科技改變生活 · 科技引領未來
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（報告出品方/分析師：開源證券張緒成薛磊）1、碳纖維綜合性能超群，被譽為“材料之王”碳纖維是一種含碳量在90%以上的碳主鏈結構無機纖維，通過高溫分解法去除除碳以外絕大多數元素，由有機纖維（聚丙烯腈基（PAN）、瀝青基、粘膠基纖維等）在100
（報告出品方/分析師：開源證券 張緒成 薛磊）
1、碳纖維綜合性能超群，被譽為“材料之王”
碳纖維是一種含碳量在 90%以上的碳主鏈結構無機纖維，通過高溫分解法去除除碳以外絕大多數元素，由有機纖維（聚丙烯腈基（PAN）、瀝青基、粘膠基纖維等）在 1000℃高溫以上的惰性氣體中裂解碳化制成，其中全球 90%以上的碳纖維是由 PAN制成。
碳纖維具有出色的力學性能和化學穩定性，強度高（強度約為鋼的10倍）、模量高、密度小（密度為鋼的 1/5、鋁合金的 1/2）造就其輕量化的特點。除此之外，碳纖維還具備耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數小、耐高溫、電及熱導性高等特點。
因為碳纖維擁有超群的綜合性能，被譽為“材料之王”和“黑色黃金”。
作為現代工業中不可或缺的高科技新型材料，碳纖維被廣泛應用于航空航天、新能源裝備、汽車、體育用品、交通運輸、工程器械、醫療器械、建筑及其結構補強等領域。
碳纖維有諸多分類標準，通常按照原絲類型、力學性能、絲束大小這三種維度進行分類。
按照原絲類型分類：
（1）瀝青基碳纖維：以瀝青為原料，提高瀝青的使用價值，尺寸穩定性好。瀝青基碳纖維與氰酸酯樹脂制成的復合材料熱膨脹系數小，可以用作人造衛星材料或其他精密材料；
（2）粘膠基碳纖維：由含纖維素的粘膠纖維組成，石墨化程度低、導熱系數小，適合作為隔熱材料；
（3）聚丙烯腈基碳纖維：以聚丙烯腈（PAN）為原料，是所有碳纖維中用途最廣、用量最大、性能最好的品種。聚丙烯腈碳纖維占據主流地位，其產量占碳纖維總產量的 90%以上。
按照力學性能分為通用型和高性能型：
（1）通用型碳纖維強度一般在 1000MPa、模量一般在 100GPa 左右；
（2）高性能型碳纖維還可以細分成高強型、高模量型、超高強型及超高模型。
拉伸強度及模量是國際碳纖維的主要分類標準，行業內一般采用日本東麗（TORAY）分類法，而全國纖維增強塑料標準化技術委員會在 2020 年正式發布了我國的碳纖維分類標準。
按照絲束大小分類：
碳纖維可以按照每束含有的纖維數量來劃分成小絲束和大絲束。
單束纖維數量通常在 48K 以上的是大絲束碳纖維（1K 意味著 1 束碳纖維含有 1000 根絲），因為性能及制備成本相對較低，也被稱為工業級碳纖維，包括 48K、50K、60K、80K 等，主要應用于紡織、醫藥衛生、機電、土木建筑、交通運輸和能源等領域；小絲束碳纖維工藝要求嚴格，綜合性能更為優異，但生產成本較高，也被稱為宇航級碳纖維，一般包括 1K、3K、6K、12K 和 24K 等產品，主要應用領域包括國防工業、高技術以及體育休閑用品，如飛機、衛星、高爾夫球桿等。
2、需求端：雙碳政策刺激下游需求，市場空間具有擴張前景
2.1、國內需求結構有別于海外，新能源將是主要驅動力
從全球的角度來看，2020 年全球碳纖維需求總量為 10.69 萬噸，風電葉片、航空航天及體育休閑為碳纖維需求量前三的應用領域，需求量分別為 3.06、1.65、15.4 萬噸。
2020 年初，全球范圍內爆發新冠疫情，對實體經濟產生了巨大沖擊，民用航空首當其中。
由于疫情影響，航空公司受到重挫，考慮到未來近幾年旅客數量急劇減少，隨即減少飛機的訂單數量，直接導致碳纖維航空復材的需求急劇下滑，同比增速為-30%。
