敬请参阅末页重要声明及评级说明证券研究报告 高性价比 碳纤维 ， 高端制造业 换装首选材料 Table_IndNameRptType国防军工 行业研究 /深度报告 Table_IndRank 行业评级：增持 报告日期： 2022-08-03 Table_Chart 行业指数与沪深 300走势比较 Table_Author 分析师：郑小霞 执业证书号： S0010520080007 电话： 13391921291 邮箱： 联系人：邓承佯 执业证书号： S0010121030022 电话： 18610696630 邮箱： Table_Report 相关报告 主要观点： Table_Summary 碳纤维性价比高，能助力高端装备在极端条件实现长期可靠服役 随着行业技术的革新，部分装备在高温、高压、强腐蚀性等苛刻环境已无法实现长期可靠服役。但新装备的研制是基础研究和应用基础研究相互融合促进的过程，往往需要耗费大量的人力物力，因而装备材料端便迎来了巨大的挑战。 当前许多传统材料的研发已接近理论极限，寻找综合性能优异的新材料成为推动高端制造业发展的关键。碳纤维具备优异的力、热、电磁性能，同时还可以作为增强材料与树脂、金属、陶瓷及炭基体等复合制造先进复合材料，目前已然成为高端制造业换装首选材料。 碳纤维及其制品制备 工艺 路线 复杂 ， 掌握 工艺及 相关 设备 是关键 碳纤维的产业链长，关键控制点多，生产过程中的每一个步骤带来的缺陷均将会传递到下一步并影响最终碳纤维的性能。因此，各工序精确调控及之间的精密配合是制备出稳定的高性能碳纤维的关键，了解并 掌握 碳纤维的制备工艺显得尤其重要。 目前碳纤维及其制品的制备工艺路线众多，每一类方法的优缺点及其鲜明，且设备各异，因而如何有效规避工艺及设备的缺点、最大程度发挥工艺及设备的优点成为难点， 熟练掌握 相关 工艺 设备才是企业构筑护城河的关键。 性价比是碳纤维及其 相关产品 拓展 下游 市场应用的唯一核心要素 综合性能优异下 对 传统材料 的低成本替代 是碳纤维能够拓展市场的关键，任何工艺及设备的革新都必须围绕着性价比这一要素。 性能方面，碳纤维为增强体， 与 树脂、陶瓷及金属等基体复合而成的碳纤维复合材料是当前世界上最先进的复合材料之一。但由于各领域厂商对产品的要求不一，各国碳纤维型号标准基准不一，因而如何满足下游客户的需求定制开发是企业的立足之本。 成本方面，目前全球各大研究机构及企业都针对性的研发了众多新型工艺来降低各个环节的成本，但较多工艺尚不成熟，因此成本端仍需要行业 上下游 共同努力。此外，随着碳纤维生产量的增加，未来碳纤维回收有望成为碳纤维 复合材料 废料处理的最优方式。回收后的碳纤维仍保留了原始纤维优异的力学性能及电磁性能， 目前 回收碳纤 维的用途与普通商业 碳纤维一样，可用作树脂的增强材料制备复合材料 。 -42%-28%-14%-1%13%27%8/21 11/21 2/22 5/22国防军工 沪深 300Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明及评级说明 2/150 证券研究报告 碳纤维市场并非由单一市场驱动，多市场推动无需担心过度竞争 碳纤维的应用市场已经逐步开拓至航空航天、风电、汽车、氢能、建筑、电子电气等领域，根据 2021 全球碳纤维复合材料市场报告数据显示， 2021 年碳纤维的全球需求为 118000 吨，同比增长 10.4%，中国碳纤维的总需求为 62379 吨，同比增长了 27.7%，预计 2030 年全球的需求量将达到 400000吨。 供给侧，虽然在碳纤维过去六十余年的发展中，我国碳纤维领域专利布局及产能建设起步时间均晚于西方国家，但 近 年 来 随着经过国内各大科研机构及企业的不懈努力， 2021 年中国 已 成为全球最大产能国，同时国产碳纤维供给率再次 提升至 58.1%。考虑到碳纤维的技术仍有进步空间，叠加下游各领域的需求快速释放，我们认为碳纤维行业仍有足够的空间供现有企业及新玩家各显其能。 投资建议 基于碳纤维下游国防军工、汽车、风电、氢能等行业的高景气度，考虑到相关领域海外企业专利到期，我们预计碳纤维行业将迎来快速发展期。建议关注光威复材、中简科技、中航高科、中复神鹰、吉林化纤、精功科技、博云新材等。 风险提示 行业需求不及预期；相关企业项目建设进展不及预期；技术研发不及预期。 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明及评级说明 3/150 证券研究报告 正文 目录 1 碳纤维：黑色黄金，高性能纤维之王 . 