（报告出品方/作者：财通证券，佘炜超、赵璐）
1 碳纤维： 性能优异、应用广泛的“黑色黄金”
1.1 碳纤维的特点及分类
碳纤维是一种高强度高模量的耐高温纤维，由粘胶、腈纶、芳纶、聚酰亚胺等纤 维在高温下烧制而成，属于化纤的高端品种。从结构上看，碳纤维主要由碳原子 构成，直径约5-10微米，在碳纤维的烧制过程中碳原子在晶体中被键合在一起， 产生平行排列的纤维长轴，赋予了碳纤维“外柔内刚”的特性，轻于铝，却强于铁。 碳纤维的优良性能包括轻质、高强度、高模量、热膨胀系数小、导热性好、耐化 学腐蚀性好、耐磨性好、耐高温性好、阻尼突出、具有优良的透声纳、高 X射线 透射率、疲劳强度高等。碳纤维也因其优良的性能而被广泛应用到航空航天、汽 车工业、风电行业、建筑行业、交通运输、运动器械制造等领域。 目前对于碳纤维的分类主要有三种方式，分别是从原材料、产品规格、力学性能 角度出发：
1）按原材料分类：可以分为聚丙烯腈基碳纤维（PAN-CF，市场主流碳纤维）、 沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、磺化聚乙烯基碳纤维、木质素与 PAN 混合基碳 纤维；
2）按产品规格分类：可以将碳纤维分为大丝束和小丝束，48K 以上碳纤维称为 大丝束碳纤维，主要分为 48K、60K、80K 等，目前主要应用于工业领域如纺织、 医药卫生、交通运输、土木建筑和能源等。小丝束碳纤维主要分为 1K、3K、6K， 后又发展为 12K 和 24K，主要应用于国防军工等高科技领域（如飞机、导弹、卫 星等）以及体育休闲用品（如渔具、球拍等）；
3）按力学性能分类：可以分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为 1400MPa、模量在 140GPa 以下。高性能型碳纤维又分为高强型和高模型，其中 称强度大于 4000MPa 的为超高强型；模量大于 450Gpa 的为超高模型。
1.2 碳纤维的产业链
碳纤维的产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。从石油、煤炭、 天然气均可得到丙烯；丙烯经过氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得 到聚丙烯腈（PAN）原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，碳纤 维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，作为生产碳纤维复合材料的原材料；碳纤 维经过与树脂、陶瓷等材料结合，形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得 到下游客户需要的最终产品。
2 需求端： 风光氢驱动需求，大丝束占比不断提升
2.1 全球及中国碳纤维应用领域对比
2021 年，全球碳纤维市场需求量为 11.8 万吨。风电虽然仍是下游最大占比，但 同比增速回落至 7.8%。体育用品需求同比 2020 年增长幅度高达 20%，回到全球 第二大需求市场。压力容器虽然很多仍是小批量需求，但依然保持 25%的较高速 增长。碳碳复材受光伏行业驱动，依然保持 70%超高增速，航天航空基本同比持 平。
相比之下，国内风电叶片、体育休闲、热场材料等工业领域应用占比更高，航 空航天、汽车等领域占比较小。2021 年，国内碳纤维需求总量约为 6.24 万吨， 体育复材的领导地位再次被风电大幅超越，而碳碳复材、压力容器成为迅速崛起 的新星。
从全球碳纤维需求量看，中国占比不断增加，从 2011 年的 21%增加至 2021 年的 53%。展望未来，根据赛奥碳纤维技术预测，预计到 2025 年全球碳纤维需求量 将达到20万吨（4年CAGR=14%），到2030年达到40万吨（5年CAGR=14.8%）。 预计到 2025 年，国内碳纤维需求量将达到 15.9 万吨（4 年 CAGR=26.4%）。
从产品结构看，大丝束占比明显提升。根据赛奥碳纤维技术，2021 年大丝束产 品份额与小丝束相当，大约均占比 43%，相比之下，2018 年占比仅为 32%，大 丝束占比的不断提升，反映的是 2021 年民用航空市场的疲软以及风电市场的持 续增长。而对于碳纤维工业应用而言，成本尤为重要，大丝束是降低成本的主要 路径，不仅可以通过低成本扩大工业应用领域，也会不断吞噬成本敏感的小丝束 传统市场。
2.2 风电：风电叶片大型化发展，静待碳纤维经济性显现
