速读：广泛运用于航天、军工等领域，我国已成全球最大碳纤维产能国

据了解，碳纤维是具备优异力学性能和化学稳定性的战略物资。碳纤维是一种丝状碳素材料，它是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料，直径5-10微米，含碳量高于 95％的无机高分子纤维。

(资料图)

碳纤维具备优异力学性能和化学稳定性，相比传统材料最大的优势是其在具有所需强度的前提下具有最高的比模量（弹性模量与密度之比），同时具有导电、导热、耐高温、耐腐蚀等性能，是铝、镁合金等传统金属材料的优良替代品。

碳纤维作为脆性材料，常在复合材料中作增强材料以实现工业化应用，CFRP在航空航天高端应用广、节能效益明显。作为脆性材料，碳纤维直接使用场景较少，主要场景在复合材料中作增强材料，根据使用目的不同选用不同基体材料和复合方式来达到所要求的复合效果。

碳纤维可用来增强金属基体及非金属基体，目前使用得最多、最广泛的是碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP），其最大的优点是轻质、高强，航空航天高端应用仍是其主要发展方向，根据《航空航天复合材料发展现状及前景》，用 CFRP 制造飞机的结构件，同铝合金相比减重效果可达 20%-40%。目前 CFRP应用已迅速扩大到能源、交通、海洋、机械等领域。

碳纤维国产化有望提升

1879年爱迪生发明碳丝为发光体的白炽灯，碳纤维以此为起点。1959 年日本大阪工业试验所的近藤昭男发明了 PAN 基碳纤维制备技术，从此拉开全球碳纤维产业发展序幕。

上世纪60年代，日、英主导开启实验室技术研发，而美国当时仍致力于攻克粘胶基技术，因此美国聚丙烯腈（PAN）基碳纤维发展晚于日本与英国。至70年代，行业开启工程化技术的研发及应用，英、美、日三国技术合作频繁，碳纤维技术先后应用于发动机风扇叶片、高尔夫球杆、钓鱼竿等，同时也实现复合材料在航空航天结构的工程化应用。

随后的 80-90 年代，行业正式进入工业化时代，行业并购抢占市场成为主旋律。此时的日本东丽公司已基本开发完成现有绝大多数产品型号；美国波音公司将碳纤维应用于航天飞机，并提出商用飞机对碳纤维的需求；而缺乏应用支撑的英国则转以销售技术。

进入21 世纪后，碳纤维在风电、汽车轻量化等方面的需求得到快速扩增，海外企业由于较早将技术与产业发展相融合，在产业地位上形成垄断地位

根据《2019 年全球碳纤维复合材料市场报告》，中国碳纤维发展起点实际与海外基本同步，20 世纪 60 年代研究起步，中科院长春应用化学院及沈阳金属研究所启动开展对碳纤维的研究。70 年代举国研发碳纤维。

为满足国防需求，时任国防科委主任张爱萍将军于 1975 年部署国内碳纤维研究工作；随后 5 年时间，中央各部委实现建成 PAN 原丝试制能力 50吨/年，碳纤维长丝的试制能力 1.5-2.0 吨/年。

80 年代的主基调是引进。国家科委为鼓励引进国外先进技术、设备，承诺给予资金支持；但受限于国外技术封锁，引进过程并不顺利。90 年代碳纤维发展有所停滞。由于缺乏产业支撑，国内碳纤维行业发展陷入停滞，大厂勉强维持、小厂撤出经营。

进入 21 世纪初，由于欧美实施禁运致使碳纤维价格大幅上涨，并影响到国内军机生产，国内开启“大干快上”，掀起碳纤维投资浪潮，10 年间累计投资超 300 亿元。然而由于众多企业并未掌握核心技术，且投资大/周期长，导致超半数企业淘汰出局，国内碳纤维企业数量自高峰时期的 40 家演变为如今的 10 余家。

根据《2021全球碳纤维复合材料市场报告》统计，2021年全球碳纤维运行产能约 20.76万吨，分区域来看，中国大陆运行产能 6.34 万吨，占比 30.5%，首次超过美国成为全球最大产能国；美国运行产能 4.87 万吨，占全球 23.5%；日本位列第三，运行产能 2.5 万吨，占比 12.0%。