12 1.1 碳纤维是现代高科技领域的战略新材料 . 12 1.2 PAN基碳纤维：应用最为广泛的一类碳纤维 . 17 1.2.1 聚丙烯腈共聚物制备：聚合反应中参与物及设备是核心 . 20 1.2.2 聚丙烯腈原丝制备：有效规避不同纺丝路线缺点是关键 . 28 1.2.3 聚丙烯腈预氧纤维制备：提高预氧化的效率是降本难点 . 36 1.2.4 聚丙烯腈碳纤维制备：依据下游需求合理选择对应方式 . 41 1.3 其他类基体碳纤维：特定领域满足特定需求 . 50 1.3.1 沥青基碳纤维：弥补 PAN基碳纤维不能及的高技术领域 . 50 1.3.2 粘胶基碳纤维：航天工业及尖端军工技术领域专用纤维 . 59 2 应用端：极致的性价比是永恒的目标 . 66 2.1性能角度：与其他材料复合实现性能互补共振是大趋势 . 66 2.1.1 碳纤维 +聚合物：中高温下金属材料最佳替代者 . 66 2.1.2 碳纤维 +金属：可有效改善金属材料的高温性能 . 72 2.1.3 碳纤维 +陶瓷：理想的高温结构材料及摩擦材料 . 78 2.1.4 碳纤维 +碳材料：超高温下结构 -功能一体化材料 . 80 2.2价格角度：工艺设备革新及回收推动成本下降是主旋律 . 84 2.2.1成本端：工艺设备及规模是其成本控制的核心 . 84 2.2.2纤维端：吃透工艺设备、降低能耗是主切入点 . 90 2.2.3制品端：新型工艺及设计制造一体化未来可期 . 95 2.2.4回收端：环保及降本或推动回收行业登上舞台 . 110 3 市场端：需求旺盛，国内企业逐步发力 . 119 3.1需求端：替换传统材料创造万吨需求 . 121 3.1.1航空航天：可替换部分金属及合金 . 121 3.1.2风 电领域：可替换部分纤维及金属 . 126 3.1.3氢能领域：可替换部分高强度钢材 . 129 3.1.4汽车领域：可替换部分塑料及金属 . 134 3.1.5其他领域：未来有望开辟出新市场 . 137 3.2 供给端：国内起步晚，但追赶势头强 . 141 4 重点关注公司 . 148 风险提示： . 149 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 4/150 证券研究报告 图表目录 图表 1 理想与真实的碳纤维结构 . 12 图表 2 碳纤维的主要性能特点 . 12 图表 3 碳纤维复合材料与金属材料的性能对比 . 13 图表 4 碳纤维性能优异可应用于诸多领域 . 13 图表 5 碳纤维分类指标及应用场景 . 14 图表 6 碳纤维按丝束规格分类 . 14 图表 7 碳纤维按力学性能分类 . 14 图表 8 连续长纤维、短纤维及短切纤维示意图及简介 . 15 图表 9 碳纤维按原丝类型分类 . 15 图表 10 沥青基、聚丙烯腈基和粘胶基碳纤维热处理中结构转化示意图 . 16 图表 11 碳纤维生产过程示意图 . 17 图表 12 典型 PAN基碳纤维产品及性能 . 17 图表 13 东丽碳纤维部分产品性能指标 . 18 图表 14 东丽碳纤维建议应用领域 . 19 图表 15 PAN基碳纤维制备工艺示意图 . 20 图表 16 丙烯腈分子式 . 21 图 表 17 PAN基碳纤维常用的共聚单体 . 21 图表 18 相同共聚条件下不同共聚单体对聚合、聚合液及预氧化反应的影响 . 21 图表 19 部分链转移剂的链转移常数 . 22 图表 20 六种 溶剂的相关物理参数 . 22 图表 21 PAN基碳纤维常用的共聚反应类型特点 . 23 图表 22 不同聚合方法的对比 . 24 图表 23 单体浓度对聚合转化率和粘均分子量影响 . 24 图表 24 单体配比对聚合转化率的影响 . 24 图表 25 聚合时间对聚合转化率的影响 . 24 图表 26 引发剂 AIBN浓度对聚合物粘均分子量的影响 . 24 图表 27 聚合反应温度对聚合转化率的影响 . 25 图表 28 聚合体系内部温度的变化图 . 25 图表 29 反应 时间对聚合转化率的影响 . 25 图表 30 水相沉淀聚合（非均相溶液聚合）的影响因素 . 25 图表 31 各工艺因素对溶液聚合（均相溶液聚合）聚合反应的影响 . 26 图表 32 脱单塔结构示意图 . 26 图表 33 脱泡塔示意图 . 26 图表 34 AN溶液聚合反应釜和传热装置 . 27 图表 35 溶液反应中原液混合流程图 . 