半岛·体育中国官方网中金 新能源材料系列：大丝束碳纤维国产化可期

　　半岛·体育中国官方网中金 新能源材料系列：大丝束碳纤维国产化可期我们从大丝束碳纤维的市场空间、主要驱动因素、技术难点、降本路径以及海内外龙头公司比较等角度梳理了行业相关公司的投资机会。

　　碳纤维性能优异，大丝束实现了碳纤维领域低成本化。碳纤维是由聚丙烯腈在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维。碳纤维具备许多优异性能，主要优点在于强度和模量高，密度低，耐疲劳性良好等。其中，大丝束碳纤维一般是指丝束数量大于等于48K。相较于小丝束碳纤维，大丝束碳纤维可以采用低成本的PAN纤维，并且在相同的生产条件下，可大幅度提高碳纤维单线产能，实现低成本化生产，较大程度的打破了碳纤维高昂价格带来的应用局限，适合大规模工业化应用。

　　风电与储氢瓶是大丝束碳纤维需求增长的主要驱动因素。我们预计2025年国内大丝束碳纤维的需求量有望接近8万吨，主要增长的驱动来源是风电与储氢瓶领域。我们预计风电领域大丝束碳纤维的需求量受中国风电装机量快速上升以及Vestas专利（成本较低的拉挤工艺替代成本较高的真空灌注工艺，令兆瓦级的风电机组也能使用，大幅度扩展了碳纤维的使用范围）即将到期的双重利好影响，在2025年有望超过5.4万吨；大丝束碳纤维在储氢瓶领域则受中国燃料汽车快速增长与储氢瓶压强需求提高（从35MPa至70MPa）的影响，需求量实现快速增长，在2025年有望达到约1.6万吨。

　　中国大丝束碳纤维龙头的技术水平逐步与海外龙头接轨。国际大丝束碳纤维产能目前主要集中在美国、德国以及日本等发达国家。在国际大丝束碳纤维市场中，主要海外制造商为日本东丽、德国SGL、美国Hexcel、日本三菱等企业。国内碳纤维工业起步则相对较晚，在核心技术、产能等方面与西方发达国家存在一定差异。近年来在国内外高速增长的需求牵引下，中国碳纤维制造商在规模化生产和技术均有所突破。

　　碳纤维是由聚丙烯腈（PAN）基、沥青基、粘胶基纤维等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维。碳纤维具备许多优异性能，其轴向强度和模量高，密度低，比性能较高，无蠕变，在非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性良好。碳纤维的比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数较小且具有各向异性，耐腐蚀性和电磁屏蔽性较好等。以T1100碳纤维为例，与玻璃纤维相比，T1100碳纤维（小丝束）抗拉强度是其3.5倍，比强度是其5倍；与钢材相比，T1100碳纤维抗拉强度是其16倍，比强度是其71倍；类似的是，T300碳纤维（大丝束）的抗拉强度与拉伸模量分别是玻璃纤维的1.8倍与2.4倍，密度约为玻璃纤维的70%。碳纤维良好的性能为其未来的广泛应用打下了坚实的基础。

　　PAN基碳纤维是目前主流路线：根据原丝种类，碳纤维主要分为聚丙烯腈（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，沥青基碳纤维约占总量的8%，粘胶基碳纤维不足总量的1%。因此，目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。

　　按照丝束规格，碳纤维一般可以分为大丝束与小丝束两类。一般按照碳纤维中单丝根数与 1,000的比值命名，1K代表一束碳纤维中有1,000根丝。大丝束碳纤维一般是指丝束数量大于等于48K，（早期为24K，后随着丝束的不断增加标准上升）。大丝束碳纤维包括48K，50K，60K，75K，80K，120K，240K和480K等产品，其主要应用领域包括风电、能源、土木建筑和交通运输等。小丝束碳纤维一般包括1K、3K、6K、12K和24K等产品，其主要应用领域包括特殊装备、体育用品和渔具等。

　　在生产工艺方面，碳纤维原丝是生产高品质碳纤维的技术关键。原丝的生产过程为将丙烯腈等纤维单体聚合制成纺丝原液，然后纺丝成型。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（相比一步法，多出通过水洗过滤去除聚合物中的杂质和各种金属离子的步骤）；按照纺丝工艺，可以分为湿纺和干喷湿纺。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。

