01

碳纤维产业应用场景广阔

需求持续扩容

随着我国碳纤维生产技术的不断突破，碳纤维国产替代驶入快车道。根据赛奥碳纤维统计数据，2020 年中国碳纤维总需求量为 4.89 万吨，占全球总需求量 的 45.7%。2020 年我国碳纤维需求量同比增长 29%，需求增速远高于全球碳纤维需求 3%的增速。我国碳纤维的对外依存度较高，2020 年我国碳纤维进口量为 3.04 万吨，约占总需求的 62.2%，同比增长 17.5%，国产量为 1.85 万吨，同比增长 53.8%。随着下游各应用领域的不断发展壮大，我国碳纤维需求有望进一步增长。根据赛奥碳纤维预测，到 2025 年，我国碳纤维需求总量将达到14.95 万吨，五年 CAGR 高达 25.1%。

碳纤维复合材料凭借其优异性能，在航空航天、武器装备、风电叶片、轨道交通等领域具有无可替代的地位。当前，我国碳纤维的下游应用（销量口径）主要集中在风电叶片和体育休闲领域，其中风电叶片领域发展势头强劲，2020 年风电叶片领域的碳纤维需求量首次超过体育休闲领域的需求量。由于新冠疫情冲击，2020 年航空航天领域的碳纤维需求增速有较大幅度下降。然而对比我国与全球碳纤维下游需求行业分布（参见图 9）可以看到，我国碳纤维在航空航天与汽车领域的应用规模远低于全球相应的规模，因而我国碳纤维在这些领域的应用同样具备较大的发展潜力。

值得注意的是，在碳纤维的各下游应用中，航空航天用碳纤维复合材料技术壁垒高，工艺流程繁琐，需经过碳纤维-预浸料-分切-自动铺放-热压罐检验-机加工-装配等步骤，且需要至少十年的研发周期，因此具备最高的附加值。根据赛奥碳纤维数据，2020 年我国航空航天领域的碳纤维需求量仅占需求总量的3.5%，但是收入规模占比最大，约占碳纤维下游各应用的总收入规模的 37.4%。

02

风电叶片是我国碳纤维第一大应用领域

行业高景气助推需求高增 

碳纤维性能优异，被广泛应用于风电叶片。碳纤维具备低密度、高强度、高弹性、耐腐蚀、热膨胀系数低等优良特性。其轻便的特点使得风电叶片在长度增加的同时，重量更轻。轻量化还可以适当降低对涡轮和塔架组件强度的要求，节约其他部件成本，从而对冲碳纤维较高的生产成本。同时，碳纤维能够让风电机组更好地抗击恶劣气候条件。此外，碳纤维还能提高风能转化效率，且由于碳纤维叶片更薄更长更细，同时能够提高叶片动能的输出效率。但由于碳纤维价格目 前仍旧较高，考虑到叶片的制造成本，碳纤维目前只应用到叶片主梁帽、蒙皮表面、叶片根部、叶片前后缘防雷系统等关键部位，其中最主要的应用部位是主梁帽。

风电叶片是国内碳纤维的主要应用领域，也将是“十四五”期间碳纤维下游需求增长最快的领域，未来发展空间广阔。近年来，随着风电叶片大型化、风电机组装机量稳步增加，装机方向逐步从陆上小功率机组向海上大功率机组转移，碳纤维在风电领域的用量大幅增长。根据赛奥碳纤维统计数据，2020 年中国碳纤维下游应用中，风电叶片需求量占比最大，达 40.9%；2020 年全球风电叶片碳纤维的总需求量为 3.06 万吨，同比增长 20%，我国风电叶片碳纤维需求量约为 2 万吨，同比增长 45%。预计 2025 年全球风电叶片碳纤维的需求量将增至9.34 万吨，2020-2025 年间的 CAGR 为 25%，风电叶片市场空间较为广阔。

