产业研究报告丨碳纤维国产化曙光已现
摘要
碳纤维因其优异性能被誉为21世纪“黑色黄金”，全球需求稳步增长，但市场被外资垄断，中国依赖进口。国产高性能碳纤维技术逐渐成熟，进入稳定量产，国产化进程有望加速。碳纤维产业链包括原丝生产、氧化碳化、中间材料和复合材料等环节，下游产品附加值高。航空航天、汽车轻量化和风电叶片是碳纤维需求增长的主要驱动力。全球碳纤维市场集中度高，国内产业面临进口替代空间。政策支持和技术突破推动国产化趋势，市场逐渐健康发展。
正文
作者：宋涛，申万宏源材料业研究部分析师
21世纪的“黑色黄金”，碳纤维市场空间广阔。碳纤维轻质及优异的性能使其成为新一代增强纤维，在航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、交通设施等方面有着广泛的应用，被称为21世纪的“黑色黄金”。据赛奥碳纤维技术统计，2011年全球碳纤维需求量4.41万吨，2016年需求为7.65万吨，年复合增速11.6%，预计到2020年需求量将达到11.20万吨。而2016年全球碳纤维复合材料需求达到213.4亿美元，其中树脂基复合材料应用最为广泛，占69%的市场份额。
全球碳纤维市场外资垄断，国产化替代需求迫切。2016年全球碳纤维理论产能13.9万吨，东丽、卓尔泰克、西格里、三菱、东邦五家企业产能占全球58%。我国由于生产技术不稳定，产品一致性差，成本居高不下等原因，2016年碳纤维理论产能虽然达到2.4万吨，但真正有效产出仅3600吨左右，产能利用率仅15%。中国碳纤维需求量由2011年0.93万吨增长至2016年1.96万吨，年复合增速16%，预计到2020年将达到3.08万吨。目前我国碳纤维80%依赖进口，由于碳纤维军民两用的特性，高性能碳纤维国外对国内实行产品和装备双封锁，因此碳纤维国产化需求迫切，同时也是必由之路。
国产高性能碳纤维逐渐成熟，结合下游航空航天、汽车轻量化发展趋势，国产化开始起步。随着近年来国内碳纤维企业的不断发展，生产规模和技术持续提升，以中复神鹰、恒神股份、中安信、光威复材为代表的碳纤维企业已掌握更先进的干喷湿法原丝制备工艺，实现T700/T800级高性能碳纤维技术突破，开始逐步进入稳定量产，为高端工业应用提供了产业基础。光威复材、中简科技等企业碳纤维产品已陆续通过漫长的军工认证，进入业绩收获期。未来随着我国航空航天事业的发展以及新能源汽车和风电轻量化需求的日益提升，下游工业应用需求快速增长有望拉动碳纤维国产化进程。
1. 碳纤维：21世纪的“黑色黄金”
碳纤维是由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量超过90%的无机纤维。碳纤维外柔内刚，质量比金属铝轻，强度高于钢铁，具有耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等一般碳素材料特性，同时其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维轻质及优异的性能使其成为新一代增强纤维，在航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、交通设施等方面有着广泛的应用，被称为21世纪的“黑色黄金”。
碳纤维根据原丝种类主要分为聚丙烯腈（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，而粘胶基碳纤维占比不足1%。
碳纤维根据力学性能可分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度为1000MPa、模量为 100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上）。强度大于4000MPa 的又称为超高强型；模量大于450GPa的称为超高模型。