與此同時，風電葉片、壓力容器、碳碳復合材料（單晶硅熱場材料）等應用領域不受疫情的影響，依然保持了高速增長，同比增速為 20%、19%、79%。
總的來說，在航空航天、體育休閑等傳統應用領域受到疫情影響導致需求大幅下滑之時，憑借風電葉片、壓力容器、碳碳復材等領域的高速增長，2020 年全球碳纖維需求總量同比增速依然為正，達到了 3%。
未來隨著疫情影響邊際減弱，下游需求將會全面開花，行業空間具有擴張前景，根據廣州賽奧碳纖維《2020 全球碳纖維復合材料市場報告》，2025 年全球碳纖維需求量預計將會達到 20 萬噸，2020 年-2025 年 CAGR 為 13.36%。
從我國的角度來看，2020 年我國碳纖維需求總量為 4.9 萬噸，同比增速高達 28.97%。
盡管 2020 年年初，全球都陷入新冠疫情爆發的恐慌當中，但憑借行之有效的管理措施，中國率先擺脫疫情，各項生產經營活動有序恢復，從而保證了碳纖維下游需求的穩定增長。
細分需求結構來看，2020 年我國碳纖維下游需求主要來源于風電葉片以及體育休閑，需求量分別為 2、1.46 萬噸，其中風電葉片領域的需求增速達到了 44.93%，貢獻主要需求增量。
在“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”的“雙碳”背景下，國家將采取強有力的政策，著手優化能源結構，提高清潔能源的比重。
風電、氫能、光伏均迎來發展機遇，葉片對于輕量化的要求將是碳纖維需求的關鍵引擎。
由于西方國家加強了高端碳纖維及生產設備對我國的限制，我國碳纖維在航空航天領域的應用占比僅為 3.48%，現如今民用碳纖維需求高增將會積極推動國內企業實現制造工藝和生產設備的自主化，進而為今后具備生產高端碳纖維的能力創造先決條件。
根據廣東賽奧碳纖維《2020 全球碳纖維復合材料市場報告》，2025 年中國碳纖維需求總量預計將會達到 9.4 萬噸，2021 年-2025 年 CAGR 為 14%，其中國產供應量將會達到 4.6 萬噸，2021 年-2025 年 CAGR 為 20%。
2.2、風電領域：海上風電迎機遇，未來增長空間廣闊
2.2.1、碳中和頂層設計政策落地，清潔能源發展力度加碼
碳達峰具體行動方案出臺，清潔能源長期發展目標明確。雙碳目標發布以來，關于碳達峰的各種具體政策持續出臺，風光等清潔能源長遠發展目標明確。
2021年 10 月 24 日，《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，要求（1）到2025年，非化石能源消費比重達到 20%左右；
（2）到 2030 年，非化石能源消費比重達到 25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量達到 12 億千瓦以上；
（3）到 2060 年，非化石能源消費比重達到 80%以上。
2021年 10 月 26 日，《2030 年前碳達峰行動方案的通知》，提出堅持陸海并重，推動風電協調快速發展，完善海上風電產業鏈，鼓勵建設海上風電基地；推進退役風電機組葉片等新興產業廢物循環利用，以及“海上風電+海洋牧場”等低碳農業模式。
大基地項目規劃，托底風光行業發展。
“十四五”期間規劃九大清潔能源基地和五大海上風電基地，2021 年 3 月公布的《“十四五”規劃和 2035 年遠景目標綱要》提出，要建設九大清潔能源基地和五大海上風電基地。
九大清潔能源基地包括金沙江上游、金沙江下游、雅礱江流域、黃河上游、黃河幾字灣、河西走廊、新疆、冀北、松遼等清潔能源基地；五大海上風電基地為廣東、福建、浙江、江蘇、山東等海上風電基地。
大基地建設規劃將成為“十四五”期間風光新增裝機的重要源頭。
大基地拉開序幕，百萬、千萬千瓦基地項目浮出水面。
目前九大清潔能源基地和五大海上風電基地所涉及的相關省份均已出臺“十四五”期間風電和光伏的規劃，不少地區規劃了百萬千瓦乃至千萬的新能源大基地項目。
