2022年12月5日

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碳纤维行业专题研究:风电主导各领域多点开花

碳纤维(Carbon Fiber)是由有机纤维在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构,含碳量高于 90%的无机高性能纤维,具体含碳量随种类不同而不同。碳纤 维是一种力学性能优异的新材料,一方面其具有碳材料的固有本性特征,如耐高 温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等,另一方面其又兼备纺织纤维的柔软可加工 性,属于新一代增强纤维。

回顾碳纤维技术百余年的发展历史,碳纤维材料的研发初期进展缓慢,成果 寥寥,但中期取得重大技术突破后便迎来了快速发展期。碳纤维最早萌芽于 1880 年爱迪生等人发明的碳丝,直至 20 世纪中期高性能碳纤维才正式在美国问世。 20 世纪 70 年代以后,碳纤维凭借其优异的性能在下游产业中迅速商业化,更多 企业尝试将碳纤维应用于体育休闲、航空航天产业,获得了良好的市场反响。进 入 21 世纪,碳纤维更是广泛应用于新能源装备、工业机器、建筑和汽车等多个 领域,成为当今世界不可或缺的战略性新材料。

在力学性能方面,碳纤维较金属、塑料和玻璃纤维有更高的拉伸模量和拉伸 强度,其拉伸模量一般是玻璃纤维的 3 倍、钛合金的 2 倍,拉伸强度至少是铝 合金的 9 倍、钢材的 6 倍。同时,碳纤维的密度仅约为钢的 25%,钛合金的 40%。 因此碳纤维属于性能优越的轻量化材料,将其应用在风电、航空航天等领域中不仅可以提升产品的强度,还可以实现显著的减重。

在极端环境的适应力方面,碳纤维同样有出色的性能表现。碳纤维耐超高温,非氧化气氛条件下可在 2000℃时使用,在 3000℃的高温下不会发生熔融软化。 碳纤维也耐低温,在-180℃低温下钢铁会变得比玻璃脆,而碳纤维依旧具有弹性。 此外,碳纤维耐浓盐酸、磷酸等介质侵蚀,耐腐蚀性超过黄金和铂金,同时也拥 有较好的耐油性能。碳纤维还具有热膨胀系数小、导热系数大的特征,可以耐急 冷急热,即使从 3000℃的高温突然降到室温也不会炸裂。

优异的力学性能加之出色的环境适应力,使碳纤维成为众多生产、生活领域 不可替代的新材料。比如,以碳纤维增强材料的树脂基复合材料(CFRP)既能 应用于宇宙飞行器等尖端领域,也在风电叶片、体育休闲和建筑结构补强等方面 发挥了重要作用。碳/碳复合材料(碳纤维及其制品制成的增强复合材料,C/C) 以其低密度、耐烧蚀、高导热的优异性能在导弹、火箭、航天飞机等产品中得到 了有效运用。伴随着社会经济的发展,碳纤维的应用场景有望持续拓宽,市场潜 力有望进一步提升。

依据原丝类型的不同,碳纤维可以分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基 碳纤维和粘胶基碳纤维。聚丙烯腈基碳纤维成品性能优异,工艺简单,是碳纤维 市场的主力产品,在世界碳纤维总产量中的占比约为 90%;沥青基碳纤维虽然 原料来源丰富,但产品性能较差,目前应用规模较小;粘胶基碳纤维技术难度大, 制备成本高,但具有耐高温的性能,主要用于耐烧蚀材料等领域。

依据拉伸强度和拉伸模量两大力学性能指标,碳纤维可以分为通用型碳纤维 (强度在 1000MPa、模量在 100GPa 左右)和高性能型碳纤维。而高性能型碳 纤维又分为高强型(拉伸强度大于2000MPa)和高模型(拉伸模量大于 300GPa), 其中拉伸强度大于 4000MPa 的称作超高强型,拉伸模量大于 450GPa的为超高 模型。碳纤维在应用时多是作为增强材料而利用其优良的力学性能,因而在实践 中拉伸强度及模量是国际碳纤维分类的主要标准,多采用日本东丽(TORAY) 的分类法。

按照每束碳纤维中的单丝根数,碳纤维可以分为小丝束和大丝束两大类别。 一般按照碳纤维中单丝根数与 1000 的比值命名,例如,12K 指单束碳纤维中含 有 12000 根单丝的碳纤维。

通常将 24K 及以下型号的碳纤维归为小丝束。小丝束碳纤维早期以 1K、3K、 6K 等型号为主,而后逐渐发展出 12K 和 24K 的品种。小丝束碳纤维性能优异但 价格较高,一般用于航天军工等高科技领域,同时产品附加值较高的体育用品中 也有所使用。小丝束碳纤维常见的下游产品包括有飞机、导弹、火箭、卫星和钓 鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等。一般 48K 及以上型号的碳纤维属于大丝束,包 括 48K、50K、60K 等型号。早期大丝束碳纤维产品性能与小丝束差距较大,没 有得到广泛运用,但临近 21 世纪大丝束碳纤维技术取得重大突破,拉伸强度可 达到 3600 MPa,随后大丝束产业迎来了高速发展期,生产成本和售价也不断降 低。2020 年国际市场大丝束碳纤维的售价约为 13.5-14.5 美元/千克,而小丝束 碳纤维的售价则约为 20-22 美元/千克。大丝束产品往往运用于基础工业领域, 包括土木建筑、交通运输和新能源装备等。

如果以“性能价格比(每美元的拉伸强度和拉伸模量)”这一指标来衡量, 大丝束产品通常更具优势。以 ZOLTEK 的大丝束碳纤维产品 PANEX33−48K 为 例,它每美元的拉伸强度和拉伸模量分别达到 205MPa 和 13GPa;而小丝束碳 纤维 T300-12K 每美元的拉伸强度和拉伸模量仅为 107MPa 和 7GPa。近年来大 丝束产品的性能不断提升,性能价格比的优势愈发凸显,应用领域持续拓宽。

束产品的性能不断提升,性能价格比的优势愈发凸显,应用领域持续拓宽。 在国际碳纤维产业发展初期,由于小丝束碳纤维的性能普遍优于大丝束碳纤 维,率先开拓了碳纤维的下游应用场景,因此制备小丝束的生产技术更早成熟, 我国碳纤维产业也遵循类似的发展路径。目前我国企业已掌握多种小丝束碳纤维 的生产工艺,但在大丝束产品方面起步较晚,产业实力与美国、日本的国际碳纤 维巨头仍有一定差距。在攻克大丝束技术难关时,国内企业往往面临缺乏标准、 CV 值(条干不匀变异系数)不稳定、毛丝占比高和碳化环节毛丝凸显四大挑战。 直到 2017 年后,吉林碳谷等少数企业才实现了大丝束碳纤维的技术突破。

完整的聚丙烯腈基碳纤维产业链包括从原油开采加工到终端工业品应用的 七大环节。详细工艺流程。原油经过精炼、裂解等一系列工艺得到丙 烯,再通过氨氧化获得丙烯腈,丙烯腈(ACN)经过聚合、纺丝之后得到聚丙烯 腈(PAN)原丝。原丝经过预氧化、低温和高温碳化、表面处理、上浆等环节得 到碳纤维,同时可制造碳纤维织物和碳纤维预浸料。最终,将碳纤维与树脂、金 属和陶瓷等基体材料结合可生产碳纤维复合材料,再通过相应成型工艺制成不同 终端客户需要的工业产品。

对于碳纤维生产企业而言,丙烯腈是其首要的原材料,它由丙烯和氨经氨氧 化反应和精炼工艺制成。目前国内丙烯腈主要用于生产 ABS 树脂/塑料、AS 树 脂、丙烯酰胺、聚丙烯腈纤维(腈纶)等,同时还是丁腈橡胶、聚醚多元醇等许 多石化产品必不可少的原料或中间体。丙烯腈的下游产品广泛应用于家电、服装、 汽车、医药等国民经济中的各个领域。

