(报告监制/作者:申万宏源研究、郑佳薇)

1.碳纤维生产工艺及主要技术分解

1.1前驱体制备第一步——聚合的核心在于多指标控制下的高效稳定反应。

前体制备的第一步是获得储备溶液的聚合过程。

聚合是制备前驱体的关键步骤。将丙烯腈单体、溶剂二甲基亚砜(DMSO)、共聚单体和引发剂偶氮二异丁腈按比例加入聚合釜中，然后在一定温度下进行溶液聚合反应，经脱单体、脱泡处理后得到聚丙烯腈原液。

在聚合过程中，控制聚合温度、引发剂用量和水与单体的比例是关键技术。聚合过程中温度控制很重要，温度低，反应速度慢；温度高，反应速度快，但聚合物的立构规整性变差，会影响原丝和碳纤维的质量。引发剂的用量、水与单体的比例都会影响PAN聚合物的分子量。分子量及其分布是聚丙烯腈聚合物的重要性能指标。高分子量和合适的分子量分布是生产高质量聚丙烯腈原丝的基本要求。

1.2预氧化-聚丙烯腈原丝和碳纤维之间的结合

预氧化提高了前驱体的热稳定性，为碳化铺平了道路。

预氧化处理又称热稳定化或不熔融处理，通常是指将聚丙烯腈原丝在空气体气氛中于200 ~ 300℃进行热处理，处理过程中要对聚丙烯腈原丝施加一定的张力，阻碍大分子链段的去取向运动，从而降低纤维的收缩率。该工艺的目的是将线型聚丙烯腈大分子链转变为耐热的含氮梯形结构，使聚丙烯腈原丝在后续碳化过程中不可燃，并保持纤维形态，从而获得高质量的碳纤维。

预氧化是腈纶热处理中最复杂、最集中的步骤。在这个过程中，PAN大分子会发生一系列的化学和物理变化。研究人员对PAN在预氧化过程中的物理化学反应和结构演变机理尚未得出结论。目前普遍认为，线型PAN大分子链预氧化过程中的一系列化学反应主要包括环化、脱氢、氧化和交联，并伴有颜色、密度、热机械性能的变化和大量放热。

时间、温度和牵伸张力是关键因素。

预氧化处理是碳纤维制备过程中至关重要的一步，是连接聚丙烯腈原丝和碳纤维的纽带，起着承上启下的作用。预氧化炉温度的调整和标定、预氧化炉温度的控制、停留时间的控制、过程中静电的处理、氧化炉内风速的控制、牵伸速度的控制都对预氧化纤维的性能有很大的影响。

1.3碳化/石墨化-除去非碳元素以形成碳纤维。

氧气丝预碳化得到碳丝

预氧丝的碳化过程是在高纯氮气中进行的，一般包括300 ~ 1000℃低温碳化和1100 ~ 1600℃高温碳化两个步骤，随着碳化的不断进行，预氧丝中的非碳元素(H、O、N)从稳定的聚合物中分裂出来，较小的梯形聚合物结构不断交联缩合，随着热解，梯形结构逐渐转变为无序的石墨结构，最终生成含碳量在90%以上的碳纤维。

有时，碳化的碳纤维在2000 ~ 3000℃的高温下被石墨化，以提高其模量。在石墨化过程中，碳纤维中残留的N、H等非碳元素被进一步去除，C-C键重新分布，聚合物中非芳香碳的成分减少，类石墨结构发生转变。石墨化不会降低碳纤维的重量，但可以改善碳纤维中微晶沿纤维轴的有序性和取向性。

1.4表面处理/上浆——制造复合材料的必要步骤

表面处理是碳纤维制造复合材料的必要步骤。

碳纤维因其高比强度、比模量、耐腐蚀、耐磨损等性能而被广泛研究和开发。但碳纤维很少单独使用，通常作为增强体制备碳纤维三维增强树脂基复合材料(CFRP)。

碳纤维由于其规则石墨微晶结构的特殊排列，表面极性基团少，具有化学惰性，表面能和比表面积小，因此碳纤维与树脂的润湿性差，界面结合力弱。然而，优异的界面性能是碳纤维增强树脂基复合材料综合性能优异的前提。