根據北極星太陽能光伏網統計，目前各省（區/市）規劃百萬千瓦大基地項目 46 個，千萬千瓦大基地項目 41 個。
首批 100GW 風光大基地項目有序開工建設，預計風光各占一半。
2021 年 10 月 12 日，在《生物多樣性公約》第十五次締約方大會領導人峰會上的講話提 出，中國將大力發展可再生能源，在沙漠、戈壁、荒漠地區加快規劃建設大型風電光伏基地項目。目前，首批 100GW 風光大基地項目已經有序開工，預計風光各占一半。
根據北極星太陽能光伏網統計，自 2021 年 10 月中旬以來，全國已有超過 46.34GW 風光大基地項目陸續開工建設，已公布的總投資達 2068 億元。
2.2.2、全球風電蓬勃發展，海上風電裝機量持續高增
全球風電累計裝機規模穩步增長，海上風電始終維持高速增長。
根據全球風能理事會（GWEC）發布的數據，過去十年間全球風電累計裝機規模由 2010 年的 198GW 增長至 2020 年的 743GW，CAGR 為 14%。其中陸上風電累計裝機規模為 707GW。
2020 年，全球風電新增裝機規模 93GW，同比增長 54%，新增裝機規模創歷史新高。
近年來，隨著陸上富風區域的逐漸飽和，海上風電發展迅速，一直維持較高增速。截至 2020 年末，全球海上風電累計裝機規模達 35GW，2016-2020 年 CAGR 為 24%。
我國風電累計裝機規模穩步增長，海上風電勢頭迅猛后來居上。
根據國家能源局數據，截至 2021 年 11 月，我國風電累計裝機規模為 305GW，2011-2020 年的 CAGR 為22%。經歷了2020年陸上風電搶裝行情之后，2021年風電新增裝機速度有所放緩。
根據國家能源局數據，2021年1-11月我國風電新增裝機容量24.7GW，同比增長8%。
雖然我國海上風電起步較晚，但近五年來發展勢頭迅猛，每年新增裝機量都持續刷新記錄，2020 年的裝機量更是超越歐洲，占全球新增總量的 50.4%。根據國家能源局數據，截至 2021 年 6 月底，我國海上風電總裝機量突破 11GW，與陸上風電一樣，躍居全球首位。
2.2.3、 風電葉片趨于大型化，輕量化需求驅動碳纖維發展
風機的大型化是未來發展的趨勢。風電項目建設成本主要來源于風電機組、電力設施和安裝工程等環節。根據北極星電力網數據，風電機組、電力設施和安裝工程占陸上風電建設成本的 85%、占海上風電建設成本的 63%。
陸上風電建設成本中風電機組占 70-80%，因此風電機組降本是推動陸上風電項目建設成本降低的關鍵。
海上風電由于其安裝和樁基建設的復雜性，使得風電機組成本只占 30%左右，而安裝和樁基共占 30-40%。因而，風電機組、安裝工程和樁基建設三方面同時降本才能有效推動海上風電項目建設成本降低。
由于不再對海上風電進行補貼，降低風電成本及提高經濟性勢在必行。
根據財政部、國家發改委、國家能源局在 2020 年 1 月發布的《關于促進非水可再生能源發電健康發展的若干意見》，自 2020 年起新增的海上風電項目將不再納入中央財政補貼范圍之中，而存量項目需要在 2021 年 12 月 31 日前完成全部機組并網才能享受補貼。
風機大型化是風電長期降本的有效途徑。
風電機組功率大型化主要從三方面推動風電長期降本：
（1）降低風機單瓦制造成本；
（2）降低風電場建設成本；
（3）提高風機利用小時數和發電效率，增加發電量，從而降低度電成本。
1）降低單瓦制造成本：
制造大功率風機時，功率增加速度要大于零部件用量的增加速度，從而單瓦成本隨著功率的提升而下降。
此外，目前整機企業采用平臺化、模塊化設計理念，不同型號的風機許多零部件可以通用，這樣還可以帶來規模化降本。
