碳纤维行业深度研究：风、光、氢、无人机等领域推升需求

（报告出品方/作者：中信证券，李超、陈旺、张柯）

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

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、低且各向异性热膨胀系数、耐疲劳等，被誉为 21 世纪的“新材料之王”。

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/高强/ 高模/高韧性等领域。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 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。

聚丙烯腈（PAN）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）。

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：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。

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

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%。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。

溶液纺丝法是原丝生产的大前提，不同环节多种细分工艺并存。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 220-300C 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 纺丝法的制造大前提下，按照纺丝溶剂的选择、聚合工艺的连续性、纺丝原液的凝固方式等， 可对溶液纺丝法进一步细分：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-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）。

原丝工艺壁垒在于聚合环节，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。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。

碳纤维生产流程复杂，技术关键点多，预氧化是核心。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、烘干等步骤：1）预氧化主要包含 PAN 分子链上的侧基—C≡N 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。

原丝和碳纤维生产设备要求高。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、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。

中游碳纤维制造厂商原丝及碳化工艺指标差距较大，东丽技术领先全行。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、模压成型技术亦逐渐成熟。

碳纤维复材成型工艺的选择，必须同时满足材料性能、产品质量和经济效益等多种因素。碳纤维制品的制成一般会经历原丝制备、碳纤维制造、（织物/预浸料）、复材制件生产三大 （或四大）环节。碳纤维（或织物）与树脂、陶瓷等材料结合后，便可形成碳纤维复材，随 后经成型工艺加工即可得到下游应用的最终产品。碳纤维复材成型工艺主要分为两类：1） 预浸料铺放成型，即生产预浸料后通过压力罐或其他模具，在一定温度和压力下压挤成型；2）不需要生产预浸料型，直接将碳纤维（或织物）和树脂混杂在模具内成型。碳纤维复材 生产各种工艺的成本、用途均不同，但对设备投资要求较高，且与下游应用联系深入，复材 生产设备包括热压罐、固化炉、复合材料数控下料铣、激光铺层定位系统、自动铺带机、 RTM 成型设备、缝合设备以及无损检测设备等，多由美国公司垄断，国内部分企业在自动 化铺放工艺的工程化应用方面取得了较大突破。

我国碳纤维需求增速远超全球，是全球最大需求市场。尽管疫情对航空业造成的打击严 重影响了相关领域碳纤维的需求，2020、2021 年全球碳纤维的需求量仍然达 10.7 和 11.8 万吨，市场规模分别为 26.2、34.0 亿美元。2021 年我国碳纤维的需求量和市场规模分别为 6.2 万吨和 15.9 亿美元，同比增长 27.7%和 54.7%，而 2021 年全球碳纤维的需求量和市场 规模仅同比增长 10.4%和 30.1%。此外，2016-2021 年中国碳纤维的需求量和市场规模 CAGR 分别为 26.1%和 26.9%，远超全球的 9.1%和 9.9%，作为碳纤维第一大需求国，中 国市场已然在全球占据举足轻重的地位。