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1、碳纤维行业概况

1.1碳纤维简介

碳纤维具有高比强度及高比刚度等特性。碳纤维（CarbonFiber，简称CF）是由有机纤维（粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等）在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构的无机纤维，是一种含碳量高于90的无机纤维。碳纤维具有目前其他任何材料无可比拟的高比强度（强度比密度）和高比刚度（模量比密度），还具有低比重、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等特性，被誉为“新材料之王”，广泛应用于国防工业以及高性能民用领域，主要包括航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、交通设施等，是一种国家亟需、应用前景广阔的战略性新材料.

碳纤维可按多维度进行分类。（1）按照原丝种类，碳纤维的原丝主要有聚丙烯腈（PAN）原丝、沥青纤维和粘胶丝，由这三大类原丝生产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位，目前产量占碳纤维总量的90以上。（2）按照形态可分为长丝、短纤维和短切纤维。（3）按制造条件和方法的不同，可分为碳纤维、石墨纤维、氧化纤维、活性炭纤维、气相生长碳纤维。（4）按力学性能，可分为高强型、高强中模型、高模型和高强高模型四类。（5）按用途可分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝束和大丝束。

1.2聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的制备与应用

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。我们以目前主流碳纤维-聚丙烯腈（PAN）基碳纤维为例，其制备方法如下：从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯，丙烯经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝，原丝经过整理后，送入氧化炉制得预氧化纤维（俗称预氧丝），预氧丝进入碳化炉制得碳纤维，碳纤维经表面处理、上浆即可得到碳纤维产品。在制备碳纤维的同时还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。

1.3沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维与聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的比较

三种碳纤维在生产工艺上较为类似。在生产工艺上，沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维与聚丙烯腈（PAN）基碳纤维较为类似，都经历了由原丝——预氧化——碳化的过程，主要区别在于前处理工序上：聚丙烯腈（PAN）原丝通过丙烯腈的聚合反应再经过纺丝可以得到，沥青纤维可以通过原料沥青的缩聚反应和纺丝工艺制备，粘胶基碳纤维较其他两种碳纤维多了水洗和催化浸渍的步骤。

三种碳纤维在性能上各有所长。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温等一系列优异的性能，三种原丝制造的碳纤维具有一定的通性，但在具体的性能上各有所长。相对而言，聚丙烯腈基碳纤维具有更强的综合性，也是目前的主流碳纤维，其中最突出的优势是力学强度与弹性模量；聚丙烯腈基碳纤维的主要不足在于生产过程中影响因素较多，小丝束性能优越但生产价格过高，这在一定程度上制约了聚丙烯腈基碳纤维的发展。粘胶基碳纤维具有更显著的轻量效果、导热系数小、碱土金属含量低、生物相容性好等特点；主要不足是由于实际生产中操作条件难以控制，会生成左旋葡萄糖等副产物造成实际碳收率较低,碳纤维强度不理想，此外还存在整体性能相对较差、工艺条件苛刻、生产成本较高等问题。沥青基碳纤维具有低热膨胀、耐磨耐疲劳、广泛的弹性模量、导热性好等特点，但目前国内在沥青基碳纤维方面的研发水平较国外还有很大差距，高性能沥青基碳纤维还处于研发阶段，产品的稳定性和设备的合理性还需要经过长期的技术积累。

2、碳纤维世界格局

2.1全球碳纤维的发展历程

碳纤维的发展兼具阶段性与连续性。碳纤维在世界的发展已有百年，最早萌芽于19世纪80年代白炽灯的发明，经过约半个世纪的停滞，随着20世纪中期基础研究的发展与化学纤维的出现，高性能碳纤维在美国得以问世。尤其是70年代以后，碳纤维凭借其优异的特性在下游产业中迅速商业化，更多的企业尝试将碳纤维应用于自身产品中，自此碳纤维迈入高速发展期。20世纪70年代，碳纤维在体育休闲领域大放异彩；80年代，碳纤维越来越多地应用于航空航天与汽车领域；到21世纪，以VESTAS为首的风电生产企业尝试将碳纤维应用于风电叶片中。年，全球碳纤维理论产能已达到.8千吨，并在风电叶片、航空航天、体育休闲等多个领域得到广泛应用。

2.2全球碳纤维的主要应用

全球碳纤维主要应用于风电叶片、航空航天、体育休闲与汽车等领域。碳纤维年全球需求量达到92.6千吨，总价值达到25.71亿美元。在细分市场的应用上，风电叶片、航空航天、体育休闲及汽车领域的需求达到68.1千吨，占据碳纤维全球需求总量的73.5；而从价值上看，航空航天、体育休闲、风电叶片和汽车领域合计达到20.91亿美元，占比进一步提升，达到81。