　　全球碳纤维产业于20世纪60年代起步，开始进行实验室技术的研发。1960年，日本进藤昭男发明了以聚丙烯腈（PAN）纤维为原料制取碳纤维的方法，并取得了技术专利，为未来60年碳纤维的发展奠定了基础。20世纪70年代的特点是工程化技术的研发及应用的开拓。日本东丽公司依靠先进的聚丙烯腈原丝技术，与美国联合碳化物公司交换碳化技术，开发出了高性能聚丙烯腈基碳纤维。20世纪80年代的特点是工业化、产品系列化及应用重大突破。以日本东丽和美国赫氏为代表的公司，生产出高强度和高模量产品，碳纤维拉伸强度从3.5GPa提高到5.5GPa，使应用开发进入一个新的高水平阶段。20世纪90年代的特点是并购及争抢市场份额。进入21世纪，碳纤维领域进入平稳发展的时间；2010年之后则开始了应用端的急剧扩大及产业的进一步整合。日本东丽公司于2013年收购世界碳纤维排名第三的美国卓尔泰克，东丽借此将碳纤维产品的市占率从20%提高到30%，继续较大程度维持了市场份额优势。而对于中国来说，在21世纪之前，碳纤维产业主要集中于国内，技术较为落后，无法走出国门。进入21世纪后，中国奋起直追，高端碳纤维技术不断革新，正日渐缩小与国际顶尖企业的差距，逐步走向低成本与高性能的双线阶段发展。

　　资料来源：《中国化工新材料产业发展报告》，作者：中国石油和化学工业联合会化工新材料专委会，出版时间: 2021-03；中金公司研究部

　　20世纪60年代是碳纤维工业化的起步阶段，是为了解决应宇航工业对耐烧蚀和轻质高强材料的迫切需求。碳纤维由于其重量轻、刚性好的特质最早应用于人造卫星的天线和卫星支架，随后又因耐热耐疲劳的性能应用于固体火箭发动机壳和喷管。20世纪70年代，其开始被应用在飞机上的二级结构中，由于航空领域对碳纤维的强度与模量要求较高，航空领域所主要采用高性能小丝束，可应用于飞机的多个部位，如机身、主翼、尾翼及蒙皮等。截至2020年年底，全球航空领域对碳纤维的需求量已经达1.6万吨，占总碳纤维总需求的15.4%，仅次于风电领域。此外，高性能小丝束碳纤维因其轻薄的特性还可广泛应用于汽车领域中的车牌框架、刹车片、引擎盖，体育休闲领域中的钓鱼竿、高尔夫球杆、跳杆等地方，良好的X射线透过能力使其成为医疗面板绝佳的生产材料，广阔的市场应用领域是推动碳纤维行业加速发展的重要驱动因素。

　　由于小丝束碳纤维的性能（模量与强度）普遍优于大丝束碳纤维，在上世纪60到90年代间，市场还是以小丝束碳纤维为主。在90年代中期，大丝束碳纤维的抗拉强度超过3,600MPa，与小丝束碳纤维的性能差距有较为明显的缩小，技术获得突破，叠加单位成本不断降低，大丝束碳纤维的整个产业链迎来了快速发展，是碳纤维实现大规模应用的基础。据赛奥碳纤维统计，截至2020年年底，大丝束碳纤维的全球需求量已经超过4.8万吨/年，占总需求量的45%半岛，同比上升3ppt。我们认为主要得益于1）风电市场高需求的推动；2）航空市场的低迷，令小丝束碳纤维的需求有所下降；3）由于大丝束碳纤维具有成本低和高性能的优势，越来越多的下游领域正转向大丝束碳纤维，因此大丝束碳纤维具有吞噬部分小丝束市场的趋势，且随着大丝束碳纤维的成本持续降低以及产能的不断释放，市场份额或将进一步提升。

　　生产原料来源广、价格低：PAN基大丝束碳纤维原丝的原料可以采用PAN纤维，其来源广，而且价格远远低于PAN基小丝束碳纤维专用的PAN原料。

　　生产效率较高：相比小丝束，大丝束碳纤维最大的优势是其在相同的生产条件下能够大幅度地提高碳纤维的单线产能，实现生产的低成本化。同时，在碳纤维复合材料的制备过程中，大丝束碳纤维的铺层效率更高，生产成本能降低约30%以上[1]。

　　大丝束的性价比适于大规模工业化应用：大丝束碳纤维采用的PAN原丝价格较低，但其成品大丝束碳纤维性能接近于小丝束碳纤维，且价格远远低于小丝束碳纤维，因此其性价比远远高于小丝束碳纤维。2020年国际市场中，小丝束产品的售价约为20-22美元/千克，大丝束产品的售价约为14-15美元/千克，价格相较于小丝束碳纤维低33-57%。ZOLTEK的大丝束碳纤维产品PANEX33−48K每美元的强度和模量可以分别达到205MPa和13GPa；小丝束碳纤维T300-12K每美元的强度和模量仅为107MPa和7GPa，强度和模量分别约为大丝束碳纤维的一半。由此可以看出，大丝束碳纤维的性价比更高，能够实现生产低成本化，从而打破碳纤维高昂价格带来的应用局限。

　　据赛奥碳纤维测算，2020年受疫情影响，航空领域需求量降低30%，体育市场的增长率也从2019年的5%下降至2.7%，但风电领域（主要为大丝束碳纤维）保持了超过20%的强劲增长，是碳纤维的需求的重要增长点。这也令2020年全球碳纤维的消费金额超过183亿元，在受航空航天高价格的碳纤维销售降低的拖累下，仅同比下降8.8%；同时，我们预计，随着全球航空业的逐步恢复、风电以及氢能等下游市场需求的强劲增长，全球碳纤维消费将迎来快速增加。据赛奥碳纤维测算，2020年全球碳纤维需求量为10.7万吨，同比增长3%，预计2025年可达20万吨，5年CAGR为13.3%，行业规模仍将快速增长，主要的驱动来自于工业领域。