27 图表 36 过滤器结构示意图 . 28 图表 37 PAN原丝的各级结构单元特点及其对性能的影响 . 29 图表 38 碳纤维原丝生产流程工艺示意 . 29 图表 39 各国 PAN基碳纤维原丝技术及所用溶剂 . 29 图表 40 常用的沉淀剂处理得到的 PAN聚合物的洁净度 . 30 图表 41 沉淀剂对 PAN纤维结晶度及晶粒尺寸的影响 . 30 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 5/150 证券研究报告 图表 42 不同类型改性硅油结构示意图 . 30 图表 43 湿法、干喷湿纺（干湿）法对比 . 31 图表 44 湿法 PAN基碳纤维原丝生产工艺流程示意图 . 31 图表 45 湿法纺丝 PAN基碳纤维质量影响因素 . 31 图表 46 干喷湿纺法 PAN基碳纤维原丝生产工艺流程示意图 . 32 图表 47 干喷湿纺法 PAN基碳纤维质量影响因素 . 32 图表 48 不同形式纺丝机结构示意图 . 33 图表 49 凝固浴槽结构示意图 . 33 图表 50 U形水洗机 . 34 图表 51 多层水洗机 . 34 图表 52 喷淋与漂洗组合水洗流程工艺示意图 . 34 图表 53 加压 饱和蒸汽拉伸机及相关部件 . 35 图表 54 上油装置示意图 . 35 图表 55 干燥机的结构形式和传动方式 . 36 图表 56 预氧化过程的主要化学反应 . 36 图表 57 预氧化方式及工艺 . 37 图表 58 PAN基碳纤维预氧化工艺流程示意图 . 37 图表 59 固定长度间歇法预氧化装置示意图 . 38 图表 60 多温区连续式预氧化装置示意图 . 38 图表 61 典型 PAN原丝在氮气和空气气氛下的 DSC曲线 . 38 图表 62 PAN环化指数随着时间变化 . 39 图表 63 PAN纤维张力随温度的变化 . 39 图表 64 大型预氧化设备结构示意图 . 40 图表 65 固定 长度间歇法预氧化装置示意图 . 40 图表 66 多温区连续式预氧化装置示意图 . 40 图表 67 PAN基碳纤维碳化及石墨化工艺流程 . 41 图表 68 碳化及石墨化过程中关键工艺参数及其影响 . 41 图表 69 碳化过程纤维组成的变化 . 42 图表 70 碳化时间对纤维组成的影响 . 42 图表 71 碳化过程中不同温度下组成主要变化 . 42 图表 72 碳纤维密度与温度的关系 . 42 图表 73 碳纤维性能与温度的关系 . 42 图表 74 碳化及石 墨化过程中关键工艺参数及其影响 . 43 图表 75 石墨化阶段碳纤维中形成更加有序的石墨结构 . 43 图表 76 碳纤维密度与石墨化温度的关系 . 44 图表 77 碳纤维密度与石墨化处理时间的关系 . 44 图表 78 碳纤维表面处理方法和影响因素 . 44 图表 79 阳极氧化法工艺流程示意图 . 45 图表 80 射线处理碳纤维装置示意图 . 45 图表 81 碳纤维经过阳极氧化后的单丝强度及质量变化 . 45 图表 82 几种不同碳纤维经过等离子体表面处理后碳纤维拉伸性能 . 45 图表 83 东丽公司上浆剂类型与不同树脂的相容性 . 46 图表 84 上浆剂浓度对上浆量的影响 . 46 图表 85 上浆量对碳纤维使用工艺性能的影响 . 46 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 6/150 证券研究报告 图表 86 上浆剂对碳纤维耐磨性能和 IFSS的影响 . 46 图表 87 表面上浆剂对复合材料性能的影响 . 47 图表 88 不同上浆剂对碳纤维剪切强度保持率的影响 . 47 图表 89 不同上浆剂对碳纤维抗弯强度保持率的影响 . 47 图表 90 低温碳化炉结构示意图 . 47 图表 91 高温碳化炉结构示意图 . 47 图表 92 石墨化炉结构示意图 . 48 图表 93 直接加热感应炉结构示意图 . 48 图 表 94 直流电弧等离子体石墨化炉结构示意图 . 48 图表 95 采用等离子技术进行碳化和石墨化 . 48 图表 96 气相氧化法流程示意图 . 49 图表 97 液相氧化法流程示意图 . 49 图表 98 扩幅上浆装置示意图（东丽） . 49 图表 99 具有空气流动场的上浆装置 . 49 图表 100 具有吹气狭缝的上浆装置示意图 . 49 图表 101 具有循环系统的上浆装置 . 49 图表 102 沥青基碳纤维图片 . 