碳纖維行業(yè)研究：碳纖維行業(yè)梳理

碳纖維行業(yè)研究：碳纖維行業(yè)梳理01碳纖維簡介具備出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性的黑色黃金碳纖維（CarbonFiber）是由聚丙烯腈（PAN）（或?yàn)r青、粘膠）等有機(jī)母體纖維，在高溫環(huán)境下裂解碳化形成碳主鏈結(jié)構(gòu)，含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維。碳纖維具備出色的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，密度比鋁低、強(qiáng)度比鋼高，是目前已大量生產(chǎn)的高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和最高的比模量的纖維，同時具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕等一系列其他材料所不可替代的優(yōu)良性能。碳纖維在航空航天、風(fēng)電葉片、體育休閑、壓力容器、碳/碳復(fù)合材料、交通建設(shè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。碳纖維可以按照原絲種類、力學(xué)性能、絲束規(guī)格、原絲制備工藝等不同維度進(jìn)行分類，不同類別的碳纖維分類標(biāo)準(zhǔn)如下：原絲種類：分為PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，PAN基碳纖維由于生產(chǎn)工藝相對簡單，產(chǎn)品力學(xué)性能優(yōu)異，用途廣泛，自20世紀(jì)60年代問世以來，迅速占據(jù)主流地位，占碳纖維總量的90%以上。瀝青基、粘膠基的產(chǎn)量規(guī)模較小。因此，目前碳纖維一般指PAN基碳纖維。力學(xué)性能：業(yè)內(nèi)主要采用力學(xué)性能進(jìn)行分類。企業(yè)產(chǎn)品分類主要參考日本東麗的牌號，并以此為基礎(chǔ)確定自身產(chǎn)品的牌號及級別。此外，按照現(xiàn)行聚丙烯腈基碳纖維國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T26752-2020的力學(xué)性能分類，PAN基碳纖維分為高強(qiáng)型、高強(qiáng)中模型、高模型、高強(qiáng)高模型四類。絲束規(guī)格：按纖維數(shù)量不同可分為小絲束和大絲束，一般將絲束數(shù)量小于24K的碳纖維稱為小絲束（1K代表一束碳纖維中有1000根絲），24K以上的為大絲束。小絲束碳纖維性能優(yōu)異、產(chǎn)量低、價格較高，一般用于航空航天、國防軍工等高科技領(lǐng)域。大絲束產(chǎn)品性能相對較低、成本較低、生產(chǎn)控制難度大，廣泛運(yùn)用于基礎(chǔ)工業(yè)、民用領(lǐng)域。原絲制備工藝：按照紡絲溶劑的選擇，聚合工藝的連續(xù)性，紡絲采用的工藝方法等，原絲制備可以分為不同的工藝類型。按照紡絲溶劑區(qū)分，包括DMSO（二甲基亞砜）、DMAC（

N,N二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸鈉）等不同的溶劑類別。按照聚合工藝的連續(xù)性，可以分為一步法、兩步法。按照紡絲工藝，可以分為濕法和干噴濕紡法。02碳纖維供需全球供給2020年全球碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能共計17.2萬噸，同比增長10.8%，增長部分主要來自卓爾泰克在匈牙利增加的5000噸，碳谷+寶旌（前精功碳纖維）增加的2000噸，中復(fù)神鷹增加的2000噸，光威增加的2000噸，曉星公司增加的2000噸。從制造商看，2020年具有最大運(yùn)行產(chǎn)能的是Toray+Zoltek（東麗和卓爾泰克）、共計約5.45萬噸，其次是SGL（德國西格里）1.5萬噸、MCCFC（三菱）1.43萬噸、Toho/Teijin（東邦/帝人）1.26萬噸、Hexcel（赫氏）1.02萬噸、FPC（臺塑）0.88萬噸。