　　据赛奥碳纤维测算，2020 年我国碳纤维的总需求达到4.9万吨，占全球总需求的45.7%，是全球碳纤维最大的增量市场。同时，国内需求增长速度较高，较2019年增长29%，增幅远高于全球碳纤维需求增长幅度，我们认为其增速差异主要来源于国内需求结构和全球需求结构的不同。国内航空航天领域需求占比远小于全球航空航天需求占比，2020年国内航空航天需求仅占3%左右，因而国内碳纤维市场受疫情的负面影响相对较小。另一方面，风电叶片领域对碳纤维需求大幅增长，同时国际风电叶片代工由欧洲转向国内，导致国内该领域的碳纤维需求由2019年的1.4万吨增长至2020年的2.0万吨，增幅高达45%，强力推动了国内市场的需求。

　　2020年我国碳纤维进口量3.0万吨（占国内总需求的62%，同比降低6pct），国产碳纤维供应量为1.9万吨（占总需求的38%，同比增长6pct）。前期中国碳纤维技术发展较为缓慢，且受到国际技术专利保护的影响，2016年以前中国碳纤维的需求主要通过进口来满足。此后随着国内碳纤维企业逐步实现自我技术研发和升级迭代，我们预计国产碳纤维在最近五年发展迅猛，有望逐步实现进口替代，并成长为全球最大碳纤维生产国。

　　全球碳中和大背景下，全球各国的风机装机量均有望加速提升。由于各国政府对碳排放越发重视，新能源发电的重要性也逐渐凸显，2020年全球风电新增装机量93GW，同比上升53%，创历史新高。其中，中国已经明确提出了“碳中和碳达峰”的目标，中金电新组预测2021-2025期间风电装机有望达到275GW。而海外方面，2021年1月，拜登签署文件表示美国将重新加入“巴黎气候协定”[2]，并制定了“2035无碳发电，2050让美国实现碳中和”的目标，碳中和规划明确；欧盟则提出了2050年实现碳中和的目标。在全球碳中和的大背景下，风电装机会有较为明显的提升，中金电新组预测2021-2025期间全球风电装机有望达到近500GW。

　　风力发电的平价化依赖于风机大型化。为了增加风机发电量，风电叶片长度不断提升，风机功率增加，但风机重量也随之增加。根中金电新组的测算，风机的原材料是主要成本，且与重量成正向关系，单位功率质量的减小将较大幅度的节约零部件的采购成本。中金电新组预计3.0MW/4.0MW/5.0MW/6.0MW风机在规模化生产后，成本有望分别达到2,250/2,000/1,750/1580元/千瓦。我们认为风机发电的单位成本明显随着风机功率的不断提升（大型化）而降低，也是未来风电发展的关键因素。

　　风机大型化是未来发展的趋势。根据中国风能协会的统计，2010-2018年，国内风机单机容量逐渐从1.5-2.0MW升级成2.0-2.5MW（平均2.2MW），单功率逐渐提升。《2020年中国风电吊装容量统计简报》则显示，2020年，中国新增装机的风电机组平均单机容量为2.7MW，同比增长8.7%，其中4.0MW-5.0MW（不含5.0MW）风电机组装机占比同比基本持平，占比约6%；5.0MW及以上风电机组新增装机占比约4%，同比上升0.9ppt。分别从海上与陆上风电机组来看，中国海上风电机组2020年的平均单机容量为1.9MW，同比增长6.9%，但考虑到海上风电机组退补抢装，我们预计今年平均单机容量预计会同比大幅上升。类似的是，中国陆上风电机组2020年平均单机容量为2.6MW，同比增长9.6%。总体来看，大型化趋势明显。我们认为，在未来5年内，中国陆上与海上风机的单机容量增长速度将明显加快。

　　大型化趋势促进大丝束碳纤维渗透率的提升。由于风力发电的成本随风力发电的单机功率的增大而降低，而风电叶片的长度和风机功率成正比，因此，近年来风电叶片大型化趋势明显，2020年，风电叶片的长度可达100米（对应6MW以上的风机），是30年前的8倍。但是，增加风电叶片的同时，也需要尽量避免其质量的增加、耐腐蚀性、寿命和刚度等固有特性，尤其是近年来海上风电装机量加速提升，风电叶片更是需要适应极端天气，而风电叶片的原有材料，玻璃纤维已经逐渐体现出性能方面的不足。大丝束碳纤维走进了我们的视野。大丝束碳纤维具有高强度、高硬度、抗疲劳性（延长风电叶片的寿命）和耐腐蚀等优点，叠加风电机组大型化发展和轻量化要求的加剧，大丝束碳纤维正逐步成为风电叶片、梁的主要材料，大丝束碳纤维的风叶相比于传统玻璃纤维材质的风电叶片，可实现约30%的减重效果[3]，从而保证风电机组的运行性能和转换效率。一般超过3MW的风机和超过50米的风电叶片就需要运用到大丝束碳纤维，因此大丝束碳纤维的渗透率也在逐年提升。

