一、新材料之王：碳纤维性能优异，复合材料应用广泛

碳纤维在可量产纤维材料中性能最佳，是目前工程上可以大规模应用的比强度最高的材料， 其具有优异的物理、化学性能，在军工及民用领域都有着广泛的应用，被称为 21 世纪的 “黑色黄金”。

碳纤维复合材料即以碳纤维为增强体，以树脂、碳质、金属、陶瓷等为基体所形成的复合材料，在结合增强体与基体优异性能的同时，应用范围更加广泛。

1.1 碳纤维性能优异，PAN基碳纤维占据主流地位

碳纤维：“新材料之王”。碳纤维（Carbon Fiber）是由聚丙烯腈（PAN）等有机纤维在 1000~3000℃高温的惰性气体氛围中经氧化碳化后制成的，含碳量在 90%以上的无机高分子纤维，是目前可以获得的最轻的无机材料之一。

碳纤维的比强度和比模量等力学性能优异，且具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、高导电导热性、低热膨胀系数、高电磁屏蔽性等特点，其易加工、可设计的性能使其广泛应用于航空航天、军工、能源、体育用品、汽车工业、轨道交通和建筑补强等领域，是国防军工和国民经济不可或缺的战略新兴材料，被誉为“新材料之王”。

按照原料不同，碳纤维可分为 PAN 基、粘胶基、沥青基碳纤维。按照原材料不同，碳纤维主要分为粘胶基（纤维素基、人造丝基）、沥青基（各向同性、中间相）和聚丙烯腈（PAN）基三大类。

目前以聚丙烯腈为原料制成的 PAN 基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的 90%以上，如无特殊说明，本文所指碳纤维皆为 PAN 基碳纤维。

按照丝束大小，碳纤维可分为大丝束和小丝束碳纤维。

一般按照碳纤维中单丝根数与 1000 的比值命名，如 12K 指单束碳纤维中含有 12000 根单丝的碳纤维。

通常将 24K 及以下的碳纤维称为小丝束碳纤维，初期以 1K、3K、6K 为主，后逐渐发展为 12K 和 24K，主要应用于国防军工等高科技领域以及体育休闲用品。

通常将 48K 以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括 48K、60K、80K 等（部分领域 25K 也可称为大丝束），主要应用于能源、交运、建筑等工业领域。

按照力学性能，碳纤维可分为通用型和高性能型碳纤维。

业内通常采用日本东丽（TORAY）公司分类法，按照拉伸强度及模量标准进行分类。其中通用型碳纤维强度为 1000MPa、模量为 100GPa 左右。

高性能型碳纤维又分为高强型（强度 2000MPa、模量 250GPa 以 上）和高模型（模量 300GPa 以上）和高强高模型等（强度 4000MPa 以上、模量 300GPa 以上）

1.2 碳纤维产业链涉及较多工艺，复合材料应用广泛

碳纤维产业链从上游原油开始，延伸到终端军工、民用等各项应用：原油经过炼制、裂解及氨氧化得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；再经过预氧化、碳化后得到 PAN 基碳纤维；碳纤维中加入树脂、上浆剂等形成碳纤维复合材料，最后由各种成型加工工艺得到满足不同下游需求的最终产品。

以碳纤维为增强体的复合材料性能更优，应用更广。

复合材料通常由基体和增强体通过一系列反应生成，除具有各材料组分自身独有的性能外，还因为不同材料组分的界面结合效应使之具有更优异的综合性能。

碳纤维力学性能优异，但作为结构材料很少单独使用，一般是经过深加工制成编织布等中间产物或者作为增强体加工成复合材料再进行使用。

碳纤维作为复合材料的增强材料，根据不同性能要求和使用目的可以选用不同的基体材料，其中碳纤维增强树脂基复合材料 CFRP 是应用最广泛的碳纤维复合材料（碳纤维含量约 65%），其在全球碳纤维复合材料市场中的消费占比超过 80%。