例如 Vestas V112 機型相比 V82 機型功率提升了 82%，而整體材料用量反而下降了 9.7%；明陽智能 MySE5.0-166 機型相比 MySE2.5-121 機型功率提升了 1 倍，而關鍵部件提升只有 20-45%。
2）降低風電場建設成本：
在滿足風場總體裝機規模的情況下，風機數量與單機功率成反比。盡管單機功率提升會導致風電機組的成本略有上升，但是風電機組的成本只占整個風場成本的 40%，如果風機數量能夠減少，可以有效降低建設成本，包括平臺基礎、安裝施工等。
根據《平價時代風電項目投資特點與趨勢》中的數據，當風機功率由 2.0MW 提升 4.5MW 時，風電項目靜態投資成本降低 14.5%，LCOE 下降 13.6%，全投資 IRR 增加 2.4pct。
3）提升發電效率：通過增加葉片的長度來擴大受風面積，捕捉更多的風能。
在同等風速下，風機發電量與受風面積成正比。根據 GE《2025 中國風電度電成本》，掃風面積增加一倍，可以提高一倍的發電量，使得度電成本下降 30%。
同時，掃風面積的提升使得超低風速資源也具備了開發價值，尤其是現在陸上富風區域逐漸飽和疊加海上風場天氣變幻無常，捕捉低風速資源能夠有效提升風力發電的經濟性。
葉片大型化對復合材料提出了更高標準，碳纖維能夠滿足其要求。
近年來，為了提高風電的經濟性，風電機組單機功率呈上漲態勢，而風電葉片長度與風機功率成正比。
大型化風機對于葉片提出了更高的要求，而碳纖維材料能夠滿足大型化所需輕量化、高強度、高模量的要求。
傳統的玻璃纖維葉片在長度超過一定閾值之后，質量過大導致性能降低，出現共振扭轉等問題。相較于玻纖，碳纖維的密度小 30%，強度大 40%，模量高 3-8 倍。
高性能碳纖維復合材料受到平面的沖擊力時，內部縱橫交錯的碳纖維絲能夠有效地分散受力，避免破裂的發生。
兼顧強度、剛度的同時，材料密度越小單位體積質量越輕。根據中復神鷹招股說明書，在滿足剛度和強度的前提下，碳纖維比玻璃鋼葉片質量輕 30%以上；當前風輪直徑已突破 120m，葉片重量達 18 噸，采用碳纖維的 120m 風輪葉片可以有效減少總體自重達 38%，成本下降 14%，從而保證風電機組的運行狀態和轉換效率。
全球風電巨頭 Vestas 專利即將到期，碳纖維滲透率有望進一步提高。風電葉片主梁所用碳纖維有預浸料、真空灌注、拉擠成型三種工藝。
前兩種工藝缺點較為明顯，成本高且效率低：預浸料長期儲存需要冷凍環境，額外增加了葉片的生產成本；真空灌注是閉模成型工藝，準備工作繁瑣，而且真空程度對于材料質量有很大影響。
在 2016 年，Vestas 在拉擠碳梁工藝上取得突破，
這種工藝的優點為：
（1）通過拉擠工藝的生產方式有效提高了纖維體積含量，減輕了主體承載部分的質量；
（2）通過標準件的生產模式有效提高了生產效率，保證產品性能的一致性和穩定性；
（3）降低了運輸成本和最后組裝整體成型的生產成本；
（4）預浸料和織物都有一定的邊角廢料，拉擠梁片及整體灌注極少。
采用這種設計和工藝制造的碳纖維主梁，兆瓦級的葉片均可使用，擴展了碳纖維的使用范圍。
Vestas 在 2002 年 7 月向中國、丹麥、歐洲等國家或國際性知識產權局申請了以碳纖維條為主要材料生產風電葉片的相關專利，限制了其他企業使用碳纖維主梁制作葉片。
根據 2019 年《國產碳纖維在風電葉片產業中的機會》，維斯塔斯（Vestas）在風電葉片碳纖維領域市占率超過 80%。
國內外廠商現已加速布局拉擠法工藝，待專利于 2022 年 7 月到期之后，工藝將會迅速普及，帶動風電葉片用碳纖維的成本下降，進而推動滲透率進一步提高。
風電裝機規模疊加碳纖維滲透率的提升，大絲束需求量有望迎來高速增長。
在 “雙碳”背景下，風電已經成為全球重點發展領域。
根據伍德麥肯茲《2020 年全球風機整機市場份額及未來展望》和廣州賽奧《2020 全球碳纖維復合材料市場報告》，2020 年全球新增風電裝機容量 103GW，風電葉片用碳纖維的需求量為 3.06 萬噸，意味著 1GW 風電裝機需要約 297 噸碳纖維。