全球前五大的企业为日本东丽（美国卓尔泰克被东丽收购）、吉林化纤、美国赫氏、东邦/帝人和三菱，2021 年合计运行产能及并购产能为 11.83 万吨，合计市占率 57%。根据《全球碳纤维复合材料市场报告》数据，国内玩家数量更少，集中度相较海外更高，2021 年中国碳纤维行业的产能 CR5为 79%，其中产能靠前的厂商主要为吉林化纤、中复神鹰、宝旌、新创碳谷和江苏恒神等。

军用碳纤维需求有望大幅释放

先进军机复材用量大幅提升。国外军机的复合材料应用经历了“小受力件→次承力件→主承力件→起落架应用”4 个阶段：

第一阶段主要应用于非承力或受力较小的部件，如舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等；第二阶段开始应用于垂直尾翼、水平尾翼的壁板等受力较大、规模较大的部件；第三阶段逐步应用于机翼、机身等主要承力结构；第四阶段开始推进起落架上试用研究。

根据《先进复合材料在军用固定翼飞机上的发展历程及前景展望》，目前在 F22、F35 及 EF2000 等四代机上，复材用量达 20%-40%；先进直升机上复材用量高达 90%；各类无人机上复材用量约为 50%-80%，部分机型甚至全结构均使用复合材料。

四代机之前，国内军机复材应用仅限于尾翼、鸭翼等次承力结构，用量占比不到 10%；四代机复材用量实现明显突破，约达整机结构件的 20%。自 20 世纪 60 年代末70 年代初，国内相关单位开始将先进复材应用于国产战斗机，先后开展歼-8、强-5 的尾翼和前机身的复材应用研究。

此后新设计的军机均应用了复合材料，但一般用量占比均未超过 10%，如歼-10 用量占比 6%，歼-11 用量占比 9%。最新研制成功的四代战机复材用量有了较明显的突破，约占整机结构件的 20%，并且将目标用量增至 29%，将超过美国F-22的复材用量水平。

国产替代市场前景广阔

民用航空碳纤维需求总量大，新型民机复材应用占比不断提升。根据《构建“硬科技”优势——2021 全球碳纤维复合材料市场报告》，2021 年全球商用飞机碳纤维需求总量达 5800 吨，占航空航天碳纤维需求总量的35.3%，较疫情前需求占比（69%）份额有所萎缩。

先进复合材料质量占比已成为民用飞机先进程度和市场竞争力的重要衡量指标，根据《先进复合材料在航空领域的应用》，波音 B787 和空客 A350 代表当今世界民用飞机制造技术最高水平，复合材料质量占比分别高达 50%和 52%。

复合材料能够降低民用飞机重量、提高结构效率、减小燃油损耗，经济收益显著。以波音 B787 为例，复合材料的大量使用是该机型最大的亮点和难点，该机在机翼、机身、垂尾、整流罩甚至起落架后撑杆、发动机机匣、叶片等部位均使用复合材料，结构质量大幅降低，燃油效率提升 20%，维护成本较 B767下降 30%。

目前全球民航客机市场中，美国波音、欧洲空客双寡头位于第一梯队，巴西航空工业、加拿大庞巴迪公司和法国ART公司位于第二梯队，国产民航客机起步较晚，目前市场占有率较低。

2017年5月5日，中国商飞制造的 C919 大飞机首飞成功，整体国产化率达到 50%以上，定位市场占有率和需求最大的单通道喷气客机，市场布局为与波音 B737、空客 A320竞争的机型。截至 2021 年 3 月，C919 已累计获得815架订单量。

在第十四届珠海航展上，国银金租、工银金租、建信金租、交银金租、招银金租、浦银租赁和苏银金租七家租赁公司与中国商飞公司签署 300 架 C919 飞机确认订单。C919 中复合材料用量占比约12%，主要分布于水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小翼、后机身等部件。CR929中复合材料用量占比预计超过 50%，并将应用于机身、机翼等主承力构件。

海上风电开发化驱动碳纤维迅速放量

风电行业增长，以及叶片大型化带动碳纤维渗透率提升，驱动碳纤维在风电领域快速增长。一方面，随着陆上风电平价上网时代的开启，陆上风电装机有望稳健增长，2021 年全球陆上风电新增装机为 72.5GW，根据 GWEC 预测，到 2025 年全球陆上风电装机有望达到 88.3GW。

