2020年全球及中国碳纤维行业概述及市场需求分析[图]

    一、碳纤维——性能优异工业材料，制造全环节技术壁垒高

    碳纤维是由有机纤维（主要是聚丙烯腈纤维）经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维。碳纤维的含碳量在90%以上，具有强度高、比模量高（强度为钢铁的10倍，质量仅有铝材的一半）、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高低温等优越性能，是军民用重要基础材料，应用于航空航天、体育、汽车、建筑及其结构补强等领域。相比传统金属材料，树脂基碳纤维模量高于钛合金等传统工业材料，强度通过设计可达到高强钢水平、明显高于钛合金，在性能和轻量化两方面优势都非常明显。然而碳纤维成本也相对较高，虽然目前在航空航天等高精尖领域已部分取代传统材料，但对力学性能要求相对不高的传统行业则更看重经济效益，传统材料依然为主力军。

碳纤维力学性能出色，是军民用重要基础材料

数据来源：公开资料整理

    碳纤维在部分性能上不劣于其他主要工业材料

数据来源：公开资料整理

    全产业链看，制造碳纤维产品的上游原丝端与中游复合材料均是碳纤维产业链的核心环节，整个制造的全环节技术壁垒均高。作为碳纤维的前驱体，高质量的PAN原丝是制备高性能碳纤维的前提条件，但其中的聚合、纺丝、碳化、氧化等工艺并非朝夕能够达成，其产业化工艺以及反应装置核心技术是关键。例如据《合成纤维工业》2019年第42卷，碳纤维设备生产技术几乎被国外垄断，且严格限制对华出口，如碳化炉、石墨化炉等关键设备研发滞后。碳纤维一般不是单独使用，而是以复合材料的形式被使用，一般以树脂碳纤维居多。除PAN原丝外，碳纤维复合材料设计、制造、评价是碳纤维应用的基础，亦制约着碳纤维产业的发展。碳纤维复合材料中主要成分除碳纤维外，还有树脂基材。碳纤维原丝即PAN原丝质量固然重要，但若在中游复材环节，没有质量与性能突出、产业化规模的树脂基材，以及没有用于配套生产复材的核心设备，碳纤维仍然无法得到大规模的应用。

碳纤维原丝及碳纤维复合材料均是产业链上重要的两个环节

数据来源：公开资料整理

    碳纤维制备过程中，质量过关的原丝是产业化的前提。碳纤维的强度显著地依赖于原丝的致密性和微观形态结构，质量过关的原丝是实现产业化的前提，是稳定生产的基础。目前，比较常用的纺丝工艺是湿法纺丝、干湿法（干喷湿纺）纺丝。在致密性方面，干喷湿纺纺丝工艺是高性能碳纤维原丝的主流制备方法，且成本相比于湿法较低。在同样的纺丝装备及能源消耗条件下，干湿法纺丝的综合产量是湿法纺丝的2-8倍，PAN基碳纤维丝束的生产成本可降低75%。干喷湿纺中，纺丝液从喷丝孔喷出形成细流后，先经过一段空气层（1-20厘米），再进入凝固浴，在凝固浴中完成固化，可实现高速纺丝，用于生产高性能的纤维，同时具有干法和湿法的优点。干喷湿纺也是当前国际碳纤维巨头的主要纺丝方法，日本东丽的主流型号T700、T800、T1000碳纤维都是采用干喷湿纺制备而成。截止2018年，国内企业的碳纤维大部分仍采用湿法纺丝制备，顶尖龙头已成功掌握干喷湿纺工艺。

国内企业碳纤维纺丝工艺主要以湿法为主

数据来源：公开资料整理

    碳纤维技术发展至今已经历三代变迁，同时实现高的拉伸强度和弹性模量是目前碳纤维研制过程中的技术难点。近年来日美从两条不同技术路径在第三代碳纤维上取得技术突破，并有望在未来5-10年内实现工业化生产，对于提高战机、武器的作战能力意义重大。东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术使得碳纤维强度和弹性模量都得到大幅提升，是通过精细控制碳化过程，在纳米尺度上改善碳纤维的微结构，对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等进行控制。以当前东丽较为先进的碳纤维制品T1100G为例，T1100G的拉伸强度和弹性模量分别为6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正进入产业化阶段。美国佐治亚理工学院从原丝制备工艺入手，利用创新的PAN基碳纤维凝胶纺丝技术，通过凝胶把聚合物联结在一起，产生强劲的链内力和微晶取向的定向性，保证在高弹性模量所需的较大微晶尺寸情况下，仍具备高强度，从而将碳纤维拉伸强度提升至5.5～5.8GPa，拉伸弹性模量达354～375GPa。