碳纤维按用途可分为工业级和宇航级两类，亦称为大丝束和小丝束。通常把48K及以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括 60K、120K、360K和480K等。工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防工业和高技术及体育休闲用品（如：飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等）。工业级碳纤维性能相对较差，但成本较低，宇航级碳纤维性能优异，成本也相对较高。
2. 材料：全产业链四大环节缺一不可，下游产品附加值提升
碳纤维与玻璃纤维类似，作为增强型纤维材料通常并不单独使用，而是制成终端碳纤维复合材料（CFRP）加以应用。完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。通常从原油制备丙烯；丙烯经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到PAN原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，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。简单地可以划分为原丝生产、氧化碳化、中间材料和复合四个环节。
2.1 原丝：决定碳纤维质量和成本的关键
PAN原丝是生产高品质碳纤维的技术关键，一般认为碳纤维90%的性能取决于原丝。原丝品质不佳（表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等），在后续加工中很难消除，从而遗传给碳纤维，造成力学性能下降。
PAN原丝的生产过程如下：先将丙烯腈单体聚合制成纺丝原液，然后纺丝成型。这个过程按照聚合和纺丝两道工艺的连续性、纺丝时采用的方法以及纺丝溶剂的选择等方面的不同有多种工艺方法。
目前DMSO为溶剂、湿法纺丝是最为普遍的生产技术。但从发展趋势来看，干喷湿纺工艺有效结合了干法和湿法，在纺丝速度（相比湿纺快5-10倍）和原丝性能方面均具有明显优势，使得其正逐步取代湿法纺丝。相比传统的湿法纺丝，干喷湿纺喷丝头不直接浸入凝固浴，喷头温度可独立的精确控制，纺丝液由喷丝板喷出在进入凝固浴之前先经过一段几毫米的空气层，纺丝液在空气层中发生一定的拉伸流动，不仅提高纺丝速度，还有利于大分子链的取向。原丝结构相比直接进入凝固浴更为均匀致密，同时截面也更容易成圆形，从而提高力学性能。我们认为聚合方法和纺丝溶剂的选择会影响原丝的性能并非关键，从国内产品的最大问题即一致性较差来看，纺丝工艺的控制才是稳定生产高性能原丝的关键。
原丝不仅决定碳纤维的质量，同时也是碳纤维成本的主要组成部分。理论上每生产1 kg碳纤维需要消耗2 kg的原丝，原丝占PAN基碳纤维成本高达51%左右！
2.2 碳纤维：预氧化与碳化
从原丝到碳纤维要经历两个重要的工艺步骤，即预氧化和碳化。其中预氧化过程既决定碳纤维的质量，又控制着碳纤维的产量。上世纪60年代东丽公司开始研制碳纤维时，其预氧化过程长达二十多小时；其后经过不断改进，现在几十分钟即可实现良好预氧化。如果能在保证质量的前提下缩短预氧化时间，整条产线的产量能提高，单位成本将大幅下降。