2021年全球海上风电装机为 21.1GW，得益于政策驱动和降本因素，海上风电有望快速增长，根据 GWEC 预测，到 2025 年全球海上风电装机有望达到 23.9GW。另一方面，随着叶片大型化，从材料性能以及风电综合成本方面考虑，碳纤维渗透率有望不断提升。

风机大型化带动叶片大型化。为了提高风电发电效率，风机逐渐大型化。一方面，大风机可以提高风轮直径，增大扫风面积，提高效率；另一方面，风电机组重量的提升幅度小于机组功率的提升幅度，因此随着风电机组功率提升，单位 MW 下原材料用量更少，以达到降本效果。

根据CWEA数据 ， 2020年全国新增陆上/海上风电机组平均功率为2.6/4.9MW，较 2019 年 2.4/4.2MW 继续提升。为匹配风电机组的大型化，风电叶片也呈现大型化的趋势。

一方面，随着叶片长度的增加，会使风轮在摆动方向受到较大载荷，导致扭转变形。叶片大型化中，重量也会增加，会增加主梁帽层间失效的风险，若重量的增加大于刚度增加，叶片还易发生共振，破坏结构。

因此随着叶片大型化，对材料性能的要求也会不断提高。而碳纤维质量更轻、强度/模量更高，是风电叶片首选材料，根据《复合材料风电叶片技术的现状与发展》，一个旋转直径为 120m 的风机叶片，梁结构采用碳纤维与采用全玻纤相比，质量可减轻 40%左右。

另一方面，风电叶片减重后，风机可对低风速的风资源得以利用，从而提高风电发电小时数，带来发电效率的提升以及综合成本的下降，也大大减弱了碳纤维价格较高对综合成本带来的影响。

因此从材料性能以及风电综合成本方面考虑，随着风电叶片的长度增加，碳纤维的使用需求将更为迫切，碳纤维渗透率有望逐步提升。

此外，根据赛奥碳纤维数据，2021 年全球风电碳纤维需求约 3.3 万吨，由于维斯塔斯在 2002 年 7 月 19 日分别在中国/丹麦等国家申请了以碳纤维为主要材料的风力涡轮叶片的相关专利。后续随着维斯塔斯专利到期，风电用碳纤维有望加快推广，碳纤维渗透率有望加快提升。

通常海上风机功率高于陆上风机，相较陆上风电，海上风电叶片更长/更重；此外，海上风电面临的环境更为恶劣，对材料性能要求更高，因此海上风电的碳纤维渗透率或远高于陆上风电。

汽车、轨交轻量化驱动碳纤维需求提升

轻量化趋势下，碳纤维成为最理想的车用材料之一，2025 年全球汽车用碳纤维市场将达 1.26 万吨。节能和环保是汽车工业目前面临的两大难题，为实现双碳目标，工信部制定了 GB27999-2019 标准，提出 2025年我国乘用车耗油量需低于 4L/100km，对应二氧化碳排放约为 95g/km。

汽车质量是耗油量的重要影响因素，根据《车身材料与车身轻量化》，对于三厢轿车和两厢轿车，整车质量每降低 100kg，油耗量分别降低0.37L/100 km 和 0.31L/100 km。轻量化已成为汽车工业的重要趋势，新材料的应用则是汽车减重的关键方式。

与传统车用金属相比，碳纤维复合材料的密度低、强度高、耐腐蚀性及可设计性强，是最有发展前景的汽车轻量化材料。2021 年全球车用碳纤维市场规模为 9500 吨，随着中高端汽车市场的扩张、汽车轻量化的推进，叠加碳纤维技术水平与生产工艺的不断成熟，车用碳纤维市场有望加速发展，根据赛奥碳纤维，2021-2025 年 CAGR 为 20.61%，2025 年将达 2.01 万吨。

此外，碳纤维也是下一代轨道交通的理想材料。轨道交通车体材料经历了两次代际更迭，即由普通碳素钢发展到不锈钢，再到铝合金。相比于铝合金等轻质材料，碳纤维复材比强度高、耐腐蚀性强，通过一体化成型工艺设计，能够减少零件连接，提升制造效率与工艺稳定性，进而成为下一代轨道交通的理想材料。

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