航空航天领域碳纤维单价与总价最高，远超其他应用领域。就数量上而言，年航空航天的碳纤维需求量21千吨，占当年总需求量的23，稍落后于风电叶片22千吨；但在价值上，航空航天需求高达12.6亿美元，占当年碳纤维市场总价值的49，约为其他应用领域之和，造成差异的主要原因是航空航天用的碳纤维单价大幅高于其他民用碳纤维：航空航天领域碳纤维的单价为6万美元/吨，远高于碳纤维整体单价2.78万美元/吨。

2.3全球碳纤维需求逐年增长

碳纤维的需求量保持10的增速稳定增长，近年有加速趋势。年全球碳纤维需求量36.4千吨，年达到92.6千吨，十年间的平均增长率为9.8，且近年来增长率有所提升，-年间的增长率分别为28、15、7、10，平均而言高于此前的增长率。若按每年10的增长率计算，预计与年全球碳纤维的需求量将分别达到.9与.1千吨。

2.4全球碳纤维供给呈现日美垄断格局

国际碳纤维供给市场主要由日、美等企业垄断。年全球碳纤维的理论产能达到.8千吨，相较于年的.1千吨，同比增长5.23，碳纤维供给主要为日、美等企业所垄断。年碳纤维理论产能有5家都达到10千吨以上，分别是东丽集团（日本）、西格里（德国）、卓尔泰克（美国，被东丽收购）、三菱（日本）和东邦（日本），5家企业理论产能合计85.2千吨，占当年全球总产能的57.92。

细分大丝束与小丝束来看，根据中国化学纤维工业协会，年全球碳纤维产能约为.15千吨，其中小丝束产能达到91.85千吨，大丝束为36.3千吨。小丝束中产能最高的三家企业是日本东丽、日本东邦和日本三菱，分别占当年全球小丝束产能的28.4、15.1和11；大丝束中产能最高的日本卓尔泰克和德国西格里，分别占当年全球大丝束产能的48.5和33.1。

日本东丽集团是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。年全球碳纤维理论产能最大的五家企业合计占比57.92，此处选择生产规模最大的日本东丽集团进行简要介绍。日本东丽成立于年，年开始从事PAN基碳纤维的研发生产。受益于70年代碳纤维在体育休闲领域的应用，东丽集团进入碳纤维下游制品市场，在积累技术的同时也逐渐扩大自身的市场份额。90年代东丽卡碳纤维预浸材料被认定为波音公司客机的一次结构材料，自此成为波音公司碳纤维的主要供应商之一。年东丽集团收购大丝束生产商卓尔泰克公司的全部股权，进一步扩张碳纤维领域的市场份额。目前东丽集团是世界最大的碳纤维制造商，也是目前唯一一家碳纤维理论产能超过20千吨的公司，长期以来是波音公司和空中客车公司稳定供货商。经过多年的持续研发与应用实践，日本东丽集团已成为碳纤维生产行业中的标杆企业，国内碳纤维制造厂商的碳纤维产品也多以日本东丽集团的相应产品作为参考和比较基准。

由于碳纤维市场潜力巨大，主要碳纤维生产厂商近年来纷纷宣布扩产。日本东丽集团在年完成对墨西哥产能的扩建，将墨西哥工厂的产能由5千吨/年扩增至10千吨/年。德国西格里公司的英国生产基地由于原丝成本等原因，多年来维持现状。卓尔泰克年宣布在匈牙利新增产能5千吨/年，到年卓尔泰克总产能将达到25千吨/年。三菱于年投资1.22亿美元生产2千吨/年的大丝束产品。东邦公司年底在美国投资3.2亿美元新建碳纤维生产线，预计年会有较高产能增长。美国赫氏年在法国花费2.5亿美元的碳纤维工厂开始运营，估计产能3千吨，同时该公司在美国三地扩产，年预计总产能15千吨。上述主要的碳纤维生产企业如按计划进行生产，在年的理论总产能将增加约30千吨，平均增长率为9.26，略低于碳纤维需求端10的增长率，供求结构较为均衡。

3、国内碳纤维产业的发展与现状

3.1国内碳纤维的发展历程

国内碳纤维近年来取得较快发展。我国聚丙烯腈（PAN）基碳纤维的研究起步于20世纪60年代，最早从事碳纤维研发的机构主要为中科院山西煤化所、长春应用化学研究所、化学研究所（北京），但由于工艺基础薄弱、装备技术落后、西方国家技术封锁等原因，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维国产化技术长期徘徊在较低水平。年建成第一条二甲基亚砜原丝工程化线后，国产化聚丙烯腈（PAN）基碳纤维实现转型升级，国家科技部设立了“”计划，重点支持国产聚丙烯腈基碳纤维的工程化研究，国家发改委、工信部等也加大支持工程化、产业化及其应用，国产碳纤维进入有序发展阶段.