2016 年之前,中国丙烯腈进口依存度长期保持在 28%以上,随着斯尔邦丙 烯腈装置于 2016 年投产,我国丙烯腈的进口依存度有所下降。之后我国丙烯腈 产业国产替代步伐不断加快,产能供应持续发力,2021 年 1-11 月丙烯腈总进口 量仅为 18.7 万吨,已经低于丙烯腈出口数量。

截至 2021 年 10 月,国内丙烯腈前四大厂商均具备 45 万吨以上的年产能, 其中斯尔邦、上海赛科石化和浙江石化均拥有 52 万吨的年产能,居国内前列。 斯尔邦、利华益集团和天辰齐翔等均有丙烯腈在建产能。其中,斯尔邦二期丙烷 产业链项目共包含两套 26 万吨/年丙烯腈装置,其中一套预计 2022 年投产,届 时总产能将达到 78 万吨;两套装置全部投产后,公司丙烯腈总年产能将达到 104 万吨,进一步巩固其行业龙头地位。

原丝质量直接决定碳纤维性能。原丝通常占碳纤维总生产成本的 51%,因 此在原丝生产环节采用先进工艺,以提高原丝质量并压缩生产成本,对提升碳纤 维企业市场竞争力至关重要。碳纤维纺丝工艺分为湿喷湿纺和干喷湿纺两种。

具体方法是将喷丝板浸入凝固浴中,纺丝液从喷丝头挤出后,以细流的形态 进入到凝固浴中,原液喷出后立即凝固。湿法纺丝的优点是操作流程简单易行, 对生产环境和操作水平的要求较低,而且喷丝过程中的偶发性断丝不影响整体流 程的进行。但该方法的明显缺点在于所得碳纤维性能不高。这种工艺得到的碳纤 维表面有明显的沟槽形貌,属于径向收缩表皮塌陷的结果,也反映了碳纤维原丝不均一不致密的内部结构。而这种不均一光滑的粗糙沟渠结构会降低最终所得碳 纤维的力学性能。造成这一现象的原因主要是从喷丝孔中直接喷射到凝固浴中, 纤维的胀大效应与体积收缩效应同时进行,形成了不规则的沟渠状表面。

由于湿法纺丝对碳纤维原丝的结构产生了负面影响,它一般用于生产 T300、 T400 等性能较低的碳纤维生产。部分公司通过湿法纺丝生产高性能碳纤维,大 多是在其他环节通过严控生产条件、研发新方法,才最终提高了碳纤维性能。但 这些附加条件提高了企业生产成本,且因湿法纺丝工艺本身的束缚,碳纤维产品 力学性能的提高空间较小。

干喷湿纺的具体方法是即将喷丝板与凝固浴脱离一段距离,使原液喷出后先 经过一段空气层,使其在未凝固的条件下被牵伸均匀,再进入凝固浴进行双扩散。

与湿喷湿纺相比,干喷湿纺主要有提效、增质两大优势。一方面,它可以进 行高倍的喷丝头拉伸,纺丝速度是湿喷湿纺的 3~4 倍,可明显提高生产效率, 从而大幅降低碳纤维单位生产成本。另一方面,干喷湿纺技术中纺丝可在空气层 中形成一层致密的薄层,避免大孔洞的形成,因而质量优于湿喷湿纺。用干喷湿 纺技术得到的纤维,结构比较均匀,皮芯层差异小,强度和弹性均有提高,截面 结构近似圆形,纤维表面光滑,纤维内部缺陷少。因此通过干喷湿纺纺出的原丝 致密性好,体密度较高,可制得高性能碳纤维。

但干喷湿纺对纺丝工艺和原液质量提出了很高的要求。在生产过程中,任何 一根原液由于不稳定因素断流,都会立即附着在喷丝板并向四周漫流,进一步粘 连到邻近丝束,最终破坏整个喷丝板的正常生产。

碳纤维生产流程较长,同时各个制备环节的时间、精度和温度会对成品质量 产生较大影响,因而在完整的工艺流程中存在很多控制点,对企业的生产设备、 技术要求很高。生产企业需要在生产中不断探索每个控制点的精确参数,最终将 各个控制点都调试到最佳状态,才能制造出高性能的碳纤维产品。碳纤维生产技 术整体上存在三大壁垒,分别为配方、工艺及工程壁垒,突破难度依次提升,从 壁垒突破周期来看三大壁垒分别为 1-2 年、3-5 年、5 年以上。

以碳纤维原丝的预氧化、碳化环节为例,生产过程中的温度需要得到精确的 控制,以保障碳纤维产品的拉伸强度。预氧化环节的温度在 200~300℃之间, 通过在氧化性气氛中施加一定压力,对 PAN 原丝进行缓慢温和的氧化,在 PAN 直链的基础上形成大量环状结构,从而达到可以耐受更高温度的目的。碳化过程 则需在惰性气氛中进行。碳化初期 PAN 直链断裂,开始进行交联反应;随着温 度逐渐上升,热分解反应开始,释放出大量小分子气体,石墨结构开始形成;温 度进一步上升后,碳元素含量迅速提高,碳纤维开始成型。

如前所述,碳纤维生产工艺流程复杂,技术壁垒突破周期长,并伴随着长期、 高额的资本投入。例如上海石化“1.2 万吨/年 48K 大丝束碳纤维(配套 2.4 万 吨/年原丝)”项目,总投资额 35 亿元,碳纤维成品每万吨产能的投资额达 29.2 亿元。新进入企业除了要通过漫长的积淀突破高筑的技术壁垒,还要承担巨大的 投资支出,这对企业的资本实力、筹资能力都带来了相当的挑战。不少拟建、在 建碳纤维企业因此放弃了涉足碳纤维产业的计划。

“高投入高回报”,由巨大资本投入支撑的碳纤维产业链具有高额的产品附 加值,产品价值沿着产业链自上而下逐级跃升。根据恒神股份招股说明书披露, 同一品种的原丝售价约为 40 元/公斤,碳纤维约为 180 元/公斤,预浸料约为 600 元/公斤,民用复合材料约在 1000 元以下/公斤,而汽车复合材料约 3000 元/公 斤,至于航空复合材料更是达到 8000 元/公斤。碳纤维产业链的上游初产品经 过每一级的深加工,其价值都会呈现几倍的提升。

因此,率先进入碳纤维产业实现技术突破的领先公司,不仅在技术壁垒中稳 固立足,还可以基于先发优势逐渐向产业链下游延伸获取高额的回报,显著放大 盈利空间,围绕“技术水平、投资门槛和盈利空间”构筑长期市场竞争力,打造 深厚的企业护城河。(报告来源:未来智库)

随着我国碳纤维生产技术的不断突破,碳纤维国产替代驶入快车道。根据赛 奥碳纤维统计数据,2020 年中国碳纤维总需求量为 4.89 万吨,占全球总需求量 的 45.7%。2020 年我国碳纤维需求量同比增长 29%,需求增速远高于全球碳纤 维需求 3%的增速。我国碳纤维的对外依存度较高,2020 年我国碳纤维进口量 为 3.04 万吨,约占总需求的 62.2%,同比增长 17.5%,国产量为 1.85 万吨, 同比增长 53.8%。随着下游各应用领域的不断发展壮大,我国碳纤维需求有望 进一步增长。根据赛奥碳纤维预测,到 2025 年,我国碳纤维需求总量将达到 14.95 万吨,五年 CAGR 高达 25.1%。