50 图表 103 沥青基碳纤维的分类 . 50 图表 104 各向异性沥青基碳纤维与 PAN基碳纤维的性能比较 . 51 图表 105 沥青基碳纤维的性能 . 51 图表 106 中间相沥青为起始材料制备的碳纤维具有定向石墨层纤维轴 . 52 图表 107 沥青基碳纤维及其他材料导热系数对比（ W/MK） . 52 图表 108 三星手机采用的碳纤维作为导热材料 . 53 图表 109 沥青基碳纤维的制备工艺流程图 . 54 图表 110 沥青基碳纤维调制过程 . 55 图表 111 空气吹扫装置示意图 . 55 图表 112 沥青基碳纤维熔融纺丝示意图 . 56 图表 113 中间相沥青纤维连续熔融纺丝及毛细管效应示意图 . 57 图表 114 不同喷丝板结构对沥青基碳纤维断面的影响 . 57 图表 115 沥青纤维氧化过程中的化学反应模型 . 58 图表 116 沥青纤维热处理过程中内部碳层的变化趋势 . 59 图表 117 美国生产的高性能粘胶基碳纤维性能参数 . 60 图表 118 粘胶基碳纤维 . 60 图表 119 粘胶纤维转化为碳纤维的反应 . 61 图表 120 纤维素 、纤维素 和石墨的晶体结构及相关参数 . 62 图表 121 各向异性沥青基碳纤维与 PAN基碳纤维的性能比较 . 63 图表 122 未处理粘胶纤维和经催化脱水剂处理后的热行为 . 63 图表 123 粘胶基碳纤维生产工艺 . 64 图表 124 纤维素在碳化过程中某些性质的变化 . 64 图表 125 碳纤维在热处理过程中 D002与牵伸率的关系 . 64 图表 126 碳纤维在热处理过程中的取向度 Q与牵伸率关系 . 65 图表 127 纤维素在热处理过程中某些性质的变化 . 65 图 表 128 碳纤维复合材料分类 . 66 图表 129 碳纤维与其他材料的比强度和比模量 . 66 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 7/150 证券研究报告 图表 130 碳纤维聚合物基复合材料的基体种类 . 67 图表 131 热固性预浸料制造方法 . 68 图表 132 溶液浸渍法卧式预浸工艺示意图 . 68 图表 133 溶液浸渍法立式预浸工艺示意图 . 68 图表 134 直接热熔法工艺示意图 . 68 图表 135 直接热熔法制膜工艺示意图 . 69 图表 136 直接热熔法预浸过程示意图 . 69 图表 137 热塑性预浸料制造方法 . 69 图表 138 熔融浸渍法工艺示意图 . 69 图表 139 热塑性预浸料制造方法 . 70 图表 140 美国雷神公司用热压罐成型的复合材料机身段 . 71 图表 141 树脂传递成型（ RTM）使用到的高精度注胶机 . 71 图表 142 树脂传递成型（ RTM）使用到的合模机 . 71 图表 143 树脂基碳纤维激光切割机床及功率计 . 72 图表 144 碳纤维金属基复合材料应用 . 72 图表 145 按增强相形态分类的金属基复合材料示意 . 72 图 表 146 碳纤维增强金属基复合材料成型工艺图 . 73 图表 147 碳纤维浓硝酸氧化过程示意图 . 74 图表 148 碳纤维金属基复合材料制备前碳纤维表面化学镀铜铜层沉积过程示意图 . 74 图表 149 制备碳纤维 /金属基复合材料的主要固态法方式 . 75 图表 150 制备碳纤维 /金属基复合材料的主要液态法 方式 . 76 图表 151 纤维与基体结合示意图 . 77 图表 152 复合材料界面反应扩散层形成示意图 . 77 图表 153 碳陶复合材料刹车片 . 78 图表 154 单向长纤维阻碍陶瓷内裂纹扩展 . 78 图表 155 碳纤维体积分数对复合材料断裂功的影响 . 79 图表 156 连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要制造方法 . 79 图表 157 一体烧结法制备改性碳纤维陶瓷基复合材料的工艺流程 . 80 图表 158 碳碳复合材料 . 80 图表 159 碳纤维 /碳基复合材料的工艺流程 . 81 图表 160 碳纤维选择要求 . 81 图 表 161 不同结构 C/C复合材料典型力学性能数据 . 81 图表 162 化学气相沉积法中热梯度法沉积炉示意图 . 82 图表 163 化学气相沉积法中脉冲法积碳示意图 . 82 图表 164 高压液相浸渍装置示意图 . 