三代碳纤维技术变迁主要集中在碳纤维微结构和纺丝技术

数据来源：公开资料整理

    中游的碳纤维复合材料以树脂基复合材料（CFRP）为主，占全部碳纤维复合材料市场份额的90%以上。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料以满足各种不同的要求。复合材料根据不同物相在空间上的连续性，可以将其分为基体与增强材料。一般而言，碳纤维不单独应用于下游领域，常作为增强材料形成复合材料。碳纤维复合材料以树脂基复合材料（CFRP）为主，占全部碳纤维复合材料市场份额的90%以上。在CFRP中，受力的是碳纤维，树脂在其中起到粘结的作用。CFRP以其明显的减重增强的作用而广泛应用于航天航空、体育娱乐用品等领域。换句话说，碳纤维复合材料才是直接接触下游市场的应用形式。

碳纤维复合材料种类繁多，应用广泛

数据来源：公开资料整理

    碳纤维复合材料的制备难度，一方面在于基体树脂材料的选择，另一方面在于成型技术。基体树脂材料的性能以及相对应的与碳纤维的配套体系，决定的是材料设计环节。但在该环节完成之后，无论制作试样还是量产，都离不开成型以及相关技术，虽然实际上两个环节不能完全分开。成型加工过程赋予材料一定的形态，使之体现出必要的特性。与此同时，碳纤维复合材料成型中部分技术的成功实现，是碳纤维在商业航空领域得以规模化应用的前提。用于航空航天领域的CFRP构件此前大多使用预浸料工艺，但是预浸料工艺的成本较高，因预浸料的裁减和铺叠过程是人工成本和工艺时间消耗最大的环节。为改进这一局面，由飞机制造商与材料供应商共同研究开发出来的成型技术——自动铺放技术，达到了通过自动化和高速化完成对大型复合材料部件的成型、提高生产效率、降低生产成本的目的。通常使用铺放成型技术可以比其他的成型工艺减少成本至少30%-50%。正是由于自动铺放成型技术的出现，CFRP在商用客机上的规模化应用才能够成为现实。

碳纤维复合材料成型加工过程，其中成型阶段以及基体树脂为关键要素

数据来源：公开资料整理

    二、碳纤维应用增长较快，航空航天、风电领域潜力大

    1、全球碳纤维需求保持稳定增长

    1）全球碳纤维需求保持稳定增长，2020年或达11.21万吨

    碳纤维复合材料由于其优良的材料性能，已经被广泛的应用于航空航天（国防）、风电叶片、汽车、船舶、压力容器、建筑、电缆芯等不同行业。2017年全球碳纤维复合材料需求达到8.42万吨，预计2020年全球总需求将达到11.21万吨，复合增长率达到10%。

全球碳纤维需求量（千吨）

数据来源：公开资料整理

    2017年全球碳纤维需求量最大的三个行业分别是风电叶片1.98万吨（23.52%）、航空航天1.92万吨（22.80%）、休闲体育1.32万吨（15.68%），除此之外，汽车、混配模成型、压力容器等行业需求较大。按照价值占比情况来看，航空航天占比接近49.14%，附加值最高。

    2）我国碳纤维需求增长快，航空航天（国防）、风电领域潜力大

    2017年我国碳纤维需求达2.35万吨，同比增长达20.06%，远超全球增速（约10%），整体上延续了近期年碳纤维需求快速增长趋势，其中有7400吨是由国产碳纤维企业生产商提供，进口碳纤维总量（1.61万吨）仍然明显高于国产量，进口替代空间巨大。未来随着国内碳纤维需求的不断增长，预计2020年我国碳纤维总需求达3.30万吨，复合增长率超过11%，随着国产碳纤维技术水平提高，我国国产碳纤维市场占比有望不断提升。

我国碳纤维需求变化情况

数据来源：公开资料整理

    对比我国碳纤维需求行业分布与全球碳纤维需求行业分布，可以发现我国当前碳纤维应用主要还是集中在体育休闲领域占比达51.09%，而在航空航天、风电叶片、汽车等高附加值领域结构占比要远低于全球相应部分碳纤维使用占比。全球航空航天碳纤维需求量虽仅占19.20%，但是其价值占比却高达49.14%，未来我国在航空航天、风电叶片、汽车等行业碳纤维需求市场空间广阔。

    2、航空航天领域：价值占比高，市场潜力大

    1）我国航空航天碳纤维应用需求迫切，价值占比高

    我国航空装备与美国相比仍有较大差距。全球目前共有53545架军用飞机，其中美国、俄罗斯、中国军机数量分居前三，我国军机数量不足美国的四分之一，其中在作战飞机、武装直升机、运输机等方面差距尤其明显。以战斗机为例我国仍有约50%（561架）的二代机（歼-7、歼-8），三代机、四代机远落后于美国，而武装直升机数量884架，仅为占美国武装直升机的16.29%（5427架）。伴随国防和军队现代化建设要求，且我国歼-20、歼-16、歼-10C、运-20、新型武装直升机等新型号的研制成功并交付使用，军用航空领域未来市场空间巨大。

中美不同类型军机数量及占比

数据来源：公开资料整理

中国战斗机数量及占比

数据来源：公开资料整理

美国战斗机数量及占比

数据来源：公开资料整理

    由于碳纤维复合材料在结构轻量化中无可替代的材料性能，在军用航空的应用领域得到了广泛应用和快速发展，国外军用飞机从最初将复合材料用于尾翼级的部件制造到今天用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等，碳纤维复材用量不断提升，以美国F-22和F35为代表的第四代战斗机上碳纤维复合材料用量达到24%和36%，在美国B-2隐身战略轰炸机上，碳纤维复合材料占比更是超过了50%。