碳纤维复合材料凭借其优异性能,在航空航天、武器装备、风电叶片、轨道 交通等领域具有无可替代的地位。当前,我国碳纤维的下游应用(销量口径)主 要集中在风电叶片和体育休闲领域,其中风电叶片领域发展势头强劲,2020 年 风电叶片领域的碳纤维需求量首次超过体育休闲领域的需求量。由于新冠疫情冲 击,2020 年航空航天领域的碳纤维需求增速有较大幅度下降。然而对比我国与 全球碳纤维下游需求行业分布可以看到,我国碳纤维在航空航天与 汽车领域的应用规模远低于全球相应的规模,因而我国碳纤维在这些领域的应用 同样具备较大的发展潜力。

值得注意的是,在碳纤维的各下游应用中,航空航天用碳纤维复合材料技术 壁垒高,工艺流程繁琐,需经过碳纤维-预浸料-分切-自动铺放-热压罐检验-机加 工-装配等步骤,且需要至少十年的研发周期,因此具备最高的附加值。根据赛 奥碳纤维数据,2020 年我国航空航天领域的碳纤维需求量仅占需求总量的 3.5%,但是收入规模占比最大,约占碳纤维下游各应用的总收入规模的 37.4%。

碳纤维性能优异,被广泛应用于风电叶片。碳纤维具备低密度、高强度、高 弹性、耐腐蚀、热膨胀系数低等优良特性。其轻便的特点使得风电叶片在长度增 加的同时,重量更轻。轻量化还可以适当降低对涡轮和塔架组件强度的要求,节 约其他部件成本,从而对冲碳纤维较高的生产成本。同时,碳纤维能够让风电机 组更好地抗击恶劣气候条件。此外,碳纤维还能提高风能转化效率,且由于碳纤 维叶片更薄更长更细,同时能够提高叶片动能的输出效率。但由于碳纤维价格目 前仍旧较高,考虑到叶片的制造成本,碳纤维目前只应用到叶片主梁帽、蒙皮表 面、叶片根部、叶片前后缘防雷系统等关键部位,其中最主要的应用部位是主 梁帽。

风电叶片是国内碳纤维的主要应用领域,也将是“十四五”期间碳纤维下游 需求增长最快的领域,未来发展空间广阔。近年来,随着风电叶片大型化、风电 机组装机量稳步增加,装机方向逐步从陆上小功率机组向海上大功率机组转移, 碳纤维在风电领域的用量大幅增长。根据赛奥碳纤维统计数据,2020 年中国碳 纤维下游应用中,风电叶片需求量占比最大,达 40.9%;2020 年全球风电叶片 碳纤维的总需求量为 3.06 万吨,同比增长 20%,我国风电叶片碳纤维需求量约 为 2 万吨,同比增长 45%。预计 2025 年全球风电叶片碳纤维的需求量将增至 9.34 万吨,2020-2025 年间的 CAGR 为 25%,风电叶片市场空间较为广阔。

中国风电装机容量增速显著,根据国家能源局统计,2017-2020 年间,我国 风电装机规模持续上行,新增风电装机规模逐年提高,利好风电用碳纤维需求提 升。2020 年我国累计风电装机规模达到 281.7GW,同比增长 34.1%,新增风电 装机规模达 71.7GW,同比增长 179%。

根据中国可再生能源学会风能专业委员会(CWEA)的统计,我国新增的风 电机组的单机容量不断增大,因为大功率风电机组的风能利用率高,且风机的单 位发电成本低。我国单机容量为 2-2.9MW 风电机组装机容量占比从 2019 年的 72.1%下降至 2020 年的 61.1%,而单机容量 3.0MW 及以上风电机组装机容量 从 2019 年的 27.65%增长至 2020 年的 37.9%。

风电叶片大型化是风电的发展趋势,当前风轮直径已突破 125m,未来正朝 着长度为 150m、250m 的大型风电叶片前进。传统的风电叶片制造材料为玻璃 纤维复合材料,全玻璃钢叶片已经无法满足风电叶片大型化的要求。而碳纤维在实现风电叶片大型化、轻量化时的主要优势是在满足一定强度要求的前提下,具 有其他材料不具备的高比模量,因此碳纤维材料是更加理想的选择。例如,3MW 的风机的叶片,使用碳纤维替代传统的玻璃纤维,叶片的重量将减少 32%,成 本下降约 16%。

我国风电市场高景气,风电装机规模有望进一步扩大。四百余家风能企业在 2020 年北京国际风能大会上联合发布的《风能北京宣言》指出:在“十四五” 规划中,须为风电设定与“碳中和”国家战略相适应的发展空间,即保证年均新 增装机 5000 万千瓦以上。2025 年后,中国风电年均新增装机容量应不低于 6000 万千瓦,到 2030 年中国风电累计装机容量至少达到 8 亿千瓦,到 2060 年至少 达到 30 亿千瓦。根据 GWEC 的数据,截至 2020 年年底我国海上风电装机量为 998.99 万千瓦。预计 2021 至 2025 年,我国新增海上风电装机规模可达 3470 万千瓦, 因此 2025 年我国海上风电装机量可达 4468.99 万千瓦,2020-2025 年间 CAGR 为 35%。

在这里我们假设 2021-2025 年我国陆上新增风电装机量的 CAGR 为 10%, 假设 2021-2025 年陆上风电和海上风电的平均单机容量的 CAGR 与 2017-2020 年平均单机容量的 CAGR 一致。目前碳纤维主要应用在风机叶片的主梁结构,而 主梁会采用碳纤维/玻璃纤维混合的方式实现性价比最大化,因此我们假设碳纤 维的重量占主梁总重的 60%。风机主梁结构质量超过叶片质量的一半,在这里 我们按 50%计算,由此得到我国未来风电市场对碳纤维的需求量。预计 2025 年我国风电领域碳纤维的需求量将达 6.06 万吨,风电领域碳纤维需求有望持续 提升。

碳/碳复合材料(以下简称“碳/碳复材”)是在碳纤维基础上进行了石墨化 增强处理的产品,主要应用在热场部件、航天部件、刹车盘等领域。碳/碳复材 能够耐受 2000℃的高温,是极少数在高温下力学性能不降反升的材料。同时,碳/碳复材还具备良好的耐热性、耐腐蚀性、耐摩擦性,容易加工,强度是石墨 材料的 3-5 倍。碳/碳复材的寿命是石墨材料的 3 倍以上,例如单晶硅生长炉热 场使用寿命在 50 炉左右,多晶硅铸锭炉热场使用寿命在 100 炉左右,碳/碳复 材单晶硅生长炉热场使用寿命在 150 炉以上。而价格方面,碳/碳复材的价格仅 为石墨坩埚的 2 倍左右。在太阳能光伏热场领域,碳/碳复材可应用于直拉单晶 硅炉和多晶硅铸锭炉中。

直拉单晶硅工艺目前已经成为生产单晶硅主流工艺,直拉单晶硅炉内已经采 用了大量碳素热场材料。从 2013 年 2021 年,直拉单晶硅炉坩埚直径从 24-28 寸逐渐升级到 36 寸,一次性能够装载 700-800 公斤硅料,这对碳素坩埚的尺寸 和强度的要求更高。目前高性能石墨是挤压成形,大尺寸石墨是等静压成形,挤 压料一般为实心棒料或块料,加工成本升高,材料浪费严重,而碳/碳复材则可 以整体成型,尺寸越大,性价比越高。并且,由于静压石墨是脆性材料,高温下 强度低,但高纯硅料要在 1500℃左右熔融,石墨坩埚一旦承载的硅料过多,熔 融的硅料就会烧穿炉底,安全性难以为继。与此同时,在能耗方面,使用碳/碳 复材能够节约 10-20%的能耗。例如,95 炉能装 22 寸热场,投料量为 120KG, 耗电 3000 度,而使用碳/碳复材则只需要 2400-2700 度左右,按照工业用电 2 元/度计算,一台设备每炉可以节约电费 300-600 元。因此,碳/碳复材逐步代替 石墨材料是大势所趋,目前在直拉单晶硅炉内碳素结构材料中,除了加热器仍采 用导电率高的石墨材料,其他均逐步被碳/碳复材替代。