中国风电装机容量增速显著，根据国家能源局统计，2017-2020 年间，我国风电装机规模持续上行，新增风电装机规模逐年提高，利好风电用碳纤维需求提升。2020 年我国累计风电装机规模达到 281.7GW，同比增长 34.1%，新增风电装机规模达 71.7GW，同比增长 179%。

根据中国可再生能源学会风能专业委员会（CWEA）的统计，我国新增的风电机组的单机容量不断增大，因为大功率风电机组的风能利用率高，且风机的单位发电成本低。我国单机容量为 2-2.9MW 风电机组装机容量占比从 2019 年的72.1%下降至 2020 年的 61.1%，而单机容量 3.0MW 及以上风电机组装机容量从 2019 年的 27.65%增长至 2020 年的 37.9%。

风电叶片大型化是风电的发展趋势，当前风轮直径已突破 125m，未来正朝着长度为 150m、250m 的大型风电叶片前进。传统的风电叶片制造材料为玻璃纤维复合材料，全玻璃钢叶片已经无法满足风电叶片大型化的要求。而碳纤维在实现风电叶片大型化、轻量化时的主要优势是在满足一定强度要求的前提下，具有其他材料不具备的高比模量，因此碳纤维材料是更加理想的选择。例如，3MW的风机的叶片，使用碳纤维替代传统的玻璃纤维，叶片的重量将减少 32%，成本下降约 16%。

我国风电市场高景气，风电装机规模有望进一步扩大。四百余家风能企业在2020 年北京国际风能大会上联合发布的《风能北京宣言》指出：在“十四五”规划中，须为风电设定与“碳中和”国家战略相适应的发展空间，即保证年均新增装机 5000 万千瓦以上。2025 年后，中国风电年均新增装机容量应不低于 6000万千瓦，到 2030 年中国风电累计装机容量至少达到 8 亿千瓦，到 2060 年至少达到 30 亿千瓦。根据 GWEC 的数据，截至 2020 年年底我国海上风电装机量为998.99 万千瓦。

根据我们在 2021 年 11 月 23 日所发布的《“十四五”海上风电装机量超预期，风电材料迎来景气周期——海上风电材料动态跟踪报告之一》的测算，预计 2021 至 2025 年，我国新增海上风电装机规模可达 3470 万千瓦，因此 2025 年我国海上风电装机量可达 4468.99 万千瓦，2020-2025 年间 CAGR为 35%。在这里我们假设 2021-2025 年我国陆上新增风电装机量的 CAGR 为 10%，假设 2021-2025 年陆上风电和海上风电的平均单机容量的 CAGR 与 2017-2020年平均单机容量的 CAGR 一致。目前碳纤维主要应用在风机叶片的主梁结构，而主梁会采用碳纤维/玻璃纤维混合的方式实现性价比最大化，因此我们假设碳纤维的重量占主梁总重的 60%。风机主梁结构质量超过叶片质量的一半，在这里我们按 50%计算，由此得到我国未来风电市场对碳纤维的需求量。预计 2025年我国风电领域碳纤维的需求量将达 6.06 万吨，风电领域碳纤维需求有望持续提升。

03

极佳的热场材料——碳/碳复合材料

将充分受益于光伏景气提升

碳/碳复合材料（以下简称“碳/碳复材”）是在碳纤维基础上进行了石墨化增强处理的产品，主要应用在热场部件、航天部件、刹车盘等领域。碳/碳复材能够耐受 2000℃的高温，是极少数在高温下力学性能不降反升的材料。同时，碳/碳复材还具备良好的耐热性、耐腐蚀性、耐摩擦性，容易加工，强度是石墨材料的 3-5 倍。碳/碳复材的寿命是石墨材料的 3 倍以上，例如单晶硅生长炉热场使用寿命在 50 炉左右，多晶硅铸锭炉热场使用寿命在 100 炉左右，碳/碳复材单晶硅生长炉热场使用寿命在 150 炉以上。而价格方面，碳/碳复材的价格仅为石墨坩埚的 2 倍左右。在太阳能光伏热场领域，碳/碳复材可应用于直拉单晶硅炉和多晶硅铸锭炉中。