风电是当前碳纤维最大下游需求来源。2021 年全球风电碳纤维用量约为 3.3 万吨， 占全球碳纤维总需求比重 28%。国内风电叶片领域碳纤维需求量为 2.25万吨，占 国内碳纤维需求总量的 36.1%。根据国际风力发电网，碳纤维在风电叶片中的主 要应用部位为主梁，与同级别高模玻纤主梁相比，采用碳纤维可实现减重 20- 30%。以 122 m 长叶片为例，叶片重量的减轻可以大幅降低因自重传递到主机上 的载荷，进而可以减少轮毂、机舱、塔架和桩基等结构部件 15% ～ 20%的重量， 有效降低风机 10%以上的整体成本。此外，风机的输出功率也更加平稳均衡、 运行效率更高，由于碳纤维的抗疲劳性较高，因此还可以延长叶片的生命周期， 降低日常维护费用等综合成本。
从工艺上看，碳纤维复合材料主梁的成型工艺主要有碳纤维织物真空灌注、预浸 料成型、拉挤工艺 3 种。其中前两者在叶片中应用较早，技术成熟，但随着叶片 大型化对重量要求提高，拉挤工艺逐渐成为主流。风电厂商维斯塔斯自 2015 年 最早将拉挤工艺应用于叶片上。这种设计理念把整体化成型的主梁主体受力部分 拆分为高效低成本高质量的拉挤梁片标准件，然后把这些标准件一次组装整体成 型，极大地推动了碳纤维在风电领域的应用。近年来，中材科技、时代新材、中 复连众、艾朗等叶片厂家，以及金风科技、三一重工、明阳电气、上海电气等主 机厂均陆续发布了使用碳纤维或碳玻混合拉挤大梁叶片。
目前风电叶片市场上，玻纤与碳纤仍然存在一定竞争， 中 材 科技 发 布 SINOMA85.6 的全玻纤海上风电叶片并于 2020 年在福建兴化湾装机使用。2022 年 3 月，株洲时代最新发布的 TMT185 叶片，长达 91 米，全部使用玻璃纤维而 非碳纤维。碳纤维的减重优势非常明显，但在碳纤维供不应求的情况下，经济性 问题在一定程度上阻碍了在风电领域的应用。虽然如此，但总体上风电领域应用 前景依然光明，根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025 年全球风电叶片对碳纤维 需求将达到 8.06 万吨，复合增长率为 25%。
2.3 体育休闲： 我国占全球体育休闲碳纤维用量 9 成以上，预计未来 平稳增长
根据赛奥碳纤维技术数据，2021年，国内体育休闲领域碳纤维用量为1.75万吨， 约占全球 1.85 万吨使用量的 94.6%。相比于传统的金属结构件，碳纤维产品具备 不易变形、质量轻的优点。一般使用 T300 级碳纤维就可以满足体育休闲用品的 需求，但为了提升产品性能，部分产品也也开始使用 T700 级甚至更高性能碳纤 维。总体上看，体育休闲领域产品类别广泛，对碳纤维需求成高低端并存局面。 目前，国内需求以 T300、T700 级为主，包括少量 T800 级和高模量。规格上以 3K、12K 等小丝束为主。 受全球疫情影响，2020 年群体运动器材对碳纤维需求有较大幅度下滑，个人体 育休闲器材需求上升，随着各国防控措施优化，群体运动器材恢复较高速增长。 根据赛奥碳纤维技术预测，预计到 2025 年体育休闲领域碳纤维需求量将达到 2.25 万吨，复合增长率为 5%。
2.4 碳碳复材： 光伏产业蓬勃发展，驱动碳/碳复合材料市场需求
碳/碳复材是以碳纤维为增强相的碳基复合材料，是目前极少数可以在 2000 ℃以 上保持较高力学性能的材料，主要应用于三大领域：刹车盘、航天部件、热场部 件 。1） 刹 车盘市 场 ：目前国际企业 主要 包括法 国 Messier-Bugatti、美国 Honeywell、英国 Dunlop 等。国内飞机刹车盘企业主要有北摩高科、中航飞机股 份有限公司西安制动分公司、博云新材、西安超码等，目前市场较平稳发展；2） 航天部件：目前碳碳复材以其优异性能成为大型固体火箭喉衬、发动机的喷管、 扩散段、端头帽等的首选材料。3）热场部件：主要用于单晶硅炉内，包括碳毡 功能材料和坩埚、保温桶、护盘等结构材料，正在快速形成晶硅制造热场系统中 对石墨材料部件的进口替代与升级换代。国际企业主要包括 SGL、日本东海碳素 公司等，国内企业主要包括金博股份、西安超码等。由于光伏及半导体行业的技 术迭代，硅片也在向高纯度、大尺寸发展，因此热场系统应用中，碳碳复材产品 向高纯度、大尺寸的方向发展也是必然趋势。 根据赛奥碳纤维技术数据，2021 年我国热场材料碳纤维需求量为 0.7 万吨，占全 球碳碳复材碳纤维需求量（0.85 万吨）的 82.3%。2021 年全球碳碳复材碳纤维需 求量 0.85 万吨，同比 2020 年增长 70%。根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025 年 全球碳碳复材碳纤维需求量将达到 2.4 万吨，复合增长率为 30%。
