碳纤维是由聚丙烯腈或沥青、粘胶等有机母体纤维，在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量在90%以上的无机高分子纤维。不仅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，是新一代增强纤维。

一、碳纤维简介：“新材料之王”

碳纤维呈黑色，其质轻、强度高，同时具有易于成型、耐腐蚀、耐高温等多种优良性质，已经被广泛应用于航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等诸多领域。

图：碳纤维样品图

图片来源：中复神鹰招股说明书

1、碳纤维性能特点

资料来源：中复神鹰招股说明书

2、碳纤维主要分类

碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格、原丝制备工艺等不同维度进行分类，不同类别的碳纤维分类标准如下：

1）原丝种类

碳纤维根据原丝种类主要分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用途广泛，自20世纪60年代问世以来，迅速占据主流地位，占碳纤维总量的90%以上；沥青基、粘胶基的产量规模较小。因此，目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。

2）力学性能

碳纤维因其优异的力学性能作为增强材料而广泛应用，因此业内主要采用力学性能进行分类。业内产品分类主要参考日本东丽的牌号，并以此为基础确定自身产品的牌号及级别。

图：碳纤维力学性能分类

资料来源：中简科技招股说明书

3）丝束规格

按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别。一般按照碳纤维中单丝根数与1,000的比值命名，例如，12K指单束碳纤维中含有12,000根单丝的碳纤维。

图：碳纤维大小丝束分类

资料来源：吉林碳谷公开股票说明书

4）原丝制备工艺

按照纺丝溶剂的选择，聚合工艺的连续性，纺丝采用的工艺方法等，原丝制备可以分为不同的工艺类型：按照纺丝溶剂区分，包括DMSO（二甲基亚砜）、DMAc（N,N-二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸钠）等不同的溶剂类别。

按照聚合工艺的连续性，可以分为一步法、两步法；按照纺丝工艺，可以分为湿法和干喷湿纺法。其中，纺丝工艺的选择及控制为稳定生产高性能原丝的关键因素。

3、碳纤维发展历史

整个碳纤维市场发展大致经历了起步、成长、扩张和全面扩张四个阶段。

起步阶段（1971-1983）

碳纤维主要应用于钓鱼竿、飞机次承力结构领域；

成长阶段（1984-1993）

碳纤维应用领域扩大至网球拍、高尔夫球杆、飞机主承力结构的应用上，在这段时期内，碳纤维产品增加、成型技术逐渐进步；

扩张时期（1994-2003）

碳纤维工业应用开始起步，碳纤维产品开始进入压力容器、工业机器、船艇、土木工程和建筑、修复和补强等领域，在这段时期内碳纤维生产成本也开始降低；

全面扩张时期（2004-至今）

飞机应用不断扩大，并逐渐发展到压力容器和汽车等工业领域的应用，同时碳纤维产品制造方法逐渐多样化，产品生产更注重可循环性。

4、碳纤维生产制备工艺流程

碳纤维生产工艺流程长且复杂，总体分为四步，原丝制备（包括聚合与纺丝）、预氧化、碳化/石墨化及表面处理/上浆。

碳纤维的生产过程是将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后将原液纺丝成型制成原丝，制成的原丝为碳纤维的前驱体；原丝经过氧化炉，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；为了更好地制成碳纤维复合材料，此时还需经过表面处理、上浆，最后烘干得到碳纤维。

图：碳纤维生产工艺流程

资料来源：中简科技招股说明书

5、碳纤维产业链

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：

首先，产业链上游企业先从石油、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；

原丝：丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；

碳化：产业链中下游企业再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维；

碳纤维经过表面处理可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料；

碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合，可形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。

图：碳纤维产业链

资料来源：吉林碳谷公开股票说明书

二、碳纤维需求情况

1、主要受益于新能源发展，推动我国碳纤维需求增长

2020年全球碳纤维需求继2019年之后再次突破10万吨级，达到10.69万吨。在全球新冠疫情的影响下，2020年全球碳纤维需求较2019年增长3%，与2019年的全球需求同比增长率12%相比已较大幅度放缓，但仍然保持了增长的态势。

从我国的角度来看，2020年，我国碳纤维需求达4.88万吨，较2019年增长达29%。2020年国内碳纤维需求同比增幅远高于全球碳纤维需求同比增幅，细分需求结构来看，2020年我国碳纤维下游需求主要来源于风电叶片以及体育休闲，需求量分别为2和1.46万吨，其中风电叶片领域的需求增速达到了44.93%，贡献主要需求增量。

在“2030年碳达峰、2060年碳中和”的“双碳”背景下，国家将采取强有力的政策，着手优化能源结构，提高清洁能源的比重。风电、氢能、光伏均迎来发展机遇，叶片对于轻量化的要求将是碳纤维需求的关键引擎。

2、下游应用领域广泛

目前，全球碳纤维及其复合材料已在各个领域广泛应用，包括航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域。碳纤维需求量前三的下游应用领域分别为风电叶片、航空航天及体育休闲领域，分别占总需求的29%，15%和14%。

图：2020全球碳纤维需求应用（千吨）

数据来源：《2020全球碳纤维复合材料市场报告》

三、碳纤维供给情况

2020年全球碳纤维运行产能约为17.17万吨。从区域角度来看，美国是产能最多的国家，占2020年全球碳纤维运行产能的22%；中国大陆位居第二，占比为21%；日本位列第三，占比为17%。为满足全球市场碳纤维日益增长的需求，各大碳纤维企业扩建产能意愿明显。

2020年国产碳纤维供给量为1.84万吨，占国内需求的比重仅为38%，目前我国碳纤维市场仍处于供不应求的状态。

图：2020全球碳纤维运行产能情况

数据来源：《2020全球碳纤维复合材料市场报告》

1、碳纤维竞争格局

从全球来看，前五大企业为日本东丽、德国西格里、日本三菱丽阳、日本东邦、美国赫氏，2020年合计市占率62%。我国碳纤维行业市场集中度比海外更高，产能主要集中于头部企业，2020年我国碳纤维行业产能的CR5约81.3%。

但头部企业主营细分市场有所区别，例如中简科技主营小丝束碳纤维，主要应用于军备、航空航天等高端精密领域，光威复材的主营产品军民两用，应用范围较广，而吉林碳谷主营原丝。

四、碳纤维未来发展趋势：我国碳纤维产能正逐步扩张，国产替代正当时

随着我国碳纤维生产企业在高性能碳纤维领域不断取得技术突破，我国碳纤维的进口替代步伐有望进一步加速。“十四五”期间，我国碳纤维及原丝的有效产能将快速扩张。

据不完全统计，我国已规划及在建的碳纤维产能共计14.07万吨/年，数量十分可观，且产能利用率稳步提升，预计未来我国碳纤维供需紧张的格局将逐渐缓和。

未来全球碳纤维行业的产能增量主要由我国厂商贡献，随着后续产能的陆续释放，2025年我国碳纤维产量有望达到8.3万吨，届时国产化率将进一步提升至55%。

东海基金

科技行业研究员

张立新

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