我們從大絲束碳纖維的市場(chǎng)空間、主要驅(qū)動(dòng)因素、技術(shù)難點(diǎn)、降本路徑以及海內(nèi)外龍頭公司比較等角度梳理了行業(yè)相關(guān)公司的投資機(jī)會(huì)。

摘要

碳纖維性能優(yōu)異，大絲束實(shí)現(xiàn)了碳纖維領(lǐng)域低成本化。碳纖維是由聚丙烯腈在高溫環(huán)境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主鏈結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)纖維。碳纖維具備許多優(yōu)異性能，主要優(yōu)點(diǎn)在于強(qiáng)度和模量高，密度低，耐疲勞性良好等。其中，大絲束碳纖維一般是指絲束數(shù)量大于等于48K。相較于小絲束碳纖維，大絲束碳纖維可以采用低成本的PAN纖維，并且在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)低成本化生產(chǎn)，較大程度的打破了碳纖維高昂價(jià)格帶來(lái)的應(yīng)用局限，適合大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。

風(fēng)電與儲(chǔ)氫瓶是大絲束碳纖維需求增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)因素。我們預(yù)計(jì)2025年國(guó)內(nèi)大絲束碳纖維的需求量有望接近8萬(wàn)噸，主要增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)來(lái)源是風(fēng)電與儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域。我們預(yù)計(jì)風(fēng)電領(lǐng)域大絲束碳纖維的需求量受中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量快速上升以及Vestas專利（成本較低的拉擠工藝替代成本較高的真空灌注工藝，令兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組也能使用，大幅度擴(kuò)展了碳纖維的使用范圍）即將到期的雙重利好影響，在2025年有望超過(guò)5.4萬(wàn)噸；大絲束碳纖維在儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域則受中國(guó)燃料汽車快速增長(zhǎng)與儲(chǔ)氫瓶壓強(qiáng)需求提高（從35MPa至70MPa）的影響，需求量實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，在2025年有望達(dá)到約1.6萬(wàn)噸。

中國(guó)大絲束碳纖維龍頭的技術(shù)水平逐步與海外龍頭接軌。國(guó)際大絲束碳纖維產(chǎn)能目前主要集中在美國(guó)、德國(guó)以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。在國(guó)際大絲束碳纖維市場(chǎng)中，主要海外制造商為日本東麗、德國(guó)SGL、美國(guó)Hexcel、日本三菱等企業(yè)。國(guó)內(nèi)碳纖維工業(yè)起步則相對(duì)較晚，在核心技術(shù)、產(chǎn)能等方面與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差異。近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外高速增長(zhǎng)的需求牽引下，中國(guó)碳纖維制造商在規(guī)?；a(chǎn)和技術(shù)均有所突破。

風(fēng)險(xiǎn)

風(fēng)電葉片需求增長(zhǎng)不及預(yù)期。

正文

低成本VS高性能：碳纖維發(fā)展的兩個(gè)思路

碳纖維：性能優(yōu)異的新一代增強(qiáng)材料

碳纖維是由聚丙烯腈（PAN）基、瀝青基、粘膠基纖維等有機(jī)纖維在高溫環(huán)境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主鏈結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)纖維。碳纖維具備許多優(yōu)異性能，其軸向強(qiáng)度和模量高，密度低，比性能較高，無(wú)蠕變，在非氧化環(huán)境下耐超高溫，耐疲勞性良好。碳纖維的比熱及導(dǎo)電性介于非金屬和金屬之間，熱膨脹系數(shù)較小且具有各向異性，耐腐蝕性和電磁屏蔽性較好等。以T1100碳纖維為例，與玻璃纖維相比，T1100碳纖維（小絲束）抗拉強(qiáng)度是其3.5倍，比強(qiáng)度是其5倍；與鋼材相比，T1100碳纖維抗拉強(qiáng)度是其16倍，比強(qiáng)度是其71倍；類似的是，T300碳纖維（大絲束）的抗拉強(qiáng)度與拉伸模量分別是玻璃纖維的1.8倍與2.4倍，密度約為玻璃纖維的70%。碳纖維良好的性能為其未來(lái)的廣泛應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖表：碳纖維、玻璃纖維和鋼材的性能對(duì)比

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

碳纖維可按照原絲類型、絲束規(guī)格和生產(chǎn)工藝進(jìn)行分類

碳纖維具有多種分類標(biāo)準(zhǔn)，可以按照原絲類型、絲束規(guī)格和生產(chǎn)工藝等標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類。

原絲類型

PAN基碳纖維是目前主流路線：根據(jù)原絲種類，碳纖維主要分為聚丙烯腈（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(duì)簡(jiǎn)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(wèn)世以來(lái)，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，瀝青基碳纖維約占總量的8%，粘膠基碳纖維不足總量的1%。因此，目前碳纖維一般指PAN基碳纖維。

圖表：按照原絲劃分碳纖維種類（2020年）

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

絲束規(guī)格

按照絲束規(guī)格，碳纖維一般可以分為大絲束與小絲束兩類。一般按照碳纖維中單絲根數(shù)與 1,000的比值命名，1K代表一束碳纖維中有1,000根絲。大絲束碳纖維一般是指絲束數(shù)量大于等于48K，（早期為24K，后隨著絲束的不斷增加標(biāo)準(zhǔn)上升）。大絲束碳纖維包括48K，50K，60K，75K，80K，120K，240K和480K等產(chǎn)品，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括風(fēng)電、能源、土木建筑和交通運(yùn)輸?shù)?。小絲束碳纖維一般包括1K、3K、6K、12K和24K等產(chǎn)品，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括特殊裝備、體育用品和漁具等。

生產(chǎn)工藝

在生產(chǎn)工藝方面，碳纖維原絲是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的技術(shù)關(guān)鍵。原絲的生產(chǎn)過(guò)程為將丙烯腈等纖維單體聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型。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（相比一步法，多出通過(guò)水洗過(guò)濾去除聚合物中的雜質(zhì)和各種金屬離子的步驟）；按照紡絲工藝，可以分為濕紡和干噴濕紡。其中，紡絲工藝的選擇及控制為穩(wěn)定生產(chǎn)高性能原絲的關(guān)鍵因素。

低成本VS高性能：碳纖維發(fā)展的兩個(gè)思路

全球碳纖維產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)60年代起步，開(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室技術(shù)的研發(fā)。1960年，日本進(jìn)藤昭男發(fā)明了以聚丙烯腈（PAN）纖維為原料制取碳纖維的方法，并取得了技術(shù)專利，為未來(lái)60年碳纖維的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代的特點(diǎn)是工程化技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用的開(kāi)拓。日本東麗公司依靠先進(jìn)的聚丙烯腈原絲技術(shù)，與美國(guó)聯(lián)合碳化物公司交換碳化技術(shù)，開(kāi)發(fā)出了高性能聚丙烯腈基碳纖維。20世紀(jì)80年代的特點(diǎn)是工業(yè)化、產(chǎn)品系列化及應(yīng)用重大突破。以日本東麗和美國(guó)赫氏為代表的公司，生產(chǎn)出高強(qiáng)度和高模量產(chǎn)品，碳纖維拉伸強(qiáng)度從3.5GPa提高到5.5GPa，使應(yīng)用開(kāi)發(fā)進(jìn)入一個(gè)新的高水平階段。20世紀(jì)90年代的特點(diǎn)是并購(gòu)及爭(zhēng)搶市場(chǎng)份額。進(jìn)入21世紀(jì)，碳纖維領(lǐng)域進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的時(shí)間；2010年之后則開(kāi)始了應(yīng)用端的急劇擴(kuò)大及產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步整合。日本東麗公司于2013年收購(gòu)世界碳纖維排名第三的美國(guó)卓爾泰克，東麗借此將碳纖維產(chǎn)品的市占率從20%提高到30%，繼續(xù)較大程度維持了市場(chǎng)份額優(yōu)勢(shì)。而對(duì)于中國(guó)來(lái)說(shuō)，在21世紀(jì)之前，碳纖維產(chǎn)業(yè)主要集中于國(guó)內(nèi)，技術(shù)較為落后，無(wú)法走出國(guó)門。進(jìn)入21世紀(jì)后，中國(guó)奮起直追，高端碳纖維技術(shù)不斷革新，正日漸縮小與國(guó)際頂尖企業(yè)的差距，逐步走向低成本與高性能的雙線階段發(fā)展。

