碳纖維行業深度：乘“風”而起碳纖維產業扶搖直上-220403（33頁）.pdf

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1、1證券研究報告行業評級：上次評級：行業報告 | 請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明碳纖維行業深度碳纖維行業深度強于大市強于大市維持2022年04月03日（評級）乘“風”而起，碳纖維產業扶搖直上乘“風”而起，碳纖維產業扶搖直上行業深度報告作者：分析師 李魯靖 SAC執業證書編號：S1110519050003聯系人 朱曄2摘要摘要 碳纖維高強輕質，制備工藝壁壘高筑。碳纖維高強輕質，制備工藝壁壘高筑。碳纖維同時具有柔軟輕質和性能極高的特點，在一眾材料之中脫穎而出。碳纖維制備過程主要面臨三方面的壁壘：紡絲環節，即濕法紡絲和干噴濕法紡絲的工藝、預氧化爐和碳化爐。 從需求端看，下游應用多元，需求高速增

2、長。從需求端看，下游應用多元，需求高速增長。從需求總量來看，近年來國內外碳纖維市場總需求持續增長，2020年，在民用航空受疫情影響遭遇重挫的背景下，全球總需求仍有2%的增量，總量高達106.9千噸。而國內碳纖維市場總需求增長更為強勁，2020年同比增長29%。據賽奧碳纖維技術預測，至2025年，國內碳纖維總需求將持續高速增長。 從需求結構來看，碳纖維下游應用分散多元，包括風電葉片、體育休閑、航空航天等領域，其中風電葉片和體育休閑都占據了主要地位。 風機葉片成為拉動碳纖維需求的主要引擎。一方面，風機葉片成為拉動碳纖維需求的主要引擎。一方面，風機葉片大型化、輕質化發展的趨勢推動碳纖維逐漸取代玻璃纖

3、維，成為風機葉片的主要材料。2020年，國內風電葉片碳纖維需求約占總需求的41%，為第一大需求板塊。另一方面，將碳纖維應用于風機葉片具有經濟性，主要有三方面原因：第一，在大型化機組中碳纖維的使用可以達到明顯減重效果，而直接材料成本并不會有明顯增加；第二，葉片減重可相應減少輪轂 、機艙 、塔架、樁基等結構的重量，減少其他部件的費用支出；第三，碳纖維的疲勞性能較好，可以延長設備使用周期，減少運維費用等綜合成本。 從供給端看，需求存在缺口，國內產能迎頭趕上。目前國內需求仍在很大程度上依靠進口滿足。從供給端看，需求存在缺口，國內產能迎頭趕上。目前國內需求仍在很大程度上依靠進口滿足。2020年國內進口碳

4、纖維占比超過60%，其中主要來源于日本（15%）、美國（9%）和中國臺灣（15%）。但國內產能正在迎頭趕上，相比于2019年的31.7%，國產碳纖維的市場份額有6.3%的增長。同時，自2019年以來，國內廠商積極擴產，擴產計劃覆蓋大小絲束碳纖維、高性能碳纖維、原絲及碳纖維復合材料等，國內碳纖維產能有望不斷提高，國際競爭力有望持續增強。我們測算，十四五期間碳化線設備的合計新增市場空間為134億元左右。 風險提示風險提示：政策變動風險；原材料和能源價格大幅波動風險；關鍵原材料及設備進口受限風險；下游需求項目進展不及預期風險。XXmVnYfWpXoXoPsQtQ7NaO9PoMqQoMsQeRnNn

5、RfQnNsM7NnNzQwMrNsQNZsPpM碳纖維碳纖維-需求日益增長的“黑金”需求日益增長的“黑金”13請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明4數據來源：新材料在線公眾號，中國玻璃纖維公眾號，鋼結構設計公眾號，中冶有色技術平臺公眾號，上海有色數據來源：新材料在線公眾號，中國玻璃纖維公眾號，鋼結構設計公眾號，中冶有色技術平臺公眾號，上海有色1.1 1.1 碳纖維高強輕質，品類多元碳纖維高強輕質，品類多元 碳纖維性能優異，高強輕質。碳纖維性能優異，高強輕質。21世紀以來，隨著風電行業迅速發展，風機葉片呈現大型化的趨勢，尋求質量更輕的新型材料替代傳統的玻璃纖維材料已經成為各企業廠商的目標。在

6、此背景下，碳纖維（carbon fiber, 簡稱CF）因其高強輕質的優點受到國內外廠商的青睞。 碳纖維是一種含碳量在90%以上，具有高強度和高模量的新型纖維材料。它是由片狀石墨微晶等有機纖維沿纖維軸方向堆砌后，經碳化及石墨化而得到的微晶石墨材料。碳纖維同時具有柔軟輕質和強度極高的特點；此外，還具有高模量、耐高溫、耐腐蝕等諸多優良性質，使其在一眾材料之中脫穎而出，被譽為“新材料之王”。因此，近年來碳纖維在航空航天、汽車工業、風電行業、建筑結構等領域都得到了廣泛的運用。表：碳纖維與其他常見材料性能比較材料名稱材料名稱拉伸模量拉伸模量(GPa)拉伸強度拉伸強度(MPa)密度密度(g /cm3)優點

