（报告出品方：华创证券）
一、外柔内刚的碳纤维
碳纤维是指含碳量在90%以上的无机高分子材料，用聚丙烯腈（沥青或粘胶）等做原料，经过高温氧化、碳化等环节而生成，是目前高性能纤维中具有最高的比强度、比模量的纤维，且耐高温也是最好的，主要应用在军工和工业等领域。
（一）分类众多、性能出色、应用广泛
碳纤维的分类标准有很多，目前分类标准主要有：原丝种类、丝束规格和力学性能。按原丝种类可以将碳纤维分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。其中，PAN基碳纤维成品品质优异、力学性能优良，且相比于另外两种碳纤维工艺难度更低，是最主要的碳纤维品种，目前已成为主流，产量占比超90%；而沥青基碳纤维原料调制复杂，产品性能较低，粘胶基碳纤维技术难度大，成本高，两者产量均较小。按丝束规格可以将碳纤维分为小丝束和大丝束。早期小丝束碳纤维以1K、3K、6K为主，逐渐发展出12K和24K，其生产工艺难度大，价格较高，但性能优异，主要应用于军工、航空航天领域；大丝束碳纤维通常指48K以上的碳纤维，包括48K、60K、80K等，其生产成本低，性价比高，主要应用于工业领域。
按力学性能可以将碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型和高强高模型等。由于行业内没有统一的标准来划分碳纤维型号，而日本东丽长期处于行业龙头地位，因此其产品型号具有相对通用性，而我国现行的碳纤维标准型号也逐步追赶上日本东丽。
碳纤维已成为理想的轻量化材料。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，模量高，弹性模量在GPa以上；强度比钢大，抗拉强度在MPa以上；密度比钢低，是钢的1/4，同时具有耐腐蚀、耐高温、导电性能优和导热系数大等特点。
碳纤维的应用领域非常广泛。主要应用在航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域，并在不同领域碳纤维的使用类型也有所差异。当前全球小丝束碳纤维行业标准制定权和定价权牢牢掌握在美国、日本企业手中，并且因其用途的敏感性，国外在小丝束碳纤维出口方面实施严格管制，我国军用领域的突破发展受到影响。
（二）政策助力，产业发展取得成效
我国碳纤维行业发展艰难玉成。自碳纤维诞生以来，高端碳纤维复合材料技术长期掌握在发达国家手中，早在上世纪70年代，国外就已实现高性能碳纤维的批量生产；我国碳纤维技术研发始于年，然而长期以来并没有取得重大的进展；年后，师昌绪院士提出要大力发展碳纤维产业，得到了政府的高度重视，并开始大力支持碳纤维领域的自主创新；年，光威复材率先生产出碳纤维材料，性能接近T级；年，我国第一条百吨级T生产线投产；年后，我国碳纤维产量开始增长；年，中复神鹰千吨级T原丝生产线投产；年，我国碳纤维产量达2.9万吨。
政策高度重视，助力产业发展。年后，我国开始大力发展碳纤维产业，在“”、“”计划中被列为重点研发领域；年，加快发展碳纤维并提高规模化制备水平被列入“十二五发展规划”；年，《中国制造》提出先进复合材料是新材料发展重点；年，“十三五”提出加强新材料产业上下游协作配套，在碳纤维复合材料领域开展协同应用试点示范；年，加强碳纤维及其复合材料的研发应用被列入“十四五规划”重点发展领域；年4月，工信部、发改委提出攻克48K以上大丝束、高强高模高延伸、T级、M65J级碳纤维制备技术。从政策导向来看，国家高度重视碳纤维行业发展，高性能、规模化是我国碳纤维产业的发展趋势。