2.5 压力容器：氢能源市场的崛起推动储氢瓶的发展，长期潜力巨大
根据赛奥碳纤维技术数据，2021 年，全球压力容器碳纤维需求量为 1.1 万吨，其 中，我国压力容器碳纤维用量约为 3000 吨，占全球比重约为 27%。全球压力容 器对碳纤维的需求依然主要在欧美，例如 2021 年我国最大气瓶企业碳纤维用量 约为 800 吨，而国际巨头 LUXFER 约为 2400 吨，Hexagon Lincon 约为 3200 吨。 从压力容器碳纤维下游需求构成看，储氢瓶未来潜力最大。其中，呼吸气瓶用 量大约为 600 吨，CNG 气瓶大约 500 吨，储氢气瓶用量约为 1900 吨，占比超过 一半。预计未来数年，呼吸气瓶会保持较稳定增长，但受基数影响增长有限， CNG 气瓶的用量在未来 3 年会保持较高速增长，但 2025 年增速或有所减缓，储 氢瓶未来增长潜力较大。 当前市场中的新能源汽车通常采用高压储氢的方式，车载高压气态储氢气瓶中塑 料内胆纤维缠绕瓶（IV 型）凭借着其质量轻、耐疲劳的特点成为全球市场的研 究热点。根据我国氢能产业发展中长期规划（2021-2035年），2025年氢燃料电池 车保有量约为 5 万辆。一般而言，根据赛奥碳纤维技术，重卡储氢瓶容量约为 210-385L，单瓶碳纤维用量再 40-45kg，单车配置6-8个瓶组，最大重卡碳纤维用 量可达500kg。根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025年全球压力容器碳纤维需求 量约为 2.28 万吨，复合增长率为 20%。
2.6 航空航天： 疫情及生产问题拖累需求，预计平稳恢复
航空航天是高性能碳纤维的重要下游需求。根据赛奥碳纤维技术、Cirium 数据， 2021 年，全球商用飞机交付量达 1034 架，同比增长 28.6%，新增确认订单 1647 架，约为 2020 年的 2.7 倍。宽体飞机方面，根据波音公司网站信息：2021 年年 中，波音 787 被查出存在生产缺陷并暂停交付，全年仅交付 14 架波音 787。远低 于 2020 年 53 架的交付量，以及疫情前上百台年交付量。空客 2021 年 A 350 交付 量为 55 架，依然较为低迷。总体上看，由于主要需求来源较为低迷，虽然商用飞机需求表现较好，但总体需求与 2020 年基本持平。但预计随着生产问题解决， 以及疫情好转，航空航天需求将稳步恢复。根据赛奥碳纤维技术预测，预计 2025 年全球航空航天碳纤维需求量约为 2.06 万吨，复合增长率为 5.8%。
3 供给端： 全球产能加速扩张，大丝束产业化布局 开启
3.1 全球: 产能扩张加速，中国跃升为第一大生产国
碳纤维行业的技术、资金和产品验证门槛高，大多数企业都拥有较为悠久的历史， 企业数量有限。2011-2021 年，全球碳纤维产能从 9.3 万吨增加至 20.7 万吨，年 均扩产约 1.14 万吨。2021 年以前扩张产能主要来自日本东丽、Zoltek、Hexcel、 SGL 等国外厂商。
2021 年，全球新增产能主要来自于中国：根据赛奥碳纤维技术，吉林化纤集团 增长近 16,000吨(含收购江城的产能)；常州新创碳谷新入行，新建产能 6000吨；卓尔泰克在墨西哥增加的3000吨；中复神鹰增加的8000吨（老厂有产能调整）， 宝旌增加 2,000 吨; 东邦增加了 1900 吨。 根据赛奥碳纤维数据，2021 年中国大陆地区首次超越美国，成为全球最大产能 国，且从扩产计划上看，预计我国将在产能上有望较长期保持第一的地位。
展望未来，从各厂商公布计划看，中国企业扩产计划宏大，将拉动全球碳纤维 产能快速扩张。根据赛奥碳纤维技术《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》， 2022 年已经宣布并在进行中的扩产有：吉林 27,000 吨（2022 年完成）,宝旌 21,000 吨 (2023 年完成) ，中复神鹰 14,000 吨（2023 年完成）,上海石化 12,000 吨 （2023 年完成）,新创碳谷 12,000 吨（2022 年完成），光威包头 4,000 吨（2022 年 完成）, ZOLTEK 6,000 多吨(2023 年完成)，DOWAKSA 1,800 吨(2022 年完成), 韩 国晓星 2,500 吨（2022 年完成）。 此外，根据中简科技公开投资者调研纪要，按照公司三期项目（1500 吨）预计 将在 2024 年全部完成。