7、優點缺點缺點碳纖維13515481.5耐高溫、耐疲勞性好、可設計性強、耐腐蝕性好生產成本高，價格貴、脆性材料，易斷裂、二次回收困難，重復利用率低玻璃纖維48.212452價格相對便宜，可實現量產性能弱于碳纖維、材料性脆，耐磨性差、透波率高，電磁屏蔽性能差鋁合金723932.8良好的鑄造性能和塑性加工性能、導電性好、導熱性好-鈦合金116.77124.5耐腐蝕性好、耐熱性好、強度高導熱性差、黏性大、流動性差鎂合金44.1250-3431.8密度小、減震性好、良好的阻隔電磁波功能化學活性強，易在空氣中氧化燃燒、抗腐蝕性差5數據來源：周嫄娜數據來源：周嫄娜大小絲束碳纖維性能評價與研究大小絲束碳纖維性

8、能評價與研究, , 吉用秋等吉用秋等大絲束碳纖維產業發展現狀及面臨的問題大絲束碳纖維產業發展現狀及面臨的問題，中復神鷹招股書，北京市碳纖維工程，中復神鷹招股書，北京市碳纖維工程20202020年全球碳纖維復合材料市場報告年全球碳纖維復合材料市場報告，光威復材公司公告，天風證券研究所，光威復材公司公告，天風證券研究所 按照每束碳纖維中所含單纖維根數，可將碳纖維分為大絲束和小絲束碳纖維。按照每束碳纖維中所含單纖維根數，可將碳纖維分為大絲束和小絲束碳纖維。大絲束碳纖維通常指纖維根數在48000根(即48k)以上的纖維束，而小絲束碳纖維通常指纖維根數小于48k的纖維束。 就性能和生產技術而言，早期小絲

9、束碳纖維優于大絲束碳纖維；但近年來，大絲束碳纖維在性能和生產技術方面奮起直追，但離小絲束仍有差距。因此，大絲束碳纖維價格通常較低。但從性價比來看，大絲束碳纖維通常更具優勢。以卓爾泰克公司的產品為例，其大絲束產品PANEX33-48K每美元拉伸強度和拉伸模量分別高達205MPa和13GPa；而小絲束產品T300-12K對應的指標值僅有 107MPa和7GPa。分類分類小絲束小絲束大絲束大絲束性能性能較高1.早期性能一般，但近年來不斷提升；2.在剛度（模量性能）方面，低于小絲束；3.制成的復合材料性能不均勻價格較高，2020年國際市場售價約為20-22美元/公斤較低，2020年國際市場售價約為13

10、.5-14.5美元/公斤性能價格比每美元拉伸強度（MPa/美元）107205每美元拉伸模量（GPa/美元）713應用航空航天、體育休閑等方向交通運輸領域、基礎設施領域、能源領域生產廠家國外：日本東麗、日本東邦、日本三菱、美國Hexel；國內：吉林化纖、中簡科技、光威復材等國外：美國Fortafil、美國Zoltek、美國Aldila和德國SGL ；國內：上海石化、新創碳谷、光威復材等表：大小絲束碳纖維比較1.1 1.1 碳纖維高強輕質，品類多元碳纖維高強輕質，品類多元6數據來源：中復神鷹招股書，天風證券研究所數據來源：中復神鷹招股書，天風證券研究所圖：中復神鷹各下游應用碳纖維單噸價格對比（元/

11、公斤）227.69 207.22 201.34 151.55 167.75 172.81 169.55 0.0050.00100.00150.00200.00250.00航空航天體育休閑風電葉片壓力容器碳碳復材交通建設其他小絲束碳纖維大絲束碳纖維 就應用方向來看，小絲束碳纖維通常運用于航天軍工等高科技領域和高爾夫球桿、網球拍等體育休閑領域；而大絲束碳纖維則在以風電葉片為代表的能源領域、交通建設、碳碳復材等領域得到廣泛運用。 由于性能和生產技術的差異，小絲束碳纖維價格通常高于大絲束碳纖維價格由于性能和生產技術的差異，小絲束碳纖維價格通常高于大絲束碳纖維價格，這也導致不同應用領域的碳纖維價格存在差

12、異，以中復神鷹公司的產品為例，由于航空航天和體育休閑領域使用小絲束碳纖維，相比于其他使用大絲束碳纖維的領域（如風電葉片、交通建設等），其對應的碳纖維產品價格更高；其中，由于航空航天領域對小絲束碳纖維的性能要求最嚴格，其使用的碳纖維價格也相應最為昂貴。1.1 1.1 碳纖維高強輕質，品類多元碳纖維高強輕質，品類多元7數據來源：數據來源： 宋季宋季碳纖維表面改性、界面粘合及金屬化的研究碳纖維表面改性、界面粘合及金屬化的研究，天風證券研究所，天風證券研究所 按照原材料不同，碳纖維主要可以分為聚丙烯腈基（按照原材料不同，碳纖維主要可以分為聚丙烯腈基（PANPAN- -CFCF）、粘膠基）、粘膠基(Ra