2020 年全球碳/碳复材的需求规模大约为 5000 吨,国内约 3000 吨。未来 碳/碳复材在航天部件和刹车盘的市场应用将保持平稳,而热场部件受益于光伏市场的高速增长需求高增,碳/碳复材具有广阔的市场应用前景。赛奥碳纤维预 计 2025 年全球碳/碳复材的市场规模将达 18565 吨。

我国对碳/碳复材的需求巨大,这主要是由于近年来我国光伏产业进入快速 发展期,光伏装机量增长强劲,为碳/碳复材的需求提供了广阔增长空间。根据 国家能源局预测,我国光伏累计装机量将从 2020 年的 253GW 增长至 2025 年 的 693GW;新增装机量从 2020 年的 48.2GW 增长至 2025 年的 110GW。我们 假设单位装机容量碳/碳复材用量年均增长率为 10%,2025 年新增的光伏装机 量将对应新增 7400 吨碳/碳复材需求量。

碳纤维树脂基复合材料比强度和比模量高,材料的可剪裁性好,成型工艺具 有多选择性,且可以整体成型,从而使结构设计成本和制造成本大幅降低。碳纤 维复合材料还具备良好的耐疲劳性能和抗腐蚀性能、保证不损失强度或刚度,且 能起到良好的减重作用,能够满足航空工业对于飞行器安全性、经济性、舒适性 和环保性的各项需求,同时节省燃油消耗。

碳纤维复合材料从 20 世纪 60 年代起开始用于航空领域,经历了从仅应用 于非承力构件阶段到受力、尺寸较大的次承力结构件,再到主承力或复杂受力构 件三阶段的发展。

传统的飞机零部件以铝、钛合金材料为主,近年来碳纤维复合材料在航空航 天领域的应用占比不断提升。2020 年碳纤维复合材料在商用飞机的使用量占航 空航天领域总使用量的 52.9%,在军用飞机、公务机、直升机、无人机等应用 场景的使用量占比分别为 15.8%、12.8%、9.1%、4.6%。根据《国内外碳纤维 复合材料及结构供应与制造现状》(周震著),2018 年碳纤维复合材料在小型 商务飞机和直升机上的使用量已占总复合材料的 70%-80%,在军用飞机上占 30%-45%,在大型客机上占 35%-52%,在无人机上占 90%以上。

在航天领域,碳纤维复合材料广泛应用于人造卫星、固体火箭发动机壳体和 喷管、卫星构架、天线、太阳能翼片底板、航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制 件。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,减重效 果十分显著。目前卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件等已经基本 做到了复合材料化。

在航空领域,军用飞机和民用飞机是碳纤维的传统应用领域,其中军用领域 对飞机的性能要求更高,碳纤维在军用飞机中的应用占比呈现逐年递增的趋势。 以美国为例,1969 年,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%,而 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%,碳纤维 复合材料的用量与日俱增。

我国的军用飞机已在多个部件使用碳纤维复合材料, 如在歼-11B 的机翼外翼段、水平尾翼和垂尾,直 10 和直 19 武装直升机的机身 框架结构、直升机旋翼、机翼蒙皮和直升机尾翼部件,J-20战机碳纤维增强树 脂基复合材料的用量也接近 20%。随着碳纤维复合材料在国防航空航天领域应用比例的提升、装备列装数量增加以及装备换代更新的需要,未来我国国防事业 对碳纤维的需求还将进一步增加。在运载火箭和战略导弹方面,碳纤维也先后成功用于“飞马座”、“德尔塔”运载火箭、“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。

民用航空领域除了有对飞机性能的要求,其经营活动还受经济效益指标和碳 排放限制的影响。而碳纤维不仅具有提升飞机性能的优势,还可通过降低重量减 少油耗,进而降低碳排放,在契合“双碳”目标中减排要求的同时为民用航空带 来可观的经济效益。世界两大飞机制造巨头波音和空客公司先后推出了以先进的 碳纤维增强树脂基复合材料为主受力结构件的商用飞机——波音 787 和空客 A-350。波音 787 机体的碳纤维增强树脂基复合材料用量占比高达 50%,采用 T800 级别碳纤维增韧环氧树脂制作机身和机翼,飞机质量得以减轻而刚度和强 度不降低。空客 A-350 中碳纤维增强树脂基复合材料结构件的质量超过了 53%, 而空客 A380 后机身蒙皮壁板所采用的碳纤维增强树脂基复合材料质量占 20%。 我国飞机零部件与组装制造领域的碳纤维复合材料用量也在快速增长,商用飞机 有限责任公司研发生产的 C919 客机的中央翼、襟翼等部件均采用碳纤维增强树 脂基复合材料,碳纤维使用量占总质量的 12%。

自 2010 年以来,全球航空航天领域对碳纤维的需求量一直呈现上升趋势。 虽然 2020 年民用航空方面受疫情影响需求量明显下滑,但提高飞机性能、减少 碳排放和增加经济效益等为大势所趋,碳纤维在机身材料中的占比有望维持不断 扩大的趋势,未来航空航天领域对碳纤维产品的需求也有望恢复增长。

航空航天领域对碳纤维的需求主要来自两大方面,一是新研制的飞机不断提 升碳纤维复合材料的应用占比,二是新增的飞机订单,包括军用飞机的规模扩大 和更新换代、商用飞机量产以及民用无人机的大规模普及等。根据《碳纤维复合 材料的应用现状与发展趋势》(樊星等),预计 2021-2025 年我国商用机、军 用飞机、民用无人机年均新增碳纤维复合材料需求量为 572 吨。碳纤维有着较 为广阔的市场空间。

随着体育产业的蓬勃发展,以及消费者对体育产品的性能不断提出更高要 求,自 2010 年来全球体育休闲领域对碳纤维的需求量稳步上升,从 2010 年不 足 7000 吨逐步提高至 2020 年的 15400 吨。我国是全球碳纤维体育器材制造大 国,体育休闲产业一直以来是我国碳纤维最主要的应用领域之一,也是最早得到 规模化商用的领域,预计未来还将保持平稳发展。碳纤维在体育休闲领域主要为 民用,属于中低端市场,因此对性能的要求相对较低,需求主要集中于 T300-T700 级别的碳纤维,厂商趋于低成本竞争。

在体育休闲领域,碳纤维增强材料凭借优良的力学性能主要应用于高尔夫球 杆、钓鱼杆、网球拍、碳纤维自行车架及整车制作等。采用碳纤维增强树脂基复 合材料制作的球拍具备良好的刚度、弹性,且不易变形。碳纤维材料制作的钓鱼 竿能够很好地满足高强、轻质、抗疲劳的特性,碳纤维钓鱼竿目前已占钓鱼竿市 场总量 90%以上。碳纤维高尔夫球杆可以比金属杆减重近 50%,且由于质量减 轻,球可以获得较大的初速度,同时碳纤维具有高阻尼特性,所以击球时间增加, 球被击起的距离增加。用碳纤维增强树脂基复合材料制作自行车车架和车轮,可 降低车体的质量和阻力,赋予车体较好的刚性和减震性能,提高安全和舒适度。 此外,自动化成形工艺的开发应用还可以满足多样化的设计要求,提高自行车的 功能性和新颖性。疫情之下,群体运动的碳纤维器材需求量,如曲棍球杆、滑雪 杆等,有较大幅度的下滑;而个人体育休闲的器材需求量反而上升,主要有高尔 夫球杆,自行车及钓鱼竿。