碳纤维产能折算过程中存在的问题？ 前文使用的“运行产能”概念，主要是为了反映实际运行产能，区别于理论产能， 但依然无法完全反映厂家的真实产能。主要原因在于一些企业兼顾生产 1K-6K 的小丝束企业，一般也会按照 12K 的惯例来折算产能。例如，在相同生产宽幅 与生产速度下，3K 与 12K 的产能显然有很大区别。根据赛奥碳纤维技术，一条 产线若生产 3K 的产能为 300 吨，折算成 12K 约为 1000 吨，因此这样折算的结果 就是总产能与产出之间会存在较大差距，导致“达产率”低的误解。根据赛奥碳 纤维技术《2021 全球碳纤维复合材料市场报告》，若按照实际小丝束企业 3-6K核 算产能，预计全国运行产能数据要扣除 0.8-1 万吨（即对应实际产能 5.34-5.54 万 吨）,而在实际生产过程中，目前国内绝大部分产线是按照设计产能（含改造） 的 90%以上生产，逐渐趋近于国际水平，但满负荷生产的产线产品性能和质量 稳定性仍有较大提升空间。 总体上看，即使刨除折算带来的误差，我国产能依然处于全球首位。而根据前文 我们的初步统计，从扩产计划上看，预计我国将在产能上有望较长期保持第一的 地位。 而 2021 年虽然中国碳纤维产能增长很快，但市场依然较为紧张，主要原因是吉 林化纤、中复神鹰、新创碳谷等产能建设主要是在下半年及年底完成，因此这 些产能实际在 2022 年才会得到充分释放。
3.2 国内：碳纤维进口总量仍然高于国产量，大丝束开启产业化布局
2021 年国内碳纤维仍然供不应求，进口占比（53%）依然较高。国内碳纤维供 应可以分为进口、国产供应两部分。2021 年，我国碳纤维总需求为 6.24 万吨， 同比 2020 年 4.89 万吨增长 27.7%，其中进口量为 3.31 万吨，同比增长 9.2%，国 产碳纤维供应量为 2.93万吨，同比增长 58.1%。总体上看，2021年进口和国产碳 纤维仍然处于供不应求。
从国内市场竞争格局看，目前国内碳纤维企业集中于国企，占比约 80%，民企 占比约 20%。国内领先碳纤维企业主要包括中石化（上海石化）、中国建材（中 复神鹰）、中国宝武（宝旌碳纤维及太钢钢科）、中化集团（蓝星）、陕煤（国企， 恒神）、吉林化纤（国企），民营企业主要包括光威复材、中简科技、新创碳谷。 2021 年，全球产能排在前十的厂家中，吉林化纤、中复神鹰、宝旌等三家来自 中国大陆，台塑来自中国台湾。总体上看，国内产能主要集中于国企，民营企业 占比较低。
从产品结构看，长期以来，我国主要在小丝束碳纤维方面实现突破。根据南京 日报，目前国内每束碳纤维基本处于 1-12K 之间，即以小丝束为主。但由于小丝 束成本较高，因此抑制了下游企业应用碳纤维的积极性。 业内通常将每束碳纤维根数在 48K以上的碳纤维称为大丝束。随着我国首个万吨 级 48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料 开车，标志着我国大丝束碳纤维开启产业化布局。 此前大丝束碳纤维生产技术主要掌握在美国、德国、日本的几家大公司手中。中 国石油化工集团有限公司（以下简称中国石化）、成为国内最早掌握大丝束碳纤 维技术的企业之一。此外，吉林化纤也是目前较早 48K 大丝束的优势在于在相同 工艺条件下，能够大幅度提升碳纤维单线生产能力，而如果控制得好，质量性能 也能得到保证，从而实现低成本，打破碳纤维高价带来的应用局限。
4 碳纤维的经济性分析
4.1 成本构成：原材料及设备占比最高，预氧化是决定生产速度和效 率的关键
从工艺流程看，PAN 原丝成本占比近一半，其次为氧化、碳化环节。碳纤维的 制备工艺主要包括丙烯晴聚合物溶液制备、PAN 原丝制备、PAN 纤维预氧化及 热稳定化、PAN 预氧纤维碳化、表面处理等。大多数碳纤维厂商从采购丙烯腈 开始进入碳纤维产业链。PAN 基碳纤维制备的核心是原丝制备技术。碳纤维制备 过程中，原丝制备占成本比例较高，接下来分别是氧化、碳化环节。因此，从各 环节成本构成看，PAN 原丝成本占比近一半，其次为氧化、碳化环节占比较高。 此外，通过规模化生产，可以实现在相同时间及能耗下更大的丝束通过量，降低 总体生产成本。根据中科院宁波材料所特种纤维事业部数据，通过生产规模的扩 大，可以将碳纤维生产成本从 9.88 美元/公斤基础上降低 2.03 美元/公斤（对应降 幅约为 20.5%）。