圖表：世界碳纖維發(fā)展歷程

資料來(lái)源：《中國(guó)化工新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》，作者：中國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)化工新材料專委會(huì)，出版時(shí)間: 2021-03；中金公司研究部

高性能小絲束驅(qū)動(dòng)碳纖維行業(yè)誕生與走向成熟

20世紀(jì)60年代是碳纖維工業(yè)化的起步階段，是為了解決應(yīng)宇航工業(yè)對(duì)耐燒蝕和輕質(zhì)高強(qiáng)材料的迫切需求。碳纖維由于其重量輕、剛性好的特質(zhì)最早應(yīng)用于人造衛(wèi)星的天線和衛(wèi)星支架，隨后又因耐熱耐疲勞的性能應(yīng)用于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼和噴管。20世紀(jì)70年代，其開(kāi)始被應(yīng)用在飛機(jī)上的二級(jí)結(jié)構(gòu)中，由于航空領(lǐng)域?qū)μ祭w維的強(qiáng)度與模量要求較高，航空領(lǐng)域所主要采用高性能小絲束，可應(yīng)用于飛機(jī)的多個(gè)部位，如機(jī)身、主翼、尾翼及蒙皮等。截至2020年年底，全球航空領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量已經(jīng)達(dá)1.6萬(wàn)噸，占總碳纖維總需求的15.4%，僅次于風(fēng)電領(lǐng)域。此外，高性能小絲束碳纖維因其輕薄的特性還可廣泛應(yīng)用于汽車領(lǐng)域中的車牌框架、剎車片、引擎蓋，體育休閑領(lǐng)域中的釣魚(yú)竿、高爾夫球桿、跳桿等地方，良好的X射線透過(guò)能力使其成為醫(yī)療面板絕佳的生產(chǎn)材料，廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域是推動(dòng)碳纖維行業(yè)加速發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)因素。

低成本大絲束是碳纖維大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)

由于小絲束碳纖維的性能（模量與強(qiáng)度）普遍優(yōu)于大絲束碳纖維，在上世紀(jì)60到90年代間，市場(chǎng)還是以小絲束碳纖維為主。在90年代中期，大絲束碳纖維的抗拉強(qiáng)度超過(guò)3,600MPa，與小絲束碳纖維的性能差距有較為明顯的縮小，技術(shù)獲得突破，疊加單位成本不斷降低，大絲束碳纖維的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈迎來(lái)了快速發(fā)展，是碳纖維實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)。據(jù)賽奧碳纖維統(tǒng)計(jì)，截至2020年年底，大絲束碳纖維的全球需求量已經(jīng)超過(guò)4.8萬(wàn)噸/年，占總需求量的45%，同比上升3ppt。我們認(rèn)為主要得益于1）風(fēng)電市場(chǎng)高需求的推動(dòng)；2）航空市場(chǎng)的低迷，令小絲束碳纖維的需求有所下降；3）由于大絲束碳纖維具有成本低和高性能的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的下游領(lǐng)域正轉(zhuǎn)向大絲束碳纖維，因此大絲束碳纖維具有吞噬部分小絲束市場(chǎng)的趨勢(shì)，且隨著大絲束碳纖維的成本持續(xù)降低以及產(chǎn)能的不斷釋放，市場(chǎng)份額或?qū)⑦M(jìn)一步提升。

? ? ? ?大絲束因其高效生產(chǎn)和低成本的優(yōu)勢(shì)打破了碳纖維高昂價(jià)格帶來(lái)的應(yīng)用局限

生產(chǎn)原料來(lái)源廣、價(jià)格低：PAN基大絲束碳纖維原絲的原料可以采用PAN纖維，其來(lái)源廣，而且價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PAN基小絲束碳纖維專用的PAN原料。

生產(chǎn)效率較高：相比小絲束，大絲束碳纖維最大的優(yōu)勢(shì)是其在相同的生產(chǎn)條件下能夠大幅度地提高碳纖維的單線產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的低成本化。同時(shí)，在碳纖維復(fù)合材料的制備過(guò)程中，大絲束碳纖維的鋪層效率更高，生產(chǎn)成本能降低約30%以上[1]。

大絲束的性價(jià)比適于大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用：大絲束碳纖維采用的PAN原絲價(jià)格較低，但其成品大絲束碳纖維性能接近于小絲束碳纖維，且價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于小絲束碳纖維，因此其性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于小絲束碳纖維。2020年國(guó)際市場(chǎng)中，小絲束產(chǎn)品的售價(jià)約為20-22美元/千克，大絲束產(chǎn)品的售價(jià)約為14-15美元/千克，價(jià)格相較于小絲束碳纖維低33-57%。ZOLTEK的大絲束碳纖維產(chǎn)品PANEX33?48K每美元的強(qiáng)度和模量可以分別達(dá)到205MPa和13GPa；小絲束碳纖維T300-12K每美元的強(qiáng)度和模量?jī)H為107MPa和7GPa，強(qiáng)度和模量分別約為大絲束碳纖維的一半。由此可以看出，大絲束碳纖維的性價(jià)比更高，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價(jià)格帶來(lái)的應(yīng)用局限。

圖表：大絲束碳纖維主要應(yīng)用領(lǐng)域

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

? ? ? ?大絲束驅(qū)動(dòng)全球碳纖維消費(fèi)快速增長(zhǎng)

據(jù)賽奧碳纖維測(cè)算，2020年受疫情影響，航空領(lǐng)域需求量降低30%，體育市場(chǎng)的增長(zhǎng)率也從2019年的5%下降至2.7%，但風(fēng)電領(lǐng)域（主要為大絲束碳纖維）保持了超過(guò)20%的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，是碳纖維的需求的重要增長(zhǎng)點(diǎn)。這也令2020年全球碳纖維的消費(fèi)金額超過(guò)183億元，在受航空航天高價(jià)格的碳纖維銷售降低的拖累下，僅同比下降8.8%；同時(shí)，我們預(yù)計(jì)，隨著全球航空業(yè)的逐步恢復(fù)、風(fēng)電以及氫能等下游市場(chǎng)需求的強(qiáng)勁增長(zhǎng)，全球碳纖維消費(fèi)將迎來(lái)快速增加。據(jù)賽奧碳纖維測(cè)算，2020年全球碳纖維需求量為10.7萬(wàn)噸，同比增長(zhǎng)3%，預(yù)計(jì)2025年可達(dá)20萬(wàn)噸，5年CAGR為13.3%，行業(yè)規(guī)模仍將快速增長(zhǎng)，主要的驅(qū)動(dòng)來(lái)自于工業(yè)領(lǐng)域。

圖表：全球碳纖維需求（千噸）

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

圖表：2020年全球碳纖維需求-應(yīng)用（千噸）

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

? ? ? ?中國(guó)已成長(zhǎng)為全球最大碳纖維消費(fèi)國(guó)

據(jù)賽奧碳纖維測(cè)算，2020 年我國(guó)碳纖維的總需求達(dá)到4.9萬(wàn)噸，占全球總需求的45.7%，是全球碳纖維最大的增量市場(chǎng)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)需求增長(zhǎng)速度較高，較2019年增長(zhǎng)29%，增幅遠(yuǎn)高于全球碳纖維需求增長(zhǎng)幅度，我們認(rèn)為其增速差異主要來(lái)源于國(guó)內(nèi)需求結(jié)構(gòu)和全球需求結(jié)構(gòu)的不同。國(guó)內(nèi)航空航天領(lǐng)域需求占比遠(yuǎn)小于全球航空航天需求占比，2020年國(guó)內(nèi)航空航天需求僅占3%左右，因而國(guó)內(nèi)碳纖維市場(chǎng)受疫情的負(fù)面影響相對(duì)較小。另一方面，風(fēng)電葉片領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求大幅增長(zhǎng)，同時(shí)國(guó)際風(fēng)電葉片代工由歐洲轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的碳纖維需求由2019年的1.4萬(wàn)噸增長(zhǎng)至2020年的2.0萬(wàn)噸，增幅高達(dá)45%，強(qiáng)力推動(dòng)了國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的需求。