2017 至 2020 年我国人均体育消费金额持续上升,其中 2020 年实现了 31% 的同比高增长。这不仅反映出我国体育产业整体市场规模在稳步扩大,也体现了 人们的体育消费水平、消费追求在逐步提升,能够显著提升消费者体验感的高性 能体育产品将愈受青睐,因而碳纤维体育用品有望迎来更多市场机遇。

汽车轻量化是一项系统工程,具体实施途径包括轻量化材料应用、结构设计 优化、先进制造工艺和集成化设计,其中结构设计优化和制造工艺等带来的减重 效果相对较小,且优化空间越来越小。而轻量化材料应用效果则更为直接,新材 料应用及多材料优化组合在轻量化效果上潜力巨大。

碳纤维复合材料具备其他材料不可比拟的比强度、比模量、耐腐蚀性等优异 性能,且具有良好的轻量化效果,能够适应多种汽车零部件的使用工况。碳纤维 复合材料相比铝合金可以减重 50%,当制成与高强度钢同等强度和刚度的构件 时,使用碳纤维复合材料构件重量可减轻 70%。短期内“高强度钢+铝合金”仍 然是主流的汽车轻量化材料,未来随着碳纤维材料制造工艺和成本的不断突破, 其在汽车领域的应用潜力巨大。

近年来,碳纤维复合材料被广泛应用于汽车的车身、刹车片、传动轴、发动 机、燃料箱、尾部沸腾器和新能源汽车动力电池箱体等,使汽车部件轻量化的同 时更加节能环保。在全球各大汽车厂商中,宝马率先实现碳纤维在量产车上的突 破性应用,开创了车用碳纤维新时代。每辆宝马 i3 约使用 200-300kg 碳纤维复合 材料,减少了约 250-350kg 重量,整车重量仅 1224kg。同时,由于车身较轻, 大幅度提升了车辆性能和续航里程,节省了约 1299 美元电池成本。

随后各大车企相继推出多款碳纤维材料汽车,在车身底盘方面,通用超轻概 念车采用碳纤维车身和底盘实现减重 68%,斯巴鲁采用 CFRP 车顶,相比高强 度钢车顶减重 80%。在制动盘方面, Porsche AG 等车采用碳纤维制动盘,能够 在 50m 内将车速从 300km/h 降到 50km/h。在传动轴方面,丰田 86 采用的碳 纤维传动轴仅重 5.53kg,实现减重 50%。日本成功研发出用碳纤维代替铝合金 制造压气机叶轮的工艺,有效缩短了响应滞后时间,实现减重 48%。我国在车用碳纤维领域也成功实现了技术突破,已有众多车企在新产品中加入碳纤维复合 材料。

在“碳达峰碳中和”的背景下,节能减排已成为汽车工业的重要发展方向, 其中汽车车体轻量化是解决问题的关键之一。欧洲铝协研究数据表明,若汽车整 车质量降低 10%,燃油效率可提高 6%-8%。从绝对量来说,汽车重量每降低 100kg,每百公里可节约 0.6L 燃油,二氧化碳排放可减少约 10g/Km。与此同 时,在新能源汽车领域,在电池技术无法在短期得到重大突破的情况下,电池轻 量化能够提升汽车的动力性能和续航里程,从而降低电池数量和成本。

2020 年 10 月,中国汽车工程师学会发布的《节能与新能源汽车技术路线 年燃油乘用车整车轻量化系数降低 25%、纯电动乘用 车整车轻量化系数降低 35%的目标,有望大幅提振汽车用碳纤维需求。

氢能是一种良好的可再生能源。氢能来源广泛,海水中的氢热量是地球所有 化石燃料热量的 9000 倍,同时氢能具有零排放、自动再生、热能集中等优势, 在全球绿色能源转型的当下有着重要地位。储运环节为氢能应用的关键环节,但 是目前氢气储存技术滞后,安全性无法得到保障,严重限制了氢能源的大规模应 用。氢气的储存有高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、碳纳米管吸 附储氢、有机液体氢化物储氢等方法。其中,高压气态储氢具有充放氢速度快、 容器结构简单等优点,是目前大规模应用中的主流方法。高压储氢气瓶是氢燃料 电池系统的关键部件之一, 而高压氢气瓶的核心技术在于塑料内衬及碳纤维缠 绕,由于高压化和轻量化需求,复合材料高压储氢气瓶为研发与应用的主流技术。目前我国主要采用 35MPa 的储氢瓶,相较于国际主流的 70MPa 高压储氢瓶仍 存在一定的技术差距。

通常来说,车用气瓶共分为四种类型:全金属气瓶(I 型)、金属内胆纤维环 向缠绕气瓶(II 型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(III 型)、非金属内胆纤维全缠绕气 瓶(IV 型)。Ⅰ型和Ⅱ型气瓶重容比较大,难以满足单位质量储氢密度要求,用于 车载供氢系统并不理想。Ⅳ型气瓶在高压下,气体易从非金属内胆向外渗透,且 金属阀座与非金属结构的连接强度难以保证。因此,采用铝内胆的Ⅲ型气瓶是主 要研究方向。复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、 外保护层、缓冲层。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型储氢气瓶均有纤维缠绕层,且缠绕层选用碳纤 维作为增强材料,高强度、高模量的碳纤维材料通过缠绕成型技术制备的复合材 料气瓶不仅结构合理、重量轻,且具有良好的工艺性和可设计性,在储氢气瓶制 备上具有广阔的应用空间,T700 碳纤维材料即可满足储氢气瓶用的要求。

氢燃料电池汽车高速发展,有望大幅提振储氢罐用碳纤维需求。氢燃料电池 汽车因其零排放无污染、加氢时间短、续航里程长、效率高等优点成为现代汽车 的发展方向之一,也是当前氢能利用的主要方向,氢燃料电池汽车的快速发展有 望大幅推动用于制造汽车储氢罐的碳纤维需求。赛奥碳纤维数据显示,2020 年 全球压力容器的碳纤维需求为 8800 吨,预计 2025 年将达 2.2 万吨,五年 CAGR 高达 20%。(报告来源:未来智库)

自 2010 年以来,全球碳纤维需求量保持稳健增长,从 2010 年的不足 5 万 吨攀升至 2020 年的 10.7 万吨,主要得益于碳纤维的下游应用场景不断丰富, 同时在很多领域对传统材料的替代程度日益提升。2020 年,虽然部分下游行业 受疫情冲击,但全球碳纤维的整体需求量较 2019 年仍有提升,增长势头未减。

从碳纤维应用领域来看,2020 年风电叶片对碳纤维的需求量占比最高,且 较 2019 年有 3pct 的增长,是需求占比增长幅度最大的应用领域。民用航空方 面受疫情严重影响,致使航空航天领域碳纤维用量明显下滑,其需求量占比从 23%下降至 15%,但由于航空航天级的碳纤维材料价格高昂,其碳纤维产品需 求金额仍然占据首位,高达 38%。从碳纤维产品类型来看,2020 年大丝束产品 需求量占比增长最为显著,从 41%提升到 45%,原因是大丝束产品在风电市场 驱动下需求增长强劲。

从 2020 年世界碳纤维产能的区域分布来看,美国、中国大陆和日本位列前 三甲,合计拥有全球总产能的60%。根据赛奥碳纤维数据,美国运行产能为37300 吨,占全球总运行产能的 21.7%,主要为赫氏及部分日资企业(如东丽)。中 国近年来在整体产能方面取得了长足进步,其中大陆碳纤维运行产能已占到全球 总运行产能的 21%,相关生产企业以吉林碳谷、中复神鹰等内资碳纤维企业为 主。日本碳纤维运行产能为 29200 吨,东丽、帝人、三菱三大本土巨头是供应 主力。

