随着科技的发展、新能源领域的扩张，各种新型材料不断涌出，逐步替代原有传统材料，特别是在航天军工等特殊领域，新材料的应用对于性能有着根本性的提升，碳纤维材料就是其中之一。今天就来了解下在航天军工及民用市场都有国产替代广泛需求的碳纤维行业。

　　碳纤维材料特性：高性能高壁垒

　　碳纤维是无机纤维材料的一种。纤维增强复合材料是由增强纤维材料与基体材料经过缠绕、模压或拉挤等成型工艺而形成的复合材料。根据增强纤维材料的不同，分为有机纤维和无机纤维，无机纤维包括玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维等。碳纤维(carbon fiber，简称CF)是一种含碳量在90%以上的高强度、高模量的无机高分子纤维，与各种基体经过复合工艺后制成的碳纤维复合材料(CFRP)，可以应用在航空、军事工业、风力发电叶片、汽车构件、体育休闲产品等其他工业和民用领域。碳纤维材料具备高性能、高壁垒两个显著特点，有“黑黄金”之称。

　　碳纤维按纤维数量分为小丝束、大丝束。单根碳纤维无法应用，实际使用的碳纤维是由一定数量的碳纤维丝集束而成，1K代表一束碳纤维中有1000根丝，通常把小于24K的碳纤维称为小丝束碳纤维，小丝束碳纤维主要应用于国防军工(导弹、火箭、卫星等)、航空航天及体育休闲领域，因此又被称为“宇航级”碳纤维，价格比大丝束碳纤维更加昂贵。通常把48K以上的碳纤维称为大丝束碳纤维，主要用于交通运输、风电叶片、医药卫生、纺织、机电等工业领域，因此被称为“工业级”碳纤维。

　　2020年全球碳纤维需求结构中，大丝束销量占比约45%，小丝束销量占比约55%，大丝束销量占比呈现提升趋势。大丝束相对于小丝束，产品性能相对较低但制备成本亦较低。从全球市场平均售价来看，风电领域均价约9万元/吨，主要以国内外T300级24K、48K、50K等产品为主。

　　碳纤维具备出色的力学性能和化学稳定性，密度比铝低、强度比钢高，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维，具有质轻、高强度、高模量、导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等一系列其他材料所难以替代的优良性能。碳纤维优越的比模量和比强度，使其成为极佳的轻量化材料。在汽车应用上，相较于高强钢，碳纤维可以实现60%的减重，因此在一众需要结构轻量化的领域，如体育、航天等，都能看到碳纤维的身影。

　　碳纤维生产流程复杂，对设备和技术要求极高。制备过程涉及众多控制点，每个控制点都有相应的参数，积累这些参数往往需要几年的周期，而只有每个参数都达到最优，所生产的产品性能才能达到最好。

　　资金壁垒高。碳纤维产线的投资门槛较高，从企业公告的产能计划来看，万吨投资额普遍在20亿元甚至以上，若是高性能碳纤维产线，则万吨投资额在100亿以上，高资金壁垒使得大量企业较难进入到这一行业。以行业龙头中复神鹰为例，2020年碳纤维吨净利约2.3万元，投资回报期约10年左右。

　　护城河深。尽管可以通过直接购买和挖角技术人员等方式获取配方，但仍需要时间去吸收和消化，配方壁垒突破时间为1-2年；想要突破工艺壁垒，还要在拥有配方的基础上投入大量精力去磨合和调整，通常需要3-5年；需要投入大量资本去设计、改造、调整装备和训练人员，壁垒突破时间5年以上。因此，碳纤维三大技术壁垒(配方、工艺、工程)的突破期合计超过10年，已经掌握成熟技术的企业先发优势极大，护城河深厚。

　　碳纤维的价格远远超过其他替代材料。按每千克均价，普通型号碳纤维的均价约在160元/kg，是铝、镁等合金的6-7倍，是玻璃纤维的8倍。而即使考虑到碳纤维用量的因素，这一巨大的价格差异也仍然无法被抹平。根据宝马公司对汽车单位减重成本的测算，使用碳纤维的单位减重成本约在32€/kg，仍然是铝的7倍。

　　碳纤维战略地位极高：

　　高性能碳纤维可用于制造导弹、战机等国防重器，长期以来一直在美国对华的禁运清单中，与原子能、半导体核心技术等同列。西方国家在上世纪60年代就开始对华实施碳纤维材料的技术禁运，除了碳纤维原丝禁运外，其制备技术及装备一直被国外发达国家垄断和封锁。

　　政策高度重视：

　　自1962年吉林石化开始PAN基碳纤维研究的数十年间，碳纤维一直受益于政策的高度重视。《中国制造2025》和十四五计划均强调碳纤维及其产业链的发展。2015年5月，国务院发布《中国制造2025》，对国家碳纤维及复合材料技术发展制定未来发展指标要求，促进高性能碳纤维及其复合材料技术研发的持续推进；2018年12月，工信部发布《产业发展与转移指导目录(2018年本)》，鼓励江苏省优先承接发展高性能碳纤维及其复合材料、碳/碳复合材料、无机非金属高性能纤维、新型纤维；2021年3月，在十三届全国人大四次会议上发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，提出要加强碳纤维等高性能纤维及其复合材料的研发应用。

　　在政策加码下，国内企业高度重视研发，专利申请量不断上升。在全行业共同努力下，我国碳纤维技术迈入世界领先水平，技术突破之后，需求同步爆发，行业迎来质变。

　　国内现状：国产替代加速

　　目前国内碳纤维企业发展路径主要是两类：

　　一是小丝束，国产替代更为迫切，三大龙头已然崛起。小丝束碳纤维用于军工领域等，国产替代更为迫切，在重点投入和需求支撑下，小丝束碳纤维企业更早实现国产替代。以干喷湿法为例，最早是中复神鹰在2013年率先突破千吨级碳纤维原丝干喷湿纺制造技术并于2015年实现稳定运行，随后光威复材(300699)、中简科技(300777)、恒神股份(832397)等企业陆续实现了干喷湿法的纺丝工艺，同时进行更高性能碳纤维的研制。