2020年我國(guó)碳纖維進(jìn)口量3.0萬(wàn)噸（占國(guó)內(nèi)總需求的62%，同比降低6pct），國(guó)產(chǎn)碳纖維供應(yīng)量為1.9萬(wàn)噸（占總需求的38%，同比增長(zhǎng)6pct）。前期中國(guó)碳纖維技術(shù)發(fā)展較為緩慢，且受到國(guó)際技術(shù)專利保護(hù)的影響，2016年以前中國(guó)碳纖維的需求主要通過(guò)進(jìn)口來(lái)滿足。此后隨著國(guó)內(nèi)碳纖維企業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)自我技術(shù)研發(fā)和升級(jí)迭代，我們預(yù)計(jì)國(guó)產(chǎn)碳纖維在最近五年發(fā)展迅猛，有望逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，并成長(zhǎng)為全球最大碳纖維生產(chǎn)國(guó)。

圖表：2020年中國(guó)碳纖維需求-應(yīng)用（千噸）

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

風(fēng)電和氫能的快速發(fā)展將驅(qū)動(dòng)大絲束應(yīng)用爆發(fā)

風(fēng)電進(jìn)入新階段：風(fēng)機(jī)大型化將驅(qū)動(dòng)大絲束碳纖維需求大幅增長(zhǎng)

政策驅(qū)動(dòng)+技術(shù)進(jìn)步，“十四五”風(fēng)電將迎來(lái)快速增長(zhǎng)

? ? ? ?碳中和背景下的能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型：政策端驅(qū)動(dòng)風(fēng)電快速增長(zhǎng)

全球碳中和大背景下，全球各國(guó)的風(fēng)機(jī)裝機(jī)量均有望加速提升。由于各國(guó)政府對(duì)碳排放越發(fā)重視，新能源發(fā)電的重要性也逐漸凸顯，2020年全球風(fēng)電新增裝機(jī)量93GW，同比上升53%，創(chuàng)歷史新高。其中，中國(guó)已經(jīng)明確提出了“碳中和碳達(dá)峰”的目標(biāo)，中金電新組預(yù)測(cè)2021-2025期間風(fēng)電裝機(jī)有望達(dá)到275GW。而海外方面，2021年1月，拜登簽署文件表示美國(guó)將重新加入“巴黎氣候協(xié)定”[2]，并制定了“2035無(wú)碳發(fā)電，2050讓美國(guó)實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)，碳中和規(guī)劃明確；歐盟則提出了2050年實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。在全球碳中和的大背景下，風(fēng)電裝機(jī)會(huì)有較為明顯的提升，中金電新組預(yù)測(cè)2021-2025期間全球風(fēng)電裝機(jī)有望達(dá)到近500GW。

圖表：中國(guó)和全球風(fēng)電新增項(xiàng)目容量預(yù)測(cè)（GW）

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

? ? ? ?經(jīng)濟(jì)性將成為影響未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的核心因素

風(fēng)力發(fā)電的平價(jià)化依賴于風(fēng)機(jī)大型化。為了增加風(fēng)機(jī)發(fā)電量，風(fēng)電葉片長(zhǎng)度不斷提升，風(fēng)機(jī)功率增加，但風(fēng)機(jī)重量也隨之增加。根中金電新組的測(cè)算，風(fēng)機(jī)的原材料是主要成本，且與重量成正向關(guān)系，單位功率質(zhì)量的減小將較大幅度的節(jié)約零部件的采購(gòu)成本。中金電新組預(yù)計(jì)3.0MW/4.0MW/5.0MW/6.0MW風(fēng)機(jī)在規(guī)?；a(chǎn)后，成本有望分別達(dá)到2,250/2,000/1,750/1580元/千瓦。我們認(rèn)為風(fēng)機(jī)發(fā)電的單位成本明顯隨著風(fēng)機(jī)功率的不斷提升（大型化）而降低，也是未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵因素。

圖表：不同功率風(fēng)機(jī)成本

資料來(lái)源：中金公司研究部

風(fēng)機(jī)大型化的長(zhǎng)期趨勢(shì)促進(jìn)碳纖維滲透率提升

風(fēng)機(jī)大型化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。根據(jù)中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2010-2018年，國(guó)內(nèi)風(fēng)機(jī)單機(jī)容量逐漸從1.5-2.0MW升級(jí)成2.0-2.5MW（平均2.2MW），單功率逐漸提升?！?020年中國(guó)風(fēng)電吊裝容量統(tǒng)計(jì)簡(jiǎn)報(bào)》則顯示，2020年，中國(guó)新增裝機(jī)的風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量為2.7MW，同比增長(zhǎng)8.7%，其中4.0MW-5.0MW（不含5.0MW）風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)占比同比基本持平，占比約6%；5.0MW及以上風(fēng)電機(jī)組新增裝機(jī)占比約4%，同比上升0.9ppt。分別從海上與陸上風(fēng)電機(jī)組來(lái)看，中國(guó)海上風(fēng)電機(jī)組2020年的平均單機(jī)容量為1.9MW，同比增長(zhǎng)6.9%，但考慮到海上風(fēng)電機(jī)組退補(bǔ)搶裝，我們預(yù)計(jì)今年平均單機(jī)容量預(yù)計(jì)會(huì)同比大幅上升。類似的是，中國(guó)陸上風(fēng)電機(jī)組2020年平均單機(jī)容量為2.6MW，同比增長(zhǎng)9.6%?？傮w來(lái)看，大型化趨勢(shì)明顯。我們認(rèn)為，在未來(lái)5年內(nèi)，中國(guó)陸上與海上風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量增長(zhǎng)速度將明顯加快。

圖表：風(fēng)電葉片向大型化發(fā)展

資料來(lái)源：新材料在線，GE，中金公司研究部

大型化趨勢(shì)促進(jìn)大絲束碳纖維滲透率的提升。由于風(fēng)力發(fā)電的成本隨風(fēng)力發(fā)電的單機(jī)功率的增大而降低，而風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度和風(fēng)機(jī)功率成正比，因此，近年來(lái)風(fēng)電葉片大型化趨勢(shì)明顯，2020年，風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度可達(dá)100米（對(duì)應(yīng)6MW以上的風(fēng)機(jī)），是30年前的8倍。但是，增加風(fēng)電葉片的同時(shí)，也需要盡量避免其質(zhì)量的增加、耐腐蝕性、壽命和剛度等固有特性，尤其是近年來(lái)海上風(fēng)電裝機(jī)量加速提升，風(fēng)電葉片更是需要適應(yīng)極端天氣，而風(fēng)電葉片的原有材料，玻璃纖維已經(jīng)逐漸體現(xiàn)出性能方面的不足。大絲束碳纖維走進(jìn)了我們的視野。大絲束碳纖維具有高強(qiáng)度、高硬度、抗疲勞性（延長(zhǎng)風(fēng)電葉片的壽命）和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，疊加風(fēng)電機(jī)組大型化發(fā)展和輕量化要求的加劇，大絲束碳纖維正逐步成為風(fēng)電葉片、梁的主要材料，大絲束碳纖維的風(fēng)葉相比于傳統(tǒng)玻璃纖維材質(zhì)的風(fēng)電葉片，可實(shí)現(xiàn)約30%的減重效果[3]，從而保證風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能和轉(zhuǎn)換效率。一般超過(guò)3MW的風(fēng)機(jī)和超過(guò)50米的風(fēng)電葉片就需要運(yùn)用到大絲束碳纖維，因此大絲束碳纖維的滲透率也在逐年提升。

Vestas專利到期進(jìn)一步推動(dòng)大絲束碳纖維需求增長(zhǎng)