从 2020 年全球碳纤维企业产能排名来看,日本东丽(Toray)、德国 SGL 碳纤维、日本三菱(MCCFC)、日本帝人(Teijin)和美国赫氏(Hexcel)位居 前五,日资企业实力显赫。2020 年日本东丽、日本三菱和日本帝人合计碳纤维 运行产能约为 5.6 万吨,而同年日本国内运行产能仅为 2.92 万吨,原因是日本 碳纤维企业在世界多地开展投资并购活动,在北美、欧洲等区域均有布局,其中 日本东丽在美国的产能规模甚至超过本土。

无论是自建产能还是并购产能,日本东丽(Toray)都位居首位。日本东丽 1926 年创立之初从人造丝制造起步,随后根据市场需求不断丰富自身产品体系,陆续研发出了合成纤维、树脂、薄膜等尖端材料,并将产品推广至全球,成为世 界材料领域无可争议的“领头羊”。

2020 年全球新增的碳纤维产能中,中国大陆企业表现出色,吉林碳谷、中 复神鹰、光威复材三家企业共增加产能 6000 吨,是世界新增产能的主要贡献者。

我国碳纤维工业的起步可以追溯到 20 世纪 60 年代,国家大力扶持碳纤维 产业发展。自进入 21 世纪以来,我国重新启动碳纤维国产化进程,并取得重大 突破,成功打破国外技术装备封锁,解决了碳纤维领域的“卡脖子”问题。目前, 我国碳纤维品种的丰富和质量的不断提高,碳纤维生产及应用成本不断下降。我 国已经建立起从 CCFM-550(M55J 级)、CCF-4(T800 级)、CCF-3(T700 级)、CCF-1(T300 级)的聚丙烯腈碳纤维的制备技术研发到工程化,再到千 吨级产业化的完整的产业体系,具有产业化能力的碳纤维产品已经涵盖高强、高 强中模、高模、高强高模四个系列。

中国的T300级碳纤维系列性能基本达到国际水平,航空领域应用渐趋成熟, 民用市场也逐步开拓;T700 级高性能碳纤维突破了干喷湿纺工艺,产业化生产 及应用正在加速。此外,中国创新性开发了湿法纺丝 T700 级碳纤维制备工艺, 产品已应用于航空领域。在实验室条件下,T1000 级、T1100 级、M55J 级高性 能碳纤维已经突破关键制备技术。我国碳纤维及其复合材料行业正处于快速发展 期,技术水平和产业化程度逐步提升。

我国碳纤维市场正处于供不应求的态势。2020 年中国碳纤维总需求量为 4.89 万吨。2020 年国产碳纤维销量仅为 1.85 万吨,其余依赖进口,供不应求, 国产替代空间较大。根据百川盈孚数据,截至 2021 年 10 月,中国碳纤维产能 虽达 4.18 万吨/年,但是由于技术水平等的制约,行业总体产能的开工率并不高, 行业长期以来存在着“有产能而无产量”的现象,目前我国碳纤维库存量已降至 低位。

位。 我国碳纤维行业市场集中度较高,产能主要集中于头部企业。我国现有超过 30 家碳纤维企业,数量较多,但大部分企业规模较小,单线名义产能仅为百吨级,远小于市场化生产规模。目前我国碳纤维行业产能的 CR5 约 77%。头部企 业主营细分市场有所区别,例如中简科技主营小丝束碳纤维,主要应用于军备、 航空航天等高端精密领域,光威复材的主营产品军民两用,应用范围较广,而吉 林碳谷主营原丝。

我国碳纤维产能正逐步扩张,国产替代道路光明。随着我国碳纤维生产企业 在高性能碳纤维领域不断取得技术突破,我国碳纤维的进口替代步伐有望进一步 加速。“十四五”期间,我国碳纤维及原丝的有效产能将快速扩张。据不完全统 计,我国已规划及在建的碳纤维产能共计 14.07 万吨/年,数量十分可观,且产 能利用率稳步提升,预计未来我国碳纤维供需紧张的格局将逐渐缓和。

碳纤维是性能优异的新一代轻量化材料。碳纤维下游风电等应用市场蓬勃发 展,打开碳纤维未来需求空间。其中,风电叶片是碳纤维下游需求增长最快的领 域,随着风电叶片大型化和轻量化、风电机组装机量稳步增加、“十四五”期间 海上风电装机量有望超预期,未来风电领域的碳纤维需求增长可观。且航空航天、 光伏碳/碳复材、体育休闲、汽车、储氢瓶多领域的发展进一步提振碳纤维需求。 具备碳纤维及其上游原丝生产线的头部企业将率先获益。

中国石化上海石油化工股份有限公司于 1993 年 6 月在上海成立,是中国主 要的炼油化工一体化综合性石油化工企业之一,也是中国重要的成品油、中间石 化产品、合成树脂和合成纤维生产企业,具有较强的整体规模实力。未来,公司 依托自身在石化行业深厚的资源积累,进一步向下游新材料领域延伸,并将碳纤 维作为重要发展方向之一。在新材料业务方面,公司将坚持培育具有差异化的高 附加值产品,努力打造以碳纤维产业为核心,以聚酯、聚烯烃、弹性体、碳五下 游精细化工新材料为突破和延伸发展的新材料产业集群。

石化行业景气复苏,公司整体业绩明显好转。2021 年前三季度公司实现营 收 618.6 亿元,同比增长 12.6%;实现归母净利润 19.7 亿元,同比扭亏转盈。 2022 年 1 月 25 日,公司发布 2021 年业绩预告,预计公司 2021 年归母净利润 约为 19.28-21.28 亿元,同比增加 207%到 239%;扣非归母净利润约为 18.44-20.44 亿元,同比增加 270%到 310%。自 2021 年以来,石油石化产品市 场需求显著改善,公司主营产品价格普遍上涨,有力带动业绩恢复。未来石化市 场需求不断向好或推动业绩持续上行。

潜心投入碳纤维研发,稳步实现技术突破。早在 2000 年后,上海石化就决 定依托腈纶产业优势,探索碳纤维生产技术,将碳纤维业务作为产品结构调整的 重要方向之一。2008 年 11 月,上海石化建成碳纤维中试装置,是国内当时唯一 的百吨级原丝生产试验线,它不仅规避了欧美等国的专利限制,也使得公司有了 一定的产业化生产经验。2009 年上海石化成功研制出 12K 原丝,且原丝碳化后 的力学性能已经达到日本东丽 T300 的水平。2016 年 5 月公司开始攻关具有多 个技术难点的大丝束碳纤维项目,并于 2020 年正式启动了 48K 大丝束项目的建 设,公司在 4 年内完成了从 12K 原丝到 48K 大丝束碳纤维的技术飞跃。同时,在碳纤维产品大规模量产之前,公司已经与下游厂商合作探索产品的应用场景, 公司的碳纤维挤拉板材、抽油杆成功在基础设施维护和传统能源开采领域得以应 用展现身手。