82 图表 165 基体改性前后 C/C复合材料耐烧蚀对比 . 83 图表 166 基体改性后 C/C复合材料耐烧蚀提高原理 . 83 图表 167 碳纤维 /碳基复合材料表面陶瓷基涂层制备流程 . 83 图表 168 碳纤维 /碳基复合材料表面陶瓷基涂层抗氧 化性能对比 . 84 图表 169 碳纤维 /碳基复合材料不同条件下超高温涂层抗氧化模型示意图 . 84 图表 170 按照生产流程来看碳纤维的成本构成 . 85 图表 171 按照成本要素来看碳纤维的成本构成 . 85 图表 172 不同工业领域碳纤维、预浸料和制品的单价（元 /KG） . 85 图表 173 吉林碳谷主要原材料采购情况 . 86 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 8/150 证券研究报告 图表 174 吉林碳谷主要能源采购情况 . 86 图表 175 吉林碳谷主营业务成本构成 . 86 图表 176 中复神鹰 主营业务成本构成 . 87 图表 177 中复神鹰主要原材料采购情况 . 87 图表 178 中复神鹰主要能源采购情况 . 87 图表 179 碳纤维复合材料部件成本构成 . 88 图表 180 近一年丙烯腈价格走势（元 /吨） . 88 图表 181 碳纤维产线投资额度 . 89 图表 182 碳纤维各生产环节的成本在不同量产规模下的对比（按照生产流程拆分 ，美元 /公斤） . 89 图表 183 不同生产规模原丝成本构成（按照成本要素拆分） . 89 图表 184 不同生产规模碳纤维成本构成（按照成本要素拆分） . 89 图表 185 中复神鹰部分工艺类专利 . 90 图表 186 江苏鹰游部分设备产品 . 91 图表 187 中复神鹰部分设备类专利 . 91 图表 188 国外碳纤维企业在中国专利申请趋势 . 92 图表 189 专利技术分布情况（单位：件） . 92 图表 190 三菱丽阳 2007年以来碳纤维技术发展路线图 . 93 图表 191 三菱丽阳公司氨基改性有机硅纺丝油剂 . 93 图表 192 东丽公司蒸汽牵伸装置示意图 . 93 图表 193 PAN基碳纤维缩短预氧化工艺时间的部分专利 . 94 图表 194 碳纤维预氧化炉改进的部分专利 . 95 图表 195 碳纤维 复材结构高成本因素和低成本对策 . 96 图表 196 非热压罐成型工艺技术衍生的三代复材特点 . 97 图表 197 国际高性能碳纤维 /环氧树脂 OOA预浸料货架产品 . 97 图表 198 低成本的 OOA工艺（与热压罐成型工艺相比） . 98 图表 199 OOA树脂粘度 -温度曲线 . 98 图表 200 CYTEC 5320/IM7预浸料浸润状况 . 98 图表 201 OOA工艺中 DVB工装示意图 . 99 图表 202 国内 OOA工艺的部分专利 . 99 图表 203 低成本的液体成型工艺（与热压罐成型工艺相比） . 100 图表 204 液体成型工艺中制备预制体所需的设备 . 100 图表 205 采用 RFI工艺的 A380复合材料后压力框 . 101 图表 206 采用 VARI工艺成型的复合材料机身壁板 . 101 图表 207 国内外主要快速固化树脂体系 . 101 图表 208 快速固化复合材料性能 . 102 图表 209 主要的 潜伏性环氧树脂固化体系 . 102 图表 210 日本 DIC株式会社预浸料片的固化时间为全球最短仅为 30秒 . 103 图表 211 中航复材与汽车厂商合作开发的 12米全复合材料车身的新能源客车 . 103 图表 212 CT飞机应用了 HEXPLYM79低温固化环氧树脂基体预浸料 . 104 图表 213 国内低温固化成型工艺的 部分专利 . 105 图表 214 德国汽车生产线使用的模压流程 . 106 图表 215 HP-RTM生产设备 . 106 图表 216 GIM流程图 . 107 图表 217 BREYER公司的 GIMR生产设备 . 107 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 9/150 证券研究报告 图 表 218 通过各种传统和 AM技术制造的部件的抗拉强度与纤维体积分数对比图 . 107 图表 219 3D打印纤维增强复合材料的制备工艺、材料类型和优缺点 . 108 图表 220 基于 FFF工艺制备的连续纤维热塑性复合材料的打印工艺示意图 . 108 图表 221 斐帛科技公司打印设备及制品图片 . 