Vestas將碳纖維風(fēng)電葉片制作低成本化，但其專利即將到期，國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠將積極開(kāi)發(fā)。2015年以前，碳纖維應(yīng)用在風(fēng)電葉片工藝的主要材料采用小絲束碳纖維，且風(fēng)電葉片的成型主要運(yùn)用成本較高的真空灌注工藝，平均價(jià)格相較于大絲束碳纖維更高，應(yīng)用規(guī)模相對(duì)較小。自2016年開(kāi)始，Vestas拉擠梁片工藝獲得突破，令碳纖維的低成本化與規(guī)?；蔀榱丝赡堋＿@種設(shè)計(jì)和工藝的優(yōu)點(diǎn)有1）通過(guò)拉擠工藝生產(chǎn)方式提高了碳纖維體積含量，減輕了主體承載部分的質(zhì)量；2）通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件的生產(chǎn)方式提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品性能的一致性和穩(wěn)定性；3）降低了運(yùn)輸成本和最后組裝整體成型的生產(chǎn)成本。按這種設(shè)計(jì)和工藝制造的碳纖維主梁和風(fēng)電葉片，兆瓦級(jí)的風(fēng)電機(jī)組均可使用，大幅度擴(kuò)展了碳纖維的使用范圍。值得一提的是Vestas的碳梁風(fēng)電葉片的專利將于2022年7月到期，該技術(shù)主要用于生產(chǎn)大型風(fēng)電葉片。目前，國(guó)內(nèi)多個(gè)風(fēng)電廠都在積極做相關(guān)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。雖然基于目前專利保護(hù)還未形成批量，但一旦專利保護(hù)到期，我們預(yù)計(jì)放量空間較大，大絲束碳纖維需求將進(jìn)一步快速增長(zhǎng)。

圖表：Vestas風(fēng)電葉片結(jié)構(gòu)示意圖

資料來(lái)源：《國(guó)產(chǎn)碳纖維在風(fēng)電葉片產(chǎn)業(yè)中的機(jī)會(huì)——七論國(guó)產(chǎn)碳纖維產(chǎn)業(yè)化之路》，作者：沈真，發(fā)表時(shí)間: 2019-08；中金公司研究部

圖表：　拉擠工藝生產(chǎn)流程

資料來(lái)源：《國(guó)產(chǎn)碳纖維在風(fēng)電葉片主梁上的應(yīng)用研究》，作者：李光友，發(fā)表時(shí)間: 2021-10；中金公司研究部

風(fēng)機(jī)大型化趨勢(shì)下，中國(guó)大絲束碳纖維應(yīng)用迎來(lái)爆發(fā)臨界點(diǎn)

我們預(yù)計(jì)，中國(guó)風(fēng)電領(lǐng)域的大絲束碳纖維的需求量在2025年有望超過(guò)5.4萬(wàn)噸。我們認(rèn)為受中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量快速上升以及Vestas專利即將到期的雙重影響，國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片大絲束碳纖維需求增長(zhǎng)擁有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通常情況下，發(fā)電量高于5MW，葉片長(zhǎng)度超過(guò)50米的風(fēng)機(jī)需要用大絲束碳纖，單個(gè)風(fēng)機(jī)發(fā)電量在5-6MW，葉片長(zhǎng)度70-90米，葉片總質(zhì)量在45-60噸左右，大絲束碳纖維需求量為9-12噸，風(fēng)機(jī)葉片的大絲束碳纖維的質(zhì)量百分比為15-20%。但考慮到目前Vestas的專利還未到期（2022年7月到期），因此我們認(rèn)為國(guó)內(nèi)風(fēng)電葉片的大絲束碳纖維需求將在2022年迎來(lái)快速增長(zhǎng)，滲透率將從2022年的10%提升至2025年的55%（Vestas風(fēng)電葉片的專利到期后，我們預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠家將會(huì)開(kāi)始大規(guī)模生產(chǎn)，滲透率上升），2022-2025年的CAGR將會(huì)保持在90%以上，中國(guó)風(fēng)電葉片大絲束碳纖維實(shí)際需求量將在2025年超過(guò)5.4萬(wàn)噸。

圖表：中國(guó)風(fēng)電葉片碳纖維需求預(yù)測(cè)

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

氫能快速發(fā)展：儲(chǔ)氫瓶是大絲束需求的重要新增量

儲(chǔ)氫技術(shù)多線發(fā)展，高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫或?yàn)橹髁?/p>

高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是中短期主流：目前主要的儲(chǔ)氫方式有氣態(tài)儲(chǔ)氫、液態(tài)儲(chǔ)氫、固體儲(chǔ)氫和有機(jī)液體儲(chǔ)氫等。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫的應(yīng)用較為廣泛；低溫液態(tài)儲(chǔ)氫尚未開(kāi)啟商業(yè)化應(yīng)用，主要應(yīng)用于航天等領(lǐng)域；固體儲(chǔ)氫已經(jīng)逐步開(kāi)始商用化，以鎂基儲(chǔ)氫為代表，上海鎂源動(dòng)力科技有限公司已經(jīng)開(kāi)始批量生產(chǎn)鎂基固態(tài)儲(chǔ)氫材料，居國(guó)際領(lǐng)先水平，鎂基儲(chǔ)氫有望成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展方向；有機(jī)液體儲(chǔ)氫尚處于示范階段。

圖表：常見(jiàn)儲(chǔ)氫技術(shù)對(duì)比

資料來(lái)源：中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部，中金公司研究部

國(guó)產(chǎn)高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫瓶技術(shù)突破，對(duì)大絲束需求將放量

氣瓶技術(shù)更新迭代，車載應(yīng)用逐漸成熟。高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫是目前商業(yè)化儲(chǔ)氫主流技術(shù)，高壓氫氣瓶一共有四代型號(hào)，隨著技術(shù)迭代，高壓氣瓶質(zhì)量呈上升趨勢(shì)，使用壽命進(jìn)一步延長(zhǎng)，同時(shí)其儲(chǔ)氫密度與工作壓力逐步提升。其中，一型純鋼瓶與二型鋼制內(nèi)膽瓶由于質(zhì)量過(guò)大，無(wú)法適應(yīng)于移動(dòng)式儲(chǔ)氫需求，主要應(yīng)用于工業(yè)（冶金、煉鋼等）、加氫站等固定式用途。隨著三、四型瓶的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，車載移動(dòng)儲(chǔ)氫逐步實(shí)現(xiàn)，對(duì)于三型鋁內(nèi)膽瓶，國(guó)內(nèi)技術(shù)較為成熟，是國(guó)內(nèi)燃料電池車車載儲(chǔ)氫主流技術(shù)；四型塑料內(nèi)膽瓶在國(guó)外技術(shù)成熟，是國(guó)際車載用氫的主流技術(shù)，相比于三型瓶，四型瓶質(zhì)量輕、成本低、性能更佳，但尚未實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)車載應(yīng)用。

國(guó)產(chǎn)四型瓶技術(shù)突破，性能逐步向國(guó)際前列靠齊。國(guó)內(nèi)四型瓶技術(shù)于2021年初實(shí)現(xiàn)突破，沈陽(yáng)斯林達(dá)公司研發(fā)的四型儲(chǔ)氫瓶率先通過(guò)了安委會(huì)氣瓶分委會(huì)“三新”技術(shù)評(píng)審，其設(shè)計(jì)、制造均符合 T/CATSI 02 007-2020《車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，成為國(guó)內(nèi)首家四型瓶通過(guò)“三新”（新材料、新技術(shù)、新工藝）技術(shù)評(píng)審的企業(yè)。根據(jù)2021年4月國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督總局發(fā)布的公告，目前有北京天海工業(yè)、沈陽(yáng)斯林達(dá)安科、豐田汽車、豐田合成等四家企業(yè)通過(guò)“三新”技術(shù)評(píng)審。如何實(shí)現(xiàn)高壓儲(chǔ)氫瓶質(zhì)量密度進(jìn)一步提升一直是國(guó)內(nèi)氣瓶制造行業(yè)的難點(diǎn)，沈陽(yáng)斯林達(dá)安科公司設(shè)計(jì)的四型瓶參數(shù)顯示，國(guó)內(nèi)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)四型瓶?jī)?chǔ)氫質(zhì)量密度5.7%，與國(guó)際先進(jìn)氫氣瓶制造商技術(shù)水平相近。