直拉单晶硅工艺目前已经成为生产单晶硅主流工艺，直拉单晶硅炉内已经采用了大量碳素热场材料。从 2013 年 2021 年，直拉单晶硅炉坩埚直径从 24-28寸逐渐升级到 36 寸，一次性能够装载 700-800 公斤硅料，这对碳素坩埚的尺寸和强度的要求更高。目前高性能石墨是挤压成形，大尺寸石墨是等静压成形，挤压料一般为实心棒料或块料，加工成本升高，材料浪费严重，而碳/碳复材则可以整体成型，尺寸越大，性价比越高。并且，由于静压石墨是脆性材料，高温下强度低，但高纯硅料要在 1500℃左右熔融，石墨坩埚一旦承载的硅料过多，熔融的硅料就会烧穿炉底，安全性难以为继。与此同时，在能耗方面，使用碳/碳复材能够节约 10-20%的能耗。例如，95 炉能装 22 寸热场，投料量为 120KG，耗电 3000 度，而使用碳/碳复材则只需要 2400-2700 度左右，按照工业用电 2 元/度计算，一台设备每炉可以节约电费 300-600 元。因此，碳/碳复材逐步代替石墨材料是大势所趋，目前在直拉单晶硅炉内碳素结构材料中，除了加热器仍采 用导电率高的石墨材料，其他均逐步被碳/碳复材替代。

2020 年全球碳/碳复材的需求规模大约为 5000 吨，国内约 3000 吨。未来碳/碳复材在航天部件和刹车盘的市场应用将保持平稳，而热场部件受益于光伏市场的高速增长需求高增，碳/碳复材具有广阔的市场应用前景。赛奥碳纤维预计 2025 年全球碳/碳复材的市场规模将达 18565 吨。

我国对碳/碳复材的需求巨大，这主要是由于近年来我国光伏产业进入快速发展期，光伏装机量增长强劲，为碳/碳复材的需求提供了广阔增长空间。根据国家能源局预测，我国光伏累计装机量将从 2020 年的 253GW 增长至 2025 年 的 693GW；新增装机量从 2020 年的 48.2GW 增长至 2025 年的 110GW。我们假设单位装机容量碳/碳复材用量年均增长率为 10%，2025 年新增的光伏装机量将对应新增 7400 吨碳/碳复材需求量。

04

航空航天产品附加值最高

需求稳步恢复

碳纤维树脂基复合材料比强度和比模量高，材料的可剪裁性好，成型工艺具有多选择性，且可以整体成型，从而使结构设计成本和制造成本大幅降低。碳纤维复合材料还具备良好的耐疲劳性能和抗腐蚀性能、保证不损失强度或刚度，且能起到良好的减重作用，能够满足航空工业对于飞行器安全性、经济性、舒适性和环保性的各项需求，同时节省燃油消耗。

碳纤维复合材料从 20 世纪 60 年代起开始用于航空领域，经历了从仅应用于非承力构件阶段到受力、尺寸较大的次承力结构件，再到主承力或复杂受力构件三阶段的发展。

传统的飞机零部件以铝、钛合金材料为主，近年来碳纤维复合材料在航空航天领域的应用占比不断提升。2020 年碳纤维复合材料在商用飞机的使用量占航 空航天领域总使用量的 52.9%，在军用飞机、公务机、直升机、无人机等应用场景的使用量占比分别为 15.8%、12.8%、9.1%、4.6%。根据《国内外碳纤维复合材料及结构供应与制造现状》（周震著），2018 年碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升机上的使用量已占总复合材料的 70%-80%，在军用飞机上占30%-45%，在大型客机上占 35%-52%，在无人机上占 90%以上。

在航天领域，碳纤维复合材料广泛应用于人造卫星、固体火箭发动机壳体和喷管、卫星构架、天线、太阳能翼片底板、航天飞机机头、机翼前缘和舱门等制件。航天飞行器的重量每减少 1 公斤，就可使运载火箭减轻 500 公斤，减重效果十分显著。目前卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件等已经基本做到了复合材料化。