13、yon(Rayon- -CF)CF)、瀝青基碳纖維（、瀝青基碳纖維（PitchPitch- -CFCF）等，）等，其中瀝青基碳纖維又可以分為通用級和高性能級。三類原材料各有其優點和不足，因此有著不同的應用方向。但由于PAN基生產工藝相對簡單，產品力學性能優異，用途廣泛，占據了碳纖維產量九成以上。而瀝青基、粘膠基的產量規模相對較小。因此，目前市面上的碳釬維一般指PAN基碳纖維。分類分類優勢優勢劣勢劣勢應用占比應用占比應用方向應用方向聚丙烯腈基1.力學性能、熱學性能良好；2.生產工藝簡單；3.價格成本較低-90%以上復合材料骨架構建瀝青基通用級1.原料來源廣泛，價格低廉；2.高性能級具有高模量、高

14、熱導率、優秀的熱穩定性和抗沖擊能力1.通用級力學性能較差；2.強度不如PAN基；3.瀝青屬于熱塑性物質，碳化處理較困難約為4%混凝土增強材料高性能級高溫結構材料、高導熱材料、密封減震材料、核電站減速電極材料、航空工程材料等粘膠基高強高模、斷裂伸長率大、熱穩定性好、耐化學腐蝕、編制性好工藝要求苛刻，生產成本高不足1%極為重要的航空航天材料，唯一適用于火箭噴嘴結構的碳纖維表：聚丙烯腈基、粘膠基和瀝青基碳纖維比較 按照力學性能（即拉伸強度和拉伸模量）可以將碳纖維分為通用型和高性能型按照力學性能（即拉伸強度和拉伸模量）可以將碳纖維分為通用型和高性能型，其中，高性能型又可以細分為高強型、高模量型、超高強

15、型以及超高膜型。業內通常采用日本東麗（TORAY）公司制定的標準進行分類。1.1 1.1 碳纖維高強輕質，品類多元碳纖維高強輕質，品類多元81.2 1.2 工藝復雜，涉及原絲、碳絲兩大環節工藝復雜，涉及原絲、碳絲兩大環節 完整的碳纖維產業鏈包含從一次能源到終端應用的完整制造過程。完整的碳纖維產業鏈包含從一次能源到終端應用的完整制造過程。碳纖維產業鏈上游主要以石油化工行業為主，通過原油煉制、裂解、氨氧化等工序獲得丙烯腈:碳纖維企業通過對以丙烯腈為主的原材料進行聚合反應生成聚丙烯腈，再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲，對原絲進行預氧化、碳化等工藝制得碳纖維。碳纖維經與樹脂、陶瓷等材料結合，形成碳纖維復合材

16、料，最后由各種成型工藝得到下游應用需要的最終產品。碳纖維下游應用領域廣闊，需求持續增長，碳纖維復合材料被廣泛應用于航空航天、體育休閑、汽車、風電等領域，國內進口替代迫切。數據來源：新材料在線公眾號，天風證券研究所數據來源：新材料在線公眾號，天風證券研究所圖：碳纖維產業鏈9原油丙烯丙烯腈（AN）聚丙烯腈（PAN）精煉、裂解氧化氨氣聚合碳纖維原絲紡絲紡絲水溶劑油劑聚氧化乙烯（PEO）合成油劑碳纖維原絲預氧化表面處理碳化碳纖維預氧化爐預氧化爐碳化爐碳化爐電解質溶液碳酸銨上漿劑溶液EP樹脂碳纖維成品收絲、包裝原絲環節原絲環節碳絲環節碳絲環節 以最常見的聚丙烯腈基碳纖維為例，其以最常見的聚丙烯腈基碳纖維

17、為例，其制備過程主要分為兩個制備過程主要分為兩個環節環節：原絲：原絲環節環節和和碳絲環節碳絲環節。在原絲環節中，原油經過精煉、裂解等工藝得到丙烯，再通過氨氣氧化得到丙烯腈，丙烯腈經過聚合、紡絲之后得到碳纖維原絲。這一階段的技術壁壘和工藝差別主要集中在紡絲環節，即濕法紡絲和干噴濕法紡絲的工藝。在碳絲環節中，原絲經過預氧化、低溫和高溫碳化、表面處理得到聚丙烯腈基碳纖維，再經收絲、包裝即可得到碳纖維成品。第二階段最關鍵的則是預氧化爐和碳化爐。圖：聚丙烯腈碳纖維制備流程圖數據來源：吉林碳谷招股書，王艷芝等數據來源：吉林碳谷招股書，王艷芝等聚丙烯腈基炭纖維的制備聚丙烯腈基炭纖維的制備，天風證券研究所，天

18、風證券研究所1.2 1.2 工藝復雜，涉及原絲、碳絲兩大環節工藝復雜，涉及原絲、碳絲兩大環節10數據來源：數據來源： 賽奧碳纖維技術公眾號賽奧碳纖維技術公眾號2020 2020 年全球碳纖維復合材料市場報告年全球碳纖維復合材料市場報告 ，天風證券研究所，天風證券研究所1.3 1.3 下游需求總量高速增長，需求結構多元化下游需求總量高速增長，需求結構多元化圖：全球碳纖維市場需求（千噸）圖：國內碳纖維市場需求（噸） 自自2016年，不論是全球市場還是國內市場，碳纖維總需求都在持續增長。年，不論是全球市場還是國內市場，碳纖維總需求都在持續增長。雖然2020年民用航空受疫情影響遭遇重挫，對全球碳纖維市