圖表：四代高壓氫氣瓶參數(shù)、性能、應(yīng)用情況對(duì)比

資料來(lái)源：車用壓縮氫氣塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶（T/CATSI 02 007-2020），中國(guó)氫能源及燃料產(chǎn)業(yè)電池白皮書(shū)，中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部，中金公司研究部

大絲束碳纖維因其低密度高承壓能力的優(yōu)勢(shì)，碳纖維成為了四型儲(chǔ)氫瓶的主要材料。一型與二型鋼瓶由于質(zhì)量過(guò)大（鋼制內(nèi)膽），無(wú)法適應(yīng)于移動(dòng)式儲(chǔ)氫需求，隨著三型（鋁制內(nèi)膽）、四型瓶（塑料內(nèi)膽碳纖維全纏繞氣瓶）逐漸商用化，車載移動(dòng)儲(chǔ)氫逐步實(shí)現(xiàn)，但也對(duì)儲(chǔ)氫瓶的承壓能力以及輕質(zhì)化提出了更高的要求。大絲束碳纖維因其低質(zhì)量和高強(qiáng)高模（承受壓強(qiáng)的能力強(qiáng)）的特性，使其逐漸成為四型儲(chǔ)氫瓶的主要材料。

相對(duì)于三型瓶，四型瓶碳纖維用量提升，但總成本實(shí)現(xiàn)下降。根據(jù)中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部數(shù)據(jù)，三型瓶碳纖維成本占總成本比重在62%-66%之間，四型瓶碳纖維成本占總成本比重在76%-78%之間，隨著壓力、型號(hào)等級(jí)提升，碳纖維使用量遞增。在同等工作壓力狀態(tài)下，四型瓶成本較三型瓶低7%-11%，成本差異較大是由于四型瓶用塑料內(nèi)膽取代金屬內(nèi)膽。由于內(nèi)膽材質(zhì)較輕，四型瓶瓶身質(zhì)量主要集中于碳纖維和儲(chǔ)氫瓶及輔助系統(tǒng)（BOP），70Ma四型瓶中碳纖維質(zhì)量占比62%。

圖表：四型瓶成本結(jié)構(gòu)拆分（2020年）

資料來(lái)源：中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部，中金公司研究部

圖表：不同工作壓力下三、四型成本對(duì)比（2020年）

資料來(lái)源：中科院寧波材料所特種纖維事業(yè)部，中金公司研究部

儲(chǔ)氫瓶大絲束碳纖維的需求量將實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。根據(jù)中金公司汽車組預(yù)測(cè)燃料電池車銷量數(shù)據(jù)，假設(shè)重卡/中輕微卡/客車/乘用車單車配備車載儲(chǔ)氫瓶數(shù)量為7/4/4/2個(gè)，2025年/2030年每年車載儲(chǔ)氫瓶需求量為44/118萬(wàn)瓶。根據(jù)中金公司建材組預(yù)測(cè)，2025年/2030年單個(gè)儲(chǔ)氫瓶使用大絲束碳纖維質(zhì)量將以約28千克為基準(zhǔn)持續(xù)上升。因此，在儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域中，2025年/2030年大絲束碳纖維的需求量將分別達(dá)到約1.6/5.0萬(wàn)噸。我們認(rèn)為未來(lái)10年中，儲(chǔ)氫瓶中大絲束碳纖維的需求量將實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，2021-2025年的CAGR預(yù)計(jì)超過(guò)97%，而2025-2030年的CAGR將超過(guò)26%，增速有所放緩，但依舊較為強(qiáng)勁。

圖表：儲(chǔ)氫瓶大絲束碳纖維需求量測(cè)算

資料來(lái)源：中金公司研究部

中國(guó)大絲束碳纖維迎來(lái)重要機(jī)遇期，關(guān)注規(guī)?；?、低成本和高質(zhì)量

國(guó)內(nèi)大絲束碳纖維需求量預(yù)計(jì)持續(xù)提升，2025年將達(dá)到近8萬(wàn)噸。我們認(rèn)為中國(guó)大絲束碳纖維在十四五期間需求主要增長(zhǎng)點(diǎn)是風(fēng)電與儲(chǔ)氫瓶領(lǐng)域。到2025年末，我們預(yù)計(jì)大絲束碳纖維的總需求量近8萬(wàn)噸，2021-2025年CAGR保持在30%以上。

圖表：中國(guó)大絲束碳纖維需求（千噸）

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

中國(guó)大絲束碳纖維產(chǎn)能擴(kuò)張開(kāi)啟

國(guó)內(nèi)大絲束碳纖維產(chǎn)能擴(kuò)張迅速。我國(guó)大絲束碳纖維生產(chǎn)起步較晚，2017年前后實(shí)現(xiàn)了大絲束碳纖維的技術(shù)突破，目前正處于快速發(fā)展階段。據(jù)賽奧碳纖維統(tǒng)計(jì)，我國(guó)主要大絲束碳纖維生產(chǎn)企2020年原絲產(chǎn)能達(dá)到3.2萬(wàn)噸，大絲束碳纖維產(chǎn)能達(dá)到0.83萬(wàn)噸以上。同時(shí)，大絲束生產(chǎn)企業(yè)正在組織進(jìn)一步的擴(kuò)產(chǎn)和投資計(jì)劃，根據(jù)目前各企業(yè)已經(jīng)宣布的投資擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃，十四五末期，我國(guó)主要大絲束碳纖維制造商原絲產(chǎn)能將達(dá)到20.6萬(wàn)噸，大絲束碳纖維產(chǎn)能將達(dá)到7.5萬(wàn)噸，增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)良好。

圖表：國(guó)內(nèi)主要碳纖維制造商運(yùn)行產(chǎn)能及擴(kuò)產(chǎn)規(guī)劃

資料來(lái)源：公司官網(wǎng)，中金公司研究部

原絲能力是影響未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)格局的重要?jiǎng)儇?fù)手

碳纖維的生產(chǎn)過(guò)程為將丙烯腈單體聚合制成紡絲原液，然后紡絲成型。成品原絲經(jīng)多段氧化爐在空氣氣氛下反應(yīng)得到預(yù)氧絲；預(yù)氧絲在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，分別經(jīng)過(guò)低溫碳化、高溫碳化得到碳絲；隨后經(jīng)過(guò)表面處理后進(jìn)行上漿，經(jīng)烘干得到高強(qiáng)型碳纖維產(chǎn)品，并可制成碳纖維織物和碳纖維預(yù)浸料，作為生產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料的原材料；碳纖維經(jīng)與樹(shù)脂、陶瓷等材料結(jié)合，形成碳纖維復(fù)合材料，最后由各種成型工藝得到下游應(yīng)用需要的最終產(chǎn)品。

碳纖維原絲制備主要包括了聚合和紡絲兩個(gè)重要步驟

聚合過(guò)程：是制備原絲至關(guān)重要的步驟，聚合過(guò)程中溫度、引發(fā)劑用量、水和單體比的控制問(wèn)題是技術(shù)的關(guān)鍵。聚合反應(yīng)中溫度低，反應(yīng)速率慢；溫度高，反應(yīng)速率快，但聚合物的立構(gòu)規(guī)整性變差，會(huì)影響原絲、碳絲的質(zhì)量。引發(fā)劑用量、水和單體比會(huì)影響聚合物的分子量，分子量及其分布是PAN聚合物重要的性能指標(biāo)，具有較高的分子量以及適合的分子量分布是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)PAN原絲的基本要求。

紡絲過(guò)程：將聚丙烯腈原液經(jīng)噴絲板噴出，絲束大小也由噴頭的選擇來(lái)確定。噴絲產(chǎn)生的絲束在凝固浴中凝固成型。成型后的原絲再經(jīng)過(guò)多段水洗，降低原絲中DMSO的殘留量；隨后進(jìn)行熱水牽伸；再經(jīng)過(guò)上油、干燥致密化，達(dá)到防黏隔離和降低摩擦的作用；最后經(jīng)過(guò)蒸汽牽伸工段，最終原絲卷繞成軸。值得一提的是，上油是紡絲過(guò)程中較為重要的一環(huán)，在原絲紡絲過(guò)程中干燥致密化工藝的前、后上油劑，可防止單纖維絲之間粘連或并絲，在后續(xù)制備碳纖維時(shí)的預(yù)氧化和低溫碳化過(guò)程中，原絲表面的油劑可以防止原絲表面產(chǎn)生新的缺陷，其不僅能起到潤(rùn)滑劑的作用，還能在單纖維絲表面形成薄膜保護(hù)纖維絲表面不受損傷。