未來多家制造商預(yù)計擴(kuò)產(chǎn)共計8.04萬噸。從區(qū)域看，美國具大的運(yùn)行產(chǎn)能3.73萬噸，占比最大為21.7%；其次為中國大陸3.62萬噸，占比為21.1%；日本2.92萬噸，占比17%。同時，據(jù)中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2020年，在國際大絲束碳纖維市場中，美德企業(yè)市占率達(dá)到全球產(chǎn)能的89%以上，日本企業(yè)市占率約為10%。其中，碳纖維大絲束主要制造商為日本東麗、美國Hexcel、德國SGL、日本三菱、中國藍(lán)星等企業(yè)。國內(nèi)供給2020年中國碳纖維產(chǎn)能共計3.6萬噸、同比增長35.7%。2020年具有最大碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能的是碳谷+寶旌、共計0.85萬噸，其次是江蘇恒神0.55萬噸、中復(fù)神鷹0.35萬噸。同時，2020年具有最大碳纖維原絲產(chǎn)能的也是碳谷+寶旌，共計4萬噸、其次是中復(fù)神鷹2.125萬噸、江蘇恒神1.375萬噸。國內(nèi)公司產(chǎn)能特點(diǎn)：吉林碳谷以原絲生產(chǎn)為主；吉林寶旌和蘭州藍(lán)星以大絲束碳纖維生產(chǎn)為主，江蘇恒神和蘭州藍(lán)星兼?zhèn)湓z生產(chǎn)和碳纖維生產(chǎn)能力；其他公司產(chǎn)能主要集中在高性能碳和小絲束碳纖維。國內(nèi)碳纖維產(chǎn)能目前碳纖維行業(yè)的有效產(chǎn)能高度集中，主要來自吉林碳谷、中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、中簡科技等?；谔祭w維極高壁壘的行業(yè)屬性，其全球供應(yīng)呈現(xiàn)明顯的壟斷格局。隨著產(chǎn)能利用率的提升以及對需求前景的看好，國內(nèi)碳纖維企業(yè)開始新一輪產(chǎn)能擴(kuò)張浪潮。未來幾年，我國多家碳纖維企業(yè)紛紛擴(kuò)大產(chǎn)能，代表事件有中復(fù)神鷹投資50億元西寧建設(shè)20000噸碳纖維的重大擴(kuò)建工程、光威復(fù)材將投資20億元在包頭建設(shè)“萬噸級碳纖維產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”、上海石化投資35億元，建設(shè)24000噸原絲、12000噸大絲束碳纖維項(xiàng)目等。預(yù)計2021年底，我國碳纖維產(chǎn)能達(dá)到4.4萬噸/年，未來將進(jìn)一步快速增長，2025年或?qū)⑦_(dá)到26.0萬噸/年，2020年-2025年年均復(fù)合增長率達(dá)56%。國內(nèi)原絲產(chǎn)能根據(jù)我們統(tǒng)計，2020年我國原絲產(chǎn)能為4.96萬噸/年，隨著近年來多個企業(yè)拋出原絲擴(kuò)產(chǎn)計劃，我國原絲產(chǎn)能將繼續(xù)提升，我們預(yù)計到2025年，我國碳纖維原絲產(chǎn)能將達(dá)到54.86萬噸/年，2020年-2025年年均復(fù)合增長率達(dá)56%。按照每生產(chǎn)一噸碳纖維需要耗費(fèi)兩噸原絲計算，我國碳纖維原絲新增產(chǎn)能與碳纖維新增產(chǎn)能總體將保持匹配。碳纖維需求受益于風(fēng)電葉片大型化與軍機(jī)裝備先進(jìn)化保持高速增長，國內(nèi)碳纖維加速擴(kuò)產(chǎn)將促進(jìn)上游原絲需求提升。目前碳纖維原絲行業(yè)的有效產(chǎn)能高度集中，主要來自吉林碳谷、中復(fù)神鷹、光威復(fù)材、中簡科技等，除吉林碳谷外，其他企業(yè)的碳纖維原絲產(chǎn)能多是碳纖維產(chǎn)能的配套項(xiàng)目，以各企業(yè)自用為主。吉林碳谷是碳纖維原絲龍頭企業(yè)，產(chǎn)能位于全國首位，隨擴(kuò)產(chǎn)計劃逐步落地，吉林碳谷市場份額料將持續(xù)增加。全球需求2020年全球碳纖維需求為10.69噸、同比增長3.05%。