二、军民两用优异材料，驱动碳纤维需求持续走高

碳纤维本身具备低比重、高强度的优异属性，与其他材料复合制成的碳纤维复合材料具有高强轻量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等特点，因此在诞生之初便作为战略性物资应用于国防、航空航天等军用行业。

之后随着商业化的顺利推进及成本的不断降低，碳纤维优异属性被广泛认知，应用范围持续拓宽，并逐步在民用领域大放光彩，成为军民两用的优异新材料品种。

2.1 全球碳纤维需求持续增长，我国结构性差异蕴含机遇

2.1.1 全球碳纤维需求以风电叶片、航空航天、体育及汽车为主

全球碳纤维需求量稳步增长，未来仍将处于高速增长期。

过去 10 余年间，随着碳纤维下游应用渗透率的提升，全球碳纤维需求量稳步增长，2019 年全球碳纤维需求量首次突破 10 万吨，相较 2008 年 CAGR 达 10%。

2020 年受疫情影响下游航空业受损明显，但其他产业需求旺盛，全年需求量仍较 19 年同比提升 3%达到 10.7 万吨，据赛奥碳纤维技术预测，2025 年全球碳纤维需求量有望达到 20 万吨，5 年 CAGR 将达 13.3%，未来或将持续处于高速增长期。

风电叶片、航空航天、体育及汽车为全球碳纤维主要应用领域。

全球范围来看，碳纤维下游应用较为分散，各产业应用蓬勃发展，风电叶片、航空航天、体育及汽车为主要应用领域。

按用量计，风电叶片近年来快速发展，现已成为全球第一大碳纤维消费市场，2020 年需求量 3.06 万吨占比 29%，航空航天、体育休闲及汽车分别占比 15%、14%和 12%。

值得关注的是，若以金额计，航空航天产业以 9.87 亿美元排名第一，占比高达 38%，体现出航空航天领域碳纤维产品的高产值，而风电叶片虽用量大，但其使用的碳纤维是低成本的大丝束产品，因此金额计占比仅约 16%。

航空航天领域产品具备高附加值，大丝束产品份额持续提升。

上文提到，小丝束碳纤维产品生产工艺要求严格且难度大，生产成本较高，故多用于航空航天等高科技及高附加值领域，航空航天领域产品单价约 60 美元/吨。

而大丝束产品性能相对逊色但胜在生产成本低，以风电叶片为代表的碳纤维产品单价低至 14 美元/kg，因此在风电、电缆等基础工业领域需求旺盛，2020 年大丝束产品需求占比约 45%，较 2019 年提高 2 个 PCT。

未来在风电领域高景气叠加对部分小丝束产品替代的推动下，大丝束产品份额有望进一步提升。

2.3.2 航空领域：“减重飞行”，民机需求释放在即

减重飞行是航空业永恒的话题。

上文曾提及，飞机重量与运营成本、使用性能、飞行安全等因素息息相关，减重可以节省燃料，并提高航程和载重能力，提高民航经济效益。

另一方面，减重在带来巨大经济效益的同时，亦可缓解航空业的碳排放问题：航空业碳排放增速居各行业之首，当前航空业碳排放占全球排放总量的 2.5%，这一比例在 2030 年将上升至 3.5%；长途飞行目前主要依赖于化石能源，清洁能源的替代在短时间内难以实现。

考虑到经济效益和减碳两大目的，飞机减重成为迫切需求，质轻高强的碳纤维复合材料材料 在民航领域拥有广阔舞台。

碳纤维复材较航空金属合金材料性能更优，被广泛应用于飞机各级结构。与传统航天金属合金材料相比，碳纤维复合材料有着更高的比强度、比模量、抗疲劳特性及耐腐蚀性，能够承受飞机在高速飞行时的压强及气候条件。

航空领域碳纤维复合材料主要采用热压罐成型工艺，碳纤维复材的良好成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低。