　　Vestas将碳纤维风电叶片制作低成本化，但其专利即将到期，国内风电厂将积极开发。2015年以前，碳纤维应用在风电叶片工艺的主要材料采用小丝束碳纤维，且风电叶片的成型主要运用成本较高的真空灌注工艺，平均价格相较于大丝束碳纤维更高，应用规模相对较小。自2016年开始，Vestas拉挤梁片工艺获得突破，令碳纤维的低成本化与规模化成为了可能。这种设计和工艺的优点有1）通过拉挤工艺生产方式提高了碳纤维体积含量，减轻了主体承载部分的质量；2）通过标准件的生产方式提高生产效率，保证产品性能的一致性和稳定性；3）降低了运输成本和最后组装整体成型的生产成本。按这种设计和工艺制造的碳纤维主梁和风电叶片，兆瓦级的风电机组均可使用，大幅度扩展了碳纤维的使用范围。值得一提的是Vestas的碳梁风电叶片的专利将于2022年7月到期，该技术主要用于生产大型风电叶片。目前，国内多个风电厂都在积极做相关设计和开发。虽然基于目前专利保护还未形成批量，但一旦专利保护到期，我们预计放量空间较大，大丝束碳纤维需求将进一步快速增长。

　　资料来源：《国产碳纤维在风电叶片产业中的机会——七论国产碳纤维产业化之路》，作者：沈线；中金公司研究部

　　资料来源：《国产碳纤维在风电叶片主梁上的应用研究》，作者：李光友，发表时间: 2021-10；中金公司研究部

　　我们预计，中国风电领域的大丝束碳纤维的需求量在2025年有望超过5.4万吨。我们认为受中国风电装机量快速上升以及Vestas专利即将到期的双重影响，国内风电叶片大丝束碳纤维需求增长拥有坚实的基础。通常情况下，发电量高于5MW，叶片长度超过50米的风机需要用大丝束碳纤，单个风机发电量在5-6MW，叶片长度70-90米，叶片总质量在45-60吨左右，大丝束碳纤维需求量为9-12吨，风机叶片的大丝束碳纤维的质量百分比为15-20%。但考虑到目前Vestas的专利还未到期（2022年7月到期），因此我们认为国内风电叶片的大丝束碳纤维需求将在2022年迎来快速增长，渗透率将从2022年的10%提升至2025年的55%（Vestas风电叶片的专利到期后，我们预计国内风电厂家将会开始大规模生产，渗透率上升），2022-2025年的CAGR将会保持在90%以上，中国风电叶片大丝束碳纤维实际需求量将在2025年超过5.4万吨。

　　高压气态储氢是中短期主流：目前主要的储氢方式有气态储氢、液态储氢、固体储氢和有机液体储氢等。高压气态储氢的应用较为广泛；低温液态储氢尚未开启商业化应用，主要应用于航天等领域；固体储氢已经逐步开始商用化，以镁基储氢为代表，上海镁源动力科技有限公司已经开始批量生产镁基固态储氢材料，居国际领先水平，镁基储氢有望成为未来技术发展方向；有机液体储氢尚处于示范阶段。

　　气瓶技术更新迭代，车载应用逐渐成熟。高压气态储氢是目前商业化储氢主流技术，高压氢气瓶一共有四代型号，随着技术迭代，高压气瓶质量呈上升趋势，使用寿命进一步延长，同时其储氢密度与工作压力逐步提升。其中，一型纯钢瓶与二型钢制内胆瓶由于质量过大，无法适应于移动式储氢需求，主要应用于工业（冶金、炼钢等）、加氢站等固定式用途。随着三、四型瓶的开发与应用，车载移动储氢逐步实现，对于三型铝内胆瓶，国内技术较为成熟，是国内燃料电池车车载储氢主流技术；四型塑料内胆瓶在国外技术成熟，是国际车载用氢的主流技术，相比于三型瓶，四型瓶质量轻、成本低、性能更佳，但尚未实现国内车载应用。

　　国产四型瓶技术突破，性能逐步向国际前列靠齐。国内四型瓶技术于2021年初实现突破，沈阳斯林达公司研发的四型储氢瓶率先通过了安委会气瓶分委会“三新”技术评审，其设计、制造均符合 T/CATSI 02 007-2020《车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶》团体标准的规定，成为国内首家四型瓶通过“三新”（新材料、新技术、新工艺）技术评审的企业。根据2021年4月国家市场监督总局发布的公告，目前有北京天海工业、沈阳斯林达安科、丰田汽车、丰田合成等四家企业通过“三新”技术评审。如何实现高压储氢瓶质量密度进一步提升一直是国内气瓶制造行业的难点，沈阳斯林达安科公司设计的四型瓶参数显示，国内技术已实现四型瓶储氢质量密度5.7%，与国际先进氢气瓶制造商技术水平相近。