19、場造成一定沖擊，但由于其他下游市場強勁補充，當年全球總需求仍有2%的增量，總量高達106.9千噸。據奧塞維碳纖維技術預測，至2030年，全球碳纖維需求將保持持續增長。 國內碳纖維市場總需求增長更為強勁。國內碳纖維市場總需求增長更為強勁。自2016年以來，國內碳纖維市場總需求迅速增長，并于2020年達到48851噸，對比2019年的37840噸，同比增長了29%。據賽奧碳纖維技術預測，至2025年，國內碳纖維總需求將繼續保持高速增長的態勢，并于2025年達到149498噸。106.92004002%14%15%0%2%4%6%8%10%12%14%16%18%050100150200250300

20、350400450全球碳纖維需求（千噸）增長率19563488519412814949829%34%27%0%5%10%15%20%25%30%35%40%02000040000600008000010000012000014000016000020162017201820192020 2021E 2022E 2023E 2024E 2025E中國碳纖維需求（噸）增長率11數據來源：數據來源： 賽奧碳纖維技術公眾號賽奧碳纖維技術公眾號2020 2020 年全球碳纖維復合材料市場報告年全球碳纖維復合材料市場報告 ，天風證券研究所，天風證券研究所1.3 1.3 下游需求總量高速增長，需求結構多元化

21、下游需求總量高速增長，需求結構多元化從結構來看，碳纖維下游應用多元，風電行業為主要增量：從結構來看，碳纖維下游應用多元，風電行業為主要增量：碳纖維下游應用分散多元，包括風電葉片、體育休閑、航空航天等領域，但不論從全球范圍還是單就國內市場而言，風電葉片和體育休閑都占據了主要地位。近年來，風力發電機功率日益增大的需求促使風機葉片日益大型化、輕質化發展；傳統葉片材料玻璃纖維無法滿足這一需求，而碳纖維因其強高質輕的優點逐漸取代玻璃纖維，成為風機葉片的主要材料。2020年，全球碳纖維市場中風電葉片占比約為29%，同比增長20%；而國內市場份額則約為40.9%，同比增長45%。由此可見，風電葉片不僅是碳纖

22、維產業最主要的下游應用，更是國內碳纖維廠商的發展機遇所在。圖：2020年全球碳纖維需求結構15.39%28.64%14.41%11.70%8.24%8.89%4.68%3.84%1.40%1.12%0.94%0.76%航空航天風電葉片體育休閑汽車壓力容器混配模成型碳碳復材建筑電子電氣船舶40.94%29.89%6.14%4.50%4.09%3.48%3.48%2.46%2.46%0.82%0.25%1.50%風電葉片體育休閑碳碳復材建筑補強壓力容器航空航天混配模成型電子電氣汽車電纜芯圖：2020年國內碳纖維需求結構乘“風”而起，受益于風機大型化乘“風”而起，受益于風機大型化212請務必閱讀正文

23、之后的信息披露和免責申明132.1 2.1 風機葉片為國內碳纖維需求的主要增長引擎風機葉片為國內碳纖維需求的主要增長引擎 風電葉片是中國碳纖維需求快速增長的主要引擎：風電葉片是中國碳纖維需求快速增長的主要引擎：從需求情況來看，2020年，國內風電葉片碳纖維需求約20000噸，約占總需求的40.9%，為第一大需求板塊。從國內外對比來看，國內市場增長明顯高于國際增長。2017-2020年中國僅風電葉片碳纖維用量分別為0.3、0.8、1.4、2.0萬噸，四年間的復合增長率為88%。同時，國內風電碳纖維需求占全球需求量比例由15%提升至65%，證明了國內市場增速顯著高于國際市場。圖：中國及全球風電碳纖

24、維需求情況（噸）數據來源：賽奧碳纖維技術公眾號數據來源：賽奧碳纖維技術公眾號2020 2020 年全球碳纖維復合材料市場報告年全球碳纖維復合材料市場報告，天風證券研究所，天風證券研究所15%36%54%65%0%10%20%30%40%50%60%70%050001000015000200002500030000350002017年2018年2019年2020年中國全球比例14 碳纖維主要用在風電葉片的橫梁等關鍵部位：碳纖維主要用在風電葉片的橫梁等關鍵部位：由于碳纖維比玻纖昂貴，百分百采用碳纖維制造葉片并不合算，目前主要是碳纖維和玻纖混合使用，碳纖維主要用在一些關鍵部位如橫梁（尤其是梁帽）、前

25、后邊緣、葉片表面等，其中梁帽為目前碳纖維的最主要應用，作用為減輕重量、提升剛度。圖：VESTAS風電葉片結構示意圖數據來源：新材料在線公眾號，沈真數據來源：新材料在線公眾號，沈真國產碳纖維在風電葉片產業中的機會國產碳纖維在風電葉片產業中的機會，天風證券研究所，天風證券研究所2.1 2.1 風機葉片為國內碳纖維需求的主要增長引擎風機葉片為國內碳纖維需求的主要增長引擎應用部位應用部位應用效果應用效果主梁帽使葉片重量明顯降低，且提升葉片剛度蒙皮表面提高葉片抗壓力和抗拉能力，緩解環境對葉片的腐蝕葉片根部1、提升根部材料的斷裂程度和承載強度，降低根部螺栓的壓力；2、使螺栓數量增多，鞏固葉片與輪轂連接處的