目前碳纤维复合材料已经成功在飞机机身、机翼、发动机风扇叶片及外壳、发动机机舱、引擎舱材料等各级结构和机体内饰部分得到大规模应用。

大型民用飞机中，碳纤维复材用量已超 50%。

在航空航天碳纤维需求中，商用飞机的需求占比已超过 50%。

随着民用飞机的更新换代，碳纤维复合材料在飞机上的应用也逐渐增加，其中波音 B787、空客 A350 上的碳纤维复合材料用量已经达到甚至超过 50%，取代铝合金成为用量最多的材料。

我国自主研发的 C919 大型客机，实现了先进材料在国产民机中的首次大规模应用，整机碳纤维复合材料用量超过12%，后期有望进一步提升至25%。未来与俄罗斯联合研发的 CR929 碳纤维复合材料用量将达 50%以上。

后疫情时代，民用航空业有望迎来复苏拐点。

自疫情以来，全球民用航空的出行需求遭受重创，据蒂尔集团数据，2020 年全球航空客运量较 2019 年下降了约 63%，波音及空客对应削减了相关复合材料飞机的产能以应对需求衰退。

随着疫情常态化的趋势以及全球疫苗接种率的提高，后续民航出行需求有望逐步复苏，基于疫情及航空领域复杂且滞后的特点，预计民用航空于 2024 年左右或可恢复到 2019 年的需求水平。根据赛奥碳纤维预测，2025 年全球航空航天业碳纤维需求将达到 2.6 万吨，五年 CAGR 达 10%。

根据波音公司发布的《中国民用航空市场展望》，过去十年全球航空业 25%的增长来自中 国，未来 20 年内这一趋势将延续，至 2040 年中国的新飞机交付数量将超过 8000 架。

商飞的预测则更加乐观，2040 年将超 9000 架，届时我国将成为全球最大的航空市场。在飞机轻型化的发展趋势中，必将带动民用航空业碳纤维的强劲需求。

国产大飞机订单释放，驱动碳纤维复材需求持续提升。

目前我国六架 C919 试飞机全部首飞成功，首架订单预计于 2022 年初交付，当前订单总量已超过 1000 架（包含意向订单）。

CR929 客机已于 2021 年 9 月开工建造，2025 年或可实现首飞。

按照每年 100 架的产能估算，未来二十年时间里，预计我国 C919 和 CR929 大飞机将分别增加 2000 架和 500 架，对应碳纤维需求将达 9500 吨，年均需求 473 吨。

随着国产客机商业化进程的不断深入，国产飞机将逐步实现对进口替代，并提升国产碳纤维及其复合材料的需求空间。

2.3.3 汽车领域：“轻装上阵”，轻量化需求带动渗透率提升

碳纤维复合材料对于节能、减排、提续航效果显著。与航空业类似，汽车工业的轻量化可带来极大地经济效益与性能提升。

根据欧洲铝协数据，当汽车质量降低 10%时，可以将能源使用效率提高 6%-8%，百公里排放降低 10%，轮胎寿命提高 7%。对燃油车来说，当汽车质量减轻 100KG 时，可以节省 0.3-0.6L/百公里油耗，进而减少 10g/km 的二氧化碳排放；而对于新能源汽车，100KG 的减重相应可以增加其续航能力约 6%-11%。此外，对于氢能汽车来说，部分型号储氢瓶已开始使用碳纤维材料，与传统Ⅰ型瓶、Ⅱ型瓶相比，Ⅲ型瓶、Ⅳ型瓶大幅提高了储氢瓶所能承受的压强和储氢密度，这意味着在同等容积下能够储存更多的氢气，进而提升汽车的续航里程。

碳纤维复合材料在提升结构力学性能的同时，使得车身整体质量大幅下降。

与普通钢材相比，碳纤维复合材料能减重约 60%，与力学性能相对较差的轻质材料镁铝合金相比也能提升 10%-20%的减重效果。

同时，碳纤维复合材料的优良耐腐蚀性和阻燃特性使得其进一步成为新能源汽车轻质动力电池箱的理想替代材料，2020 年德国西格里分别与宝马集团、蔚来汽车等公司合作，批量制造电动汽车电池盒。