从生产要素看，原材料依然是最主要成本，设备、人力成本其次。碳纤维的制 备成本主要包括原丝生产成本、装备设施折旧、劳动力、能耗等。根据 Sandia National Laboratories 数据，以 50K 碳纤维为例，其中 45%成本来自于原丝生产， 37%的成本在于装备设施折旧费用。除上述成本以外，还有环境安全、质量安全、 产品质量稳定性等影响碳纤维价格的多种因素。 在后续各主要生产环节中，氧化环节本占比最高，占总成本比重 18%，也是对固 定资产、能耗要求最高的工艺环节，占固定资产投资的 22.6%。此外，氧化也是 决定生产速度和产出效率的关键步骤。氧化炉是耗时最长的生产环节，根据蓝鲸 腾飞，如果生产碳纤维全过程需要 88min， 其中预氧化时间大约需 80min，约占 总生产时间的 90%左右，因此如何在保证质量的前提下，缩短预氧化时间，也是 提升产量和降低成本的重要方式之一。
4.2 海外降本之路： 90 年代经历大幅下降后趋于稳定，设备、能源是 关键因素
根据 Tim Ellringmann 等人对过去发布的碳纤维成本模型的统计，去除通胀因素 影响，碳纤维生产技术在 90 年代取得很大改进。Goss 在 1986 年的统计数据显示， 碳纤维单吨生产成本达 42.8 美元/kg，而 2000 年以后，碳纤维成本稳定在 18-25 美元/kg 之间。 分生产要素看，2000 年以后虽然原丝成本波动幅度较大，但由于技术水平的提 升，90 年代期间还是实现了较为可观的降幅。而最主要的还是设备、能源成本， 在 90 年代大幅下降后趋于稳定，相比之下，人力成本整体成上升趋势。
分生产环节看，原丝环节占据主要份额且占比逐渐提升，氧化、碳化、上浆成 本占比皆有所减少。
根据海外碳纤维降本的历史经验，我们可以发现，1）通过技术水平的提升，单 吨原材料消耗可率先实现一定程度的降本，但降本幅度有限，且后续波动较大， 主要系原材料为大宗商品，价格受供需影响较大，影响因素较为复杂。2）设备、 能源是实现大幅降本的关键生产要素，且降本后趋于稳定，而从生产环节看， 氧化、碳化是压缩生产成本的关键，因此与其相对应生产环节的设备、能耗是 实现降本的关键。3）人力成本整体成上升趋势，可降低空间有限。
4.3 国产碳纤维： 成本具备进一步下降空间
从中复神鹰和我国主要企业碳纤维产品结构看，国内碳纤维产品主要为小丝束， 但相比而言，大丝束生产更有利于降低成本，因此随着我国大丝束产能扩张，我 国碳纤维生产成本优势有望进一步凸显。 从各类生产要素占比看，2021H1 公司直接材料、人工成本、设备折旧、能源等 在生产成本中占比分别为 33%、16%、12%、28%，相比海外，国内能源消耗占 比较高，设备成本占比较低。
4.3.1 原材料：碳纤维随原材料及原油价格波动幅度逐渐减弱
碳纤维的主要原材料为丙烯腈、二甲基亚砜等大宗化工原料。根据华经产业研究 院数据，2020 年我国丙烯腈表观消费量为 247.83 万吨，同期丙烯腈进口量为 30.66 万吨，出口量为 12.72 万吨。2014-2017 年我国丙烯腈进口量逐年下降，主 要系国内新增产能释放以及下游需求增速放缓。2020 年以来进口量再次下降主 要系山东海江、斯尔邦二期、浙江石化等新产能陆续释放，国内自给率不断提升。 丙烯腈由丙烯与氨水经过氧化反应和精炼工艺制造而成，广泛用在合成纤维、合 成橡胶、合成树脂等工业生产中，国内丙烯腈主要产能集中在中石化、中石油等 所属企业，民营企业江苏斯尔邦、山东海江化工、浙江石化产能也居前。 从历史价格看 ，进口和国产丙烯腈价格基本与原油价格走势相一致，但波动幅 度小于原油。
而从碳纤维与原材料价格相关性看，1）进口：2017 年以前进口碳纤维价格与丙 烯腈价格高度相关，近年来相对原材料波动幅度明显减弱。2）出口：出口碳纤 维量较小，单月价格波动幅度较大，趋势基本与原材料走势一直。此外，原材料 端，随着国内近年来丙烯腈产能释放，丙烯腈价格从原来高于进口价逐渐趋近 于与进口相一致。
4.3.2 能源：单吨电力费用逐渐下降，低电费地区扩产有望实现能源成本进 一步下降
电费在碳纤维制造费用的主要构成之一，随着国产碳纤维产能利用率提升，生产 工艺不断完善和成熟，稳定性及管理水平提升，产品合格率提升，使得有效产出 提高，单位电耗不断下降。同时，随着光威复材、中复神鹰在电价更低的内蒙古 和青海西宁扩产，进一步推动电费下降、制造成本的降低。
4.3.3 设备： 增加炉幅宽度可提高产能和能源效率
设备是提升生产效率、减少资本开支、降低综合成本的关键。例如，在给定单丝 密度、丝束大小和碳化时间的条件下，碳化炉幅越宽，则丝束数量越多、碳化线产能越大；氧化线越宽，氧化环节的单位能耗越低。设备规格一定时，通过既有 设备改造和工艺优化手段，也可以提高生产线速度、提升产能和能源效率。