因此，为了改善材料的界面性能，许多研究者从纤维表面入手，对其进行改性。在纤维表面引入极性基团或活性位点，以改善纤维与树脂之间的润湿性和结合力，增强分子间力，从而改善复合材料的界面性能。目前，碳纤维的表面改性方法主要包括表面氧化处理、等离子体处理、高能辐射处理、电泳/电化学沉积处理、化学接枝处理、化学气相沉积处理和上浆处理。随着研究人员对表面改性技术的深入研究，改性方法越来越丰富，并且都取得了良好的效果。

上浆是碳纤维最常用的表面处理方法，简单、快速、高效，适合工业化应用。其原理是上浆剂的存在可以提高碳纤维维度表面的极性，同时在纤维上浆中引入过渡层可以降低纤维与树脂之间的表面能差异，有利于增强纤维/树脂复合材料的界面粘结。(报告来源:未来智库)

2.碳纤维的生产成本及降本途径展望。

2.1碳纤维生产成本分析-ORNL数据(2012年左右)

橡树岭国家实验室的数据显示，工业碳纤维和航空碳纤维的生产成本分别约为144元/kg和179元/kg，其中原丝制备约占成本的一半。

2.2碳纤维生产成本分析——规模效应带动成本下降20-30%。

中国代表性的碳纤维研究中心--山东大学碳纤维工程技术研究中心。参考山东大学开发的两步法碳纤维原丝生产工艺，3300吨/年原丝生产线原丝单位成本为38070元/吨，比1100吨/年原丝生产线原丝单位成本下降20.42%，其中固定资产折旧最为显著。1500吨/年产能的碳纤维单位成本为116760元/吨，比500吨/年碳纤维生产线的158990元/吨下降26.56%。碳纤维生产的初期投资大，生产设备和能源消耗的固定成本高，碳纤维的规模效应显著。

2.3碳纤维生产成本分析——中富申英——低成本模式

中国代表性碳纤维企业——中富申英。根据中富申英的数据，直接材料的成本约占1/3，丙烯腈是主要的直接材料，占70%以上。由于丙烯腈是原油产品，属于大宗化工产品，价格波动受石化行业影响；制造费用占50%以上。单位制造费用主要包括燃料和动力、固定资产折旧，介质能耗包括电、蒸汽、煤和天然气。按链接拆分，前驱链接约占2/3，预氧化和碳化占1/3。观察发现，中富申英的生产成本远低于前述ORNL计算数据，生丝在结构中的占比更高，这在一定程度上反映了后续碳化工序工段生产效率的进一步优化。

2.4低成本碳纤维制备技术路径——原丝低成本+热处理优化

低成本碳纤维是当前研究的重中之重。

碳纤维因其优异的性能被广泛应用于各个领域。虽然碳纤维具有优于其他结构材料的优异力学性能，但是碳纤维的生产成本非常高，使得其应用在飞机、航空、[/k0/]航天、军事等一些重要应用领域处于领先地位。与飞机、航空空航天的应用要求相比，汽车等设备零部件的结构韧性要求相对较低。碳纤维增强复合材料作为一种重量极轻、韧性极高的结构材料，引起了人们的关注。随着碳纤维及其复合材料在商业和民用领域的应用越来越多，市场对低成本聚丙烯腈基碳纤维的质量和产量的需求越来越大。这就要求聚丙烯腈基碳纤维在保证其基本性能达标的前提下，进一步降低生产成本，实现规模化生产，从而加快碳纤维更广泛的应用。这种情况使得聚丙烯腈基碳纤维的低成本改性成为目前的研究热点。

