浅谈碳纤维应用领域及未来需求

01 碳纤维简介

具备出色的力学性能和化学稳定性的黑色黄金

碳纤维（Carbon Fiber）是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机母体纤维，在高温环境下裂解碳化形成碳主链结构，含碳量 高于90%的无机高分子纤维。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 中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，同时具有导电、导热、耐腐蚀等一系列其他材料所不可替代的优良性能。碳纤维在航 空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域广泛应用。

碳纤维可以按照原丝种类、力学性能、丝束规格、原丝制备工艺等不同维度进行分类，不同类别的碳纤维分类标准如下：

原丝种类：分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，用 途广泛，自20世纪60年代问世以来，迅速占据主流地位，占碳纤维总量的90%以上。沥青基、粘胶基的产量规模较小。因此，目前碳 纤维一般指PAN基碳纤维。

力学性能：业内主要采用力学性能进行分类。企业产品分类主要参考日本东丽的牌号，并以此为基础确定自身产品的牌号及级别。此外， 按照现行聚丙烯腈基碳纤维国家标准GB/T 26752-2020的力学性能分类，PAN基碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型四 类。

丝束规格：按纤维数量不同可分为小丝束和大丝束，一般将丝束数量小于24K的碳纤维称为小丝束（1K代表一束碳纤维中有1000根丝）， 24K以上的为大丝束。小丝束碳纤维性能优异、产量低、价格较高，一般用于航空航天、国防军工等高科技领域。大丝束产品性能相对 较低、成本较低、生产控制难度不大，广泛运用于基础工业、民用领域。

原丝制备工艺：按照纺丝溶剂的选择，聚合工艺的连续性，纺丝采用的工艺方法等，原丝制备可以分为不同的工艺类型。按照纺丝溶剂 区分，包括DMSO（二甲基亚砜）、DMAC（ N,N 二甲基乙酰胺）、NaSCN（硫氰酸钠）等不同的溶剂类别。按照聚合工艺的连续性，可以 分为一步法、两步法。按照纺丝工艺，可以分为湿法和干喷湿纺法。

02 碳纤维供需

全球供给

2020年全球碳纤维运行产能共计17.2万吨，同比增长10.8%，增长部分主要来自卓尔泰克在匈牙利增加的5000吨，碳谷+宝旌（前精 功碳纤维）增加的2000吨，中复神鹰增加的2000吨，光威增加的2000吨，晓星公司增加的2000吨。

从制造商看，2020年具有**运行产能的是Toray+Zoltek（东丽和卓尔泰克）、共计约5.45万吨，其次是SGL（德国西格里）1.5万 吨、MCCFC（三菱）1.43万吨、Toho/Teijin（东邦/帝人）1.26万吨、Hexcel（赫氏）1.02万吨、FPC（台塑）0.88万吨。未来多家 制造商预计扩产共计8.04万吨。

从区域看，美国具大的运行产能3.73万吨，占比**为21.7%；其次为中国大陆3.62万吨，占比为21.1%；日本2.92万吨，占比17%。 同时，据中国化学纤维工业协会统计，2020年，在国际大丝束碳纤维市场中，美德企业市占率达到全球产能的89%以上，日本企业市 占率约为10%。其中，碳纤维大丝束主要制造商为日本东丽、美国Hexcel、德国SGL、日本三菱、中国蓝星等企业。

国内供给

2020年中国碳纤维产能共计3.6万吨、同比增长35.7%。2020年具有**碳纤维运行产能的是碳谷+宝旌、共计0.85万吨，其次是江苏恒神 0.55万吨、中复神鹰0.35万吨。同时，2020年具有**碳纤维原丝产能的也是碳谷+宝旌 ，共计4万吨、其次是中复神鹰2.125万吨、江苏 恒神1.375万吨。

国内公司产能特点：吉林碳谷以原丝生产为主；吉林宝旌和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主，江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳 纤维生产能力；其他公司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。

扩产计划：国内的吉林化纤集团、中复神鹰、光威复材等公司均有碳纤维及碳丝的扩产计划，吉林化纤：2021年1月宣布在 “十四五”期间将完成20万吨原丝、6万吨碳纤维及1万吨复合材料。中复神鹰：预计2021年底，建成投产1万吨碳纤维及配套原丝项目。 新疆隆炬：2021年3月宣布建设年产5万吨碳纤维碳化项目。国泰大成： 2021年3月宣布建设年产1万吨碳纤维、2.5万吨原丝项目。