26、性能，提升靜態強度和疲勞強度防雷系統葉片前后緣經過特殊設計，使葉片高效避免雷擊葉尖1、降低重量，降低輪轂負載；2、可以使葉片振動方向和強度得到保證；表：碳纖維復合材料在風電葉片的具體應用15 碳纖維的應用在風電葉片中是否為必須？回答這個問題繞不開風電的變化趨勢碳纖維的應用在風電葉片中是否為必須？回答這個問題繞不開風電的變化趨勢風機的大型化。風機的大型化。 從主機廠金風科技的銷售情況可以看出，原本占據絕對比例的3MW機組（圖中的2S）的份額正在明顯地下降，同時根據近期陸風項目的招標要求，單機組功率要求4MW以上趨勢逐漸明顯。 海風方面，根據我們的統計，2022年以來已經陸續啟動了約4GW海風項目

27、的招標，機組功率要求基本在8MW以上，10MW以上的要求也屢見不鮮。表：海風招標項目統計數據來源：金風科技官網，風電龍船網，風芒能源，天風證券研究所數據來源：金風科技官網，風電龍船網，風芒能源，天風證券研究所2.2 2.2 風機葉片中必須應用碳纖維嗎？風機葉片中必須應用碳纖維嗎？圖：金風科技風機銷售情況（MW）招標時間招標時間項目項目所在地所在地招標內容招標內容機組要求機組要求2022.1.4三峽陽江青洲五、六、七海上風電項目廣東陽江合計3GW機組及附屬設備（含塔筒）8MW及以上2022.1.5浙能臺州1號海上風電場項目浙江臺州300MW風電機組及附屬設備（含塔筒）7-9MW2022.1.15

28、三峽集團2021年新能源領域設備物資（標段二、三）福建平潭40+60MW風機及塔筒8MW及以上2022.3.21華能汕頭勒門（二）海上風電場項目廣東汕頭594MW風機+塔筒11MW及以上16 風機功率與葉片長度關系基本固定，大型化趨勢下，葉片長度必然增加。風機功率與葉片長度關系基本固定，大型化趨勢下，葉片長度必然增加。 根據推導，風機功率與葉片長度的平方成正比關系，或者說與掃風面積呈正比關系，即P=1/2r2V3Cp（對于這一結論我們已經根據現有風機數值進行了驗證）。反推過來，在假設海風風機額定風速在11m/s的情況下（參考現有風機設計標準），我我們計算出當風機功率到達們計算出當風機功率到達8

29、MW8MW時，葉輪直徑在時，葉輪直徑在180m180m左右，功率達到左右，功率達到10MW10MW時，葉輪直徑在時，葉輪直徑在200m200m左右，所以我們判斷，未左右，所以我們判斷，未來海風主流機型葉輪直徑在來海風主流機型葉輪直徑在180m180m甚至甚至200m200m以上。以上。表：風機功率與葉片長度的關系數據來源：天風證券研究所計算數據來源：天風證券研究所計算2.2 2.2 風機葉片中必須應用碳纖維嗎？風機葉片中必須應用碳纖維嗎？公式公式推導推導解釋解釋P=Cp*E風力發電的本質為風能轉換為電能P為風機功率，E為風功率，Cp為風能利用系數P=1/2*m*V2*Cp風功率為單位時間通過風

30、機的動能m為空氣質量，v為風速P=1/2*S*V3*Cp計算空氣質量m=*S*V為空氣密度，一般為1.2 kg/m3，S為掃風面積P=1/2*r2*V3*Cp計算掃風面積r為葉片長度17 葉片長度增加后對于“重量”和“剛度”提出要求，碳纖維的重要性凸顯。葉片長度增加后對于“重量”和“剛度”提出要求，碳纖維的重要性凸顯。 剛度方面：對于大型葉片 ,剛度成為主要問題，為了保證在極端風載下葉尖不碰塔架,葉片必須具有足夠的剛度。風吹到葉片做功的時候，葉片旋轉時會彎向塔架，碳纖維復合材料的彈性模量是玻纖的23倍，更不容易發生形變。 重量方面：葉片重量對運行 、疲勞壽命 、能量輸出有重要的影響。全玻璃鋼葉

31、片重量比較大，而碳纖維復具有更低的密度，可以保證風電葉片在增加長度的同時,重量降低。表：葉片長度與重量增加后的影響數據來源：金屬加工公眾號，陳宗來、陳余岳數據來源：金屬加工公眾號，陳宗來、陳余岳大型風力機復合材料葉片技術及進展大型風力機復合材料葉片技術及進展，天風證券研究所，天風證券研究所2.2 2.2 風機葉片中必須應用碳纖維嗎？風機葉片中必須應用碳纖維嗎？影響影響說明說明共振問題共振問題重量的增加大于剛度的增加，使葉片固定頻率下降，易發生共振，造成結構破壞主梁帽層間主梁帽層間失效失效質量上升，載荷上升，使層間失效風險增加葉根疲勞失葉根疲勞失效效葉片變長，使根部反復交替的載荷增加，易發生疲勞