4.3.4 技术进步： 产能利用率与单位生产成本不断下降
刨除此前提到的原材料、电费、设备等因素外，技术进步是促进近年来碳纤维单 位生产成本降低的根本因素。近年来，碳纤维生产企业产能利用率不断提升，单 吨生产成本不断下降，毛利率水平不断提高。
一方面，过去，我国由于技术瓶颈，生产线运行及产品质量极不稳定，导致“有 产能、无产量”的现象，但经历数十年发展与落后产能出清，目前我国碳纤维的 产能正在实现快速增长，产销率也在向国际水平靠拢，逐渐摆脱低产能利用率的 问题，规模化生产和良品率的提升，降低了单位产品的生产成本；另一方面，中 简科技、光威复材等企业军品销售占比较高，军品相比民品对于质量及稳定性、 良品率要求更高。如中简科技，随着军品订单的增加，在销售价格相对稳定的情 况下，规模化助力了单位成本的的下降。
4.3.5 碳纤维降本推演：国内生产成本或有近 20%下降空间
这里我们对国产碳纤维生产成本做初步的推演和测算。鉴于数据的可得性，这里 我们以 Z 公司的历史数据为例进行行业的测算，但不代表对企业的观点，假设如 下：
1） 产能：根据公司年报，截至 2022 年 6 月 30 日，公司产能为 1.45 万吨/年，包 括连云港生产基地 3500 吨年产能以及西宁万吨项目于 2022 年 5 月投产的 1.1 万吨年产能。目前，西宁二期项目正处于建设阶段，各厂房已封顶，预计到 2022 年底至 2023 年期间各产线陆续建成投产。公司是国内较具有代表性的 碳纤维企业，结合前文对各碳纤维企业的统计，预计到 2025 年国内主要企业 产能会有大幅扩张，规模效应将逐渐显现。
2） 直接材料：生产碳纤维的主要原材料为丙烯腈等化学原料。受国内产能释放 以及需求端疲软影响，2020 年丙烯腈价格已有较大幅度下滑，2021 年下游需 求回暖，带动丙烯腈价格高涨。截至 2022 年 12 月 16 日，CCFEI 丙烯腈价格 指数为 9400 元/吨，相较于 2021 年 6 月 30 日 14700 元/吨已回落 36%。考虑 到丙烯腈价格波动幅度较大，影响因素较为复杂，这里我们使用 2021-2022 年丙烯腈价格平均值作为 2025 年原材料价格的假设，即相较于 2021H1 下降 14%。
3） 直接人工：2020 年，公司疫情期间 Z 公司享受了阶段性减免社会保险费的政 策，导致人工成本下降所致。刨除这一因素外，2021H1 与 2019 年直接人工 成本单耗基本持平，较 2018 年小幅提升。人工成本单耗主要受两方面影响， 一方面是规模效应带来的对单吨人工成本的减少，另一方面，是劳动力成本 的提升。总体上，我们假设短期内直接人工单耗成本不变。
4） 能源消耗：生产单吨碳纤维的电力成本=单吨耗电量*电力单价。1）单吨耗 电量：从历史数据看，碳纤维生产单吨耗电量约为 2.67-2.97 万度，这里我们假设随着规模效应显现，未来单吨耗电量贴近下限，为 2.67 万度/吨。2）电 力单价：根据北极星智能电网在线、全国能源信息平台数据，2021 年 Z 公司 所在江苏省大工业用电价格（220 千伏）约为 0.5318 元/度，而青海省（220 千伏）约为 0.3382 元/度，目前公司 1.45 万吨产能中有 1.1 万吨在西宁地区， 随着西宁二期逐渐投产，单吨电力成本将逐渐降低，假设未来电力成本贴近 西宁地区度电成本，假设为 0.35元/度。此外，光威复材也在内蒙古进行扩产， 因此未来碳纤维生产企业在电价低成本地区扩产或是一种趋势。3）其他能 源成本：生产过程高温加热环节需要大量燃料动力，其他能源主要包括外购 蒸汽。随着未来碳纤维生产企业在电价、煤价成本较低的地区扩产或是一种 趋势，因此假设蒸汽成本与电力同样幅度下降。
5） 设备折旧：随着规模效应的显现，产能利用率的提高，单吨对应固定资产设 备折旧总体呈下降趋势。这里我们采用 2018-2021H1 中历年设备单耗最低值 1.09 万元/吨作为 2025 年设备折旧的假设。 值得注意的是，由于各企业产品结构各不相同，且均可能会发生变化，因此单位 生产成本也会随产品结构发生变化，如随着产品高端化，生产成本也会相应提升。 这里我们推演的生产成本是假设在产品结构不变情况下，未来各项生产要素可能 会发生的变化幅度。根据我们的测算，相比 2021H1，预计到 2025 碳纤维生产成 本还有 19.7%左右的下探空间，其中原材料、设备折旧、能源成本我们分别假设 还有 14%、10%、34%的下降空间，直接人工成本假设不变。