（三）原丝和碳化是产业链中最核心的环节
碳纤维产业链包含从上游原油到终端碳纤维成品应用的完整制造过程。首先，从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯，并经氨氧化后得到丙烯腈；其次，丙烯腈经聚合和纺丝后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；然后，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到聚丙烯腈基碳纤维；最后，碳纤维与其他材料结合（树脂、陶瓷等），可形成碳纤维复合材料，并应用于下游各个领域。碳纤维整个生产过程中最核心的环节是原丝制备和碳化。原丝：碳纤维的强度显著地依赖于原丝的微观形态结构及其致密性，原丝的质量和成本很大程度上决定了碳纤维的质量和生产成本，而制备原丝的壁垒来自于生产工艺，如聚合、制胶、纺丝等过程。碳化：此环节包含预氧化、低温和高温碳化，氧化炉和碳化炉是关键设备。
原丝生产工艺：按照聚合和纺丝的连续性分为一步法和两步法，一步法包含聚合、纺丝过程，两步法则包含聚合、制胶、纺丝过程；按照纺丝溶剂区分，包括DMSO（二甲基亚砜）、DMAC（二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸钠）等；按照纺丝工艺，分为湿法和干喷湿纺法，纺丝工艺的选择及控制是保证高性能原丝稳定生产的关键因素。碳纤维生产工艺：原丝经多段氧化过程后得到预氧丝，预氧丝在氮气保护下，经过低温、高温碳化得到碳丝，随后经表面处理、上浆、烘干等过程最终得到碳纤维产品，碳化、氧化环节的温度控制是影响碳纤维成品质量的关键。
目前我国已形成了一步法或二步法湿法/干喷湿法纺丝工艺等国产化技术。其中，吉林碳谷采用DMAC水相聚合湿法二步法工艺；上海石化采用自主研发的NaSCN湿法工艺；光威复材、恒神股份、中简科技均采用DMSO一步法湿法或干喷湿纺工艺；中复神鹰则采用DMSO一步法干喷湿纺工艺。湿法两步法比较适合大丝束原丝的生产。国内吉林碳谷在年就取得了以DMAC为溶剂的湿法两步法的技术突破，打破了国际巨头的垄断，此方法因其经水相悬浮聚合后，原液和聚合的产量大，故适合大丝束原丝的生产；而其他企业所采用的一步法，在聚合物以及原液制造等方面限制了纺丝的产量，并且湿法成型的纤维纤度变化小、纤维上残留的溶剂少，容易控制原丝质量。干喷湿纺更适用于小丝束碳纤维的生产。国内中复神鹰在年率先突破了干喷湿纺技术，其有效地结合了干法和湿法，在纺丝速度以及原丝性能等方面均具有明显的优势。相比湿法纺丝，干喷湿纺喷丝头不直接浸入凝固浴，而是在进入凝固浴之前先经过空气层，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，从而原丝结构更为均匀致密，力学性能更高。
二、新能源等领域驱动碳纤维需求爆发
未来国内碳纤维需求保持高速增长。根据赛奥碳纤维《-全球碳纤维复合材料市场报告》，从全球的维度来看，碳纤维需求量从年的7.65万吨增至年的11.8万吨，CAGR为9.02%，年同比增速从年的3.05%提升至10.42%，年预计全球需求量达20万吨，未来4年CAGR为14.10%；从国内的维度来看，碳纤维需求量从年的1.96万吨增至年的6.24万吨，CAGR为26.06%，年的同比增速高达27.69%，年预计国内需求量为15.93万吨，未来4年CAGR为26.37%。