PAN原丝预氧化目的是为了防止原丝在碳化时熔融，通过氧化反应使线性PAN大分子发生分子内环化和分子间交联，转变成耐热梯形结构，从而使纤维在高温碳化过程中不熔不燃。预氧丝的碳化一般是在惰性气氛气体保护下先经低温碳化将N、H、O等非碳元素在炉内发生反应释放出来，随后经高温碳化形成石墨化结构。预氧化中碳的质量分数约为60%，经过高温充分裂解碳化脱除大部分杂元素，最终转化为含碳量90%以上的高性能碳纤维。
预氧化工艺在碳纤维成型过程中耗时最长，是决定碳纤维生产效率和能耗成本的关键，也被业内普遍认为是最有潜力提升的环节。
2.3 中间材料：预浸料是主流
碳纤维生产出来后，除了缠绕成型可以直接使用碳纤维外，其余所有工艺都需要先将碳纤维制成中间材料，再与树脂复合成型。几种常见的中间材料有织物、预浸料、SMC 和短纤（颗粒），其中预浸料是最主流的中间材料。不同形态的中间材料与后续的加工方法有着密切关系，比如织物一般采用液压成型（包括 RTM）、预浸料主要采用热压罐成型、SMC主要采用冲压成型、而短纤或长纤适合用挤压成型。
碳纤维织物也称为碳纤维布，可分为单向布、双向布和多轴向三个大类，是碳纤维增强体的一种主要形式，可与树脂搭配直接用于建筑物补强，但更多的应用还是制成预浸料的半固体形式，再制成各种高质量的复合材料。
预浸料是最主流的中间材料，2014年制成这种形式的碳纤维有27750吨，占比达到51.5%，其次是非连续纤维，占比达到19%。
2.4 复合材料：树脂基复合材料占比约七成
根据基体材料的不同，碳纤维复合材料有树脂基、碳基、陶瓷基、金属基等多种形式。根据赛奥碳纤维技术统计，2016年全球碳纤维复合材料需求达到213.4亿美元，其中树脂基复合材料是使用最为广泛的碳纤维复合材料，占据69%的市场份额，其次为碳基复合材料，占12%。
碳纤维增强树脂基复合材料 (CFRP)：碳纤维增强树脂复合材料所用树脂基体主要分为两类，一类是热固性树脂，另一类是热塑性树脂。碳纤维增强热塑性塑料具有强度与刚性高、蠕变小、热稳定性高、线膨胀系数小减摩耐磨、不损伤磨件、阻尼特性优良等特点。碳纤维增强热固性塑料具有强度高、模量高、密度小、减摩耐磨、自润滑、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、热膨胀系数小、导热率大，耐水性好等特点。
C/C复合材料：由碳纤维或织物、编织物等增强碳基复合材料构成，主要由各类碳组成，即纤维碳、树脂碳和沉积碳。通常用连续碳纤维长丝深加工预制体或短切碳纤维增强基体作为制造的胚体，经CVD、CVI等方法反复致密化后（1-5个循环）形成的高比强度和比模量复合材料。
C/C复合材料有两大特点：一是耐高温。在非氧化气氛中可以承受2000℃以上的高温且维持力学性能不变，在高温氧化环境中也能均匀烧蚀（不会起火燃烧），这些特性使得其在航天飞机、导弹鼻锥和发动机喷管中广泛应用；二是耐磨擦磨损。是目前最好的刹车制动材料，国际上多数大型民用飞机和军用飞机均采用碳/碳复合材料飞机刹车副。
碳纤维增强陶瓷基复合材料：用碳纤维增强陶瓷可有效改善韧性，改变陶瓷脆性断裂形态，同时阻止裂纹在陶瓷基体中的迅速传播、扩展，在航空发动机、可重复使用航天飞行器等领域广泛应用。
碳纤维增强金属基复合材料：具有高的比强度和比模量，高的韧性和耐冲击性能。目前碳纤维增强铝、镁基复合材料的制备技术比较成熟。
2.5 下游产品大幅增值
在碳纤维整体产业链中，不同阶段产品价格大幅增值，同一品种原丝的售价约40元/公斤，碳纤维约180元/公斤，预浸料约600元/公斤，民用复合材料约在1000元以下/公斤，汽车复合材料约3000元/公斤，航空复合材料约8000元/公斤，每一级的深加工都有大幅度的增值。
3. 装备：海外占据绝对优势
由于工艺流程十分繁复，碳纤维生产所需设备非常多，但最为关键的有两类，一是从原丝到碳纤维过程中，加热所需的氧化炉和碳化炉，二是后端复合材料成型所需的各种加工设备。