原絲能力是影響未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)格局的關(guān)鍵因素

碳纖維原絲制備在碳纖維生產(chǎn)中至關(guān)重要，碳纖維的質(zhì)量和生產(chǎn)成本很大程度上由碳纖維原絲的質(zhì)量和生產(chǎn)成本決定。原絲是碳纖維的核心原材料，根據(jù)我們的測(cè)算，一般碳纖維原絲占碳纖維生產(chǎn)成本的50%左右，原絲的性能與結(jié)構(gòu)直接決定了后續(xù)碳纖維產(chǎn)品的質(zhì)量與參數(shù)，只有制得強(qiáng)度和模量高、雜質(zhì)和缺陷少、結(jié)構(gòu)均勻的原絲才能制備出高質(zhì)量的碳纖維。因此，原絲制備能力將直接影響未來(lái)碳纖維的競(jìng)爭(zhēng)格局。

預(yù)氧化、碳化等環(huán)節(jié)也具有較高技術(shù)含量

原絲經(jīng)過(guò)預(yù)氧化、碳化和上漿等主要步驟后得到碳纖維

碳纖維原絲在空氣環(huán)境下，經(jīng)過(guò)在多段氧化爐后產(chǎn)出預(yù)氧絲；預(yù)氧絲在氮?dú)猸h(huán)境下（防止氧化），碳化后得到碳絲；之后，再進(jìn)行表面處理、上漿，最后烘干后得到碳纖維成品。

預(yù)氧化：預(yù)氧化是PAN纖維內(nèi)部分子鏈結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟蜔崽菪谓Y(jié)構(gòu)的過(guò)程，這種結(jié)構(gòu)可以在惰性氣體，如氦氣的保護(hù)的高溫環(huán)境下，保持穩(wěn)定的（不融不燃的）纖維形態(tài)。過(guò)程主要的工藝控制點(diǎn)為預(yù)氧化溫度（一般為180-300℃）、停留時(shí)間（一般為80-120分鐘）和張力牽伸（防止PAN大分子鏈發(fā)生斷鏈并減少反應(yīng)后產(chǎn)生的空隙結(jié)構(gòu)，通過(guò)預(yù)氧化溫度和時(shí)間控制）。

碳化：碳化是在惰性氣體保護(hù)下，有機(jī)纖維和聚丙烯腈纖維或粘膠纖維等經(jīng)400～1800℃形成高富集碳（92%）的熱處理過(guò)程。聚丙烯腈纖維經(jīng)預(yù)氧化處理后轉(zhuǎn)化為耐熱梯形結(jié)構(gòu)，再經(jīng)過(guò)低溫碳化和高溫碳化轉(zhuǎn)化為具有亂層石墨結(jié)構(gòu)的碳纖維。該過(guò)程主要的工藝控制點(diǎn)與預(yù)氧化過(guò)程較為類似，為溫度梯度（一般為400-1000℃，高溫碳化一般為1,300-1,800℃）、碳化時(shí)間、氣體的流動(dòng)（通過(guò)空氣流速來(lái)控制廢氣排放）和牽伸。

表面處理：碳纖維一般會(huì)與其他材料進(jìn)行復(fù)合，以碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂材料為主，而表面處理就是為了增強(qiáng)碳纖維和其他材料的結(jié)合力（碳化過(guò)程使纖維具有光滑的表面），從而改善碳纖維與其他材料之間結(jié)合的質(zhì)量，充分發(fā)揮碳纖維的高強(qiáng)高模的特性。

上漿：給經(jīng)表面處理后的碳纖維表面涂覆一層保護(hù)膜，避免其吸附空氣中的水分和灰塵，防止在后續(xù)加工過(guò)程中摩擦、磨損、產(chǎn)生毛絲和進(jìn)行后續(xù)卷繞是有所損壞，這個(gè)涂覆過(guò)程被稱為上漿。涂層材料可能包括聚酯，尼龍和環(huán)氧樹(shù)脂等。

上漿后，將它們纏繞到線軸上并裝入紡紗機(jī)，形成各種尺寸的紗線。然后可以將這些紗線編織成織物（碳纖維）或形成復(fù)合材料。

圖表：碳纖維生產(chǎn)流程

資料來(lái)源：中復(fù)神鷹科創(chuàng)板首次公開(kāi)發(fā)行股票招股說(shuō)明書(shū)，中金公司研究部

大絲束制備技術(shù)難度集中在油劑、上漿劑與控溫等方面

原絲油劑質(zhì)量與海外差距較大。原絲油劑是碳纖維生產(chǎn)中較為重要的一環(huán)，是為了提高碳纖維原絲的高溫抗靜電性和平滑性而須附著的表面處理劑。油劑會(huì)在原絲表面形成膜，可避免毛絲、并絲和表面損傷的發(fā)生。因其重要性，海外的碳纖維企業(yè)對(duì)原絲油劑配方實(shí)施嚴(yán)格保密和技術(shù)封鎖，而中國(guó)的油劑技術(shù)還處在較為初級(jí)的階段，與海外產(chǎn)品相比，差距較為明顯，油劑的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存性亟待提高。

預(yù)氧化過(guò)程中易集中放熱，易形成大孔缺陷結(jié)構(gòu)影響產(chǎn)品質(zhì)量。PAN均聚物的預(yù)氧化初始溫度較高，且在預(yù)氧化初始階段會(huì)產(chǎn)生放熱反應(yīng)（丙烯腈單體每一次加成聚合都需要打開(kāi)一個(gè)C=C雙鍵，同時(shí)生成兩個(gè)σ單鍵，從而放出熱量），集中放熱會(huì)導(dǎo)致原絲中PAN分子鏈的斷裂，并形成大孔缺陷結(jié)構(gòu)，影響生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性和碳纖維質(zhì)量，是制作的難點(diǎn)。此外，集中放熱也容易產(chǎn)生失火等安全事故。

上漿劑主要依賴進(jìn)口。碳纖維表面的主要成分是石墨，其本身是惰性的，擁有較好的耐腐蝕性，但同時(shí)也降低了纖維與樹(shù)脂之間的浸潤(rùn)性。上漿劑能夠使碳纖維被樹(shù)脂充分浸潤(rùn)，減少預(yù)浸料中的空氣含量，從而降低孔隙率，提高產(chǎn)量質(zhì)量。大部分大絲束碳纖維生產(chǎn)企業(yè)在原絲制備、預(yù)氧化、碳化、表面處理、干燥和收絲等工藝方面差異較小，技術(shù)也較為公開(kāi)透明，但碳纖維的上漿劑卻是各有特色，技術(shù)也受到嚴(yán)格的保密。中國(guó)碳纖維生產(chǎn)中上漿劑大部分依賴于進(jìn)口，是碳纖維生產(chǎn)商的重要技術(shù)短板。

大絲束碳纖維展紗時(shí)易出現(xiàn)粘連、斷絲現(xiàn)象，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。相較于小絲束碳纖維，大絲束碳纖維束由于絲束較粗，樹(shù)脂不容易浸透纖維束內(nèi)部，不能夠均勻浸潤(rùn)，單絲之間容易產(chǎn)生空隙等缺陷，成形過(guò)程中出現(xiàn)纖維屈曲及鋪層角度錯(cuò)位的可能性增加，在后續(xù)的織物編織和預(yù)浸料制備過(guò)程中工藝性變差，容易“黏”在一起，從而出現(xiàn)粘連、斷絲現(xiàn)象，影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