　　资料来源：车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶（T/CATSI 02 007-2020），中国氢能源及燃料产业电池白皮书，中科院宁波材料所特种纤维事业部，中金公司研究部

　　大丝束碳纤维因其低密度高承压能力的优势，碳纤维成为了四型储氢瓶的主要材料。一型与二型钢瓶由于质量过大（钢制内胆），无法适应于移动式储氢需求，随着三型（铝制内胆）、四型瓶（塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶）逐渐商用化，车载移动储氢逐步实现，但也对储氢瓶的承压能力以及轻质化提出了更高的要求。大丝束碳纤维因其低质量和高强高模（承受压强的能力强）的特性，使其逐渐成为四型储氢瓶的主要材料。

　　相对于三型瓶，四型瓶碳纤维用量提升，但总成本实现下降。根据中科院宁波材料所特种纤维事业部数据，三型瓶碳纤维成本占总成本比重在62%-66%之间，四型瓶碳纤维成本占总成本比重在76%-78%之间，随着压力、型号等级提升，碳纤维使用量递增。在同等工作压力状态下，四型瓶成本较三型瓶低7%-11%，成本差异较大是由于四型瓶用塑料内胆取代金属内胆。由于内胆材质较轻，四型瓶瓶身质量主要集中于碳纤维和储氢瓶及辅助系统（BOP），70Ma四型瓶中碳纤维质量占比62%。

　　储氢瓶大丝束碳纤维的需求量将实现快速增长。根据中金公司汽车组预测燃料电池车销量数据，假设重卡/中轻微卡/客车/乘用车单车配备车载储氢瓶数量为7/4/4/2个，2025年/2030年每年车载储氢瓶需求量为44/118万瓶。根据中金公司建材组预测，2025年/2030年单个储氢瓶使用大丝束碳纤维质量将以约28千克为基准持续上升。因此，在储氢瓶领域中，2025年/2030年大丝束碳纤维的需求量将分别达到约1.6/5.0万吨。我们认为未来10年中，储氢瓶中大丝束碳纤维的需求量将实现快速增长，2021-2025年的CAGR预计超过97%，而2025-2030年的CAGR将超过26%，增速有所放缓，但依旧较为强劲。

　　国内大丝束碳纤维需求量预计持续提升，2025年将达到近8万吨。我们认为中国大丝束碳纤维在十四五期间需求主要增长点是风电与储氢瓶领域。到2025年末，我们预计大丝束碳纤维的总需求量近8万吨，2021-2025年CAGR保持在30%以上。

　　国内大丝束碳纤维产能扩张迅速。我国大丝束碳纤维生产起步较晚，2017年前后实现了大丝束碳纤维的技术突破，目前正处于快速发展阶段。据赛奥碳纤维统计，我国主要大丝束碳纤维生产企2020年原丝产能达到3.2万吨，大丝束碳纤维产能达到0.83万吨以上。同时，大丝束生产企业正在组织进一步的扩产和投资计划，根据目前各企业已经宣布的投资扩产计划，十四五末期，我国主要大丝束碳纤维制造商原丝产能将达到20.6万吨，大丝束碳纤维产能将达到7.5万吨，增长态势良好。

　　碳纤维的生产过程为将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后纺丝成型。成品原丝经多段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；随后经过表面处理后进行上浆，经烘干得到高强型碳纤维产品，并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，作为生产碳纤维复合材料的原材料；碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合，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。

　　聚合过程：是制备原丝至关重要的步骤，聚合过程中温度、引发剂用量、水和单体比的控制问题是技术的关键。聚合反应中温度低，反应速率慢；温度高，反应速率快，但聚合物的立构规整性变差，会影响原丝、碳丝的质量。引发剂用量、水和单体比会影响聚合物的分子量，分子量及其分布是PAN聚合物重要的性能指标，具有较高的分子量以及适合的分子量分布是生产优质PAN原丝的基本要求。

　　纺丝过程：将聚丙烯腈原液经喷丝板喷出，丝束大小也由喷头的选择来确定。喷丝产生的丝束在凝固浴中凝固成型。成型后的原丝再经过多段水洗，降低原丝中DMSO的残留量；随后进行热水牵伸；再经过上油、干燥致密化，达到防黏隔离和降低摩擦的作用；最后经过蒸汽牵伸工段，最终原丝卷绕成轴。值得一提的是，上油是纺丝过程中较为重要的一环，在原丝纺丝过程中干燥致密化工艺的前、后上油剂，可防止单纤维丝之间粘连或并丝，在后续制备碳纤维时的预氧化和低温碳化过程中，原丝表面的油剂可以防止原丝表面产生新的缺陷，其不仅能起到润滑剂的作用，还能在单纤维丝表面形成薄膜保护纤维丝表面不受损伤。