在航空领域，军用飞机和民用飞机是碳纤维的传统应用领域，其中军用领域对飞机的性能要求更高，碳纤维在军用飞机中的应用占比呈现逐年递增的趋势。以美国为例，1969 年，美国 F14A 战机碳纤维复合材料用量仅有 1%，到美国F-22 和 F35 为代表的第四代战斗机上碳纤维复合材料用量达到 24%和 36%，而在美国 B-2 隐身战略轰炸机上，碳纤维复合材料占比更是超过了 50%，碳纤维复合材料的用量与日俱增。我国的军用飞机已在多个部件使用碳纤维复合材料， 如在歼-11B 的机翼外翼段、水平尾翼和垂尾，直 10 和直 19 武装直升机的机身框架结构、直升机旋翼、机翼蒙皮和直升机尾翼部件，J-20 战机碳纤维增强树脂基复合材料的用量也接近 20%。随着碳纤维复合材料在国防航空航天领域应用比例的提升、装备列装数量增加以及装备换代更新的需要，未来我国国防事业对碳纤维的需求还将进一步增加。在运载火箭和战略导弹方面，碳纤维也先后成功用于“飞马座”、“德尔塔”运载火箭、“侏儒”导弹等型号，美国的战略导弹 MX 洲际导弹，俄罗斯战略导弹“白杨”M 导弹均采用先进复合材料发射筒。

民用航空领域除了有对飞机性能的要求，其经营活动还受经济效益指标和碳排放限制的影响。而碳纤维不仅具有提升飞机性能的优势，还可通过降低重量减少油耗，进而降低碳排放，在契合“双碳”目标中减排要求的同时为民用航空带来可观的经济效益。世界两大飞机制造巨头波音和空客公司先后推出了以先进的碳纤维增强树脂基复合材料为主受力结构件的商用飞机——波音 787 和空客A-350。波音 787 机体的碳纤维增强树脂基复合材料用量占比高达 50%，采用T800 级别碳纤维增韧环氧树脂制作机身和机翼，飞机质量得以减轻而刚度和强度不降低。空客 A-350 中碳纤维增强树脂基复合材料结构件的质量超过了 53%， 而空客 A380 后机身蒙皮壁板所采用的碳纤维增强树脂基复合材料质量占 20%。我国飞机零部件与组装制造领域的碳纤维复合材料用量也在快速增长，商用飞机有限责任公司研发生产的 C919 客机的中央翼、襟翼等部件均采用碳纤维增强树脂基复合材料，碳纤维使用量占总质量的 12%。

自 2010 年以来，全球航空航天领域对碳纤维的需求量一直呈现上升趋势。虽然 2020 年民用航空方面受疫情影响需求量明显下滑，但提高飞机性能、减少碳排放和增加经济效益等为大势所趋，碳纤维在机身材料中的占比有望维持不断扩大的趋势，未来航空航天领域对碳纤维产品的需求也有望恢复增长。

航空航天领域对碳纤维的需求主要来自两大方面，一是新研制的飞机不断提 升碳纤维复合材料的应用占比，二是新增的飞机订单，包括军用飞机的规模扩大和更新换代、商用飞机量产以及民用无人机的大规模普及等。根据《碳纤维复合材料的应用现状与发展趋势》（樊星等），预计 2021-2025 年我国商用机、军用飞机、民用无人机年均新增碳纤维复合材料需求量为 572 吨。碳纤维有着较为广阔的市场空间。

05

人均体育消费稳增

体育休闲产品需求稳步增长

随着体育产业的蓬勃发展，以及消费者对体育产品的性能不断提出更高要求，自 2010 年来全球体育休闲领域对碳纤维的需求量稳步上升，从 2010 年不足 7000 吨逐步提高至 2020 年的 15400 吨。我国是全球碳纤维体育器材制造大国，体育休闲产业一直以来是我国碳纤维最主要的应用领域之一，也是最早得到规模化商用的领域，预计未来还将保持平稳发展。碳纤维在体育休闲领域主要为民用，属于中低端市场，因此对性能的要求相对较低，需求主要集中于 T300-T700级别的碳纤维，厂商趋于低成本竞争。