从应用领域来看，年全球和国内碳纤维的主要应用领域均是风电叶片。年全球碳纤维需求量占比前三的领域分别是风电叶片（27.97%）、体育休闲（15.68%）和航空航天（13.98%）；而国内占比前三的领域分别是风电叶片（36.07%）、体育休闲（28.05%）和碳/碳复材（11.22%）；风电叶片、体育休闲、航空航天、碳/碳复材等领域的需求占据了碳纤维需求的主要部分。
（一）风电行业的持续高景气推动碳纤维未来空间广阔
风电叶片主要由树脂基体（36%）、增强材料（28%）、芯材（12%）、粘接剂（11%）等组成，树脂基体主要提供叶片的韧性与耐久度，增强纤维材料则主要提供叶片结构的刚度与强度。增强纤维材料包括玻璃纤维和碳纤维等，近些年，碳纤维正逐步取代玻璃纤维，主要因为碳纤维突破了玻璃纤维的性能上限，在风电叶片大型化的同时，还能降低叶片的重量。拉挤成型工艺大势所趋。风电叶片大梁采用的工艺主要有预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤工艺。前两种工艺效率低，成本高，使用较少；而拉挤工艺是一种连续生产固定截面纤维增强复合材料的成型方法，工艺流程主要包含纤维供给─纤维导向─树脂浸渍─预成型─拉挤成型─牵引─切割─拉挤成型制品，可以减轻主体承载重量，提高生产效率，降低生产成本等。年以前，大部分厂商主要采用预浸料或真空灌注工艺，采用小丝束碳纤维，因此平均价格较高；近年来，全球风电龙头Vestas突破拉挤工艺技术，将小丝束改用大丝束，大幅降低了碳纤维风电叶片的成本，从而大丝束碳纤维拉挤梁片成为市场主流，明阳智能、时代新材和中材科技等厂商均布局了碳纤维拉挤产线；而年7月19日，随着Vestas拉挤碳梁专利的到期，有更多的厂商使用拉挤工艺生产碳纤维主梁，碳纤维在风电叶片领域的渗透率将快速提升。
风电叶片大型化是未来趋势，将驱动碳纤维需求增加。年，我国新增陆上和海上风电机组平均单机容量分别为3.1MW和5.6MW，同比增速为19%和13%，相比于年的1.5MW和2.6MW大幅增加。大容量的风电机组需要配备大直径的叶轮，而风电叶片的长度越长，扫风面积越大，有利于提高风能利用率和发电量，同时降低度电成本。随着运达股份自主研发的YD海上叶片（年5月7日）和明阳智能.5米海上叶片（年6月23日）的正式下线，刷新了国内叶片的最长记录，未来将朝着米的大型叶片继续前进，这两种叶片均使用了拉挤碳梁工艺，风电叶片的大型化趋势将推动碳纤维需求量的上涨。
叶片有效减重，碳纤维经济性凸显。我们对不同长度风电叶片（57m、74m和90m）的经济性进行测算分析，得出将主梁材料从玻璃纤维换成碳纤维后，这三种风电叶片的重量分别降低27.0%、24.6%和32.5%，根据赛奥碳纤维《全球碳纤维复合材料市场报告》，年全球风电叶片领域碳纤维均价为16.8美元/kg，按美元/人民币汇率为6.76换算后，这三种叶片的材料成本增加28.8%、30.1%和23.8%，而风电碳纤维巨头-卓尔泰克，是能够批量按13美元/kg的价格来供应碳纤维的，这个成本优势，是国内大丝束碳纤维企业的参照系，假设按此价格来测算，这三种叶片的材料成本仅增加18.0%、19.3%和12.8%。随着风电叶片大型化及主梁采用碳纤维后，叶片总重得到有效降低，碳纤维经济性逐渐凸显。