在全球新能源汽车渗透率快速提升的当 下，碳纤维需求将逐步获得释放。

2.3.4 体育领域：“全民运动”，体育休闲大有可为

我国体育休闲行业碳纤维需求量大，高尔夫球杆、自行车和钓鱼竿为主要应用方向。

体育休闲领域是碳纤维最早应用的领域之一，全球近 90%的碳纤维体育器材加工在中国大陆和中国台湾完成，体育休闲在 2020 年全球碳纤维应用中的需求占比达 14%，而在我国的 需求占比达到近 30%。产品类别广泛，以 3K、12K 等小丝束为主，单价较稳定。

碳纤维的优良特性十分契合运动过程中对体育器材的特殊要求。首先，碳纤维复合材料轻质高强的特性使其适合应用于训练承受强度大但有轻质要求的体育器材，如曲棍球杆等；其次，其特殊的微观裂缝结构使其具有很好的减震性能；最后，碳纤维复合材料具有很高的安全性，当载荷超出承受范围时并不会发生直接的断裂，即使部分结构断裂也不会使其他碳纤维无法施展性能。

因此，碳纤维复合材料在体育运动行业获得了广泛应用，其中高尔夫球杆、自行车和钓鱼竿为最主要的应用方向，三者合计占比 75%。

运动人数的上升和对器材要求的提高，驱动碳纤维需求稳定增长。

在“健康中国”战略的持续推动以及人们健康意识不断提高的背景下，全民运动时代正在到来，近年来我国经常参加体育运动人数逐年上升，2020 年已达到 4.35 亿人且增速不断增加。

使用性能优越的体育器材能够获得更好的运动体验，运动人数的增加会提升体育用碳纤维复合材料的需求。

根据赛奥碳纤维预测，2025 年体育休闲领域碳纤维需求将稳定增长至 19655 吨，五年 CAGR 为 5%。

三、国产替代正当时，我国碳纤维迎来发展机遇期

受限于碳纤维关键生产技术匮乏及进口设备适配性不强，我国碳纤维行业长期存在“有产 能，无产量”的现象，目前全球碳纤维实际产能集中在日美企业。

2020 年以来受疫情影响，碳纤维进口难度增加，叠加日本、美国等主要碳纤维供应国收窄了对国内碳纤维的供给，导致国内需求缺口持续扩大。外部多变的环境与内需旺盛的需求，在对我国碳纤维产业提出更高要求的同时也带来了更具确定性的发展契机，国产替代产品的质和量均将得到进一步提升。

3.1 国内供需缺口持续扩大，碳纤维实际产能仍集中于日美企业

全球碳纤维运行产能稳步增长，我国实际产量较低。

从产能分布来看，全球碳纤维运行产能（处于正常生产状态且具备生产能力）稳步扩张，2020 年达到 17.2 万吨，其中美国产能占比 22%位列第一，中国大陆和日本产能占比分列第二、三名，三者合计占比 60%。

虽然我国运行产能占比达到 21%，但由于较多国产碳纤维企业尚未实现关键技术突破，核 心设备多为进口且适配性不强，生产线运行及产品质量不稳定，致使实际产量仅约 1.8 万 吨，产能利用率不足 60%，长期存在高产能、低产量的现象。

碳纤维实际产能仍集中于日美企业。

从企业产能份额占比来看，全球碳纤维市场依然为日、美企业所垄断，其中：

（1）小丝束市场以日本企业（东丽、东邦、三菱）为主，CR3 达 49%，目前碳纤维核心生产技术主要掌握在日本公司手中，产品主要应用于航空航天等高端领域，日本东丽作为全球高性能碳纤维龙头企业，其在小丝束市场的份额占比超过 26%。

（2）大丝束市场以欧美企业（赫式、西格里）为主，CR3 高达 98%，美国产业链生态完备且生产要素具备全球优势，产品主要用于航天军工企业，其中赫式市场份额占比近 60%。