在体育休闲领域，碳纤维增强材料凭借优良的力学性能主要应用于高尔夫球 杆、钓鱼杆、网球拍、碳纤维自行车架及整车制作等。采用碳纤维增强树脂基复合材料制作的球拍具备良好的刚度、弹性，且不易变形。碳纤维材料制作的钓鱼竿能够很好地满足高强、轻质、抗疲劳的特性，碳纤维钓鱼竿目前已占钓鱼竿市场总量 90%以上。碳纤维高尔夫球杆可以比金属杆减重近 50%，且由于质量减轻，球可以获得较大的初速度，同时碳纤维具有高阻尼特性，所以击球时间增加，球被击起的距离增加。用碳纤维增强树脂基复合材料制作自行车车架和车轮，可降低车体的质量和阻力，赋予车体较好的刚性和减震性能，提高安全和舒适度。此外，自动化成形工艺的开发应用还可以满足多样化的设计要求，提高自行车的功能性和新颖性。疫情之下，群体运动的碳纤维器材需求量，如曲棍球杆、滑雪杆等，有较大幅度的下滑；而个人体育休闲的器材需求量反而上升，主要有高尔夫球杆，自行车及钓鱼竿。

2017 至 2020 年我国人均体育消费金额持续上升，其中 2020 年实现了 31%的同比高增长。这不仅反映出我国体育产业整体市场规模在稳步扩大，也体现了人们的体育消费水平、消费追求在逐步提升，能够显著提升消费者体验感的高性能体育产品将愈受青睐，因而碳纤维体育用品有望迎来更多市场机遇。

06

汽车轻量化未来可期

碳纤维大有可为

汽车轻量化未来可期，碳纤维大有可为汽车轻量化是一项系统工程，具体实施途径包括轻量化材料应用、结构设计优化、先进制造工艺和集成化设计，其中结构设计优化和制造工艺等带来的减重效果相对较小，且优化空间越来越小。而轻量化材料应用效果则更为直接，新材料应用及多材料优化组合在轻量化效果上潜力巨大。

碳纤维复合材 料具备其他材料不可比拟的比强度、比模量、耐腐蚀性等优异 性能，且具有良好的轻量化效果，能够适应多种汽车零部件的使用工况。 碳纤维 复合材料相比铝合金可以减重 50%，当制成与高强度钢同等强度和刚度的构件 时，使用碳纤维复合材料构件重量可减轻 70%。 短期内“高强度钢+铝合金”仍 然是主流的汽车轻量化材料，未来随着碳纤维材料制造工艺和成本的不断突破，  其在汽车领域的应用潜力巨大。

近年来，碳纤维复合材料被广泛应用于汽车的车身、刹车片、传动轴、发动机、燃料箱、尾部沸腾器和新能源汽车动力电池箱体等，使汽车部件轻量化的同时更加节能环保。在全球各大汽车厂商中，宝马率先实现碳纤维在量产车上的突破性应用,开创了车用碳纤维新时代。每辆宝马 i3 约使用 200-300kg 碳纤维复合材料，减少了约 250-350kg 重量，整车重量仅 1224kg。同时，由于车身较轻，大幅度提升了车辆性能和续航里程，节省了约 1299 美元电池成本。

随后各大车企相继推出多款碳纤维材料汽车，在车身底盘方面，通用超轻概念车采用碳纤维车身和底盘实现减重 68%，斯巴鲁采用 CFRP 车顶，相比高强度钢车顶减重 80%。在制动盘方面, Porsche AG 等车采用碳纤维制动盘，能够在 50m 内将车速从 300km/h 降到 50km/h。在传动轴方面，丰田 86 采用的碳纤维传动轴仅重 5.53kg，实现减重 50%。日本成功研发出用碳纤维代替铝合金制造压气机叶轮的工艺，有效缩短了响应滞后时间，实现减重 48%。我国在车用碳纤维领域也成功实现了技术突破，已有众多车企在新产品中加入碳纤维复合材料。