根据中国风能专委会CWEA统计，国内风电装机规模显著上行，、年分别是陆上、海上风电补贴的最后一年，抢装潮导致装机规模大幅上升，风电新增装机规模分别是54.43GW、55.92GW，年同比增速为%，年海上新增装机量大幅上升，全年新增装机量依然保持正增长，年国内海上风电新增装机量同比增速高达%。《风能北京宣言》提出，“十四五”规划要为风电设定与碳中和国家战略相适应的发展空间，保证年均新增装机50GW以上，年后，国内风电年均新增装机容量应不低于60GW，到年至少达到GW，未来国内风电装机规模有望继续提升。随着风电装机规模的持续上行，碳纤维在风电叶片领域的需求将快速增加。根据赛奥碳纤维《-全球碳纤维复合材料市场报告》，全球风电叶片碳纤维需求从年的1.8万吨增至年的3.3万吨，CAGR为13%，年预计全球风电叶片碳纤维需求量约为8.1万吨，-年间的CAGR为25%，碳纤维在风电叶片领域的市场空间依然很大。
根据赛奥碳纤维《-全球碳纤维复合材料市场报告》，年国内风电叶片碳纤维需求量约为2.3万吨，相较年的0.3万吨大幅增加，CAGR为50%。根据《风能北京宣言》及过去五年国内陆上风电新增装机量增速，我们假设-年国内陆上风电新增装机量的CAGR为15%，到年新增装机量为72.5GW；根据全球风能理事会GWEC预测，-年国内海上风电新增装机量分别为4、6、8、10GW；假设-年国内陆上、海上风电平均单机容量增速与-年的增速保持一致，CAGR为10%；目前，相比于陆上风电叶片，海上风电叶片的直径更大，所以碳纤维在海上风电叶片中应用更广泛，且随着风电叶片的大型化，渗透率会进一步提高，假设年陆上、海上风电的碳纤维渗透率分别为30%、50%，年相较于年渗透率大幅提升是因为Vestas拉挤碳梁专利的到期促使更多厂商使用此工艺生产碳纤维主梁；年陆上、海上风电单叶片重量分别约为17、31吨，未来随着风电叶片大型化，重量也会随之提升，根据-年单叶片重量的增速，我们假设-每年的增速保持5%，其中碳纤维占比保持20%；根据以上假设，我们测算得到未来国内风电叶片领域的碳纤维需求，预计到年我国陆上风电所需碳纤维达5.94万吨，海上风电所需碳纤维达1.38万吨，风电叶片领域碳纤维总需求达7.32万吨，-年间的CAGR为34.3%，假设碳纤维单价维持11.4万元/吨（按16.8美元/kg，美元/人民币汇率为6.76换算），年我国风电碳纤维市场规模将达83.4亿元。
（二）碳/碳复材在光伏热场中的快速应用刺激碳纤维需求增加
先进碳基复合材料是指以碳纤维为增强体，以碳或碳化硅等为基体，以化学气相沉积或液相浸渍等工艺形成的复合材料，主要包括碳/碳复合材料产品（碳纤维增强基体碳）、碳/陶复合材料产品（碳纤维增强碳化硅）等。碳/碳复合材料是由碳纤维增强碳基体所形成的高性能复合材料，具有高强度、比重轻、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数低、摩擦系数稳定、导热导电性能好、尺寸稳定性高等优良性能，是目前唯一在0℃以上仍保有结构强度的材料，其最高理论使用温度高达℃，是制造高温热场部件的最佳材料，被认为是21世纪最具潜力的高温结构材料之一。早期光伏行业的生产商大多采用石墨材料构成的坩埚作为热场系统的保温材料，而由于石墨脆性较大，容易产生裂纹，逐渐被碳/碳复合材料所替代，与石墨坩埚相比，碳/碳复合材料坩埚具有使用寿命长、热场稳定性高、成晶率稳定等优点，被广泛应用在单晶拉制炉和多晶铸锭炉的热场系统中。
单晶拉制炉热场系统主要用于光伏行业中的单晶硅长晶、拉制过程，是制备单晶硅的关键设备，多晶铸锭炉是多晶铸锭的关键设备。单晶硅炉内，主要有坩埚、保温筒、护盘等碳/碳复合材料，大幅提高了拉晶热场系统的安全性和拉晶速率，显著降低了运行功率，对节能降耗起到较大促进作用。年以来，碳/碳复合材料在单晶拉制炉热场中的替代率快速提高，碳/碳复合材料坩埚、导流筒产品的市场占有率已超过等静压石墨产品，年，碳/碳复合材料在坩埚中的替代率已超过95%，成为光伏热场系统中的主要材料。