根據中國巨石的數據，1GW 風電裝機需用玻纖 1 萬噸，可得當前碳纖維滲透率僅為 3%左右。
未來隨著拉擠工藝的普及，碳纖維滲透率逐步提高，越來越多的葉片將會使用拉擠碳梁，風電機組單機功率有望進一步提高，海風新增裝機將會迎來放量。
根據 GWEC 預測，未來中國海上風電蓬勃發展有望帶動全球海上風電新增裝機量大幅上漲，預計到 2025 年，全球海上風電新增裝機規模達 23.9GW，2021-2025 年 CAGR 為 31%。
根據廣州賽奧碳纖維《2020 全球碳纖維復合材料市場報告》，預計 2025 年全球風電葉片碳纖維需求量達到 9.3 萬噸，2021-2025 年 CAGR 為 25%。
2.3、 儲氫瓶：氫能行業發展帶動儲氫瓶碳纖維的需求增長
氫能的儲運根據氫或儲氫材料形態的不同主要分為氣態儲運、液態儲運、固態 儲 運及有機液體儲運等四種方式：
（1）氣態儲運，主要包括近距離運輸的高壓長管拖車以及長距離運輸的管道運輸，其中管道運輸適用于大規模氫氣運輸；
（2）液態儲運，低溫液態儲氫是將氫氣冷凍至零下 252.72℃以變為液體加注到絕熱容器中進行儲運，儲運工具主要為用于長距離、大規模運輸的液氫槽罐車；
（3）固態儲運，是以金屬氫化物、化學氫化物或納米材料等作為儲氫載體，通過化學吸附和物理吸附的方式進行氫儲運，對儲運工具并無特殊要求；
（4）有機液體儲運，是通過加氫反應將氫氣固定到芳香族有機化合物并形成穩定的氫有機化合物液體，最終以液體槽罐車進行儲運。
高壓氣態儲氫目前是國內主流的儲氫方式。
在主要的氫儲運技術中，最成熟的是高壓氣態儲運，也是現階段國內最主要的氫儲運方式。氣態儲運常溫即可實現快速充放氫，成本較低，因此得到廣泛應用，但儲氫量較低，且對高壓儲氫罐存在較高的技術要求。
另一方面，管道運輸是實現氫氣大規模、長距離運輸的重要方式，能耗小且成本較低。但類似于天然氣管網系統建設，輸氫管道建設所需一次性投資較大，基建成本高昂且建設周期較長。
相較于歐美國家已相對成熟的輸氫管網系統，中國輸氫管道建設仍處于起步階段。而在現有的天然氣管網系統中混入氫氣是初期管道輸氫的主要探索方向。
國產 IV 型瓶技術取得突破，將帶動碳纖維需求提升。
高壓氫氣瓶主要分為四個型號：
（1）I 型全金屬氣瓶，（2）II 型金屬內膽纖維環向纏繞氣瓶，（3）III 型金屬內膽纖維全纏繞氣瓶，（4）IV 型非金屬內膽纖維全纏繞氣瓶。
其中，I 型、II 型氣瓶由于質量過大、儲氫密度低，難以滿足氫燃料電池汽車的儲氫需求，主要用于工業、加氫站等固定地點用途。
而 III 型、IV 型氣瓶采用了纖維全纏繞的方式，具有質量輕、儲氫密度高、安全性高等優點，已經被廣泛應用于車載領域。
目前，國內主要采用 III 型儲氫瓶（35MPa），相較于國際主流的 IV 型 70MPa 高壓儲氫瓶仍存在一定的技 術差距，但在 2020 年末我國國產 IV 型瓶技術取得了重大突破。
沈陽斯林達安科新技術有限公司生產的 70MPa 氫氣瓶，已經通過型式檢驗，各項參數均滿足《車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶》國家標準，成為國內首家 IV 型瓶通過技術評審的企業。相同體積下，壓力與儲氫量成正比，IV 型瓶成為氫燃料電池汽車的首選儲氫瓶，續航里程可以有效提高。
根據中科院寧波材料所特種纖維事業部的數據，氫能商用車攜帶 4 個儲氫瓶，單個儲氫瓶碳纖維用量約 80Kg；乘用車攜帶 2 個儲氫瓶，單瓶碳纖維用量為 37.5kg。
在燃料電池汽車示范應用政策的推動下，我國氫燃料電池汽車保有量將會逐步增加，從而帶動碳纖維需求的大幅提升。
根據廣州賽奧碳纖維《2020 全球碳纖維復合材料市場報告》，預計 2025 年全球壓力容器碳纖維需求量將達到 2.19 萬噸，2021-2025 年 CAGR 為 20%。