設(shè)備國(guó)產(chǎn)化+規(guī)?；簢?guó)產(chǎn)大絲束仍有降本空間

大絲束碳纖維制備屬于低成本生產(chǎn)技術(shù)。相比小絲束碳纖維，大絲束碳纖維生產(chǎn)原料來(lái)源更加廣泛，可以采用PAN原絲，因此大絲束碳纖維的成本和價(jià)格明顯低于小絲束。以下游需求占比最高的航空航天為例，目前小絲束碳纖維國(guó)際售價(jià)約5萬(wàn)美元/噸左右，國(guó)內(nèi)售價(jià)約為80-90萬(wàn)元/噸[4]。而美國(guó)ZOLTEK（已被日本東麗收購(gòu)）48K大絲束碳纖維國(guó)際售價(jià)僅為1.2-1.5萬(wàn)美元/噸，國(guó)內(nèi)售價(jià)為11.9-13.6萬(wàn)元/噸，只相當(dāng)于小絲束碳纖維價(jià)格的約20%-30%。而在性能上，目前市場(chǎng)上的一些大絲束碳纖維主要性能已經(jīng)接近甚至超過(guò)了部分小絲束碳纖維。因此，我們認(rèn)為大絲束碳纖維及其復(fù)合材料在體育休閑、汽車、風(fēng)電、基礎(chǔ)設(shè)施等下游領(lǐng)域的應(yīng)用將日益增加。

大絲束原絲纖維制備成本測(cè)量。原絲制備的原材料主要為丙烯腈、丙烯酸甲酯、衣康酸等。根據(jù)我們對(duì)原絲的測(cè)算，1噸碳纖維原絲的丙烯腈制備用量為0.98噸，按當(dāng)前丙烯腈價(jià)格1.36萬(wàn)元/噸計(jì)算，單噸碳纖維原絲的丙烯腈成本為1.33萬(wàn)元，成本占比達(dá)77%，其他原材料包括丙烯酸甲酯（1.7萬(wàn)元/噸）、衣康酸（1萬(wàn)元/噸）等，成本共計(jì)1,302元，原材料總成本占原絲成本的84%。制造費(fèi)用約占14%，主要包括生產(chǎn)設(shè)備折舊及高溫加熱產(chǎn)生的電費(fèi)、蒸汽費(fèi)等。人工費(fèi)用僅占原絲生產(chǎn)成本的2%左右?？傮w來(lái)說(shuō)，我國(guó)國(guó)產(chǎn)碳纖維原絲的成本約為1.7萬(wàn)元/噸，以2.5-2.7萬(wàn)元的售價(jià)（含稅）計(jì)算，毛利率約為23-29%。

大絲束碳纖維制備成本測(cè)量。根據(jù)我們的測(cè)算，在大絲束碳纖維的制備階段，2.0-2.2噸原絲能夠產(chǎn)出1噸碳纖維，原絲成本占比較高，約占碳纖維成本的50%。在碳纖維制備過(guò)程中，需要將原絲經(jīng)過(guò)預(yù)熱、預(yù)氧化、碳化等多個(gè)過(guò)程，且各個(gè)環(huán)節(jié)之間需要多種制備工藝和設(shè)備的參與，設(shè)備投入、維護(hù)和折舊的成本大，因此該階段制造費(fèi)用較高，約占總成本的46%。人工費(fèi)用約占碳纖維成本的4%。國(guó)產(chǎn)大絲束碳纖維的成本約為7-8萬(wàn)元/噸，與其售價(jià)14（含稅）萬(wàn)元相比，毛利率約為35-44%。

圖表：國(guó)內(nèi)外龍頭公司碳纖維價(jià)格（含稅）

資料來(lái)源：中復(fù)神鷹招股說(shuō)明書(shū)，吉林碳谷招股說(shuō)明書(shū)，公司官網(wǎng)，萬(wàn)得資訊，中金公司研究部 注：海外公司碳纖維報(bào)價(jià)（含稅）按照最惠進(jìn)口國(guó)關(guān)稅17%、增值稅13%計(jì)算

圖表：原絲與大絲束碳纖維成本測(cè)算

資料來(lái)源：光威復(fù)材公司公告，吉林碳谷公司公告，中金公司研究部

圖表：中國(guó)碳纖維價(jià)格

資料來(lái)源：萬(wàn)得資訊，中金公司研究部

大絲束碳纖維降本空間主要來(lái)自四個(gè)方面

生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化和自動(dòng)化升級(jí)趨勢(shì)。高溫碳化爐是碳纖維生產(chǎn)線中最為核心的設(shè)備，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)產(chǎn)品的性能有最直接的影響。然而長(zhǎng)期以來(lái)，由于發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)我國(guó)先進(jìn)技術(shù)和裝備出口管制，我國(guó)在關(guān)鍵的碳化爐等設(shè)備的相關(guān)技術(shù)與專用設(shè)備上與世界領(lǐng)先企業(yè)還有較大差距，國(guó)內(nèi)主流廠家大多選擇從國(guó)外進(jìn)口核心設(shè)備，導(dǎo)致項(xiàng)目建設(shè)周期長(zhǎng)，制造成本高。近年來(lái)，隨著碳纖維國(guó)產(chǎn)化裝備的研發(fā)和自動(dòng)化技術(shù)的升級(jí)，行業(yè)工藝和裝備都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。國(guó)內(nèi)一些高端裝備企業(yè)如精功科技等，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了不少碳纖維生產(chǎn)設(shè)備的突破。隨著配套生產(chǎn)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化和自動(dòng)化升級(jí)，大絲束碳纖維的設(shè)備投資和制造費(fèi)用仍有進(jìn)一步下降的可能。

產(chǎn)能的提升帶來(lái)規(guī)模效應(yīng)。隨著我國(guó)大絲束碳纖維生產(chǎn)工藝的不斷突破，國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛擴(kuò)大生產(chǎn)產(chǎn)能，規(guī)模效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，大絲束碳纖維的單位生產(chǎn)成本將逐漸降低。據(jù)《PAN基碳纖維制備成本構(gòu)成分析及其控制探討》[5]統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)能為3300T的碳纖維產(chǎn)線生產(chǎn)的原絲單位成本為3.81萬(wàn)元/噸，較1100T產(chǎn)線的單位成本4.78萬(wàn)元/噸減少20.29%；在此基礎(chǔ)上，生產(chǎn)500T碳纖維的單位成本為15.9萬(wàn)元/噸，生產(chǎn)1500T（2條國(guó)產(chǎn)單線產(chǎn)能750T的產(chǎn)線）碳纖維的成本為11.68萬(wàn)元/噸，較500T碳纖維產(chǎn)線的單位成本減少26.54%。因此，隨著行業(yè)產(chǎn)能的不斷提升，規(guī)?；纳a(chǎn)將使碳纖維生產(chǎn)成本得以有效降低。

圖表：原絲和碳纖維在不同產(chǎn)能下的成本構(gòu)成

資料來(lái)源：《PAN基碳纖維制備成本構(gòu)成分析及其控制探討》，作者：朱波，發(fā)表時(shí)間: 2010-09；中金公司研究部

政府的電力補(bǔ)貼降低單位生產(chǎn)成本。碳纖維生產(chǎn)過(guò)程對(duì)能源的消耗較大，預(yù)氧化、碳化等環(huán)節(jié)均需要高溫加熱，且時(shí)間較長(zhǎng)，耗電量大。光威復(fù)材公告，電費(fèi)約占公司碳纖維生產(chǎn)成本的20%以上，僅次于固定資產(chǎn)折舊。近幾年，隨著國(guó)家不斷通過(guò)補(bǔ)貼等政策緩解工商業(yè)用電成本的壓力，各碳纖維企業(yè)也在不斷尋求降低電力成本的途徑。例如光威復(fù)材在內(nèi)蒙古包頭投資建設(shè)萬(wàn)噸級(jí)碳纖維項(xiàng)目，通過(guò)與政府簽訂協(xié)議獲得長(zhǎng)期可持續(xù)的政策性優(yōu)惠電價(jià)，能夠?qū)㈦娰M(fèi)價(jià)格降低55%以上，大大縮減了單位產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。因此，政府對(duì)企業(yè)電力的補(bǔ)貼是大絲束碳纖維降本的一個(gè)重要途徑。