109 图表 222 由二级拉 -挤系统组成的连续点阵制造的打印头 . 109 图表 223 碳纤维 3D打印复合材料汽车 . 110 图表 224 BREYER公司的 GIMR生产设备 . 110 图表 225 每生产 1KG碳纤维时的排放和环境影响 . 110 图表 226 国外主要的碳纤维回收参与机构及进展 . 111 图 表 227 树脂基碳纤维废料的来源、类别及传统处理方法 . 111 图表 228 典型的回收碳纤维形态 . 111 图表 229 废弃 CFRP回收方法分类 . 112 图表 230 碳纤维复合材料回收技术比较 . 112 图表 231 物理法回收流程图 . 113 图表 232 热裂解法回收流程图 . 113 图表 233 不同温度、气氛和反应时间回收的碳纤维及原纤维的单丝拉伸性能 . 113 图表 234 热裂解方法中两步装置示意图 . 114 图表 235 诺丁汉大学流化床反应器回收的碳纤维的单丝拉伸效果性能对比 . 114 图表 236 流化床热解法回收碳纤维树脂复合材料流程图 . 114 图表 237 ATI开发的处理 CFRP真空裂解反应器 . 115 图表 238 微波反应器处理 CFRP示意图 . 115 图表 239 几种常见的分解环氧树脂的溶剂的临界压力、温度和密度 . 115 图表 240 溶剂分解方法中 KOH/亚临界水 反应装置示意图 . 115 图表 241 不同溶剂法回收方法比较 . 116 图表 242 “ 分层 -短切 -回收 ” 组合回收工艺示意图 . 116 图表 243 “ 分层 -短切 -回收 ” 组合回收工艺装置 . 116 图表 244 几种工业化回收方法比较 . 116 图表 245 碳 纤维的回收利用 . 117 图表 246 回收纤维的应用与开发情况 . 117 图表 247 长纤维取向回收再利用工艺 . 118 图表 248 全球碳纤维需求量（千吨） . 119 图表 249 2021年全球各领域碳纤维需求（千吨， %） . 119 图表 250 2021年全球各领域碳纤维需求（百万美元， %） . 119 图表 251 2021年全球碳纤维单价 . 119 图表 252 中国碳纤维需求量（吨） . 120 图表 253 中国各领域碳纤维需求（ %） . 120 图表 254 主要军用材料密度及比强度、比模量对比 . 121 图表 255 飞机机体减重 1磅的经济效益（万美元） . 121 图表 256 先进复合材料在飞机设计中使用情况 . 121 图表 257 国内外民用客机先进复合材料应用情况 . 122 图表 258 先进复合材料在军机上的应用 . 122 图表 259 国外直升机先进复合材料应用情况 . 122 图表 260 部分无人机复合材料应用概况 . 123 图表 261 大力神运载火箭运用的碳纤维 . 124 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 10/150 证券研究报告 图表 262 碳纤维在导弹天线罩的应用 . 124 图表 263 碳纤维在卫星中的应用 . 125 图表 264 航空发动机选材趋势（重量占比） . 125 图表 265 商用飞机发动机中复合材料的用量 . 125 图表 266 固体火箭发动机复合材料壳体计划 . 125 图表 267 全球航空航天领域对碳纤维的需求（吨） . 126 图表 268 2012-2021年全球风电装机容量 . 126 图表 269 风经过风力机的压力和风速的变化 . 127 图表 270 世界先进风电机组的风轮直径及额定功率发展趋势 . 127 图表 271 风电叶片结构 . 128 图表 272 风电叶片复合材 料主梁的三种生产工艺 . 129 图表 273 全球风电领域对碳纤维的需求（吨） . 129 图表 274 全球平均地表温度的演变 . 130 图表 275 4 月 28日至 5月 1日印度拉贾斯坦邦日最高气温极值历年变化（ 1980年至 2022年） . 130 图表 276 2019年及 2020年世界部分地区能源需求量 . 131 图表 277 部分可再生能源所需的原材料 . 131 图表 278 燃料电池车用储氢瓶参数比较 . 132 图表 279 典型 IV型高压储氢气瓶结构示意图 . 132 图表 280 典型的燃料电池结构 . 133 图表 281 燃料电 池碳纤维气体扩散层 . 