3.1 氧化碳化设备
为满足下游客户的需要以及利润最大化的原则，行业内的龙头企业一般会提供整体生产线的设备和解决方案。
预氧化工艺在碳纤维成型过程中耗时最久，是决定碳纤维生产效率和能耗成本的关键步骤，也被业内普遍认为是最有提升潜力的环节，而氧化炉则是预氧化工艺中最主要的设备。
合适的氧化炉需要满足以下要求：1.温度和气流稳定（有效加热区域内温差最好不超过±1℃）；2.单线产量高（由氧化炉体积以及碳纤维在炉体内停留时间有关）；3.能耗成本低。
美国 DESPATCH 公司在预氧化设备方面积累深厚，目前全球 8 大碳纤维生产商有 5 个在新线上采用 DESPATCH 生产的氧化炉，其生产的最新一代氧化炉，可同时用于生产小丝束（3-12K）和大丝束，单线产量可达 2700 吨。此外，德国的EISENMANN 凭借多元化、低能耗的产品成为主流的氧化炉供应商之一，截至目前已向全球供应了超过50台氧化炉及配套设备。
原丝经氧化后在真空气氛的碳化炉高温处理，脱除掉杂质原子，转换为碳纤维。对碳化炉的要求主要有以下三点：1.温度分布均匀；2.有效加热区域大（提高单线产量）；3.能通过冷凝、过滤、中和等方式高效处理碳化过程中产生的焦油、粉尘、尾气等。
3.2 复合成型设备
复合材料成型设备与所采用的工艺密切相关。一般而言，当产品量大且尺寸适中时，采用压制成型；量较少且尺寸较大时，采用手铺或拉挤成型。两者之间则可考虑RTM（树脂传递成型）。
——热压罐成型
热压罐成型技术主要用于高性能航空航天复合材料层压结构的成型，比如飞机舱门、隔板、机翼等等。其基本成型过程是手工将增强材料和树脂（含预浸料）按设计铺层方向和方式逐层铺放到模具上，采用真空袋密封后放入热压罐中，经加压、加热、固化、脱模、修整而获得制品。这种工艺采用的主要设备即为热压罐。
热压罐成型是目前应用最为广泛的工艺，由于纤维和树脂含量可控，制品表面孔隙率低，经高压固化后可以获取高质量的复合材料。热压罐的设计制造商众多，大多采用先进的加热控温系统和计算机控制系统以保障内部工作区域的温度分布均匀。尽管其成本高昂（能耗高、预浸料需低温储藏），但由于产品重复性好、质量稳定而一直沿用。美国 ASC 是北美最大的热压罐制造商，每年销量超过 40 台。下游客户包括波音(Boeing)、诺斯罗普(Northrop)、洛克希德马丁(Lockheed)、英国宇航系统公司(BAE)等在内的上百家企业，迄今已经累计交付了300多台Econoclave，尺寸从最小的实验室用的0.3mX0.6m，到最大的用于波音787机身及机尾段整体固化成型的世界上最大的 9.14mX23m。
——自动铺带（ATL）和自动丝束铺放（AFP）：自动化技术的巅峰
手工铺层效率低、成本高，属于劳力密集型作业，因此自动化程度较高的 ATL和ATP被先后研发出来。自动铺带由自动铺带机完成，铺带头会根据铺放工件边界轮廓自动完成预浸带的铺放和特定形状位置的切割。自动铺带机的价格在300-500万美元之间，成本较高，但相比手工，其制造成本可降低 30%-50%，且生产效率可达手工铺叠的数十倍。
与ATL相比，AFP最大不同在于铺束头可铺放宽度可变的预浸带，适用于几何形状更为复杂的部件。这个领域最为有名的设备制造商是MAG公司，主要有三台AFP系列设备，分别是VIPER 1200 CNC、VIPER 4000和6000。波音787机身即采用了VIPER 6000。
——RTM（树脂传递模塑）
RTM成型最大的优势在于生产效率，相比热压罐动辄数个甚至数十个小时的加压固化，RTM的工艺周期通常为30-60分钟，而高压RTM工艺周期仅约6分钟，使得大规模低成本的工业化生产成为可能。航空工业和高端汽车工业都开始采用RTM工艺制造结构件。