光伏行业的迅猛发展，极大地带动了碳/碳复材领域的蓬勃发展。在国家产业政策引导和市场需求驱动的双重作用下，我国光伏行业实现了快速发展。根据国家能源局统计，年全国新增光伏并网装机容量达到54.93GW，同比增加14%，-年的CAGR为9.7%，而根据中国光伏行业协会预测，年全国新增光伏装机量预计达到GW，CAGR为19%，未来光伏装机量有望快速提升。根据赛奥碳纤维《-全球碳纤维复合材料市场报告》，全球碳/碳复材领域碳纤维需求从年的0.21万吨增至年的0.85万吨，CAGR为41.8%，年预计全球碳/碳复材领域碳纤维需求量约为2.43万吨，-年间的CAGR为30%，随着光伏装机规模的快速增加，碳纤维在碳/碳复材领域的需求持续爆发。根据赛奥碳纤维《-全球碳纤维复合材料市场报告》，年国内碳/碳复材领域碳纤维需求量约为0.7万吨，相较年的0.09万吨大幅增加，CAGR为67%。根据中国光伏行业协会预测，-年全国新增光伏装机量分别为75、90、、GW；我们假设每GW装机量碳纤维用量的CAGR为10%，预计到年我国碳/碳复材领域碳纤维总需求达2.05万吨，-年间的CAGR为30.8%，假设碳纤维单价维持14.6万元/吨（按21.6美元/kg，美元/人民币汇率为6.76换算），年我国碳/碳复材领域碳纤维市场规模将达29.96亿元。
（三）储氢瓶在燃料电池汽车中的快速渗透推动碳纤维需求上行
根据赛奥碳纤维《全球碳纤维复合材料市场报告》，国内压力容器领域碳纤维需求主要应用在呼吸气瓶、CNG气瓶和储氢瓶等方面，保持快速增长的为储氢瓶领域，呼吸气瓶、CNG气瓶的碳纤维需求增长量有限。氢在常温常压下为气态，密度只有水的万分之一，是所有元素中最轻的，因此高密度储氢的难度非常大。当前，氢能的存储方式主要有低温液态储氢、高压气态储氢、金属氢化物储氢和有机液态储氢等，其中高压气态储氢技术比较成熟，是目前最常用的储氢技术。高压气态储氢容器主要分为纯钢制金属瓶（I型）、钢制内胆纤维缠绕瓶（II型）、铝内胆纤维缠绕瓶（III型）及塑料内胆纤维缠绕瓶（IV型）4个类型。
车载储氢瓶大多使用III型、IV型两种容器。目前20MPa的I型瓶在国内得到广泛的工业应用，并与45MPa钢制氢瓶、98MPa钢带缠绕式压力容器组合应用于加氢站中。由于高压气态I型、II型储氢瓶价格便宜，但储氢密度低、安全性较差、容易发生氢脆问题，难以满足车载储氢密度的要求；而III型、IV型瓶主要是基于碳纤维增强材料缠绕加工而成，明显减少气瓶质量，提高储氢密度，多数应用于车载。国内已产业化的是35MPa碳纤维缠绕III瓶，国外大多采用的是70MPa碳纤维缠绕IV型瓶。由于高强度碳纤维工艺尚不成熟，国内IV型储氢瓶的大规模商用化仍需时日，70MPa碳纤维缠绕III型瓶已少量用于国产汽车中。国内企业采用III型瓶的储氢密度为3.9％，而IV型瓶的储氢密度可以达到5.5％，就趋势而言，成本更低和密度更高的IV型瓶是未来发展趋势。