32、失效扭轉問題扭轉問題長度增加，使風輪在擺動方向上受到較大的載荷，與氣動載荷耦合作用，易導致扭轉變形圖：葉片旋轉時會彎向塔架18 葉片長度增加后碳纖維的滲透率在明顯提升。葉片長度增加后碳纖維的滲透率在明顯提升。根據美國桑迪亞國家實驗室報告，盡管隨著工藝的進步玻纖目前仍適用于任何長度的風機葉片，但碳纖維的應用隨著葉片長度的增加明顯地提升，當葉片長度大于70m時，碳纖維的滲透率達到了55%,根據前文表述，未來海風主流機型在8MW以上，葉片長度在90m以上，這為碳纖維提供了廣闊的舞臺。數據來源：數據來源：Optimized Carbon Fiber Composites in Wind Turbine

33、 Blade DesignOptimized Carbon Fiber Composites in Wind Turbine Blade Design，天風證券研究所，天風證券研究所2.2 2.2 風機葉片中必須應用碳纖維嗎？風機葉片中必須應用碳纖維嗎？圖：碳纖維滲透率隨葉片長度增加而提升19 10MW10MW以上機型碳纖維滲透率有望達到百分百。以上機型碳纖維滲透率有望達到百分百。桑迪亞實驗室預計，碳纖維的主要發力機型在于3-5MW和8-10MW區間，其中10MW以上機型有望100%使用碳纖維梁帽。同時參考國內海風葉片的發展情況，東方電氣、上海電氣等公司陸續推出10MW以上的海風葉片，根據目前

34、的情況，功率10MW且葉片90米以的風機都使用了碳纖維，與SANDIA預計情況基本一致。數據來源：數據來源： Optimized Carbon Fiber Composites in Wind Turbine Blade DesignOptimized Carbon Fiber Composites in Wind Turbine Blade Design，新材料平臺復合材料行業中心公眾，新材料平臺復合材料行業中心公眾2.2 2.2 風機葉片中必須應用碳纖維嗎？風機葉片中必須應用碳纖維嗎？圖：各功率下碳纖維滲透率2021e100%98%90%61%47%100%100%57%0%0%2%10%

35、39%53%0%0%43%100%0%20%40%60%80%100%120%玻纖碳纖維公司公司葉片信息葉片信息碳纖維使用情況碳纖維使用情況東方電氣東方電氣90米長的10MW葉片主梁用碳纖維東方電氣東方電氣103米長13MW葉片主梁用高模量高比強碳纖維上海電氣風電上海電氣風電102米11MW海風葉片主梁用碳纖維明陽風電明陽風電99米11MW海風葉片主梁用碳?；祀s表：國內大功率海風葉片發展情況國產替代機會于各環節中孕育國產替代機會于各環節中孕育320請務必閱讀正文之后的信息披露和免責申明21 目前國內需求存在缺口，仍在很大程度上依靠進口滿足。目前國內需求存在缺口，仍在很大程度上依靠進口滿足。20

36、20年國內國產碳纖維占比38%，進口碳纖維占比超過60%，其中主要來源于日本（15%）、美國（9%）和中國臺灣（15%）。但國內產能正在迎頭趕上，相比于2019年的31.7%，國產碳纖維的市場份額有6.3%的增長。 就總產能而言，國內廠商主要面臨美國和日本的競爭。2020年度，美國碳纖維總產能最高，達37.3千噸，占全球總產能21.7%；其次是中國，占據全球市場21.1%的份額；日本總產能達到29.2千噸，在全球市場占比17.0%，排名第三。 在小絲束市場方面，中國主要競爭對手是日本、日本東麗在韓國工廠及韓國曉星公司，其2020年在華銷售總量約為9,900噸（盡管東麗在2020年8月份之后被暫

37、停出口）。在大絲束市場方面，國內主要產能來源于藍星及碳谷+寶旌，其總產能約為4,000噸。而中國競爭對手主要是東麗旗下卓爾泰克（包括其在美國、墨西哥和匈牙利的工廠）、日本三菱、德國西格里、臺塑及土耳其DowAksa，其總量大約17,000噸。數據來源：各公司公告，數據來源：各公司公告， 賽奧碳纖維技術公眾號賽奧碳纖維技術公眾號2020 2020 年全球碳纖維復合材料市場報告年全球碳纖維復合材料市場報告 ，天風證券，天風證券3.1 3.1 需求存在缺口，國內產能迎頭趕上需求存在缺口，國內產能迎頭趕上38%15%15%9%6%5%5%7%中國日本中國臺灣美國墨西哥匈牙利韓國其他進口圖：2020年中

38、國碳纖維需求來源21.7%21.1%17.0%5.8%5.1%5.4%2.1%3.0%2.3%1.2%4.8%0.3%9.0%1.2%美國中國大陸日本墨西哥中國臺灣韓國土耳其德國英國俄羅斯法國西班牙匈牙利其他圖：2020年各國碳纖維產能223.1 3.1 需求存在缺口，國內產能迎頭趕上需求存在缺口，國內產能迎頭趕上國內廠商積極擴產，國內產能迎頭趕上。國內廠商積極擴產，國內產能迎頭趕上。自2019年以來，國內主要碳纖維廠商大多開始策劃或建設大型碳纖維生產項目，擴產計劃覆蓋大小絲束碳纖維、高性能碳纖維、原絲及碳纖維復合材料等，國內碳纖維產能有望不斷提高，國際競爭力有望持續增強。表：國內廠商碳纖維生