5 碳纤维工艺流程及相关企业布局
5.1 原丝生产：两步法可解决单聚合釜产能小问题，干喷湿纺将成高 性能碳纤维主流工艺
原丝制备阶段主要包括两个主要工段：1）聚合工段：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。2）纺丝工段：聚丙烯腈原液通过干喷湿纺或湿法纺丝技术形成 原丝，根据喷头的选择可决定丝束的大小， 1000 /3000 /4000 /6000 个细孔的喷头， 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。
目前，聚合工段主要有两种技术路径：1）一步法：通常是丙烯腈在 DMSO 中聚 合，经脱单脱泡后直接用于 PAN原丝制备；2）两步法：通常采用 PAN水相沉淀聚合，所得 PAN 粉体经水洗、干燥后再溶解于 DMSO 和 DMAC 等溶剂中制备纺 丝溶液。相比之下，二步法可解决一步法聚合反应后期年度增大导致换热和脱单 困难的问题，水相中传热效果更好，反应平稳均衡，聚合釜不易结疤，釜体积放 大后质量更加稳定，可以解决目前单个聚合釜产能小的问题。目前我国企业中仅 吉林碳谷采用 DMAC 两步法，其余企业均采取一步法。
纺丝工段主要也有两种技术路径：1）湿法纺丝：纺丝液经喷丝板细孔挤出细流， 直接进入凝固浴形成丝条的纺丝方法。2）干喷湿纺：纺丝液经喷丝孔喷出后不 立即进入凝固浴，而是先经过空气层 (干段或干层)，再进入凝固浴进行双扩散、 相分离和形成丝条。湿法纺丝是目前应用广泛且技术成熟的纺丝工艺，但通过 干喷湿纺工艺，可以形成更好的致密性和力学性能，干喷湿纺将成为制备高性 能碳纤维的主流工艺。在空气层发生的物理变化，有利于形成致密化、均质化的 丝条，干喷湿法可以实现高速、高密度纺丝，表面平滑无沟槽。但是干喷湿法也 有一定的弊端，即单锭线密度较低，不能实现大产能，不适用于大丝束碳纤维原 丝制备。根据立鼎产业研究网，目前我国恒神股份、光威复材、中简科技等均有 通过干喷湿法生产小丝束，吉林碳谷主要为湿纺，但也有结合两步法的干喷湿纺 技术储备。
目前，我国原丝制备龙头企业为吉林碳谷。公司客户涉及军工领域 ，也涵盖吉 林精功、浙江精工等大丝束起家优质企业，也涵盖宏发新材等风电行业客户。 目前，市场能够大规模对销售原丝的仅吉林碳谷一家，其余大部分企业生产的原 丝主要为内部消化。公司产品覆盖了 1K、3K、6K、12K、12KK、12S、24K、 25K、48K 等碳纤维原丝系列产品，全部产品碳化后均可以达到T400 的稳定大规模生产，小丝束和中小丝束产品亦实现了碳化后 T700 的稳定大规模生产。根据 公司 2021 年年报，截至 2021 年底，公司产能为年产 4 万吨原丝项目 8 条产线中 7 条已经投产，高性能碳纤维碳化试验项目 500 吨产能也已完工。
鉴于公司自 2019年下半年开展了丙烯腈贸易业务，因此这里只用 2017-2018年数 据测算单吨原丝生产的原材料及能源消耗，平均每吨原丝大约消耗 1.1-1.6 吨丙 烯腈、62.5-67kg 油剂、2566-2985 度电以及 0.14-0.15 万吨/万立方气。公司采购 的气主要包括蒸汽、氮气、压缩空气等。 2018-2020 年，公司毛利率先抑后扬，主要系产品结构调整。公司原主要生产小 丝束（1/3/6K）原丝，用于军工领域，售价和毛利率均高于民品，而中小丝束、 大丝束原丝主要用于高端装备、工业民用领域，市场需求量大于小丝束原丝。因 此，公司自 2016-2017 年开始研发大丝束产品，同时也丰富小丝束产品。公司新 产品定型完成后，产品质量和性能的提升是一个逐步的过程，客户对产品的认可 度也需要逐步提升。这使得公司毛利率水平 2017 年、2018 年波动较大。随着新 产品质量和性能提升，客户认可度，尤其是 2020 年以来产品处需求旺盛，2019 年、2020 年 1-6 月毛利率显著上升。
5.2 碳丝生产：氧化和碳化是关键环节
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。 若要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。
目前，国内碳纤维生产企业主要包括中复神鹰、恒神股份等民品碳纤维生产企业， 以及光威复材（军品+民品）、中简科技等下游为军品的生产企业。除碳纤维外， 这些企业大部分还都具备原丝生产能力，以及碳纤维制品生产能力。 碳纤维应用形式主要有四种，分别为碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料、短切 纤维。碳纤维织物是碳纤维重要的应用形式，分为碳纤维机织物、碳纤维针织物、 碳纤维毡和碳纤维异型织造织物，目前国内碳纤维织物的应用形式主要以碳纤维 机织物为主。