德国加工机械领域的专家迪芬巴赫公司（Dieffenbacher）和克劳斯玛菲公司（KraussMaffei）共同开发了高压树脂传递模塑成型工艺（HP-RTM）的自动化生产线。这条生产系统包括预成型加工、压制过程，以及修整工艺。相比于传统的 RTM工艺，HP-RTM 工艺减少了树脂注射次数，提高了预制件的浸渍质量，并缩短了成型周期。
4. 市场应用：航空航天、汽车、风电叶片轻量化驱动碳纤维需求增长
碳纤维复合材料因其轻质及优异的力学性能，已广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车、风电叶片、压力容器等领域。按照行业龙头东丽的划分标准，自上世纪70年代以来，全球碳纤维市场的发展一共历经了四个时期。目前碳纤维市场正处于应用端的全面扩张时期。
据赛奥碳纤维技术统计，2011年全球碳纤维需求量4.41万吨，2016年需求为7.65万吨，年复合增速11.6%，预计到2020年需求量将达到11.20万吨。2016年全球碳纤维应用领域集中于风电叶片、航空航天、体育休闲、汽车等领域。树脂基碳纤维复合材料市场规模已达到110.4亿美元。
中国碳纤维需求量由2011年0.93万吨增长至2016年1.96万吨，年复合增速16%，预计到2020年将达到3.08万吨。我国碳纤维下游应用目前仍集中于休闲体育等较为低端的应用领域，航空航天、汽车等高端工业应用占比较低。
4.1 航空航天：需求平稳增长
碳纤维在航空航天领域最早用于制造人造卫星的天线和卫星支架，主要利用其重量轻、刚性好的特征。随后碳纤维因其耐热耐疲劳的特性在固体火箭发动机壳体和喷管上也得到了广泛应用。
目前来看，民用客机是拉动碳纤维需求增长的主要力量。碳纤维复合材料自20世纪70年代首次被应用在飞机上的一些二级结构，如整流罩、控制仪表盘和机舱门；近三十年来，随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟，碳纤维复合材料的使用逐步进入到机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。例如，目前世界最大的客机空客A380机身重量的22%为碳纤维复合材料，并将其成功应用于机翼与机身主体结构连接处中央翼盒，仅此一项就比铝合金材料减重1.5吨，燃油经济性优于竞争机型约13%，大大降低了运营成本；波音公司的B787“梦想飞机”，复合材料应用率达到50%，是第一个同时采用高性能碳纤维复合材料机翼和机身的大型商用客机；我国国产大型客机中国商飞C919的机尾和侧翼也采用了碳纤维复合材料，占整机质量的12%。
2016年航空航天领域对碳纤维的需求量达到1.76万吨，其中商用飞机的需求占70%，是目前航空工业中对碳纤维需求最大的市场。根据波音的预测，2014-2033全球将新增36770架客机，其中42%来自于已有机型的更换机型，58%来自于亚洲、北美和欧洲等地区的新增需求。2013-2020年期间全球对民用客机需求量的年复合增长率为3.57%。
根据预测，2018年仅波音777和787、空客A380和A350这四种机型对碳纤维的需求将达到9185吨，相比2016年增加2744吨。因此，仅考虑民用飞机需求增长的部分，全球航空航天领域对碳纤维的需求将由2013年的1.76万吨增长至2018年的2.03万吨，年复合增长率为7.40%。
4.2 汽车：轻量化大背景下极具发展潜力