133 图表 282 全碳纤维车身 PRODRIVE P25官图 . 134 图表 283 2021年碳纤维在汽车领域的最新进展 . 135 图表 284 奥迪车厢后部和地板中央采用了碳纤维材料 . 135 图表 285 保时捷发布全碳纤维复合轮毂 . 135 图表 286 博实碳纤维轴 . 136 图表 287 ROTORA推出的碳陶制动系统 . 136 图表 288 复合材料与传统材料汽车生产工艺对比 . 136 图表 289 主要车用碳纤维部件成型工艺及适用的回收技术 . 137 图表 290 全球汽车领域对碳纤维的需求（吨） . 137 图表 291 碳纤维钓鱼竿 . 138 图表 292 碳纤维自行车 . 138 图表 293 碳纤维船桨 . 138 图表 294 碳纤维滑雪板 . 138 图表 295 房屋碳纤维加固 . 139 图表 296 上海西岸人 工智能峰会 B馆碳纤维亭 . 139 图表 297 碳纤维机械臂 . 139 图表 298 碳纤维布补强管道 . 139 图表 299 碳纤维防静电毛刷 . 140 图表 300 碳纤维笔记本外壳 . 140 图表 301 时 速 200公里磁浮碳纤维车体及高温超导磁浮碳纤维车体 . 140 图表 302 可用于硅单晶热系统中的碳碳复合材料制品 . 141 图表 303 碳纤维气凝胶 . 141 图表 304 全球碳纤维历史 . 142 图表 305 碳纤维技术领域专利申请趋势图 （截至 2020年 3月 28日） . 142 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 11/150 证券研究报告 图表 306 碳纤维技术领域专利数量排名前十的专利权人（截至 2020 年 3月 28日） . 143 图表 307 1962 2018年中国及海外国家碳纤维产业发展情况对比 . 143 图表 308 2021年全球碳纤维运行产能 . 144 图表 309 近四年中国碳纤维运行产能占全球总产能比例 . 144 图表 310 1962 2018年全球原丝及碳纤维运行产能（千吨） . 144 图表 311 2021年中国碳纤维来源 . 145 图表 312 近四年中国国产碳纤维市场份额 . 145 图表 313 2021年中国部分碳纤维原丝及碳纤维运行产能（吨） . 145 图表 314 1962 2018年中日碳纤维产业发展情况对比 . 146 图表 315 美日欧碳纤维产业链构成 . 147 图表 316 北京市碳纤维产业链发展模式 . 147 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 12/150 证券研究报告 1 碳纤维： 黑色黄金， 高性能纤维 之王 1.1 碳纤维是现代高科技领域的战略新材料 碳纤维是国际认可的现代高科技领域的战略新材料，被誉为“黑色黄金”。 碳纤维（ CarbonFiber， CF）是一种含碳量高于 90%的纤维状碳化 产 物，通过有机纤维原丝（先驱体）在高温（ 1000-3000）惰性气体保护的条件下经过 热 解、碳化等一系列物理化学变化而制得。从分子结构上看，碳纤维可以看成是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向排列而成 ，但真正的碳纤维达不到石墨的理想状态，且石墨层平面呈 波浪状，平面间距明显大于石墨的 0.335nm。 碳纤维具有显著的各向异性，沿其纤维轴向模量高，强度高，是一种高性能的增强纤维，具有良好的导电、导热、耐腐蚀、耐超高温等 特性 ，同时还兼备纺织纤维的柔软可 编织 性 。 图表 1 理想 与真实的 碳纤维结构 资料来源：高性能碳纤维微观结构与性能关系研究，华安证券研究所 图表 2 碳纤维的主要性能特点 性能特点 简介 强度高 抗拉强度在 3500MPa以上 模量高 弹性模量在 230GPa 以上 密度小，比强度高 密度是钢的 1/4，是铝合金的 1/2， 比强度比钢大 16倍，比铝合金大 12倍 耐超高温 在非氧化气氛条件下，可在 2000 时使用，在 3000 的高温下部熔融软化 耐低温 在 -180 低温下，钢铁变得比玻璃脆，而碳纤维依旧具有弹性 耐酸、耐油、耐腐蚀 能耐浓盐酸、磷酸等介质侵蚀，其耐腐蚀性能超过黄金和铂金，同时拥有较好的耐油、 耐腐蚀性能 热膨胀系数小，导热系数大 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 