在“碳达峰碳中和”的背景下，节能减排已成为汽车工业的重要发展方向，其中汽车车体轻量化是解决问题的关键之一。欧洲铝协研究数据表明，若汽车整车质量降低 10%，燃油效率可提高 6%-8%。从绝对量来说，汽车重量每降低100kg，每百公里可节约 0.6L 燃油，二氧化碳排放可减少约 10g/Km。与此同时，在新能源汽车领域，在电池技术无法在短期得到重大突破的情况下，电池轻量化能够提升汽车的动力性能和续航里程，从而降低电池数量和成本。

2020 年 10 月，中国汽车工程师学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图(2.0 版)》明确了到 2035 年燃油乘用车整车轻量化系数降低 25%、纯电动乘用车整车轻量化系数降低 35%的目标，有望大幅提振汽车用碳纤维需求。

07

氢能行业快速发展

高压储氢瓶推动碳纤维需求

氢能是一种良好的可再生能源。氢能来源广泛，海水中的氢热量是地球所有化石燃料热量的 9000 倍，同时氢能具有零排放、自动再生、热能集中等优势，在全球绿色能源转型的当下有着重要地位。储运环节为氢能应用的关键环节，但是目前氢气储存技术滞后，安全性无法得到保障，严重限制了氢能源的大规模应用。氢气的储存有高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢、碳纳米管吸附储氢、有机液体氢化物储氢等方法。其中，高压气态储氢具有充放氢速度快、容器结构简单等优点，是目前大规模应用中的主流方法。高压储氢气瓶是氢燃料电池系统的关键部件之一, 而高压氢气瓶的核心技术在于塑料内衬及碳纤维缠绕，由于高压化和轻量化需求，复合材料高压储氢气瓶为研发与应用的主流技术。目前我国主要采用 35MPa 的储氢瓶，相较于国际主流的 70MPa 高压储氢瓶仍存在一定的技术差距。

通常来说，车用气瓶共分为四种类型：全金属气瓶(I 型)、金属内胆纤维环向缠绕气瓶(II 型)、金属内胆纤维全缠绕气瓶(III 型)、非金属内胆纤维全缠绕气瓶(IV 型)。Ⅰ型和Ⅱ型气瓶重容比较大，难以满足单位质量储氢密度要求，用于车载供氢系统并不理想。Ⅳ型气瓶在高压下，气体易从非金属内胆向外渗透，且金属阀座与非金属结构的连接强度难以保证。因此，采用铝内胆的Ⅲ型气瓶是主要研究方向。复合材料储氢气瓶由内至外包括内衬材料、过渡层、纤维缠绕层、外保护层、缓冲层。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ型储氢气瓶均有纤维缠绕层，且缠绕层选用碳纤维作为增强材料，高强度、高模量的碳纤维材料通过缠绕成型技术制备的复合材料气瓶不仅结构合理、重量轻，且具有良好的工艺性和可设计性，在储氢气瓶制备上具有广阔的应用空间，T700 碳纤维材料即可满足储氢气瓶用的要求。

氢燃料电池汽车高速发展，有望大幅提振储氢罐用碳纤维需求。 氢燃料电池汽车因其零排放无污染、加氢时间短、续航里程长、效率高等优点成为现代汽车的发展方向之一，也是当前氢能利用的主要方向，氢燃料电池汽车的快速发展有望大幅推动用于制造汽车储氢罐的碳纤维需求。赛奥碳纤维数据显示，2020 年全球压力容器的碳纤维需求为 8800 吨，预计 2025 年将达 2.2 万吨，五年 CAGR高达 20%。中国氢能联盟在《中国氢能源及燃料电池产业白皮书（2019 版）》中预测，2025 年我国燃料电池车销量将达到 5 万辆/年，将有效提振压力容器的碳纤维需求。

文章来源 | 光大证券