39、產線投資計劃數據來源：數據來源： 賽奧碳纖維技術公眾號賽奧碳纖維技術公眾號2020 2020 年全球碳纖維復合材料市場報告年全球碳纖維復合材料市場報告，立鼎產業研究網，立鼎產業研究網 ，各公，各公公司名稱公司名稱計劃日期計劃日期/建設日期建設日期計劃詳情計劃詳情光威復材2019年8月20日年產1萬噸大絲束碳纖維（含原絲），上海石化2020年3月26日年產1.2萬噸48k大絲束碳纖維項目（配套2.4萬噸原絲）新創碳谷2020年11月年產原絲3.8萬噸，大絲束碳纖維1.9萬噸，大絲束碳纖維復合材料部件2.8萬噸杭州超探2020年12月建設年產1萬噸高性能碳纖維及碳碳復合材料等項目廣東金輝2020年

40、12月年產碳纖維原絲5萬噸、碳纖維2萬噸、碳纖維復合材料4萬噸中復神鷹2021年1月20日計劃投資5.15億元專注于航空樹脂、航空用碳纖維中間制品和成型工藝的研究、開發和制造吉林化纖2021年2月5日引進國際國內先進設備，生產1K、3K小絲束特殊領域應用的碳纖維，形成年產碳纖維600噸的產品規模國泰大成2021年3月年產2.5萬噸原絲、1萬噸碳纖維、碳纖維織物及復合材料吉林碳谷2021年4月“十四五”期間將完成15萬噸碳纖維原絲建設，屆時碳纖維原絲產能將達到20萬噸新疆隆炬2021年7月18日年產5萬噸高性能碳纖維項目23數據來源：新材料在線公眾號，吉林碳谷招股書，天風證券研究所數據來源：新材

41、料在線公眾號，吉林碳谷招股書，天風證券研究所3.2 3.2 原絲環節原絲環節- -紡絲工藝逐漸進步紡絲工藝逐漸進步 原絲制備環節是碳纖維制備的首要環節原絲制備環節是碳纖維制備的首要環節。碳纖維制備的主要工藝包括原絲制備、預氧化、碳化、表面上漿和卷繞，其中原絲成本在碳纖維總成本中占比高達51%。 碳纖維原絲的工藝主要分為聚合過程、制膠過程、紡絲過程三個過程。碳纖維原絲的工藝主要分為聚合過程、制膠過程、紡絲過程三個過程。在聚合過程中，丙烯腈共聚單體引發體系水，經聚合反應、脫單、水洗和干燥后得到聚合物粉料（PAN基）；在制膠過程中，聚合物粉料（PAN基）經溶解、脫泡后得到凝固浴紡絲；最后進入紡絲過程

42、，凝固浴紡絲經水洗、上油和牽伸得到碳纖維原絲。 紡絲環節是整個原絲制備環節的技術壁壘和工藝差別所在，對原絲質量有重大影響。紡絲環節是整個原絲制備環節的技術壁壘和工藝差別所在，對原絲質量有重大影響。51%16%23%4%6%原絲預氧化碳化表面上漿卷繞圖：碳纖維成本構成圖：原絲制備過程聚合聚合制膠制膠紡絲紡絲24數據來源：光威復材招股書，李文杰數據來源：光威復材招股書，李文杰干濕法與濕法干濕法與濕法PANPAN基碳纖維制備過程中纖維結構性能的差異性研究基碳纖維制備過程中纖維結構性能的差異性研究，PANPAN初生纖維取向結構形成研究初生纖維取向結構形成研究，天風證券研究所，天風證券研究所 碳纖維原絲

43、的紡絲方法主要包括干法紡絲制備和濕法紡絲制備、干濕法紡絲制備（干噴濕法紡絲）和熔融法紡絲制備等。碳纖維原絲的紡絲方法主要包括干法紡絲制備和濕法紡絲制備、干濕法紡絲制備（干噴濕法紡絲）和熔融法紡絲制備等。其中干法制備和熔融法制備工藝目前尚不完善，工業運用不多。而濕法紡絲具有穩定性較好，易于控制反應等優點，在工業生產中得到了廣泛使用。此外，由于同時具備濕法紡絲和干法紡絲的優點，干噴濕法紡絲近年來得到推廣。項目項目濕法紡絲濕法紡絲干濕法紡絲干濕法紡絲噴絲孔直徑小，0.050.075mm大，0.100.30mm紡絲液中、低分子量和固含量高分子量，高固含量，高粘度牽伸率噴絲后為負牽伸，一般負率20%50

44、%噴絲后為正牽伸，一般正率100%400%紡速紡絲紡速速度慢，一般80m/min左右紡絲紡速速度快，可在300m/min左右纖維纖維表面有溝槽，體密度一般纖維表面光亮平滑，纖維致密，密度較高紡絲溫度紡絲溫度較高，一般為50-70度紡絲溫度較低，一般為40-45度優點穩定性較好，易于控制反應制成的原絲相對均勻，結晶程度高，分子鏈排列整齊，內部孔隙結構少，物理性能更優缺點形成的纖維內部和表層結構差異性較大，表皮結構致密，芯層結構松散，化學結構雜亂，且這些缺陷會遺傳給碳纖維- 濕法紡絲工業運用悠久，技術較為成熟。濕法紡絲工業運用悠久，技術較為成熟。方法是將噴絲板浸入在溶液中，紡絲細流由于濃度差異產生