年3月23日，国家发改委、能源局联合印发《氢能产业发展中长期规划（-年）》，明确氢能是战略性新兴产业的重点方向，是构建绿色低碳产业体系、打造产业转型升级的新增长点，并提出氢能产业各发展阶段的目标：年，形成较为完善的氢能产业发展制度政策环境，初步建立较为完整的供应链和产业体系；燃料电池汽车保有量约5万辆，部署建设一批加氢站；年，形成较为完备的氢能产业技术创新体系、清洁能源制氢及供应体系，有力支撑双碳目标实现；年，形成氢能产业体系，构建涵盖交通、储能、工业等领域的多元氢能应用生态，氢能未来的空间巨大。年全国燃料电池汽车产销量分别是和辆，年上半年产销量分别是和辆，同比增速分别为%和%，产量超过年全年水平，销量也将赶超年水平，年燃料电池汽车保有量约0.89万辆，年要达到5万辆，CAGR高达54%，未来燃料电池汽车的高速增长将推动车用高压氢气瓶碳纤维需求的快速提升。
根据赛奥碳纤维《-全球碳纤维复合材料市场报告》，全球压力容器碳纤维需求从年的0.56万吨增至年的1.1万吨，CAGR为18.4%，年预计全球压力容器领域碳纤维需求量约为2.28万吨，-年间的CAGR为20%；年国内压力容器碳纤维需求量约为0.3万吨，相较年的0.1万吨大幅增加，CAGR为31.6%。年我国燃料电池汽车销量和保有量分别约、辆，年保有量为5万辆，我们测算出年销量约为1.75万辆；且根据FuelCellTechnologiesOfficeWebinar，每辆燃料电池汽车上氢气瓶碳纤维用量约为0.32吨/辆，由此测算出年我国燃料电池汽车氢气瓶碳纤维需求为0.05万吨，预计年氢气瓶领域碳纤维需求达0.56万吨，-年间的CAGR为82.9%，假设碳纤维单价维持16.2万元/吨（按24美元/kg，美元/人民币汇率为6.76换算），年我国氢气瓶领域碳纤维市场规模将达9.07亿元。
（四）附加值最高的航空航天领域碳纤维需求有望回暖
随着复合材料的快速发展，轻量化结构成为航空飞行器发展的重要方向，飞机复合材料应用占比逐渐提高，复合材料用量占比已成为衡量航空飞行器先进性的重要标志之一。起初，碳纤维复合材料主要应用于非承力结构（舱门、口盖、整流罩等）及飞机内饰，如早期的波音、波音，碳纤维复合材料应用占比仅4%左右；随着碳纤维复合材料技术的发展，逐步开始在次承力结构（垂尾、鸭翼、平尾、副襟翼舵面等）上应用，波音在垂尾、平尾等多处部件中应用了碳纤维复合材料，合计使用9.9吨，占总结构重量的11%；此后，随着高性能碳纤维技术的成熟，碳纤维复合材料开始应用于机翼、机身等主承力结构，以波音最新研制的波音梦想客机为例，其复合材料用量占比约50%左右。
随着我国复合材料技术水平及大飞机制造技术水平的提高，国产飞机的复合材料用量逐渐提高。年研制的ARJ21机型复合材料用量仅2%，主要应用于次承力结构；年研制的C机型复材用量已达12%，应用范围扩展至机翼、机身等主承力结构，年已完成首飞；目前我国与俄罗斯联合研制的CR远程宽体客机的复材用量将突破50%，在机身、机翼等部位将大量使用复合材料。
航空航天领域的附加值极高，国内航空航天领域碳纤维需求提升空间广阔。根据赛奥碳纤维《全球碳纤维复合材料市场报告》，年全球航空航天领域碳纤维均价为72美元/公斤，是体育休闲领域的2.5倍、风电叶片领域的4倍；航空航天领域碳纤维的市场规模达11.88亿美元，占比35%，超过风电叶片及体育休闲领域之和，位居第一。年全球航空航天领域碳纤维需求量仅次于风电叶片和体育休闲，占全球碳纤维需求比例为13.94%，主要应用在商用飞机、无人机、军用飞机等领域；而国内需求占比仅3.21%，远低于全球水平，具有很大的提升空间。
年全球航空航天领域碳纤维需求量为1.65万吨，较年下降30%，主要是由于年全球新冠疫情对航空业造成不利影响，民用客机生产厂家对碳纤维的需求有一定幅度的下降。随着疫情好转，飞机订单也在逐步改善，年新增运输飞机架，同比增加78%；且伴随国产大飞机C的逐步量产（根据中国商飞