碳纤维项目建设取得重要进展,加快公司转型步伐。2021 年公司积极推进 原丝、大丝束碳纤维的规模化生产进程。(1)截至 2021 年 6 月底,公司 1500 吨/年 PAN 基碳纤维项目进度达 91.93%,有望尽快落地投产。(2)公司 2.4 万 吨/年原丝、1.2 万吨/年 48Κ大丝束碳纤维项目于 2020 年顺利开工,预计建设 周期为 4 年,计划投资约 34.9 亿元人民币,截至 2021 年 6 月底已投资 5.77 亿 元。项目采用公司多年自主攻关取得的技术成果,将建设 2 个系列原丝生产线 万吨/年。同时建设 6 条碳纤维生产线 吨/年。原丝制备是碳纤维生产工艺的核心环节,其大规模量产将有力支撑一系 列碳纤维产品的产能放量,为公司产品线K 大丝束碳纤维产 品是市场应用最为广泛的大丝束品种,在风电、储氢瓶等新能源产业的拉动下, 需求迎来强劲增长;该项目投产后将成为公司转型发展过程中的重大成就,助力 公司把握碳纤维产业新阶段的宝贵机遇。

坚持“基础+高端”发展方向,碳纤维仍是规划重心。公司成立先进材料创 新研究院,聚焦下一阶段碳纤维核心技术攻关,持续提升研发投入,以扎实的技 术沉淀铸就长远的市场竞争力。同时,公司计划加大碳纤维复合材料重点应用领 域项目研究力度,扩大碳纤维在三维编织加工、精密仪器用替代材料、纺丝罗拉 等场景的应用,不断挖掘碳纤维产品的市场潜力,为碳纤维业务培育新的驱动引 擎,抢占市场先机。

吉林化纤股份有限公司成立于 1988 年,拥有数十年的粘胶纤维生产、研发 和销售经验,是我国主要的粘胶纤维生产企业。目前公司正在积极转型发展,坚 定地向碳纤维产业迈进。

2020 年公司实现营业收入 25 亿元,同比-7.09%;实现归母净利润-2.33 亿 元,同比-356.61%。2020 年公司的亏损主要来自粘胶短纤,主要因下游纺织出 口需求下滑,我国粘胶短纤处于产能过剩状态,景气度持续下行所致。随着 2021 年粘胶短纤行业景气度回升,2021 年公司整体盈利水平得到改善。2021Q1-Q3 公司实现营业收入 26.2 亿元,同比+57.7%;实现归母净利润 133.2 万元,成功 扭亏转盈,主要由于纺织终端需求逐步回暖,产品销量有所增长。但是,受到原 辅材料及能源价格上涨影响,产品成本大幅上升、毛利下降,2021 年预计净利 润仍为负值。2022 年 1 月 29 日,公司发布 2021 年业绩预告,预计公司 2021 年营业收入约为 34.5-36.5 亿元,归母净利润为-1.05~-1.3 亿元,而上年同期亏损约 2.33 亿元,扣非归母净利润为-1.18~-1.43 亿元,而上年同期亏损约 2.36 亿元

公司目前仍以粘胶纤维生产为主,主营产品包括粘胶短纤维、粘胶长丝、腈 纶纤维、化纤浆粕、纱线 多个品种,产品质量位居同行 业前列。

公司已连续多年成为全球优质的粘胶长丝供应商之一,围绕粘胶长丝“连续 化、大型化、匀质化、细旦化”不断进行升级,产品品质享誉海内外,现已全面 占领国内外制线领域,成为巴基斯坦第一、第二大制线用户首选,公司还通过不 断对产品进行创新升级改造,有针对性地满足了下游客户的需要,与客户合作开 发的艾维抗菌纤维、除臭纤维、空调纤维等各种新品受到广泛欢迎,长丝差别化 产品品类丰富,产品高端市场占有率超过 45%,进一步巩固了公司在长丝领域 的领跑地位。近年来,公司抓住了行业洗牌期的机遇,充分扩建产能,市场份额 逐步增加,当前公司粘胶长丝产能约 8 万吨/年左右,相当于全球产能的三分之 一,粘胶长丝以出口为主,下游客户已遍及海外众多国家和国内各地区。在粘胶 短纤领域,经过工艺优化和流程再造,公司的实际产能已达到 12 万吨/年,与粘 胶长丝配合有利于扩大总体销售。

碳纤维生产线顺利启动,持股公司产能进一步扩张。2021 年 10 月 28 日, 公司控股子公司吉林凯美克年产 600 吨 1K、3K 碳纤维的一条生产线开车成功, 另一条生产线也在调试中。公司将不断优化装置生产条件,调整生产工艺参数, 逐步提高装置生产负荷,保持生产装置的安全稳定运行,努力尽快实现装置的全 面达产。此外,公司顺利完成对省内重要碳纤维企业的股份收购。2021 年 8 月 28 日,公司收购吉林宝旌炭材料有限公司 31%股权,交易完成后持股比例达 49%。吉林宝旌主要从事 25K~50K 大丝束、低成本碳纤维的研发、生产、销售, 当前具备年产 8000 吨碳纤维能力,下游应用广泛,客户稳定。吉林宝旌计划在 2025 年底前形成年产 12000 吨碳纤维产能,以满足风电、气瓶缠绕、车辆轻量 化、轨道交通、海洋装备等工业领域的应用需求。通过向碳纤维产业加速延伸, 吉林化纤将形成一体化全产业链布局,并成为具备碳纤维及其制品的研发、生产、 销售的全产业链企业。

销售的全产业链企业。 A 股定增审议通过,助力碳纤维领域深化布局。2021 年 11 月 3 日,吉林化 纤股份有限公司董事会审议通过公司非公开发行 A 股股票的相关议案。公司拟 募集资金总额不超过人民币12亿元,募集资金净额中的9亿元将用于新建12000吨碳纤维复材项目。该碳纤维复材项目主要采用拉挤工艺生产碳纤维拉挤板材, 产品主要用于风电叶片的生产,运用路径为“碳纤维-拉挤成型-碳板”。本次募 投项目建成达产后,预计将实现年均营业收入 15.4 亿元,有望显著增厚公司业 绩,有力提高公司在碳纤维领域的竞争力。

吉林碳谷碳纤维股份有限公司成立于 2008 年,是国内首家采用三元水相悬 浮聚合两步法生产碳纤维聚合物、以 DMAC 为溶剂湿法生产碳纤维原丝的企业。 公司致力于“大丝束、高品质、通用化”的发展方向,目前公司覆盖了 1K、3K、 6K、12K、12KK、12S、24K、25K、48K 等碳纤维原丝系列产品,其中 2017 年以前主要以小丝束为主,2018 年实现了 24K/25K 碳纤维原丝的规模化生产, 2019 年实现了 48K 产品的规模化生产, 2021 年主要进行 50K 的带量试制。公司 全部产品碳化后均可以实现 T400 碳纤维的稳定大规模生产,部分产品亦实现了 碳化后 T700 碳纤维的稳定规模生产。公司产品经过下游加工,已广泛应用于军 工、航天航空、高端装备、汽车、新能源、体育休闲用品及建筑材料等领域。

目前,公司已经实现了从中小丝束碳纤维原丝到以大丝束碳纤维原丝为主、 中小丝束原丝共同发展的产品结构。公司将 24K/25K/48K/50K 产品划分为大丝 束,2020 年公司大丝束碳纤维原丝销售量占总碳纤维原丝销量的比例已达 75.34%。

碳纤维原丝龙头企业,业绩未来有望持续向好。近三年公司营收显著增长, 主要由于伴随民用产品市场迅速开拓,应用领域横向和纵向都进一步拓宽,主营 产品碳纤维原丝产品销量快速放大,利润总额持续增加。2020 年公司实现总营 收 11.0 亿元,同比+3.72%,实现归母净利润 1.4 亿元,实现扭亏为盈。2020 年 6 月后公司停止丙烯腈贸易业务,进一步聚焦主业。2021Q1-Q3 公司实现营 业收入 7.2 亿元,同比-18.2%,实现归母净利润 1.8 亿元,同比+108.6%。2022 年1月19日,公司发布2021年业绩预告,预计公司2021年利润总额为3.53-3.76 亿元,同比增长 152.53%-168.98%,预计净利润为 3.0-3.2 亿元,同比增长 115.46%-129.82%。