国内碳纤维产能

目前碳纤维行业的有效产能高度集中，主要来自吉林碳谷、中复神鹰、光威复材、中简科技等。 基于碳纤维极高壁垒的行业属性，其全球供应呈现明显的垄断格局。随着产能利用率的提升以及对需求前景的看好，国内碳纤维企业开 始新一轮产能扩张浪潮。未来几年，我国多家碳纤维企业纷纷扩大产能，代表事件有中复神鹰投资50亿元西宁建设20000吨碳纤维的重大扩建工程、光威复材将投资20亿元在包头建设“万吨级碳纤维产业化项目”、上海石化投资35亿元，建设24000吨原丝、12000吨大丝束 碳纤维项目等。 预计2022年底，我国碳纤维产能达到5.2万吨/年，未来将进一步快速增长，2025年或将达到26.0万吨/年，2020年-2025年年均复合增长 率达56%。

国内原丝产能

根据我们统计，2020年我国原丝产能为4.96万吨/年，随着近年来多个企业抛出原丝扩产计划，我国原丝产能将继续提升，我们预计到 2025年，我国碳纤维原丝产能将达到54.86万吨/年，2020年-2025年年均复合增长率达56%。按照每生产一吨碳纤维需要耗费两吨原丝计 算，我国碳纤维原丝新增产能与碳纤维新增产能总体将保持匹配。

碳纤维需求受益于风电叶片大型化与军机装备先进化保持高速增长，国内碳纤维加速扩产将促进上游原丝需求提升。目前碳纤维原丝行 业的有效产能高度集中，主要来自吉林碳谷、中复神鹰、光威复材、中简科技等，除吉林碳谷外，其他企业的碳纤维原丝产能多是碳纤 维产能的配套项目，以各企业自用为主。吉林碳谷是碳纤维原丝龙头企业，产能位于全国首位，随扩产计划逐步落地，吉林碳谷市场份 额料将持续增加。

全球需求

2020年全球碳纤维需求为10.69万吨、同比增长3.05%。 从应用领域看：2020年风电叶片领域是碳纤维**的应用领域、需求量为 3.06万吨，占比为29%，该领域增长强劲，同比增20%。第二大应用领域是航 空航天（需求量1.65万吨，占比15%），需求量用量急剧降低，同比减30%。 第三大应用领域为体育休闲（需求量为1.54万吨，占比14%），需求稳定增 长，同比增2.67%。 从产品种类看：2020年标准模量大丝束产品占据碳纤维市场**份额，占比 为45.2%，同比提升3ppt。标模-大丝束占比提升来自风电市场驱动下的需求 增长，小丝束市场在航空航天市场萎缩下的需求下滑，以及小丝束市场供给 不足、使用大丝束替代的原因。

国内需求

2020年中国碳纤维的总需求量为4.9万吨，同比增加29%；我国需求量占全球总需 求量的45.7%。

从国产/进口看：2020年总需求量中的3.04万吨（占比62%）来自于进口，进口量 同比增17.5%；总需求中的1.85万吨（占比38%）来自国产，供应量同比增54.2%。 国产替代取得巨大进步。

从应用领域看：2020年风电叶片领域是碳纤维应用**的领域，需求量为2万吨， 占比为41%，需求量同比增44.9%。第二大应用领域是体育休闲行业，需求量为 1.46万吨，占比29.9%，需求量与2019年持平。

全球风电叶片领域中66.7%的需求量、体育休闲领域中94.8%的需求量都来自中国， 但是国内航天航空领域的需求量很少为1700吨，仅贡献全球10.33的需求量。

碳纤维供需

我国碳纤维工业起步相对较晚，在核心技术、产能等方面与西方发达国家存在一定差异。近年来在国内外高速增长的需求牵引下，国内碳纤维制造商在进 一步进行产能投资和技术突破。当前我国国内主要的碳纤维（及原丝）制造商为吉林碳谷、吉林宝旌、中复神鹰、江苏恒神、光威复材、兰州蓝星和上海 石化等。其中，吉林碳谷以原丝生产为主；吉林宝旌和兰州蓝星以大丝束碳纤维生产为主，江苏恒神和兰州蓝星兼备原丝生产和碳纤维生产能力；其他公 司产能主要集中在高性能碳和小丝束碳纤维。

国际大丝束碳纤维产能主要集中在美国、德国以及日本等发达国家。大丝束碳纤维生产技术和工艺流程复杂，国际市场大丝束碳纤维规模化生产起步早， 工艺技术已逐步发展成熟，主要产能集中在欧美、日本等少数发达国家。根据中国化学纤维工业协会数据，2020 年，在国际大丝束碳纤维市场中，美德企 业市占率达到全球产能的89%以上，日本企业市占率约为10%。其中，主要大丝束碳纤维制造商为日本东丽、美国Hexcel、德国SGL、日本三菱、中国蓝星等 企业。截至2020年底，在产能方面，日本东丽目前拥有全球**碳纤维运行产能，理论产能达到5.45万吨/年。德国SGL现有产能1.5万吨/年，是目前碳纤 维运行产能第二大的公司。日本三菱碳纤维产能排名全球第三，为1.43万吨/年。Hexcel现有碳纤维产能1.02万吨/年。