此前国内碳纤维生产主要以小丝束碳纤维为主，自产自销的小丝束碳纤维主要应用在军工等高附加值领域上。

从当前在建产能产品结构来看，我国厂商在大丝束碳纤维上布局加速，产品多聚焦于 50K 大丝束产品，在民用以及工业级市场拥有极大发展潜力。

3.2.4 降本：规模优势，成本下行

对碳纤维产品来说，国内厂商的降本空间来源于：（1）工艺技术优化带来的原料单耗降低； （2）规模效应优势带来的生产成本下行。

碳纤维原丝约占碳纤维生产成本的一半左右，丙烯腈价格有望保持稳定并进一步下降。原丝制备是碳纤维产业链的关键环节，其性价比与供应稳定性直接影响碳纤维产品的质量和成本。

质量过关的原丝是产业化稳定生产的前提，如果原丝的分子结构和聚集态结构存在不同程度的缺陷，将严重影响碳纤维的质量和性能。而原丝成本将在很大程度上决定碳纤维产品成本，并进一步影响到碳纤维应用领域的延伸。

根据中复神鹰披露，若包括丙烯腈在内的直接材料价格上涨 5%，公司主营业务毛利率将下降 2.84PCT。

据隆众资讯，2021 年国内丙烯腈年产能约 290 万吨，随着斯尔邦二期以及浙江石化等新产能的陆续释放，供给不足现象已有所缓解，丙烯腈价格也于 1.66 万元/吨的阶段高点逐步回落至 1.35 万元/吨。2022 年国内预计新增丙烯腈产能 98 万吨，丙烯腈价格有望相应下行。

工艺技术优化带来原料单耗降低。

丙烯腈在直接材料成本中占比超 70%，根据中复神鹰及吉林碳谷披露，1 吨碳纤维需消耗 2.0~2.2 吨聚丙烯腈原丝，1 吨聚丙烯腈原丝的丙烯腈单耗为 0.98 吨，即生产 1 吨碳纤维的丙烯腈理论单耗约 1.96 吨。

经过长期的技术研发与工艺优化，各主要碳纤维公司的产品性能、一级品率逐步提升，原料单耗逐步下降，与理论耗用量逐步趋同：

➢ 在原丝方面，吉林碳谷原丝丙烯腈单耗由 18 年的 1 吨降至 20 年的 0.95 吨，2021 年 6 月公司对聚合工段进行大修导致 21 年上半年的丙烯腈单耗有所上升；

➢ 在碳纤维产品方面，中复神鹰碳纤维丙烯腈单耗由 18 年的 2.02 吨降至 20 年的 1.96 吨，21 年上半年神鹰西宁处于投产初期，生产线运行调试对原材料消耗较高，本部仍维持 1.96 吨的丙烯腈实际单耗。

不同产品结构的企业成本构成差异较大，吉林碳谷仅包含原丝生产环节，直接材料成本占比较高，2021H1 达到 78%。光威复材、中简科技及中复神鹰包含原丝及碳纤维生产环节，制造费用成本占比高，主要包括生产设备折旧及相关能源动力费用，体现了碳纤维产品环节的高设备开支与高能耗。

总体来看，不论企业产品结构如何，直接材料的成本占比均维持下降趋势（光威复材制造费用下降速度更快）。

规模优势效应带来生产成本下行。

随着各碳纤维厂商生产工艺的持续优化与技术的不断突破，各企业产能持续扩张，规模效应逐渐显现。

据《碳纤维产业化发展及成本分析》统计，原丝和碳纤维的生产成本同生产规模呈反比，非直接生产因素占比在不断增加生产规模和产量的情况下会逐渐减小，大规模原丝（3000t/a）和碳纤维（1000t/a）直接生产费用分别是小规模原丝（250t/a）和碳纤维（100t/a）直接生产费用的 61%和 47%。即通过规模化生产可使碳纤维生产成本得以有效降低。

目前各主要碳纤维公司产能均突破千吨级，其中中简科技和光威复材产品主要以小丝束为 主，军品业务占比较大，因而产能规模相对较小；中复神鹰以民品业务为主，前期 1 万吨/年高性能碳纤维募投项目已陆续投产，总产能达到 1.35 万吨/年；吉林碳谷产品主要以民用大丝束原丝为主，总产能已达 5 万吨/年。