随着排放标准趋严及低碳生活被人们普遍接受，节能减排已成为汽车工业的重要研究课题。在能源革新有限的情况下，轻量化是解决问题的关键之一。研究显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%，而汽车整车质量减少100kg，油耗降低0.5 L /100 km，加速性能提升8%-10%，制动距离缩短2-7 m。碳纤维具有比模量和比强度高、减重潜力大、安全性好等突出优点，是汽车轻量化最佳选择。
在碳纤维汽车轻量化应用领域，德国宝马公司走在世界前列。通过与西格里（SGL）成立碳纤维合资公司，联合开发碳纤维增强复合材料，宝马公司成功将碳纤维大量运用在其量产车款上。2014年宝马i3全碳纤维车身电动车量产，成为第一个大批量使用碳纤维作为车身材料的整车厂商。宝马 i3 整车重量仅为 1195 公斤，相比传统电动车减轻 250-350 公斤，同时具备最高性能的碰撞安全保护，电池容量仅20kwh，续航里程达160公里，比传统电动车续航里程提高52%。此外，宝马i8将碳纤维应用到车身和内饰中，使车身总重控制在1540公斤。2015年7月1日，全新第六代BMW 7系汽车正式投产，这是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。在宝马汽车中有三十多种零部件使用了碳纤维复合材料，分别有：车身、底盘、车顶、车门、头盖、引擎盖、尾翼、压尾翼、中控台、装饰条、仪表盘、传动轴、特殊动力传动系统、座椅、座椅套垫、前扩散器、尾扰流板、后扩散器、后视镜外壳、悬挂臂、前唇、侧裙、侧格栅、车用箱包、导流罩、A柱、遮阳罩、散热器面罩、侧护板、低位踏板、副保险杠等外部和车身、内饰和外饰配件等系统。
除宝马外，各大知名汽车厂商也纷纷将碳纤维复合材料应用于其车型上。碳纤维复合材料在汽车领域的渗透率正在不断提升。
碳纤维复合材料在国产汽车领域的应用也在逐渐起步， 2014年奇瑞公司和中国科学院合作推出了插电式混合动力车艾瑞泽7，车身采用碳纤维复合材料，外壳重量减轻10%，油耗降低7%，车身总体减重达40%-60%。2017年北汽集团与康得复材签订了中国首个碳纤维部件量产订单，成为中国碳纤维用于汽车轻量化实现量产的开端。北汽集团即将上市的纯电动汽车ARCFOX-1，其车体的上半部分为康得复材为北汽新能源设计开发的整体成型碳纤维复合材料上车体。
据统计，2016年汽车领域对碳纤维需求量约9000吨，随着对轻量化要求的不断提高，预计到2020年汽车对碳纤维需求量有望达到1.1万吨。
4.3 风电：大型化是风机叶片发展的必然趋势
风力作为清洁能源的代表之一，先于光伏发电受到全球各国的青睐。自20世纪80年代商业化发展以来，经历了全球化的高速增长。大风机每千瓦电量的总生产成本，普遍会随着风机的增大而降低。而在备受瞩目的海上风电市场，也要使用功率更大的风机和更长的叶片，用来降低成本、提高效率，因此全球风机大型化的趋势日益明显。
出于经济性考虑，当前主流的叶片为玻璃钢材质，而碳纤维风机叶片与现在主流的玻璃纤维叶片相比，在满足刚度和强度要求的条件下，重量要轻上30%以上。根据测算，当风机叶片长度超过40米时，考虑到材料用量、劳动力、运输和安装等方面成本的下降采用碳纤维制作叶片相比玻纤更为经济。
国外主要叶片制造厂家，如VESTAS，GEMESA-SIEMENS，NORTEX，GE和LX，已采用碳纤维材料制造叶片，例如丹麦LM公司61.5m长的5MW风机叶片中，在横梁和翼缘等要求较高的部位使用碳纤维作为增强材料，单片叶片质量17.7 t；Vestas在为V90型3.0MW风机配套的44m系列叶片主梁上野使用了碳纤维，叶片自重只有6t，与V80型2MW、39m叶片自重一样。
根据GWEC的预测，全球风电新增装机容量将从2014年的47GW增加到2018年的64GW，假设碳纤维在风机叶片中的渗透率每年提升1个百分点（14年为12%），对应碳纤维的需求到2018年将达到2.05万吨，14-18年复合增长率为16%。
