液的凝固方式纺丝原液的凝固方式等，等，可对可对溶液纺丝法溶液纺丝法进进一步细分一步细分：纺丝溶剂：有机溶剂包括 DMSO（二甲基亚砜）、DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）、DMF（N,N-
37、二甲基甲酰胺）；无机溶剂包括 NaSCN（硫氰酸钠）等 聚合工艺的连续性：可以分为一步法、两步法来制备纺丝溶液 纺丝原液的凝固方式：干法纺丝、湿法纺丝和干喷湿纺（即干湿法纺丝）原丝工艺壁垒原丝工艺壁垒在于在于聚合环节聚合环节，一步法和两步法各有优缺点。，一步法和两步法各有优缺点。聚合物的分子量及其分布不仅直接影响纺丝液的流变性和可纺性，还在一定程度上影响 PAN 原丝的性能和质量，具有较高的分子量以及适合的分子量分布是生产优质 PAN 原丝的基本要求。一步法采用均相溶液聚合工艺，聚合纺丝一条线，工序较少，操作性强，可控性好，产品起步性能高，但胶状PAN 不易保存，更适合连续平稳的生产，成本较高
38、。两步法生产工艺额外增加水洗过滤步骤以去除聚合物中的杂质和各种金属离子，进而提高纺丝原液聚合物分子量和浓度上限，其粉末状 PAN 纯度较高且储存周期长。两步法聚合工艺可实现连续进料、耗时短，并且由于聚合釜大（水相反应更均匀）能实现更大的产量，但产品起步性能低。因此，一步法与两步法不能简单对比评价，聚合工艺的选择需要综合研判。表 2：一步法和两步法对比 两步法两步法 一步法一步法 特点特点 工艺相对复杂，水相沉淀聚合得到 PAN 固体粉末后经粉碎、烘干等工序后再溶解产生纺丝原液。水相聚合可以获得溶液聚合不能得到的高分子量 PAN，溶解得到的原液可用于纺丝的 PAN 原液范围广，提高了纺丝原液聚合
39、物分子量和浓度上限 均相溶液聚合工艺，流程较短，工序较少，操作性强，可控性好，利于获得高质量的 PAN 原丝。溶剂介质既能溶解单体又能溶解聚合体，聚合纺丝一条线 工艺区别工艺区别 溶剂溶剂 DMSO、DMF、DMAc DMSO、DMF、DMAc、NaSCN、ZnCl2 优点优点 1）纺丝原液聚合物分子量和浓度上限高；2）粉末状 PAN易储存；3）可实现连续进料；4）耗时短（反应时间 3.5h）；5）产量大；6）成本低 1）工序少；操作性强，可控性好；2）产品起步性能高 新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 11 两步法
40、两步法 一步法一步法 缺点缺点 产品起步性能低 1）胶状 PAN 不易保存；2）灵活性不强，更适合连续平稳的生产；3）耗时长（反应时间 10h 以上）；4）成本高，产量小 资料来源：吉林碳谷向不特定合格投资者公开发行股票说明书，中信证券研究部 注：优缺点信息来源于中信证券研究部产业调研 碳纤维生产流程复杂碳纤维生产流程复杂，技术关键点多技术关键点多，预氧化预氧化是核心是核心。碳纤维生产全过程连续走丝，涉及 3000 多个工艺点，任何一道工序出现些许问题都会影响生产的稳定性和最终产品的质量。原丝到碳纤维制成的中间环节包括预氧化、碳化、石墨化（非必要，制备高模碳纤维的额外步骤）、表面处理、上浆、烘
41、干等步骤：1）预氧化主要包含 PAN 分子链上的侧基CN 环化交联过程，即 PAN 分子链由原来的热塑性线形结构转变成非塑性耐热梯形结构，同时抑制热解小分子的产生以提高碳纤维的性能和碳化收率，保证 PAN 原丝在预氧化过程中形成合适的环化结构是获得理想碳纤维的最基本因素；此外，预氧化时间占碳纤维总生产时间的90%左右，极大程度上控制着碳纤维的质量和产量；2）预氧化和后续的碳化/石墨化环节是制备高性能碳纤维的关键，直接决定碳纤维的强度和模量；3）表面处理影响碳纤维性能的发挥；4）上浆可形成有机保护层，减少碳纤维起毛断丝现象。图 6：碳纤维生产流程 资料来源：中复神鹰、光威复材、中简科技招股说明书
42、，国产高性能 PAN 基碳纤维制备技术研究进展（刘瑞刚、徐坚），Preparation and Characterization of PAN-based Carbon Fiber with Carbonization Temperature（Hyun Jae Lee、J.Won、S.Lim 等），中信证券研究部 新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 12 原丝和碳纤维生产设备原丝和碳纤维生产设备要求高要求高。原丝到碳纤维生产过程中用到的设备较多，主要有：原丝设备（聚合釜、喷丝板等）、纺丝设备（碳纤纺丝机、蒸气牵伸机、
43、水洗机等）、预氧化设备（预氧化炉、前期驱动装置）、碳化炉（分为低温和高温碳化炉，与之配套的是非接触式迷宫密封装置、加热系统、废气排出和处理系统以及牵伸装置）、石墨化炉等。整体来看，1）原丝生产设备目前国产化程度低，碳纤维生产设备目前部分厂商仍然使用进口设备，进口设备与国产设备在 T700 级别性能没有明显差异，真正差距在更高级别；2）原丝单万吨设备投资为 2.1-2.2 亿，其中聚合釜占 1.5-1.6 亿，碳纤维生产单万吨设备投资（针对风电用碳纤维）约为 7 亿，其中炉体占 50%；3）设备部分进口、部分国产对产品的一致性有影响，兼容设计需要运行经验。表 3：原丝和碳纤维生产设备情况 领域领