45、由表及里的劇烈凝固過程。但是由于外內層擴散的劇烈程度不同，開始擴散的時間存在差異，使纖維內部和表層結構差異性比較大，表皮結構致密，芯層結構松散，化學結構雜亂。 干濕法有效改善了濕法紡絲中的一些缺干濕法有效改善了濕法紡絲中的一些缺陷陷。在干濕法紡絲過程中，紡絲液經噴絲孔噴出后，先經過空氣層（即“干噴段），再進入凝固浴進行雙擴散、相分離和形成絲條。此方法紡出的纖維體密度較高，表面平滑無溝槽，且可實現現速紡絲，用于生產高性能、高質量的碳纖維原絲。表：濕法紡絲和干噴濕法紡絲對比3.2 3.2 原絲環節原絲環節- -紡絲工藝逐漸進步紡絲工藝逐漸進步25數據來源：中復神鷹招股書，天風證券研究所數據來源：中

46、復神鷹招股書，天風證券研究所紡絲方法紡絲方法干濕法紡絲干濕法紡絲濕法紡絲濕法紡絲日本東麗級別中復神鷹光威復材恒神股份中簡科技牌號拉伸強度（Mpa）牌號拉伸強度（Mpa）牌號拉伸強度（Mpa）牌號拉伸強度（Mpa）T800SSYT55S5900TZ800S5880HF405500-5700ZT85500TZ800H5490HF40T6000T1000GSYT656400TZ1000G6370HF506500ZT95800M40JSYM404700TZ4J4410HM34900-5000ZM40J4400表：濕法紡絲和干噴濕法紡絲對比 干濕法干濕法生產出的生產出的碳纖維原絲碳纖維原絲性能更強性能更

47、強。國內目前采用干濕法紡絲的廠商主要包括中復神鷹、光威復材和恒神股份。中復神鷹在國內率先突破 T700 級、T800 級、T1000 級干噴濕紡核心技術，在干噴濕紡碳纖維的技術成熟度方面具有一定優勢；光威復材、恒神股份過往以濕法碳纖維為主，近年來逐漸突破了干噴濕紡工藝技術，開發了 T700、T800 級及 T1000 級干噴濕紡產品，目前已形成批量化的干噴濕紡產品市場銷售；而中簡科技則主要生產濕法碳纖維，在 T800 級及以上的同級別產品性能方面，較采用干噴濕紡工藝的同級別產品，在拉伸強度方面性能較低。3.2 3.2 原絲環節原絲環節- -紡絲工藝逐漸進步紡絲工藝逐漸進步26數據來源：數據來源

48、： 李川李川碳纖維預氧化爐溫度特性仿真及其監控系統研究碳纖維預氧化爐溫度特性仿真及其監控系統研究，碳纖維及其復合材料公眾號，碳纖維及其復合材料公眾號，3.3 3.3 碳絲環節碳絲環節- -設備國產替代趨勢明顯設備國產替代趨勢明顯 預氧化工藝在整個制備過程中所占用的時間超過其他工藝的時間，是整個生產過程的重中之重。預氧化工藝在整個制備過程中所占用的時間超過其他工藝的時間，是整個生產過程的重中之重。預氧化爐的作用是使熱塑性的PAN線形大分子鏈轉化為具有非塑性耐熱梯形結構的預氧絲，其在碳化高溫下不熔不燃，熱力學處于穩定狀態。 目前使用的熱空氣預氧化設備， 按熱空氣與絲面運行方向的夾角不同分為3種吹風

49、方式：一是熱風從絲條運行的垂直方向吹入，稱為垂直吹風方式，其主要特點是在爐腔外面增加端氣封，端氣封吹出一定溫度的熱空氣，起到將外界冷空氣隔離的作用；二是熱風從絲條的側面吹入，稱為側吹風方式，主要采用將送風管道的熱空氣引到端氣封，企圖用熱空氣對吹的方式來阻擋爐內熱空氣的溢出和爐外冷空氣的進入；三是熱風從氧化爐中間位置平行于絲條的運行方向吹向兩端，稱為中間向兩端送風方式，采用氧化爐下半部分作為新鮮空氣的進風口， 而上半部分作為廢氣的排放口。不同吹風方式在工業化生產中都有應用。圖：碳纖維預氧化爐工藝流程種類種類優點優點缺點缺點垂直送風方式-1.增加能耗；2.增加了設備的整體尺寸；3.要求加熱控制系統

50、與氧化爐的加熱控制系統要有高度的協調匹配側吹風方式-1.對氧化爐的風機功率要求高；2.端氣封可能擾亂端部氣場和溫度中間向兩端送風方式節能會有一定量的冷空氣隨之進入爐內，從而造成爐內端部溫度場的異常。表：碳纖維預氧化爐種類對比27數據來源：歐陽艷艷等數據來源：歐陽艷艷等碳纖維材料高溫碳化過程研究進展概述碳纖維材料高溫碳化過程研究進展概述，姜元虎，姜元虎低溫碳化爐不銹鋼馬弗爐的設計及內部低溫碳化爐不銹鋼馬弗爐的設計及內部，鄭州泰達礦冶，鄭州泰達礦冶設備有限公司官網，設備有限公司官網，天風證券研究所天風證券研究所 碳化爐是碳纖維生產過程中的另一關鍵設備碳化爐是碳纖維生產過程中的另一關鍵設備。碳化爐的