從應(yīng)用領(lǐng)域看：2020年風(fēng)電葉片領(lǐng)域是碳纖維最大的應(yīng)用領(lǐng)域、需求量為3.06萬噸，占比為29%，該領(lǐng)域增長強(qiáng)勁，同比增20%。第二大應(yīng)用領(lǐng)域是航空航天（需求量1.65萬噸，占比15%），需求量用量急劇降低，同比減30%。第三大應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)轶w育休閑（需求量為1.54萬噸，占比14%），需求穩(wěn)定增長，同比增2.67%。從產(chǎn)品種類看：2020年標(biāo)準(zhǔn)模量大絲束產(chǎn)品占據(jù)碳纖維市場最大份額，占比為45.2%，同比提升3ppt。標(biāo)模-大絲束占比提升來自風(fēng)電市場驅(qū)動下的需求增長，小絲束市場在航空航天市場萎縮下的需求下滑，以及小絲束市場供給不足、使用大絲束替代的原因。國內(nèi)需求2020年中國碳纖維的總需求量為4.9萬噸，同比增加29%；我國需求量占全球總需求量的45.7%。從國產(chǎn)/進(jìn)口看：2020年總需求量中的3.04萬噸（占比62%）來自于進(jìn)口，進(jìn)口量同比增17.5%；總需求中的1.85萬噸（占比38%）來自國產(chǎn)，供應(yīng)量同比增54.2%。國產(chǎn)替代取得巨大進(jìn)步。從應(yīng)用領(lǐng)域看：2020年風(fēng)電葉片領(lǐng)域是碳纖維應(yīng)用最大的領(lǐng)域，需求量為2萬噸，占比為41%，需求量同比增44.9%。第二大應(yīng)用領(lǐng)域是體育休閑行業(yè)，需求量為1.46萬噸，占比29.9%，需求量與2019年持平。全球風(fēng)電葉片領(lǐng)域中66.7%的需求量、體育休閑領(lǐng)域中94.8%的需求量都來自中國，但是國內(nèi)航天航空領(lǐng)域的需求量很少為1700噸，僅貢獻(xiàn)全球10.33的需求量。碳纖維供需我國碳纖維工業(yè)起步相對較晚，在核心技術(shù)、產(chǎn)能等方面與西方發(fā)達(dá)國家存在一定差異。近年來在國內(nèi)外高速增長的需求牽引下，國內(nèi)碳纖維制造商在進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)能投資和技術(shù)突破。當(dāng)前我國國內(nèi)主要的碳纖維（及原絲）制造商為吉林碳谷、吉林寶旌、中復(fù)神鷹、江蘇恒神、光威復(fù)材、蘭州藍(lán)星和上海石化等。其中，吉林碳谷以原絲生產(chǎn)為主；吉林寶旌和蘭州藍(lán)星以大絲束碳纖維生產(chǎn)為主，江蘇恒神和蘭州藍(lán)星兼?zhèn)湓z生產(chǎn)和碳纖維生產(chǎn)能力；其他公司產(chǎn)能主要集中在高性能碳和小絲束碳纖維。國際大絲束碳纖維產(chǎn)能主要集中在美國、德國以及日本等發(fā)達(dá)國家。大絲束碳纖維生產(chǎn)技術(shù)和工藝流程復(fù)雜，國際市場大絲束碳纖維規(guī)模化生產(chǎn)起步早，工藝技術(shù)已逐步發(fā)展成熟，主要產(chǎn)能集中在歐美、日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家。根據(jù)中國化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，2020年，在國際大絲束碳纖維市場中，美德企業(yè)市占率達(dá)到全球產(chǎn)能的89%以上，日本企業(yè)市占率約為10%。其中，主要大絲束碳纖維制造商為日本東麗、美國Hexcel、德國SGL、日本三菱、中國藍(lán)星等企業(yè)。截至2020年底，在產(chǎn)能方面，日本東麗目前擁有全球最大碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能，理論產(chǎn)能達(dá)到5.45萬噸/年。德國SGL現(xiàn)有產(chǎn)能1.5萬噸/年，是目前碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能第二大的公司。日本三菱碳纖維產(chǎn)能排名全球第三，為1.43萬噸/年。