44、域 特点特点 原因原因或解释说明或解释说明 原丝 目前国产化程度低 1）获取进口设备难度低；2）原丝生产设备相比碳纤维生产设备价值量低 单万吨投资 2.5-2.7 亿，设备占 2.1-2.2 亿，其中聚合釜 1.5-1.6 亿 碳纤维 目前部分厂商仍然用进口设备 进口设备与国产设备在 T700 级别性能没有明显差异，真正差距在更高级别 1）T700 与 T300 对设备温度的要求没有本质区别，预氧化炉与低温碳化炉可以通用；2）高温碳化炉 T700 温度要求比 T300 高50左右，主要性能差异在于原丝方面 单万吨投资（针对风电用碳纤维）约为 7 亿，其中炉体占 50%1）国外炉体比国内价格高
45、20%；2）其他设备（如收丝机）国内已经比较成熟，成本较低，海外价格会更高，整条产线会高近 30%部分进口、部分国产对产品的一致性有影响 1）部分企业通过采购整套设备，掌握相应原理结构后，设备采取组装的方式；2）部分企业采购部分设备，其余自己配套；3）整条生产线的兼容设计需要运行经验，对新企业难度大 对专业的设备制造厂要求更高 1）生产大丝束对温度要求相对不高，但是对单条产线运行速度，包括炉宽、炉形高度要求更高；2）生产小丝束对升温曲线，最高温度及温控精度的要求更高 资料来源：中信证券研究部产业调研 中游碳纤维制造厂商原丝及碳化工艺中游碳纤维制造厂商原丝及碳化工艺指标差距较大指标差距较大，东丽
46、，东丽技术领先技术领先全行。全行。目前，海内外碳纤维重点企业均以自制原丝为主，以日本东丽为首的多数企业采用以 DMSO 为溶剂的一步法聚合工艺。喷丝凝固工艺方面，干喷湿纺法较湿纺存在明显的效率优势，其中日本东丽的干喷湿纺法纺速领先，达 700m/min，国内企业大多掌握干喷湿纺法，其中光威复材及中复神鹰原丝纺速可超 500m/min。碳化阶段，国内企业碳化线速约为 10-13m/min，碳化单线产能最高达 3000 吨/年，接近日本东丽 4000 吨/年的单线产能。成型工艺方面，日本东丽公司成型工艺储备领先行业，能够根据客户需求开发成型工艺。国内企业对缠绕成型的掌握度较高，热压成型、RTM、模
47、压成型技术亦逐渐成熟。新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 13 表 4：碳纤维制造公司生产工艺对比 公司公司 原丝阶段原丝阶段 碳化阶段碳化阶段 设备国产设备国产化率化率 碳纤维碳纤维 复材工艺复材工艺 是否自制是否自制 聚合工艺聚合工艺 喷丝凝固喷丝凝固工艺工艺 纺速纺速 碳化速度碳化速度 单线碳化产能单线碳化产能 非中国大陆地区企业 日本东丽 是 DMSO为溶 剂 的 一步法 T700、T800 和 T1000 采用干喷湿法纺丝，其他为湿法纺丝 700m+/min/4000 吨/年/热压罐成型（AC）、片状模塑料
48、（SMC）、树脂传递模塑成型（RTM）、直接胶带插入式注塑成型 日本东邦 是 ZnCl2为溶剂 的 一 步法 湿法纺丝/注塑成型 三菱丽阳 是 DMF 为溶剂 的 一 步法、DMAC 为 溶 剂 的两步法 干喷湿法纺丝/模压成型 Hexcel 是 NaSCN 为溶 剂 的 一步法 干喷湿法纺丝/模压成型 陶氏 是 DMAC为溶 剂 的 两步法/中国大陆地区企业 光威复材 是 DMSO 为溶剂的一步法 湿纺、干喷湿法纺丝 70-150m/min（湿纺）；500m/min（干喷湿纺）10m/min（湿纺），12-13m/min（干喷湿法）2000 吨/年（包头一期）/零漆胶热压罐成型、缠绕成型 恒
49、神股份 是，但目前向吉林系购买部分 DMSO 为溶剂的一步法 湿纺、干喷湿法纺丝 100 m/min（湿纺）/1000 吨/年/树脂传递模塑成型（RTM）、缠绕成型 中简科技 是 DMSO 为溶剂的一步法 湿纺、干喷湿法纺丝 130 m/min（湿纺）10m/min 1000 吨/年（千吨线）98%/中复神鹰 是 DMSO 为溶剂的一步法 干喷湿法纺丝 400m/min（西宁一期）；550min/min（西宁二期）3000 吨/年（西宁二期）85-90%缠绕成型、RTM（研发中）、热压罐成型（研发中）、模压成型（研发中）吉林碳谷 是 DMAc为溶剂的两步法 湿法纺丝；有结合两步法纺丝液的干喷湿
50、纺技术储备 100 m/min（湿纺）/资料来源：关于中复神鹰碳纤维股份有限公司首次公开发行股票并在科创板上市之战略投资者核查事项的法律意见书，中复神鹰 2022 年半年报，中简科技招股说明书，中简科技调研披露，光威复材业绩交流，恒神股份官网，纺织导报，吉林碳谷招股说明书，东丽官网，东邦官网，Hexcel 官网，陶氏官网，中信证券研究部 新材料新材料行业行业碳纤维专题报告之一碳纤维专题报告之一2022.11.29 请务必阅读正文之后的免责条款和声明 14 碳纤维复材碳纤维复材成型成型工艺的选择，必须同时满足材料性能、产品质量和经济效益等多种因素。工艺的选择，必须同时满足材料性能、产品质量和经济