　　碳纤维原丝制备在碳纤维生产中至关重要，碳纤维的质量和生产成本很大程度上由碳纤维原丝的质量和生产成本决定。原丝是碳纤维的核心原材料，根据我们的测算，一般碳纤维原丝占碳纤维生产成本的50%左右，原丝的性能与结构直接决定了后续碳纤维产品的质量与参数，只有制得强度和模量高、杂质和缺陷少、结构均匀的原丝才能制备出高质量的碳纤维。因此，原丝制备能力将直接影响未来碳纤维的竞争格局。

　　碳纤维原丝在空气环境下，经过在多段氧化炉后产出预氧丝；预氧丝在氮气环境下（防止氧化），碳化后得到碳丝；之后，再进行表面处理、上浆，最后烘干后得到碳纤维成品。

　　预氧化：预氧化是PAN纤维内部分子链结构逐渐转变为耐热梯形结构的过程，这种结构可以在惰性气体，如氦气的保护的高温环境下，保持稳定的（不融不燃的）纤维形态。过程主要的工艺控制点为预氧化温度（一般为180-300℃）、停留时间（一般为80-120分钟）和张力牵伸（防止PAN大分子链发生断链并减少反应后产生的空隙结构，通过预氧化温度和时间控制）。

　　碳化：碳化是在惰性气体保护下，有机纤维和聚丙烯腈纤维或粘胶纤维等经400～1800℃形成高富集碳（92%）的热处理过程。聚丙烯腈纤维经预氧化处理后转化为耐热梯形结构，再经过低温碳化和高温碳化转化为具有乱层石墨结构的碳纤维。该过程主要的工艺控制点与预氧化过程较为类似，为温度梯度（一般为400-1000℃，高温碳化一般为1,300-1,800℃）、碳化时间、气体的流动（通过空气流速来控制废气排放）和牵伸。

　　表面处理：碳纤维一般会与其他材料进行复合，以碳纤维增强树脂材料为主，而表面处理就是为了增强碳纤维和其他材料的结合力（碳化过程使纤维具有光滑的表面），从而改善碳纤维与其他材料之间结合的质量，充分发挥碳纤维的高强高模的特性。

　　上浆：给经表面处理后的碳纤维表面涂覆一层保护膜，避免其吸附空气中的水分和灰尘，防止在后续加工过程中摩擦、磨损、产生毛丝和进行后续卷绕是有所损坏，这个涂覆过程被称为上浆。涂层材料可能包括聚酯，尼龙和环氧树脂等。

　　上浆后，将它们缠绕到线轴上并装入纺纱机，形成各种尺寸的纱线。然后可以将这些纱线编织成织物（碳纤维）或形成复合材料。

　　原丝油剂质量与海外差距较大。原丝油剂是碳纤维生产中较为重要的一环，是为了提高碳纤维原丝的高温抗静电性和平滑性而须附着的表面处理剂。油剂会在原丝表面形成膜，可避免毛丝、并丝和表面损伤的发生。因其重要性，海外的碳纤维企业对原丝油剂配方实施严格保密和技术封锁，而中国的油剂技术还处在较为初级的阶段，与海外产品相比，差距较为明显，油剂的长时间储存性亟待提高。

　　预氧化过程中易集中放热，易形成大孔缺陷结构影响产品质量。PAN均聚物的预氧化初始温度较高，且在预氧化初始阶段会产生放热反应（丙烯腈单体每一次加成聚合都需要打开一个C=C双键，同时生成两个σ单键，从而放出热量），集中放热会导致原丝中PAN分子链的断裂，并形成大孔缺陷结构，影响生产工艺稳定性和碳纤维质量，是制作的难点。此外，集中放热也容易产生失火等安全事故。

　　上浆剂主要依赖进口。碳纤维表面的主要成分是石墨，其本身是惰性的，拥有较好的耐腐蚀性，但同时也降低了纤维与树脂之间的浸润性。上浆剂能够使碳纤维被树脂充分浸润，减少预浸料中的空气含量，从而降低孔隙率，提高产量质量。大部分大丝束碳纤维生产企业在原丝制备、预氧化、碳化、表面处理、干燥和收丝等工艺方面差异较小，技术也较为公开透明，但碳纤维的上浆剂却是各有特色，技术也受到严格的保密。中国碳纤维生产中上浆剂大部分依赖于进口，是碳纤维生产商的重要技术短板。

　　大丝束碳纤维展纱时易出现粘连、断丝现象，影响生产效率和产品质量。相较于小丝束碳纤维，大丝束碳纤维束由于丝束较粗，树脂不容易浸透纤维束内部，不能够均匀浸润，单丝之间容易产生空隙等缺陷，成形过程中出现纤维屈曲及铺层角度错位的可能性增加，在后续的织物编织和预浸料制备过程中工艺性变差，容易“黏”在一起，从而出现粘连、断丝现象，影响生产效率和产品质量。