Hexcel現(xiàn)有碳纖維產(chǎn)能1.02萬噸/年。03碳纖維應(yīng)用風(fēng)電領(lǐng)域預(yù)計到2023年、2025年全球碳纖維需求將增長至15萬噸、20萬噸，增長主要受風(fēng)電葉片領(lǐng)域需求驅(qū)動。風(fēng)電葉片領(lǐng)域2023年、2025年對碳纖維的需求量或?qū)⑦_(dá)到6萬噸、9.3萬噸，對應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的68.2%、67.4%（以2020年為基準(zhǔn)）。碳中和背景下，能源結(jié)構(gòu)型調(diào)整勢在必行，利好風(fēng)電領(lǐng)域。中國明確提出了“碳中和碳達(dá)峰”的目標(biāo)，美國將重新加入“巴黎氣候協(xié)定”，并制定“2035無碳發(fā)電，2050讓美國實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，歐盟則提出了2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。政策驅(qū)動下，預(yù)計未來5年中國及全球風(fēng)電新增項(xiàng)目容量將持續(xù)增長，中國新增容量將增長至66GW，全球增長至119GW。儲氫領(lǐng)域壓力容器領(lǐng)域2023年、2025年對碳纖維的需求量或?qū)⑦_(dá)到1.5萬噸、2.19萬噸，對應(yīng)貢獻(xiàn)了全球需求增量的14.37%、14.06%（以2020年為基準(zhǔn)）。碳纖維纏繞復(fù)合材料儲氫氣瓶，是利用碳纖維絲束浸在環(huán)氧樹脂后，與鋁合金或者高分子內(nèi)膽進(jìn)行纏繞，再將其固化成型脫模，從而具有質(zhì)量輕，耐疲勞，抗高低溫沖擊，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。同時較三型瓶，四型瓶碳纖維雖用量提升，但總成本下降。在同等工作壓力狀態(tài)下，四型瓶成本較三型瓶低7%-11%，因此儲氫瓶大絲束碳纖維的需求量將實(shí)現(xiàn)快速增長。在天然氣汽車（NGV）和燃料電池汽車（FCV）中，Ⅳ型高壓儲氣瓶可以有效降低重量，還可以儲存更多燃料，有效提升汽車?yán)m(xù)航里程，經(jīng)濟(jì)性明顯，未來幾年天然氣汽車和燃料電池汽車將會是Ⅲ型、Ⅳ型高壓儲氫瓶的主要應(yīng)用方向。航空航天領(lǐng)域基于碳纖維復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)輕量化中無可替代的材料性能，在航空中得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展，從1969年起美國戰(zhàn)機(jī)碳纖維的使用量比重開始持續(xù)增加達(dá)到36%，美國B2隱身戰(zhàn)略機(jī)上碳纖維復(fù)合材料占比超過了50%。隨著近年民用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，民用飛機(jī)對于碳纖維復(fù)合材料的使用量也逐步上升，如B787和A350等，以及我國商飛的C919等。航空主要使用3K、6K、12K碳纖維。預(yù)計2020-2023年需求量不變；到2025年需求量將達(dá)到2.63萬噸，貢獻(xiàn)全球增量的10.6%（以2020年為基準(zhǔn)）。航空航天市場中的民用航空市場，至少需要3年才可能恢復(fù)到2019年的應(yīng)用數(shù)量。當(dāng)疫情得到進(jìn)一步控制，市場復(fù)蘇加上單通道飛機(jī)廣泛采用碳纖維對市場的激增作用，航空航天市場依然將會是碳纖維應(yīng)用中舉足輕重的一環(huán)。體育休閑領(lǐng)域碳纖維在體育休閑市場中，主要使用于高爾夫球桿、曲棍球棍、網(wǎng)球拍、釣魚竿、自行車架、滑雪板、賽艇等高端體育休閑市場。該塊應(yīng)用主要基于碳纖維的輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕等特點(diǎn)。例如碳纖維復(fù)合材料制作的高爾夫球桿比金屬桿減重近