    我国现役的第三代战斗机碳纤维占比约为3%，与美国第四代战机30%的平均碳纤维用量仍有较大差距，我军碳纤维使用比例仍有巨大提升空间。目前我军直-10、直-19武装直升机则大量使用由国产军用碳纤维复合材料制作的机身框架结构、直升机旋翼、机翼蒙皮和直升机尾翼部件。未来随着军机批产上量，以及碳纤维比例逐步上升，对国产碳纤维的需求将越来越大。

    近年来无人机（UAV）包括无人作战机（UCAV）发展迅速。出无人机系统是当今世界航空工业最具活力的发展领域，无论是在国防还是空中摄影、气象观察等民用领域，无人机系统正被越来越广泛使用。目前全球无人机系统年产值约150亿美元，其中100亿美元来自军用需求，预计未来10年全球无人机系统领域年均增速将在20%以上，产值累计超过4000亿美元。美国全球鹰（GlobalHawk）高空长航时无人侦察机共用复合材料达65%，X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”的复合材料使用比例都为90%。2018年12月23日，“翼龙”I-D无人机成功首飞，这是我国自主研发的第一型全机身复材无人机，机体复合材料比例达到约75%。随着无人机需求的快速增长及复材使用比例的提升，碳纤维复材在无人机领域需求有望成为我国新亮点。

    2）2018年我国完成39次航天发射，碳纤维航天应用将不断提升

    在航天领域，航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤，因此，在航空航天工业中普遍采用先进的碳纤维复合材料。美国、欧洲的卫星结构质量不到总重量的10%，原因就在于广泛使用了高性能复合材料。而在运载火箭和战略导弹方面，碳纤维复合材料以其优异的性能得到了较好的应用与发展，先后成功用于“飞马座”、“德尔塔”运载火箭、“三叉戟”Ⅱ（D5）、“侏儒”导弹等型号；美国的战略导弹MX洲际导弹，俄罗斯战略导弹“白杨”M导弹均采用先进复合材料发射筒。2018年我国共计完成航天发射任务39次，据世界首位，上升趋势明显。随着中国航天实力增强以及科技发展的需要，碳纤维复合材料的运用将不断扩大。

近五年航天发射次数

数据来源：公开资料整理

    3、风电叶片：大功率风电机组推动碳纤维复材占比不断提升

    我国风电产业呈现快速发展趋势，且呈大型化发展。2017年新增装机容量中，3MW及以上机组占比达7.60%，其中4MW及以上占比达4.7%，而2MW以下的风机占比仅7.30%，2-3MW级是当前新增装机的主力。从累计装机情况来看，2MW及以上级别装机容量占比不断提升，而1.5MW级别累计风机占比将不断的减少，风机新增装机呈现大型化发展趋势，尤其是在大型海上风电场及低速风机区域占比将更高。

    随着低速风机和海上风机的不断发展，叶片长度的不断增加，叶轮直径的增加对叶片的质量及抗拉强力提出了更轻、更高的要求。全球风电叶片长度，目前以45-59.9米为主导，占比超过70%，预计未来，到2021年，60-69.9米的叶片占比将提升到20%。碳纤维复合材料（CFRP）是制造大型叶片的关键材料，其可弥补玻璃纤维复合材料（GFRP）的性能不足。但长期以来，出于成本因素，CFRP在叶片制造中只被用于樑帽、叶根、叶尖和蒙皮等关键部位。近年，随着碳纤维价格稳中有降，加之叶片长度进一步增加，CFRP的应用部位增加，用量也有较大提升。

    当前碳纤维复合材料在风电领域应用主要以国外的先进主机厂较多，如维斯塔斯、GE等，国内中材科技也已经有相关供应，但是整体占比不高，工艺方面相对于国外成熟拉挤工艺可能还是存在一定的差距。光威复材已经为维斯塔斯提供碳纤维复合材料碳梁。2017年全球风电碳纤维需求为1.98万吨，我国风电碳纤维需求3060吨，随着相关风电叶片的工艺逐渐成熟，我们认为我国风电碳纤维的需求将继续保持快速增长趋势。

全球风电叶片碳纤维需求量及预测（吨）

数据来源：公开资料整理

    除了航空航天（国防）、风电领域外，碳纤维复合材料还被广泛应用于包括民用飞机、汽车、体育休闲、混配模成型、电缆芯、建筑建材、压力容器、船舶、电子电器等多个领域。当然目前由于碳纤维材料本身的成本相对较高，限制了其大面积应用，但是我们认为随着我国在民机制造领域、新能源汽车以及国内风电领域工艺技术的不断改进，以及碳纤维制造成本的持续下降，未来我国碳纤维市场需求将保持快速增长。

    相关报告：智研咨询发布的《2020-2026年中国沥青基碳纤维行业发展动态分析及投资方向研究报告》