產(chǎn)業(yè)鏈一體化帶來(lái)成本優(yōu)勢(shì)。隨著國(guó)內(nèi)碳纖維產(chǎn)能的擴(kuò)大和行業(yè)的不斷發(fā)展，許多企業(yè)開(kāi)始向上下游業(yè)務(wù)延伸，同時(shí)掌握原絲及碳纖維制備工藝，并且繼續(xù)向下游碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行研發(fā)生產(chǎn)。上下游的一體化業(yè)務(wù)為企業(yè)帶來(lái)了顯著的協(xié)同效應(yīng)。例如上海石化、蘭州藍(lán)星等兼具原絲和碳纖維生產(chǎn)能力的企業(yè)，一方面，原絲業(yè)務(wù)能夠?yàn)樘祭w維及其復(fù)合材料業(yè)務(wù)提供充足且低價(jià)的原料保障，降低生產(chǎn)成本；另一方面，碳纖維業(yè)務(wù)的開(kāi)展也能夠穩(wěn)定企業(yè)原絲業(yè)務(wù)的銷售，從而為企業(yè)進(jìn)一步享受規(guī)模優(yōu)勢(shì)、增產(chǎn)降本奠定基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)的參與者與海外競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手

國(guó)內(nèi)公司

我國(guó)碳纖維工業(yè)起步相對(duì)較晚，在核心技術(shù)、產(chǎn)能等方面與西方發(fā)達(dá)國(guó)家存在一定差異。近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外高速增長(zhǎng)的需求牽引下，國(guó)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(guó)國(guó)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（截至9M21，原絲產(chǎn)能為5萬(wàn)噸/年）；吉林寶旌（截至9M21，大絲束碳纖維產(chǎn)能為0.6萬(wàn)噸/年）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。

圖表：2020中國(guó)碳纖維原絲及碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能

資料來(lái)源：公司官網(wǎng)，中金公司研究部

在工藝技術(shù)方面，目前我國(guó)已形成了有機(jī)溶劑一步法濕法紡絲、其他溶劑一步法或二步法濕法紡絲工藝等高強(qiáng)度碳纖維原絲制備國(guó)產(chǎn)化技術(shù)，我國(guó)PAN基碳纖維原絲的溶劑路線有DMSO法、DMF法、DMAC法和NaSCN法，聚合工藝有水相聚合、溶液間歇聚合和連續(xù)聚合，紡絲工藝有濕紡和干噴濕紡，生產(chǎn)工藝趨于多樣化。其中，吉林碳谷以DMAC為溶劑，采用水相聚合濕法二步法工藝生產(chǎn)碳纖維原絲；上海石化與蘭州藍(lán)星自主研發(fā)出了NaSCN濕法工藝。

圖表：中國(guó)主要碳纖維企業(yè)生產(chǎn)工藝

資料來(lái)源：公司官網(wǎng)，中金研究部

中國(guó)大絲束碳纖維專利申請(qǐng)情況。中國(guó)由于小絲束碳纖維工業(yè)化較早，大絲束碳纖維起步較晚，因此在大絲束碳纖維領(lǐng)域的專利申請(qǐng)較少，其中以上海石化、上石化研究院、威海拓展（光威復(fù)材全資子公司）、蘭州藍(lán)星幾家的專利申請(qǐng)為主，幾家的專利申請(qǐng)側(cè)重也有不同：上海石化的專利集中在表面處理階段（有5項(xiàng)發(fā)明專利），原絲生產(chǎn)的一項(xiàng)專利則是在水洗階段；上石化研究院在預(yù)氧化與表面處理階段分別擁有3項(xiàng)/1項(xiàng)發(fā)明專利；威海拓展在碳化的預(yù)氧化和碳纖維性能表征各擁有1項(xiàng)發(fā)明專利；蘭州藍(lán)星纖維發(fā)明專利主要是原絲收放絲的裝置，在原絲生產(chǎn)工藝中也有1項(xiàng)發(fā)明專利；由此可見(jiàn)，在為數(shù)不多的大絲束碳纖維相關(guān)專利中，主要專利申請(qǐng)布局于碳化階段的表面處理和預(yù)氧化工藝步驟，尤其以上海石化和上石化研究院兩家的專利申請(qǐng)為主，而涉及原絲生產(chǎn)工藝中的專利申請(qǐng)則相對(duì)較少。

圖表：大絲束碳纖維制造工藝流程及主要企業(yè)專利布局

資料來(lái)源：歐洲專利局、中金公司研究部

注：1）蘭州藍(lán)星纖維有限公司——藍(lán)色，威海拓展纖維有限公司——綠色，中石化上海石油化工股份有限公司——紅色，中國(guó)石油化工股份有限公司上海石油化工研究院——橙色；2）合并同時(shí)申請(qǐng)，粗體表示發(fā)明專利，細(xì)體為實(shí)用新型專利

國(guó)際公司

國(guó)際大絲束碳纖維產(chǎn)能主要集中在美國(guó)、德國(guó)以及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家。大絲束碳纖維生產(chǎn)技術(shù)和工藝流程復(fù)雜，國(guó)際市場(chǎng)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(guó)家。根據(jù)中國(guó)化學(xué)纖維工業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，2020年，在國(guó)際大絲束碳纖維市場(chǎng)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(guó)Hexcel、德國(guó)SGL、日本三菱、中國(guó)藍(lán)星等企業(yè)。截至2020年底，在產(chǎn)能方面，日本東麗（包括旗下收購(gòu)的卓爾泰克）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(wàn)噸/年（截至9M21，產(chǎn)能為5.75萬(wàn)噸/年）。德國(guó)SGL現(xiàn)有產(chǎn)能1.5萬(wàn)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(wàn)噸/年。Hexcel現(xiàn)有碳纖維產(chǎn)能1.02萬(wàn)噸/年，目前已建立5千噸/年的擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃。

圖表：2020年底國(guó)際主要企業(yè)碳纖維運(yùn)行產(chǎn)能（萬(wàn)噸）

資料來(lái)源：賽奧碳纖維，中金公司研究部

國(guó)際主要企業(yè)碳纖維生產(chǎn)線多從原絲開(kāi)始，直到碳纖維以及中間、下游的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，如美國(guó)Hexcel、日本東麗和三菱的碳纖維生產(chǎn)都是從聚合、紡絲開(kāi)始的，其生產(chǎn)工藝也不盡相同。在紡絲過(guò)程中，Hexcel主要采用以NaSCN為溶劑的一步法，日本三菱主要以DMF為溶劑，而日本東麗主要采用以DMSO為溶劑的一步法進(jìn)行紡絲。

圖表：國(guó)際主要碳纖維公司的生產(chǎn)工藝

資料來(lái)源：公司公告，中金公司研究部

風(fēng)險(xiǎn)

風(fēng)電葉片需求增長(zhǎng)不及預(yù)期

由于到2020年搶裝潮的退卻，風(fēng)電機(jī)組今年的裝機(jī)量可能不及預(yù)期；疊加風(fēng)力發(fā)電具有波動(dòng)性特點(diǎn)，中長(zhǎng)期看，在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后，有可能出現(xiàn)電網(wǎng)消納能力不足，導(dǎo)致風(fēng)電裝機(jī)不及預(yù)期的情況。我們認(rèn)為風(fēng)電裝機(jī)量的不足會(huì)可能導(dǎo)致風(fēng)電葉片的需求量的下降。

[1] https://www.tnc.com.cn/info/c-001001-d-3658309.html

[2] https://www.cls.cn/detail/668564

[3] http://pdf.dfcfw.com/pdf/H2_AN202108161510475084_1.pdf

[4] https://www.mdpi.com/2076-3417/11/9/4225/htm

[5] 朱波. PAN 基碳纖維制備成本構(gòu)成分析及其控制探討[J]. 新材料產(chǎn)業(yè), 2010 (9): 36-38.

文章來(lái)源

本文摘自：2021年11月18日已經(jīng)發(fā)布的《新能源材料系列（四）：大絲束碳纖維國(guó)產(chǎn)化可期》

趙啟超 SAC 執(zhí)證編號(hào)：S0080520120012 SFC CE Ref：BRG728

陸 ? 辰 SAC 執(zhí)證編號(hào)：S0080519060003 SFC CE Ref：BKH244

裘孝鋒 SAC 執(zhí)證編號(hào)：S0080521010004 SFC CE Ref：BRE717