4.4 体育休闲：增长较为平稳
碳纤维复合材料在高尔夫球杆、球拍、雪橇、滑雪板、曲棍球棒、钓鱼竿和自行车等体育休闲产品中广泛应用。据估计，全球每年的高尔夫球棒的产量约为3400万付，消耗碳纤维2000吨左右，主要产自美国、中国、日本和中国台湾省；全球碳纤维钓鱼竿的产量约为每年2000万付，消耗碳纤维2000吨左右；网球拍框架的市场容量约为每年600万付，需要碳纤维700吨左右。碳纤维在其他体育项目的应用还包括冰球棍、划船、赛艇、冲浪器械等。总体而言，体育休闲业对碳纤维有着稳定的需求，我们预测未来将维持3%的年均增长率。
4.5 一般工业领域
碳纤维在一般工业领域的应用十分广泛，包括建筑物补强；沿海油气田、深海油田的钻井平台以及压力容器等等。由于碳纤维在一般工业领域下游比较分散，我们粗略假设碳纤维在一般工业领域的复合增长率为5%，则到2018年一般工业领域对碳纤维需求将达到18500吨（2014年为14500吨）。
4.6碳纤维价格趋势性下降将加快其在成本敏感性行业的应用
碳纤维成本的下降对于扩大其下游应用而言十分重要，以碳纤维在汽车上的应用为例。
影响碳纤维在汽车上大规模应用的主要障碍还是成本过高。对碳纤维在汽车上应用的经济性进行简单测算（仅考虑原材料端的成本，不考虑加工、设备等费用）：假设每辆汽车采用100Kg的碳纤维来代替铝合金（150Kg），每辆汽车每年行驶里程2万公里，按7元/kg（97#汽油）价格计算，如果碳纤维的价格能下降至9美元/kg（行业龙头Toray的T700级别碳纤维价格约22美元/Kg），其经济性将与铝合金不相上下。
目前行业内公司和研究机构都在试图降低碳纤维的成本，方法主要依靠3条路径：规模效应、原丝材料、整合产业链。
规模效应：碳纤维生产线需要长周期连续稳定生产运行，生产过程中能耗和设备折旧等固定成本高，因此单条产线产能越高，摊销成本越低。同等效率下，单线年产1000t的生产线与年产100t的生产线产品单位成本相比，每吨降低约3成。但这种规模效应也存在边际递减效应。产能规模超过1000t以后，生产成本仍能下降，但作用已然不大。
原丝材料：80%以上碳纤维原材料采用腈纶纤维制造，但由于腈纶纤维价格较高导致碳纤维成本居高不下。相比PAN基，用沥青基制作的碳纤维成本可以下降30-40%，目前市场上主要是日本的MRC采用沥青基碳纤维。
整合产业链：观察海外的碳纤维龙头企业我们发现，垂直整合产业链是十分普遍的做法。我们认为，产业链一体化的优势不仅在于保障原材料供应、提高产品一致性；更重要的意义是提高运转效率，降低整个过程的生产成本。
5. 国内外发展形势：国外企业垄断市场，国产化发展曙光初现
5.1 全球市场高度集中，小丝束集中于日本，大丝束集中欧美
全球碳纤维产能集中于日本和欧美等地区，呈现高度集中的特征。2016年全球碳纤维理论产能13.9万吨，小丝束产能主要集中于亚洲，尤其是日本企业，而大丝束产能主要集中于欧美国家。Toray（东丽）、Zoltek（卓尔泰克）、SGL（西格里）、MRC（三菱）、Toho（东邦）五家企业合计产能8.1万吨，占全球总产能的58%。其中日本东丽在收购美国卓尔泰克后总产能达到4.3万吨，占全球31%，并且同时拥有全球最大的小丝束和大丝束碳纤维产能，是名副其实的全球龙头企业。
全球碳纤维企业大致可分为三个梯队：首先是兼具规模和技术优势的企业，Toray、Toho等为典型代表；其次是在特定领域具备较强竞争力的企业，比如SGL在汽车领域，Cytec在航空航天领域；再其次则是具备成本优势的企业，比如Formosa、Aksa、韩国晓星等。