　　大丝束碳纤维制备属于低成本生产技术。相比小丝束碳纤维，大丝束碳纤维生产原料来源更加广泛，可以采用PAN原丝，因此大丝束碳纤维的成本和价格明显低于小丝束。以下游需求占比最高的航空航天为例，目前小丝束碳纤维国际售价约5万美元/吨左右，国内售价约为80-90万元/吨[4]。而美国ZOLTEK（已被日本东丽收购）48K大丝束碳纤维国际售价仅为1.2-1.5万美元/吨，国内售价为11.9-13.6万元/吨，只相当于小丝束碳纤维价格的约20%-30%。而在性能上，目前市场上的一些大丝束碳纤维主要性能已经接近甚至超过了部分小丝束碳纤维。因此，我们认为大丝束碳纤维及其复合材料在体育休闲、汽车、风电、基础设施等下游领域的应用将日益增加。

　　大丝束原丝纤维制备成本测量。原丝制备的原材料主要为丙烯腈、丙烯酸甲酯、衣康酸等。根据我们对原丝的测算，1吨碳纤维原丝的丙烯腈制备用量为0.98吨，按当前丙烯腈价格1.36万元/吨计算，单吨碳纤维原丝的丙烯腈成本为1.33万元，成本占比达77%，其他原材料包括丙烯酸甲酯（1.7万元/吨）、衣康酸（1万元/吨）等，成本共计1,302元，原材料总成本占原丝成本的84%。制造费用约占14%，主要包括生产设备折旧及高温加热产生的电费、蒸汽费等。人工费用仅占原丝生产成本的2%左右。总体来说，我国国产碳纤维原丝的成本约为1.7万元/吨，以2.5-2.7万元的售价（含税）计算，毛利率约为23-29%。

　　大丝束碳纤维制备成本测量。根据我们的测算，在大丝束碳纤维的制备阶段，2.0-2.2吨原丝能够产出1吨碳纤维，原丝成本占比较高，约占碳纤维成本的50%。在碳纤维制备过程中，需要将原丝经过预热、预氧化、碳化等多个过程，且各个环节之间需要多种制备工艺和设备的参与，设备投入、维护和折旧的成本大，因此该阶段制造费用较高，约占总成本的46%。人工费用约占碳纤维成本的4%。国产大丝束碳纤维的成本约为7-8万元/吨，与其售价14（含税）万元相比，毛利率约为35-44%。

　　资料来源：中复神鹰招股说明书，吉林碳谷招股说明书，公司官网，万得资讯，中金公司研究部 注：海外公司碳纤维报价（含税）按照最惠进口国关税17%、增值税13%计算

　　生产设备的国产化和自动化升级趋势。高温碳化炉是碳纤维生产线中最为核心的设备，其稳定性和可靠性对产品的性能有最直接的影响。然而长期以来，由于发达国家对我国先进技术和装备出口管制，我国在关键的碳化炉等设备的相关技术与专用设备上与世界领先企业还有较大差距，国内主流厂家大多选择从国外进口核心设备，导致项目建设周期长，制造成本高。近年来，随着碳纤维国产化装备的研发和自动化技术的升级，行业工艺和装备都已经实现了国产化。国内一些高端装备企业如精功科技等，已经实现了不少碳纤维生产设备的突破。随着配套生产设备的国产化和自动化升级，大丝束碳纤维的设备投资和制造费用仍有进一步下降的可能。

　　产能的提升带来规模效应。随着我国大丝束碳纤维生产工艺的不断突破，国内企业纷纷扩大生产产能，规模效应逐渐显现，大丝束碳纤维的单位生产成本将逐渐降低。据《PAN基碳纤维制备成本构成分析及其控制探讨》[5]统计半岛，产能为3300T的碳纤维产线T产线.9万元/吨，生产1500T（2条国产单线T碳纤维产线%。因此，随着行业产能的不断提升，规模化的生产将使碳纤维生产成本得以有效降低。

　　资料来源：《PAN基碳纤维制备成本构成分析及其控制探讨》，作者：朱波，发表时间: 2010-09；中金公司研究部

　　政府的电力补贴降低单位生产成本。碳纤维生产过程对能源的消耗较大，预氧化、碳化等环节均需要高温加热，且时间较长，耗电量大。光威复材公告，电费约占公司碳纤维生产成本的20%以上，仅次于固定资产折旧。近几年，随着国家不断通过补贴等政策缓解工商业用电成本的压力，各碳纤维企业也在不断寻求降低电力成本的途径。例如光威复材在内蒙古包头投资建设万吨级碳纤维项目，通过与政府签订协议获得长期可持续的政策性优惠电价，能够将电费价格降低55%以上，大大缩减了单位产品的生产成本。因此，政府对企业电力的补贴是大丝束碳纤维降本的一个重要途径。