2.4、 熱場材料：光伏發展帶動碳碳復材高速成長，對碳纖維有海量需求
碳碳復材是碳纖維及其織物增強的碳基體復合材料，除了繼承碳纖維的高性能以外，還具備抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點，力學特性隨著溫度升高而增大，是目前唯一能在 2200℃以上保持高溫強度的復合材料，主要應用于剎車盤、航天部件以及熱場部件三個領域。近年來，前兩個應用領域發展平穩，熱場部件的需求則是受到光伏行業高速發展的拉動。
碳基復材性能優于石墨，能夠契合光伏發展趨勢。
熱場是硅片拉晶過程中的耗材，主要用于單晶硅爐內的坩堝、導流筒、保溫筒、加熱器等部件。為熔化硅料，需要溫度達到 1600℃以上，要求熱場材料要有較好的耐熱性能，因此長期以來熱場材料都以等靜壓石墨為主，碳基復材為輔。
隨著光伏新增裝機規模的增長，硅片的需求逐年上升，單晶爐的投料量也從 2016 年的 300kg 提升至 2020 年的 1900kg，坩堝尺寸也從原來的 16-20 英寸提高到現在的 32-36 英寸。
坩堝容量的提升對于材料的承載性要求也更高，等靜壓石墨是由石墨顆粒壓制成型的脆性材料，而碳基復材抗折強度超過 150MPa，能夠承載更大重量，保證了生產安全性，同時使用壽命也更長，更加契合熱場大型化的發展趨勢。
隨著坩堝制作工藝、拉棒技術的提升，單晶爐投料量仍具備成長空間，碳碳熱場則是硅片企業必須的生產設備。
國產碳基復材逐步替代進口高純度石墨，光伏持續高增將帶動碳纖維需求大幅提升。
早期，國內硅片企業的熱場材料主要依靠從德國西格里、日本東洋碳素進口高純、高強等靜壓石墨，不僅供貨周期長，而且成本較高。
2016 年伊始，金博股份和西安超碼等企業實現了碳基復材的低成本、規模化生產，國內硅片企業逐步轉向使用國產碳碳熱場。
根據金博股份的招股說明書，碳基復材滲透率從 2010 年的 10% 以下提高至 2019 年的 50%以上。“碳中和”時代來臨，光伏發電作為清潔能源，是全球重點發展的領域，未來光伏新增裝機規模預計維持較高的增速，硅片企業對碳碳熱場的需求有望繼續高速增長。
根據《2020 全球碳纖維復合材料市場報告》，預計 2025 年碳碳復材碳纖維需求量將達到 1.86 萬噸，2021-2025 年 CAGR 為 30%。
3、供給端：國內企業技術突破擴建產能，國產替代空間可期
3.1、國外企業占據高端產能，國內企業正在奮力
歐美日企業具有先發優勢，碳纖維生產工藝已非常成熟。1959 年日本大阪工業試驗所成功發明了 PAN 基碳纖維的制備技術，由此揭開了全球碳纖維產業發展的序幕。
國際上 PAN 基碳纖維的生產于上世紀 60 年開始起步，日本、英國是最先開啟實驗室研發碳纖維，而美國于當時專注攻克粘膠基碳纖維，所以在此方面發展稍晚一步。
進入 70 年代，日、英、美三國企業開始頻繁合作，開始工程化技術的研發以及應用領域的開拓，成功將碳纖維應用在高爾夫球桿、釣魚竿等方面，同時碳纖維復合材料在航天航空結構上也取得突破，還實現了批量生產。
90 年代開始，碳纖維產業發展提速，行業正式進入了工業化時代，單線產能突破千噸/年。
日本東麗公司作為行業翹楚，早在當時就基本完成了現有絕大部分產品型號的研發和生產，包括初期的 T300、中期的 T800 和 T1000、末期的 M60J。進入 21 世紀之后，碳纖維的應用不再僅限于軍工和宇航，風電、汽車等領域的應用也在不斷擴大。
總的來說，由于歐美日企業很早就開始研發碳纖維技術，并將技術與產業發展相融合，具備先發優勢，占據很大一部分的市場份額，對高端碳纖維的市場更是形成了壟斷。
目前，世界碳纖維技術主要由日本企業掌握，其生產的碳纖維無論是質量還是數量均處于世界領先地位。日本的三家碳纖維企業（東麗、東邦、三菱）占據全球 PAN 基碳纖維約 50%的市場份額，日本東麗則是全球高性能碳纖維的龍頭企業。