03 碳纤维应用

风电领域

预计到2023年、2025年全球碳纤维需求将增长至15万吨、20万吨，增长主要受风电叶片领域需求驱动。 风电叶片领域2023年、2025年对碳纤维的需求量或将达到6万吨、9.3万吨，对应贡献了全球需求增量的68.2%、67.4%（以2020年为基准）。 碳中和背景下，能源结构型调整势在必行，利好风电领域。中国明确提出了“碳中和碳达峰”的目标，美国将重新加入“巴黎气候协定”，并制 定“2035 无碳发电，2050 让美国实现碳中和”的目标，欧盟则提出了2050年实现碳中和的目标。政策驱动下，预计未来5年中国及全球风电新 增项目容量将持续增长，中国新增容量将增长至66GW，全球增长至119GW。

风机大型化趋势，叠加Vesta专利到期影响，将拉动大丝束碳纤维需求增长。大丝束碳纤维性能优越，可以使得叶片减重30%，因此超过3MW的风 机和超过50米的风电叶片需要运用到大丝束碳纤维。同时Vestas将碳纤维风电叶片制作低成本化，随着专利即将到期，国内风电厂将积极开发此 类风电叶片，大丝束碳纤维需求将快速增长。（报告来源：未来智库）

储氢领域

压力容器领域2023年、2025年对碳纤维的需求量或将达到1.5万吨、2.19万吨， 对应贡献了全球需求增量的14.37%、14.06%（以2020年为基准）。 碳纤维缠绕复合材料储氢气瓶，是利用碳纤维丝束浸在环氧树脂后，与铝合金或 者高分子内胆进行缠绕，再将其固化成型脱模，从而具有质量轻，耐疲劳，抗高 低温冲击，稳定性好等特点。 同时较三型瓶，四型瓶碳纤维虽用量提升，但总成本下降。在同等工作压力状态 下，四型瓶成本较三型瓶低7%-11%，因此储氢瓶大丝束碳纤维的需求量将实现快 速增长。 在天然气汽车（NGV）和燃料电池汽车（FCV）中， Ⅳ型高压储气瓶可以有效降 低重量，还可以储存更多燃料，有效提升汽车续航里程，经济性明显，未来几年 天然气汽车和燃料电池汽车将会是Ⅲ型、Ⅳ型高压储氢瓶的主要应用方向。

航空航天领域

基于碳纤维复合材料在结构轻量化中无可替代的材料性能，在航空中得到了广泛应用和快速发展，从1969年起美国战机碳纤维的使用量比重开始持续增加达到36%，美国B2隐身战略机上碳纤维复合材料占比超过了50%。随着近年民用航空产业的发展，民用飞机对于碳纤维复合材料的使用量也逐步上升，如 B787和A350等，以及我国商飞的C919等。航空主要使用3K、6K、12K碳纤维。

预计2020-2023年需求量不变；到2025年需求量将达到2.63万吨，贡献全球增量的10.6%（以2020年为基准）。航空航天市场中的民用航空市 场，至少需要3年才可能恢复到2019年的应用数量。当疫情得到进一步控制，市场复苏加上单通道飞机广泛采用碳纤维对市场的激增作用，航 空航天市场依然将会是碳纤维应用中举足轻重的一环。

体育休闲领域

碳纤维在体育休闲市场中，主要使用于高尔夫球杆、曲棍球棍、网球拍、钓鱼竿、自行车架、滑雪板、赛艇等高端体育休闲市场。该块 应用主要基于碳纤维的轻质、高强度、高模量、耐腐蚀等特点。例如碳纤维复合材料制作的高尔夫球杆比金属杆减重近 50%，碳纤维自 行车较铝材减重 40%且实现更高的车架精度。钓鱼竿、球拍、滑雪板、高尔夫球杆等体育用品的碳纤维多使用大丝束碳纤维（≥24K）。

体育休闲领域碳纤维需求：预计2023年、2025年对碳纤维的需求量将达到约3.6万吨、5.0万吨，对应贡献了全球需求增量的6.0%、4.6% （以2021年为基准）。疫情之下，群体运动的碳纤维器材，如曲棍（冰）球杆、滑雪杆等，有较大幅度的下滑；而个人运动休闲的器材 反而上升，主要有高尔夫球杆，自行车及钓鱼竿。另外，欧美这些年一直流行健康、绿色出行，对电动自行车也有较大的需求增长。