公司下游主要是风电领域,而风电叶片主要使用大丝束碳纤维。随着风电叶 片大型化、风电机组装机量稳步增加等,碳纤维在风电领域的需求仍将大幅增长, 公司未来的业绩有望持续向好。

碳纤维原丝产品品质进一步改善,单线产能提升明显。随着大丝束碳纤维原 丝系列产品完成定型,一级品率、满筒率稳步提升,公司原丝的满筒一级品率从 2018 年的 82.23%提升到了 2020 年的 93.15%,产品品质提高、次品率下降, 产品获得市场认可,市场竞争力得到进一步提升,产品的产量、销量、平均价格 也因此有所上升。与此同时,公司凭借其 DMAC 湿法两步法碳纤维原丝十几年 生产的技术经验和公用工程优势,形成了自身所特有的技术优势与技术壁垒。公司的原丝纺速已从 2018 年的 75 米/分钟提升至 2020 年的 100 米/分钟,带动原 丝生产线%。

着力投资碳纤维原丝项目,持续加强技术攻关。公司正在建设 40,000 吨纤 维原丝项目,包括 8 条生产线。公司主要根据产品市场应用发展、客户需求发展 决定投资进度,截至目前已经投产 2 万吨设计产能。公司目前生产线已实现柔性 化升级,可以根据产品市场和客户的具体需求进行生产计划调整。未来随着公司 产能不断释放,营业收入有望持续增长,带动盈利水平逐年递增。同时,公司持 续进行技术研发和生产工艺攻关,根据公司各阶段规划进行研发投入。按照公司 现有研发规划,2021 年公司主要在全力推动 35K、50K 带量试制以及其他大丝 束产品试验,同时逐步开展大丝束 T700 的性能优化试验,并且在 25K 碳纤维缠 绕气瓶关键技术研发及产业化项目、腰子型 3K 碳纤维项目以及干喷湿法制备 T700 产品等方面加大研发力度。多个研发项目的有力推进,有望使公司保持产 品技术的长期先进性,构筑稳固的护城河。

公司各类产品均处于产销两旺的状态,且下游客户较为集中、稳定,2021H1 前五大客户的销售额占主营业务收入比例在 83%以上,且前五大客户主要为大 丝束产品用户。其中浙江精功同一控制下的各公司占比最高,达 50.9%,包括 吉林精功碳纤维有限公司、浙江宝旌炭材料有限公司(原浙江精功碳纤维有限公 司)、浙江精业新兴材料有限公司和绍兴宝旌复合材料有限公司。原丝下游碳纤 维的大部分的市场份额被吉林精功、方大炭素、神舟炭纤维、江苏恒神等公司占 据,公司向这些大客户均稳定供货多年。同时公司还在不断拓展新客户,2020 年公司新增了 ALABUGA 和宏发纵横等客户,业绩确定性较高。叠加公司产能大 幅扩张,公司收入有望快速增长。

威海光威复合材料股份有限公司成立于 1992 年,是我国最早实施碳纤维国 产化事业的民营企业,也是我国碳纤维国产化事业的成功实践者。公司近二十年 来致力于碳纤维的国产化和碳纤维产品升级和丰富,在核心技术驱动下,以市场 需求为导向成功研发高强、高强中模、高模、高强高模系列化产品,并在各领域 得到应用。同时形成并积淀了一系列具有自主知识产权的工艺制造技术和经验 等,并成功应用于产业化生产,成为公司在碳纤维及复合材料领域持续创新发展 的重要支撑。

盈利水平稳步提升,碳纤维业务持续发力。受益于航空航天、高端装备及民 用领域对碳纤维需求的稳定增长,2021公司前三季度实现归母净利润6.18亿元, 同比增长 17.89%。2021 年,公司围绕碳纤维积极布局产品规划和产能建设, 优化组织各类军、民用纤维和织物的产品交付,支撑经营业绩继续提升;同时航 空应用的批产业务稳定成长、储备产品产销规模逐步扩大,航天应用开始启动并 逐步形成贡献。

多个项目顺利落地,完善碳纤维全产业链布局。以 T700S 级/T800S 级碳纤 维为产品的高强度碳纤维高效制备技术产业化项目(规划投资总额 4.2 亿元)已 经建成投产,年产能为 2000 吨;以 M40J/M55J 级碳纤维为产品的高强高模碳 纤维产业化项目开始批产,随着工艺生产磨合成熟,募投项目进入正常生产状态。 上述两大项目投产后,公司高性能碳纤维产品产能显著提升,助力公司把握下游 对高端碳纤维产品的需求增长机遇,打开业绩增长空间。同时,包头一期年产 4000 吨民用碳纤维项目正在稳步推进中,规划投资总额 2.35 亿元,截至 2021 年 6 月 30 日进度达 30%,公司预计 2022 年上半年投产;该项目能够丰富公司 的碳纤维产品线,拓宽产品下游应用场景,完善公司的行业布局。在研发投入方 面,公司复合材料板块先进复合材料研发中心二期工程完工并投入使用,公司研 发条件进一步优化,有望为碳纤维产品持久的市场竞争力提供更加有力的科研支 持。

中复神鹰碳纤维股份有限公司成立于 2006 年,经过十余年的技术攻关,突 破了超大容量聚合、干喷湿纺纺丝、快速均质预氧化碳化等核心技术工艺,建成 了国内首条具有自主知识产权的千吨级干喷湿纺碳纤维产业化生产线。公司系统 掌握了碳纤维 T300 级、T700 级、T800 级、M30 级、M35 级千吨级技术和 M40 级、T1000 级百吨级技术,产品型号已基本实现与行业龙头日本东丽的对标。

主营收入高速增长,市场地位彰显优势。公司 2018 至 2020 年主营业务收 入复合增长率达 31.47%,2021 年前三季度实现主营业务收入 7 亿元,净利润 1.96 亿元。自 2019 年以来,国产碳纤维整体呈现供不应求的态势,产品价格不

断提高;同时公司产能逐步释放,凭借优良的产品性能和较短的供货周期及时响 应了市场需求,推动主营业务收入高速增长,盈利水平持续提升。2020 年公司 碳纤维产量为 3777 吨,占国内总碳纤维产量的 20.98%,位居国内第二,下游 场景覆盖航空航天、风电叶片、压力容器等多个领域,为将来向世界一流碳纤维 企业进发的目标奠定了良好的市场基础。

上市募资助力产能扩增,产品应用多点开花。2021 年 12 月 15 日公司科创 板 IPO 成功过会,拟募资 18.4 亿元投入三大产能扩建项目,并补充流动资金。 西宁年产万吨高性能碳纤维及配套原丝项目总投资规模 20.6 亿元,产品应用于 工业、土木工程、医疗器械、体育用品等方向;一阶段 6000 吨产能建设已经完 成,二阶段 4000 吨产能建设拟动用募集资金 8 亿元,预计 2022 年 3 月前完成, 届时总产能将达万吨,有力满足高用量领域的市场需求,且规模效应下平均生产 成本将进一步降低,提升产品利润水平。连云港航空航天高性能碳纤维及原丝试 验线 年第三季度试生产,形成年产 200 吨中 高模碳纤维的规模,支持公司把握商用航空领域的市场机遇。上海碳纤维航空应 用研发及制造项目拟投资 3.6 亿元,配备 1 条单线 万平方米/年 的航空预浸料中试线 条单线 万平方米/年的高模预浸料生产 线 年年底前试生产,推动公司向产业链下游延伸获取高附加值, 显著放大盈利空间。

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