國內發展稍有停滯，如今積極發展有望縮小差距。
我國 PAN 基碳纖維的研究可 以追溯到 1962 年，與日本同時起步。
由于國外知名碳纖維企業囿于“巴黎統籌條約”的限制，不愿出售相關的生產設備，僅有英國 RK 公司愿意出售極小產量的中試線，中國碳纖維行業于上世紀 90 年代一直處于停滯狀態，直到進入新世紀之后，科技部設立碳纖維專項，將碳纖維列入 863 計劃新材料領域，才算是恢復發展。
2008 年，以國有企業為主的大量工業企業涌入碳纖維行業，但大多企業在一些關鍵技術上毫無突破，生產線運行效率較低且產品質量不穩定。
2010 年開始，碳纖維行業格局發生優化，優勝劣汰，從原先的 40 多家企業減少到了十多家企業。
隨著下游應用的拓展，碳纖維的需求逐步提升，倒逼上游企業開始大力發展，一些企業在工業級大絲束碳纖維的生產工藝上取得突破，具備產業鏈自主化能力的產品類型。
3.2、技術取得突破，為碳纖維國產替代奠定基礎
完整的碳纖維產業鏈包含從原油到終端應用的制造過程。上游企業從石油、天然氣等化石燃料中制取丙烯，并經過氨氧化得到丙烯腈。
丙烯腈通過聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型得到聚丙烯腈（PAN）原絲。
原絲需要經過多段氧化爐制成預氧絲，隨后在氮氣的保護下經過低溫和高溫碳化后得到碳纖維。
碳纖維可以制成碳纖維織物和碳纖維預浸料，也可以與樹脂、陶瓷等材料相結合制成碳纖維復合材料，最后由各種成型工藝得到下游應用需要的最終成品。
3.2.1、原絲：碳纖維的核心原材料，直接決定其各項性能指標
原絲制備是碳纖維產業鏈的核心環節。碳纖維原絲的質量和成本很大程度上決定了碳纖維的性能和成本，PAN 原絲需要經過預氧化、碳化轉化成碳纖維，這是一個復雜的過程，碳纖維的缺陷主要源于各環節的誤差，其中 90%的缺陷是從原絲遺傳而來。
如果原絲的分子結構和聚集態結構存在不同程度的缺陷，將會對碳纖維的質量和性能造成嚴重的影響。
碳纖維的強度顯著依賴于原絲的微觀形態結構及致密性，線密度越低，原絲中存在的缺陷越少，提高均一性有助于獲取高強度的碳纖維。
原絲制備的技術壁壘和工藝差別主要在紡絲環節。
碳纖維原絲的工藝主要包含聚合、制膠、紡絲三個過程。經過長期的技術研究與工程化實踐，碳纖維行業主要形成了兩種紡絲工藝：濕法紡絲和干噴濕法紡絲。
干噴濕紡和濕法紡絲這兩種工藝存在較大差異：
（1）濕法紡絲更適合制備大絲束：高溫的紡絲液從噴絲頭出來之后，直接進入了溫度較低的溶劑里會更容易冷卻和凝固下來，凝固之后更利于大絲束的紡絲，但在凝固之后還需要進行拉伸，表面容易起皮，所以大絲束碳纖維的強度相較于小絲束會差一些。
（2）干噴濕紡工藝有效結合了干法和濕法，在紡絲速度和原絲性能方面均具有明顯優勢，
適合制備小絲束：相較于濕法紡絲，干噴濕紡的噴絲頭不會直接浸入凝固浴，噴頭溫度可以獨立精準控制，紡絲液由噴絲版噴出之后在進入凝固浴前會經過一段空氣層，紡絲液在空氣層中會發生一定的拉伸流動，不僅提高紡絲速度，還有利于大分子鏈的取向。
干噴濕紡制成的原絲結構相較于濕紡工藝更為均勻致密，截面更容易圓滑，從而提高力學性能。
干噴濕紡工藝的難度較大，目前世界上也僅有少部分企業掌握了該工藝，并且已經生產出了成熟的系列產品國際上日本東麗和美國赫氏率先實現了干噴濕紡工藝的突破，而國內中復神鷹于 2013 年取得突破，恒神股份于 2014 年建成干噴濕紡的生產線，光威復材于 2019 年 通過了 T700 級別碳纖維干噴濕紡產業化制備項目的鑒定，發展速度較快，未來可期。
3.2.2、 碳絲：受制于核心生產設備，國內碳纖維在穩定性方面稍有欠缺