目前国内碳纤维产业主要聚集于江苏、山东、吉林等地，具有较高的市场集中度。21世纪以来，在国家大力扶持下，国内碳纤维产业取得了重大突破，初步形成了以江苏、山东和吉林等地为主的碳纤维产业聚集地。据不完全统计，截止年，全国约有20余家聚丙烯腈基碳纤维生产企业和6家碳纤维研究单位，其中产能千吨以上的企业有8家，这8家占据了国内大部分碳纤维市场。年全国碳纤维理论产能为26.8千吨，8家千吨级碳纤维企业的理论产能已经达到23.3千吨，占比86.94，具有较高的市场集中度。

近年来国家出台系列政策支持碳纤维产业的发展。自21世纪以来，碳纤维得到政府的高度重视，国家出台一系列政策支持碳纤维产业的发展，自此碳纤维步入快速发展期。国家在《国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知》中明确提出“重点研制碳纤维及其复合材料、高温合金、先进半导体材料、新型显示及其材料、高端装备用特种合金、稀土新材料、军用新材料等，突破制备、评价、应用等核心关键技术”；

《中国制造》中碳纤维被列为关键战略材料之一，并要求到年，国产碳纤维复合材料要满足大飞机技术要求，国产碳纤维用量要达到吨以上；到年高性能碳纤维基本实现自主保障。在国家的大力推动下，碳纤维行业将吸引越来越多的资金和人才加入其中，随着下游产业应用范围的扩大，碳纤维行业未来有望获得广阔发展。

3.2国内碳纤维的主要应用

国内碳纤维目前主要应用于体育休闲和风电叶片领域。全球碳纤维主要应用于风电叶片、航空航天、体育休闲和汽车领域，其中数量占比最大的是风电叶片，年达到22千吨，占当年全球碳纤维需求量的23；以金额统计，占比最大的是航空航天，年达到12.6亿美元，占当年全球碳纤维应用领域的49。目前国内对于碳纤维的需求主要集中于体育休闲和风电叶片，年国内碳纤维的总需求量为31千吨，体育休闲和风电叶片领域对碳纤维的需求量为19.5千吨，占比达到国内总需求量的66.2，航空航天的占比仅3.2，假设应用于航空航天领域碳纤维的单价是其他领域的3倍，按金额计算则航空航天领域的碳纤维占比仅9，远低于国际水平。参照国外发展情况，未来国产碳纤维将更多应用于航空航天领域，这将极大地促进国内碳纤维的发展.

军用飞机更新换代将拉动高端碳纤维复合材料的需求。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，从年起，美国F14A战机碳纤维复合材料用量仅有1，到美国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，用量与日俱增。我军战斗机以二代和三代机为主，老式战机占比较高。根据飞行国际的数据，我国约60的军用飞机面临退役，换成以三代、四代战斗机为标志的新一代空战力量，这将在很大程度上推动军用飞机的需求，为我国军用飞机制造业提供了难得的发展机遇，将拉动对高端碳纤维复合材料的需求。根据飞行国际统计，年中国现役战斗飞机为架，若按60的比例进行更新换代约需更换架，以歼20作为新机参考标准，复合材料约为20，空机的重量为17吨，则全面更新换代后需要复合材料.5吨。假设全部使用碳纤维复合材料，以每吨6万美元的均价计算，将带来3.9亿美元的市场。

以C飞机为代表的大型客机商业化将推动碳纤维在民航领域的发展。随着国民经济持续高速增长，航空运输需求旺盛，中央和地方政府不断加大对民用机场建设的投入，民用机场建设掀起新一轮发展高潮，极大促进了国内民用航空产业的高速发展，客机需求数量激增。同时，国内民用飞机对于碳纤维复合材料的使用占比较低。目前最新的B和A，碳纤维复合材料的用量达到了50以上，而中国的C飞机复合材料约为12。根据中国商飞