5.3 碳纤维生产设备：具备生产线供应能力，进口替代空间巨大
碳纤维制备工艺和设备对碳纤维的生产至关重要，其决定了碳纤维的产品质量， 由于碳纤维的制备工艺流程复杂，涉及工艺参数较多，积累这些参数往往需要很 长的周期，且国外领头企业对该类设备一直实施封锁禁售。因此，未来碳纤维 设备进口替代的需求巨大。 精功科技为国内碳纤维生产设备龙头企业，具备碳纤维成套生产线供应能力， 截至 2021 年公司已累计完成 6 条生产线交付。生产线以 12K、24K、48K 及以上 原丝为原料，具备年生产 1 千吨以上碳纤维生产能力，技术处于国际先进水平。 根据精功科技 12 月 16 日发布公告，2021 年 10 月 15 日公司与吉林国兴碳纤维签 署 4 条碳纤维生产线合同，金额总计为 6.5 亿元，即平均单条 3 米生产线含税价 约为 1.6 亿元。
碳纤维生产线由放纱架、氧化炉组、低温碳化炉、高温碳化炉、表面处理浴池、 上浆浴池、干燥机、卷绕机等组成，实现对 PAN 基碳纤维原丝连续多道热处理 和后续处理，得到高性能碳纤维。 在众多碳纤维生产设备中，氧化炉与碳化炉是生产线的主体设备，也是最关键设 备。在制造 PAN 基碳纤维过程中，结构会经过两次重大变化，有机原丝才能转 化为无机碳纤维。一次是在预氧化过程中，使 PAN 的线型分子链转化为耐热梯 形结构的预氧丝，一次是在碳化过程中，由梯形结构转化为碳纤维的乱层石墨结 构。
碳纤维生产设备对生产效率的提升、资本支出的减少和综合生产成本的降低具有 举足轻重的作用。从氧化、碳化线的环节看，提高良品率、使用更宽的炉子、提 高产线速度几个角度最有潜力提高单位时间产量，从而提高年产能。这几个规模 化生产方向对设备和工艺都提出更大的技术挑战。从精功科技的千吨级碳纤维生 产线产量来看，假设生产 12K 碳纤维、使用宽 3 米的炉子、12m/min 产线速度、 年运行时间 7200 小时情景下，产量可达每年 1500 吨。
6 投资分析
6.1 精功科技
精功科技是深证证券交易所中小企业板块首批上市公司，主要从事太阳能光伏专 用设备、碳纤维复合材料装备等研发制造。 公司主要碳纤维装备产品有千吨级碳纤维生产线和碳纤维微波石墨化生产线，其 中千吨级碳纤维生产线每年产量可达 1500 吨，碳纤维微波石墨化生产线则是基 于使用普通碳丝为原料设计，产品性能更优，流程能耗、成本比同级碳纤维大幅 降低，最终产品品质等级可达 T700/T800 以上。
6.2 光威复材
光威复材于 2017 年登陆创业板，是国内碳纤维行业首家上市公司，也是目前国 内生产品种最全、生产技术最先进、产业链最完整的碳纤维行业龙头企业之一。 公司主要从事碳纤维及其复合材料的研发、生产与销售，具有碳纤维行业全产业 链布局，形成了具有自主知识产权的碳纤维及复合材料研发生产体系并不断突破 技术瓶颈。公司主要产品包括 GQ3522（T300 级）/GQ4500（T700 级）/QZ5526 （T800 级）等代表性系列化碳纤维产品。产品主要应用领域威国防军工和民用 两大板块。 2005 年公司研发的 GQ3522 达到 T300 级水平，成为国内第一家实现碳纤维工程 化企业，成功打破国外垄断，填补了国内空白，公司也成为了国产碳纤维的主供 应商。2007 独创的 GQ4522 碳纤维各项指标达到 T700 级水平。2014 年研制的 QZ5526 成功达到 T800H 水平。公司将自主开发的先进工艺技术与自有产业链设 备制造技术有机结合，保证了工艺的成熟稳定及持续优化，产品质量稳定性持续 提升。
6.3 中简科技
中简科技是国内首个航空航天领域 ZT7 系列碳纤维产品的批量稳定供应商，是拥 有完全自主知识产权及相关产品研发制造商，其生产的 ZT7 系列碳纤维打破了境 外对宇航级碳纤维的封锁，被批量用于我国航空航天八大型号，实现军民深度融 合。 公司主要产品有 ZT7/ZT8/ZT9/ZM40，其产品性能均不逊色于日本东丽的产品性 能，其中 ZT7 系列碳纤维拉伸模量更是高于日本东丽 T700 级碳纤维，形成全新 一代航空用复合材料体系。公司生产产品大多运用于军品，2018 年军品销售收 入占营业收入比重 99.77%。
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】。