对比2016年碳纤维7.6万吨需求量，全球将近一般的产能闲置，主要是由于碳纤维的下游对质量要求非常高，具备技术和规模优势的企业更容易占领市场，因此市场基本被前五大企业占据。随着航空航天、汽车、风电等应用的发展给碳纤维提供了新的需求动力，碳纤维龙头企业仍在积极地扩建产能。2016年东丽的6000吨扩产产能已经建成，并宣布将ZOLTEK的产能扩大到20000吨；SGL在美国的第三期的3000吨完成，CYTEC的3000吨扩产完成；韩国晓星增加一条500吨的生产线，并宣布到2020年建成14500吨碳纤维的宏伟扩产计划。而其他企业由于技术和规模原因，只能在低端市场竞争，大多处于亏损状态，经营难以长期维持，因此碳纤维市场集中度正在进一步提升。
5.2 国内进口替代空间巨大，国产化趋势正在形成
我国碳纤维研发始于上世纪60年代，几乎和日美同时起步，但由于种种原因，相关研发项目被叫停。而日美等国对核心技术的垄断与封锁，使我国碳纤维生产技术和装备水平整体落后于国外，无法满足国家重大装备等高端领域的需求。2016年我国碳纤维理论产能约2.4万吨，然而真正有效产出仅3600吨左右，产能利用率仅15%左右，进口依赖度超过80%。这主要是由于一方面碳纤维生产工艺流程长，单条生产线控制点超过1000个，各类参数间关联度极大，生产线启动往往需要10天以上产品质量才能稳定下来，这些因素对企业产品稳定性构成极大挑战，国内碳纤维公司目前遇到的普遍问题也在于产品一致性差，稳定性还有待提高；另一方面国内碳纤维大部分是小丝束，单条线产能仅有百吨级，规模效应无法发挥，导致国产碳纤维成本甚至高于国外的市场售价，行业普遍处于亏损状态。
政策持续引导国内碳纤维发展。由于碳纤维是军民两用新材料，属于技术密集型和政治敏感的关键材料。T700级以上碳纤维由于在国防军工领域具有重要应用，国外对国内采取严格的军事禁运管理。因此高性能碳纤维的国产自主化生产是唯一途径。近年来国家持续发布相关政策推动碳纤维健康有序发展，并且开始为碳纤维产业配套专项扶持基金，2014年4月，由中简科技发展有限公司领衔的T700/T800碳纤维及其复合材料研发、产业化及在航空领域的示范应用项目，被国家发改委、财政部和工信部列为2013年国家新材料研发及产业化专项项目，并将获得8000万元资金扶持。2016年8月江苏恒神股份有限公司与国家工业和信息化部签订协议，获得国家专项配套扶持资金4181万元，建设碳纤维复合材料试验公共服务平台国家工程。
技术逐渐突破，应用领域逐步走向高端。此前国内碳纤维产业化主要为T300级别，主要应用于低端体育休闲等领域；近年来随着技术的不断突破，以中复神鹰、恒神股份、中安信为代表的企业已形成千吨级T700生产线，产品进入应用考核阶段，低成本干喷湿纺T700级碳纤维已经实现规模化生产，T700级以上碳纤维技术也已成功攻克，为碳纤维高端工业化应用提供了基础。大丝束方面，由吉林化纤集团、浙江精功集团和绍兴众富控股共同出资组建合资公司投资18亿元，在吉林规划1.2万吨/年大丝束碳纤维生产项目，此次项目一期规划2000吨/年大丝束碳纤维产能，计划将于2017年10月1日建成投产，届时有望填补国内大丝束碳纤维空白。在复合材料应用领域，开始逐渐走上高端工业领域。北汽集团即将上市的纯电动汽车ARCFOX-1，其车体的上半部分为康得复材为北汽新能源设计开发的整体成型碳纤维复合材料上车体，开创了国内新能源汽车碳纤维复合材料轻量化部件应用的先河。精功集团属下的复合材料公司为中国航天科工集团的快舟十一固体运载火箭提供的发动机整体壳体，在地面试车成功。
随着我国高端碳纤维技术的不断突破以及生产向规模化和稳定化发展，企业布局逐渐向高附加值的下游应用领域延伸，我国碳纤维行业将逐步实现进口替代，企业盈利能力有望逐步恢复，市场走向良性健康的发展道路。
来源：SWS产业投资研究