不同产品结构及规模的碳纤维企业，单吨成本有所差异，但总体下行趋势明显。

四、相关公司

4.1 吉林化纤（000420.SZ）：内部协同加快转型，进军碳纤维复材大有可为

立足粘胶长丝，发力进军碳纤维复合材料领域。

公司为全球最大的粘胶长丝厂商，年产能 8 万吨相当于全球产能的 1/3，得益于粘胶长丝纤维行业的技术沉淀与稳定营收，公司积极转型碳纤维新材料，并于 11 月公告拟非公开发行股票，募资 9 亿用于建设 1.2 万吨碳纤维复材项目，预计 22 年底前建成投产。

募投产品未来主要用于风电叶片生产，在后续风电装机量高增叠加降本拉动下，公司未来成长可期。

4.2 精功科技（002006.SZ）：碳化线整线设备核心供应商，国产替代需求加速释放

核心设备国产替代加速，设备厂商空间广阔。

预氧化和碳化工艺环节约占碳纤维全产业链成本的 30%-50%，其中氧化炉和碳化炉是碳纤维生产线的核心设备，决定了原料由有机原丝转化为无机碳纤维的关键结构转变，目前设备提供商仍以美国、德国等国外厂商为主，国内参与者寥寥。

4.3 中复神鹰（暂未上市）：碳纤维民品龙头，产品升级扩产前景可期

产品系列全覆盖，产能规模位居全国之首。

公司隶属于中国建材集团有限公司，目前碳纤维投产产能已达 9500 吨/年，预计 2022 年第一季度将提升至 1.35 万吨/年，产能规模位居全国首位。

公司作为我国碳纤维民品龙头，产品体系完备，性能指标与日本东丽对标，系统掌握了 T700 级、T800 级碳纤维千吨规模生产技术以及 T1000 级的中试技术，实现了高强、高强中模、高强高模型等各种性能级别产品的全覆盖，能够满足下游不同应用领域的需求。

目前公司科创板 IPO 已于 2021 年 12 月 15 日顺利过会。技术创新推动降本增效，大丝束研发持续发力。

公司重视碳纤维技术研发，于 2013 年率先在国内实现了千吨级干喷湿纺碳纤维产业化技术的突破和核心装备自主化，并建成了国内首条千吨级干喷湿纺碳纤维生产线。

4.4 光威复材（300699.SZ）：国产碳纤维行业龙头，军民双轮驱动打开广阔发展空间

全产业链布局助力系统解决方案供应商转型。公司是国内最早实施碳纤维国产替代的民营企业，也是目前国内碳纤维生产品种最齐全、生产技术最先进、产业链最完备的龙头企业。

通过构建“521”发展战略，公司建立了从碳纤维到复合材料制品的完整产业链，产品覆盖原丝、织物、预浸料、碳纤维复材及制品等全产业链内各个阶段产物，成本优势日趋明显，并进一步向复合材料业务的系统解决方案供应商进发。

军品业务行业壁垒高，公司先发优势显著。军用碳纤维的质量稳定性要求极高，验证程序漫长，在确定配套关系后一般不会轻易更换供应商，价格下调风险较小且行业壁垒较高。

公司为最早一批军用国产碳纤维供货商，其中用于军机的小丝束 T300 产品已稳定供货近十年；T700、T800 级产品均已通过下游应用认证，具备批量生产能力。

4.5 中简科技（300777.SZ）：专注军工领域的国产碳纤维核心供应商

中高端定位延续，综合毛利高位爬升。

公司于 2008 年 4 月为承担科技部“863 聚丙烯腈基碳纤维工程化”重点项目而成立，在后续的发展中，公司始终聚焦于中高端碳纤维业务，不断升级换代的产品也一直延续了高性能的定位。

五、风险提示

1、原材料价格大幅波动风险

2、风电、航空等下游需求不及预期

3、产能建设进度不及预期

4、关键生产设备及技术限制进口风险

5、产能投放过于集中致使短期供给过剩风险

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