　　二是大丝束，利用腈纶工艺是发展趋势，吉林碳谷率先实现突破。近几年我国大丝束碳纤维技术实现突破：1)吉林碳谷在原奇峰化纤20年腈纶制备基础上进行研发，2008年设立就取得了DMAC为溶剂的湿法两步法专有技术，于2013-2015年间逐步实现了小丝束产品的DMAC为溶剂的湿法两步法的技术更新与优化，2017-2019年突破24K、25K、48K等大丝束产品稳定产业化生产技术，打破国际碳纤维巨头在原丝生产技术上的垄断；2)上海石化(600688)曾是国内最大的腈纶生产企业，2018年官方称突破48K大丝束碳纤维，2021年开始建设2.4万吨大丝束原丝、1.2万吨48K大丝束碳纤维项目。

　　市场需求旺盛：风光氢等领域需求爆发中国引领全球

　　2015年国内碳纤维需求量仅为1.7万吨，仅五年就增长逾3倍，2020年达到了4.9万吨，国内碳纤维需求实现连续3年超过30%的增长，远超全球增速。伴随下游应用领域的扩大和发展，中国或将成为全球主要碳纤维消费国，碳纤维需求有大幅增长的空间。

　　体育需求占据着我国下游应用的30%，需求量稳步增长；航空航天虽然用量不高，但单价远超出其他领域，未来随着军工开支有望稳步增长。近年来碳纤维因其良好的性能广泛应用于风电叶片、光伏硅晶热场材料(碳碳复材)、缠绕复合材料储氢气瓶等，显著受益于新能源行业增长。

　　1、风电：需求崛起的突破口

　　风电发展的100多年时间内，叶片材料先后出现了木材、布、铝合金等。风电机叶片是一个复合材料制成的薄壳结构，复合材料在整个风电叶片中的重量一般占到90 %以上。目前采用的大部分是玻璃纤维增强不饱和聚酯树脂体系材料。但随着风机功率的增加，叶片长度的不断增大，自身重量也不断增加，具备高强高模、低密度的碳纤维复合材料开始崭露头角。

　　2020年全球风电碳纤维用量约为3万吨，其中至少90%以拉挤板形式应用于叶片主梁；国内部分厂商已在新叶型上完成拉挤碳板试制或小批应用。2021年是拉挤碳板新叶型研发与储备期，预计2022年市场需求暴增。据测算，2025年风电碳纤维需求有望达到8.5万吨，年均复合增速34%，对应市场空间68亿。

　　2、光伏：受益于渗透率和需求量的双重拉升

　　光伏行业发展前期，其单晶拉制炉、多晶铸锭炉热场系统部件材料主要采用国外进口的高纯、高强等静压石墨。随着单晶硅拉制炉的容量快速扩大，在安全性方面不能适应大热场的使用要求，在经济性方面也已落后于碳基复合材料。先进碳基复合材料成为降低硅晶体制备成本、提高硅晶体质量的最优选择，正逐步形成在晶硅制造热场系统中对石墨材料部件的升级换代，目前主要应用于单晶拉制炉和多晶铸锭炉的热场材料。

　　3.高压氢气瓶：燃料电池汽车的广阔远景

　　氢气作为新型清洁能源已经应用于燃料电池汽车，其储氢系统是汽车的重要的组成部分，高压储氢是应用最广泛的方式。目前车用高压氢气瓶的国际主流技术通过以铝合金或塑料作为内胆，外层则用碳纤维进行包覆，提升氢气瓶的结构强度并尽可能减轻整体重量。

　　国务院办公厅印发的《新能源汽车产业发展规划(2021-2035)》提到燃料电池汽车实现商用化。2020年国家五部委联合下发《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》，拟开展为期4年的燃料电池汽车城市群创建工作。

　　根据中国氢能联盟发布的《中国氢能源及燃料电池产业白皮书(2019版)》预测，“我国至2025年燃料电池车销量将达到5万辆/年，至2050年将达到520万辆/年，预计2030年和2050年燃料电池车在商用车的渗透率分别为7%和37%，在乘用车的渗透率分别为3%和14%。”据此测算，2025年氢气瓶领域碳纤维需求将达1.6万吨，对应19亿市场规模；2030年需求将达17.1万吨，对应189亿市场规模；2050年需求将达78.2万吨，对应626亿市场规模。

　　除此之外，体育休闲领域是最早的碳纤维大规模应用领域，比如鱼竿、高尔夫球杆、网球拍、自行车等，体育休闲领域，中国市场碳纤维的需求占到了全球的90%。航空航天领域，碳纤维在短期内仍主要依赖军用领域拉动，假设其需求随我国军费开支同步稳定增长，给予10%的年均复合增速，到2030年航空航天用碳纤维市场规模或达18亿元。

　　我国小丝束和大丝束碳纤维先后实现技术突破，尤其是大丝束碳纤维的低成本优势，使得碳纤维在工业领域规模放量成为可能。

　　目前日美企业遥遥领先，2020年全球碳纤维总产能约为17万吨，其中仅东丽一家就达到5万吨。近几年我国碳纤维企业有效产能快速扩张，进口比例持续下降。2015年行业产能利用率仅15%，2020年提升至51%。

　　主要公司：

　　吉林碳谷(及下游企业)、中复神鹰、光威复材(300699)、中简科技(300777)等。

　　风险提示：新能源领域需求增长低预期；大丝束碳纤维产能扩张超预期等。