碳化環節壁壘較高，國產核心裝備與世界領先水平仍有差距。碳纖維原絲經過多段氧化爐在空氣氣氛下反應得到預氧絲；預氧絲在氮氣保護下，分別經過低溫碳化、高溫碳化得到碳絲；隨后經表面處理后進行上漿，最后烘干得到碳纖維成品。
預氧化是原絲到碳纖維過程中比較重要且耗時較長的一個階段，在預氧化過程中，溫度是重要的影響因素，期間發生的環化、脫氫、芳構化、氧化、交聯等反應可導致熱氧穩定化纖維共軛梯形結構的形成，保證其在后續高溫炭化過程中不會熔融，對最終碳纖維的結構形成和性能起著決定性的作用。
一般預氧化時間短，外表皮層結構較薄；時間加長之后皮層會逐漸加厚。熱風循環系統是工業預氧化爐中最具技術含量的部分，該系統能夠直接形成預氧化爐內部的等溫區域，對爐體內部工作空間的溫度均勻性起到了決定性的作用。
原絲預氧化是一個放熱的過程，在預氧化過程中會伴隨大量熱量的產生，如果熱量不能及時轉移散發出去，會造成蓄熱和局部過熱，從而影響纖維的氧化均一性，甚至會造成纖維燒斷或起火燃燒。
當前，我國企業制造的預氧化爐在相關指標方面與國際領先水平有著不小的差距，這也是制約我國高性能碳纖維發展的主要原因。
部分企業實現突破，碳纖維國產替代可期。
碳纖維的制備工藝流程復雜，涉及的工藝參數較多，掌握這些工藝參數往往需要經過長時間的積累。碳纖維屬于戰略物資，國外對中國有一定程度的封鎖，氧化爐和碳化爐很難從國外知名企業直接購買，尤其是軍工領域。
隨著我國在碳纖維領域取得突破，包括精功科技在高質量的碳纖維整線設備實現自主生產，國外對我國生產工業級（民用）碳纖維的企業不再實施封鎖禁售。根據精功科技公告，公司向吉林國興碳纖維有限公司出售 4 條 2500 噸的生產線，售價共計 6.5 億元。由此可見，國內企業已經具備生產千噸級的碳纖維整線設備，而且相較于進口設備，國產設備成本更低，未來民用碳纖維國產替代化有望加速。
3.3、下游需求高增，國產碳纖維迎來歷史機遇
中國運行產能迅速攀升，未來碳纖維國產率有望逐步提高。
2020 年，全球碳纖維運行產能為 17.17 萬噸，同比增長 10.81%。其中，中國大陸碳纖維運行產能為 3.62 萬噸，同比增長 34.64%，增速明顯快于全球，以至于中國大陸運行產能已經升至全球第二位。
細分供應來源來看，2020 年國產碳纖維供應量為 1.85 萬噸，進口碳纖維 3.04 萬噸，同比增速分別為 53.75%、17.46%。
雖然當前我國碳纖維主要依靠進口，但是國產碳纖維連續三年保持了 20%以上的增長速度，直觀說明國內碳纖維企業在生產方面取得了不小的進步。中國碳纖維需求結構與全球相比有著明顯差異，風電葉片領域貢獻主要需求。
在國內“雙碳”背景下，國家大力發展清潔能源，風力發電、氫燃料電池汽車、光伏等領域對碳纖維有著海量需求，隨著國內企業產能的擴展和制品質量的提升，未來碳纖維國產率將會穩步提升。
以大絲束碳纖維為切入點，國內企業將會對碳纖維生產工藝愈發嫻熟和理解，假以時日或將在高性能碳纖維上取得突破，碳纖維國產替代空間廣闊。
4、報告總結
全球風電葉片對碳纖維需求大幅增長，同時國際風電葉片代工由歐洲轉向國內，導致 2020 年國內風電葉片碳纖維需求量達到 2 萬噸，同比增幅達 45%，需求占比達 40.94%。氫能、光伏享受“碳中和”政策紅利，繼續維持高速增長的態勢，對于碳纖維的需求居高不下。
國內上海石化、吉林化纖、光威復材、吉林碳谷等企業紛紛布局大絲束碳纖維產能，精功科技則是國內唯一一家能夠提供千噸級大絲束碳纖維生產線整線的廠商，均有望受益于風電葉片大型化趨勢帶來的大絲束碳纖維滲透率提升。
行業公司：上海石化、吉林碳谷、吉林化纖、精功科技、光威復材、中簡科技。
5、風險提示
海上風電項目進展不及預期
國內碳纖維企業產能擴建、投產進度不及預期
拉擠工藝研發進度不及預期
原材料價格大幅波動
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張書林