　　产业链一体化带来成本优势。随着国内碳纤维产能的扩大和行业的不断发展，许多企业开始向上下游业务延伸，同时掌握原丝及碳纤维制备工艺，并且继续向下游碳纤维复合材料进行研发生产。上下游的一体化业务为企业带来了显著的协同效应。例如上海石化、兰州蓝星等兼具原丝和碳纤维生产能力的企业，一方面，原丝业务能够为碳纤维及其复合材料业务提供充足且低价的原料保障，降低生产成本；另一方面，碳纤维业务的开展也能够稳定企业原丝业务的销售，从而为企业进一步享受规模优势、增产降本奠定基础。

　　我国碳纤维工业起步相对较晚，在核心技术、产能等方面与西方发达国家存在一定差异。近年来在国内外高速增长的需求牵引下，国内碳纤维制造商在进一步进行产能投资和技术突破。当前我国国内主要的碳纤维（及原丝）制造商为吉林碳谷、吉林宝旌、中复神鹰、江苏恒神、光威复材、兰州蓝星和上海石化等半岛。其中，吉林碳谷以原丝生产为主（截至9M21，原丝产能为5万吨/年）；吉林宝旌（截至9M21，大丝束碳纤维产能为0.6万吨/年）和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主，江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳纤维生产能力；其他公司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。

　　在工艺技术方面，目前我国已形成了有机溶剂一步法湿法纺丝、其他溶剂一步法或二步法湿法纺丝工艺等高强度碳纤维原丝制备国产化技术，我国PAN基碳纤维原丝的溶剂路线有DMSO法、DMF法、DMAC法和NaSCN法，聚合工艺有水相聚合、溶液间歇聚合和连续聚合，纺丝工艺有湿纺和干喷湿纺，生产工艺趋于多样化。其中，吉林碳谷以DMAC为溶剂，采用水相聚合湿法二步法工艺生产碳纤维原丝；上海石化与兰州蓝星自主研发出了NaSCN湿法工艺。

　　中国大丝束碳纤维专利申请情况。中国由于小丝束碳纤维工业化较早，大丝束碳纤维起步较晚，因此在大丝束碳纤维领域的专利申请较少，其中以上海石化、上石化研究院、威海拓展（光威复材全资子公司）、兰州蓝星几家的专利申请为主，几家的专利申请侧重也有不同：上海石化的专利集中在表面处理阶段（有5项发明专利），原丝生产的一项专利则是在水洗阶段；上石化研究院在预氧化与表面处理阶段分别拥有3项/1项发明专利；威海拓展在碳化的预氧化和碳纤维性能表征各拥有1项发明专利；兰州蓝星纤维发明专利主要是原丝收放丝的装置，在原丝生产工艺中也有1项发明专利；由此可见，在为数不多的大丝束碳纤维相关专利中，主要专利申请布局于碳化阶段的表面处理和预氧化工艺步骤，尤其以上海石化和上石化研究院两家的专利申请为主，而涉及原丝生产工艺中的专利申请则相对较少。

　　注：1）兰州蓝星纤维有限公司——蓝色，威海拓展纤维有限公司——绿色，中石化上海石油化工股份有限公司——红色，中国石油化工股份有限公司上海石油化工研究院——橙色；2）合并同时申请，粗体表示发明专利，细体为实用新型专利

　　国际大丝束碳纤维产能主要集中在美国、德国以及日本等发达国家。大丝束碳纤维生产技术和工艺流程复杂，国际市场大丝束碳纤维规模化生产起步早，工艺技术已逐步发展成熟，主要产能集中在欧美、日本等少数发达国家。根据中国化学纤维工业协会数据，2020年，在国际大丝束碳纤维市场中，美德企业市占率达到全球产能的89%以上，日本企业市占率约为10%。其中，主要大丝束碳纤维制造商为日本东丽、美国Hexcel、德国SGL、日本三菱、中国蓝星等企业。截至2020年底，在产能方面，日本东丽（包括旗下收购的卓尔泰克）目前拥有全球最大碳纤维运行产能，理论产能达到5.45万吨/年（截至9M21，产能为5.75万吨/年）。德国SGL现有产能1.5万吨/年，是目前碳纤维运行产能第二大的公司。日本三菱碳纤维产能排名全球第三，为1.43万吨/年。Hexcel现有碳纤维产能1.02万吨/年，目前已建立5千吨/年的扩产计划。

　　国际主要企业碳纤维生产线多从原丝开始，直到碳纤维以及中间、下游的产品开发，如美国Hexcel、日本东丽和三菱的碳纤维生产都是从聚合、纺丝开始的，其生产工艺也不尽相同。在纺丝过程中，Hexcel主要采用以NaSCN为溶剂的一步法，日本三菱主要以DMF为溶剂，而日本东丽主要采用以DMSO为溶剂的一步法进行纺丝。

　　由于到2020年抢装潮的退却，风电机组今年的装机量可能不及预期；叠加风力发电具有波动性特点，中长期看，在风力发电并网后，有可能出现电网消纳能力不足，导致风电装机不及预期的情况。我们认为风电装机量的不足会可能导致风电叶片的需求量的下降。

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