资料来源：高科技纤维与应用，华安证券研究所 碳纤维及其复合材料同其他金属及合金类材料相比，主要具备以下优势： （ 1）通常高模量碳纤维复合材料的单向材料比模量比铝合金大 5-7倍，所制备Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 13/150 证券研究报告 的结构件可满足高刚度需求； （ 2）以高模量碳纤维为增强材料，通过合理的复合材料结构设计可获得热膨胀系数几乎为零的材料，满足高低温交变的应用场景中尺寸稳定性要求； （ 3）碳纤维的比重不足钢材的 1/4，可满足结构件的轻量化要求。 图表 3 碳纤维复合材料与金属材料的性能对比 材料 密度（ g/cm3） 拉伸强度 (MPa) 拉伸模量 (GPa) 性能与特点 碳纤维复合材料 1.5 1548 135 力学性能优异、耐高温、耐腐蚀、轻质高强 玻璃纤维复合材料 2.0 1245 48.2 绝缘、耐高温、抗腐蚀、价格较低、性脆、耐磨性较差 结构钢 7.9 1197 206 价格低廉、承载能力好、耐腐蚀性差、易脆断 铝合金 2.8 393 72 可加工性好、耐腐蚀、导热导电能力好、承载 能力差、成本高 钛合金 4.5 712 117 耐高温、耐腐蚀、可加工性好、生物相容性 好、工艺复杂 资料来源： 碳纤维国产化现状与技术发展前景分析， 华安证券研究所 碳纤维的大力发展，对国家的国防、经济、民生都起到更加重要的作用。 碳纤维既具有碳材料质轻、高强度、高模量、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、导热、导电等优异的综合性能，同时还兼备纺织纤维的柔软可加工性，是国际认可的现代高科技领域的战略新材料，被誉为“黑色黄金”。由于人类对于生活质量的需求渐高，以及科技不断进步，尤其是在航空航天、军工制造等高尖端领域和汽车工业、建筑体育等民用领域对于先进材料的需求，传统材料及其复合材料渐渐无法满足，以碳纤维为代表的新型材料的出现和发展，促进了这些行业的发展，同时，伴随着能源的日益紧缺，在新能源领域，轻量化需求中，碳纤维也占据了一席之地。 图表 4 碳纤维性能优异可应用于诸多领域 资料来源： CNKI，华安证券研究所 Table_CompanyRptType 行业研究 敬请参阅末页重要声明 及评级说明 14/150 证券研究报告 图表 5 碳纤维分类指标及应用场景 分类依据 类别 应用场景 丝束规格 小丝束 航空航天领域以及高端体育休闲用品 大丝束 能源、建筑、交通、纺织等工业领域 状态 长丝 碳纤维生产厂商最常见产品形式，应用领域包括飞机 /航空航天设备、体育用品和工业设备零件 短纤维 隔热材料、减摩材料、 C/C复合材料零件等 短切纤维 通常作为塑料、树脂、水泥等混料，通过混入基体中可以改善机械性能、耐磨性、导电性和耐热性，近年来 3D打印碳纤维复合材料中的增强纤维多以短切碳纤维为主。 力学性能 高性能型 超高模量碳纤维 一般应用于航空航天等要求较高的领域，如飞机、导弹、火箭、卫星等 超高强度碳纤维 高模量碳纤维 高强度碳纤维 通用型 主要应用于工业领域如：纺织、机电、土木建筑、交通运输和能源 原丝类型 PAN基碳纤维 航空航天、体育休闲、风电叶片、汽车工业、建筑补强等领域 沥青基碳纤维 航空航天、保温材料领域 粘胶基碳纤维 耐烧蚀和隔热材料、韧带及假骨等医用生物材料 酚醛基碳纤维 适用于要求柔软和非冲击性耐热材料、密封填料、碳一碳复合材料、绝 热材料、大型蓄电池电极、电磁波屏蔽材料和静电消除器等。 资料来源： 搜狐新闻，碳纤维的发展现状及开发应用， 华安证券研究所 PAN 基碳纤维占碳纤维总量的 90%以上，目前碳纤维一般指 PAN基碳纤维。 碳纤维可以按照状态、力学性能、丝束规格、原丝种类等不同维度进行分类。碳纤维按照状态可分为长丝、短纤维、短切纤维，按力学性能可分为通用型和高性能型，按照丝束规格可分为宇航级小丝束碳纤维和工业级大丝束碳纤维，按照原丝类型可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维。 图表 6 碳纤维按丝束规格分类 宇航级小丝束碳纤维 工业级大丝束碳纤维 1K 24K 48K 480K (1K、 3K、 6K、 12K、 24K 等 ) (60K、 120K、 360K、 480K 等 ) 注： 1K指一束碳纤维含 1000根单丝。 资料来源：碳纤维的发展现状及开发应用，华安证券研究所 图表