碳纤维的生产成本前面已经介绍过了。根据美国ORNL的数据，聚丙烯腈原丝的生产成本占其总生产成本的50%以上，其次是热处理工艺(预氧化和碳化工艺)的生产成本占其总成本的40%左右。因此，聚丙烯腈和碳纤维尺寸的低成本改性基本上从聚丙烯腈原丝开始，主要集中在聚丙烯腈原丝的低成本和热处理优化上。

3.需求:10年高增长，国内外格局分化。

3.1东丽10年前对行业过于乐观，但中国未来可能会推动这种乐观。

碳纤维的应用场景非常广泛，主要是交通领域轻量化带来的节能减碳和新能源产品带来的轻量化和高强度需求。

3.2东丽10年前对行业过于乐观，但中国未来可能会推动这种乐观。

历史上东丽预测2020年碳纤维行业需求将达到14万吨，但实际上2020年全球需求约为10.69万吨。即使考虑到2020年开始的疫情对各领域需求的影响，东丽对当年行业需求的预估依然乐观。尽管如此，我们并不怀疑未来的行业需求空。我们认为，随着中国碳纤维产能和成本的追赶，以及上下游产业链的叠加(主要是复合材料的创新工艺和成本)，碳纤维行业下游需求有望加速扩张。

3.3以双碳为主线，推动碳纤维短期、中期和长期需求增长。

碳纤维作为“21世纪新材料之王”，有着广泛的应用。碳纤维已广泛应用于航空航天、风力发电叶片、运动休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设等领域。从全球市场来看，2020年碳纤维维度需求排名前三的应用领域依次是风电叶片、航空空航空航天、休闲运动。具体来看，风电叶片需求最大，需求3.06万吨，较2019年增长20%，保持快速增长态势。2020年，需求将占29%。其次是航空空航天，需求1.65万吨。全球新冠肺炎疫情对航空空行业造成了不利影响。民用客机主要制造商对碳纤维的需求有一定程度的下降，需求较2019年下降30%，2020年需求将占15%。第三大需求领域是运动休闲，需求1.54万吨，较2019年增长3%，占需求的14%。主要用于高尔夫球杆、自行车架、鱼竿、球拍、曲棍球棒等高端休闲运动市场。

与世界相比，我国碳纤维应用结构差异较大，国内替代加速。从应用结构来看，2020年中国碳纤维将主要应用于风电和运动休闲领域，而航空航天空在中国所占比重较小。具体来说，风机叶片的应用最大，在国内占41%，需求2万吨。但该领域使用的碳纤维多为进口产品，客户基本都是国外公司。其次是运动休闲，占30%，需求1.46万吨；我国航天空的应用仅为1700吨，占3.5%；从国内替代来看，2020年国内碳纤维产量将达到1.85万吨，占总需求的38%。较2019年的1.2万吨增长54.2%，连续两年30%以上的高增长；2018年的增速为21.6%。

4.供给:增量供给靠国内，优质产能没有过剩。

国内供应:产量大幅扩大，原丝多于碳丝，但优质产能预计远不及名义。

名义产能显示两年后碳纤维行业将严重过剩，但理解供给需要注意以下问题:1)扩产进度低且预期(重资产、高技术)；2)供应的可用性；3)碳纤维和前驱体的配置；总的来说，我们认为优质供给不会有太多过剩。

5.投资逻辑:关注“中国东丽组合”，看好军民龙头和复合材料板块冠军。

小拖看雄鹰，大拖看吉林碳谷。

从需求来看，我们认为碳纤维行业具有较高的景气度，但不必过于担心新竞争者的进入。由于技术壁垒和资金壁垒，部分新进入者的计划产能可能小于预期，对行业竞争格局影响有限。景气趋势将持续，中长期增长逻辑清晰。碳纤维的需求是由双碳推动的。(报告来源:未来智库)

从供给来看，未来名义产能会大大超过目前的需求，但实际产能小于需求；

从企业技术路径来看，每个企业的技术路径都不一样。目前碳纤维行业严重供不应求，技术路径的差异不会对企业造成明显影响。但在未来竞争激烈的情况下，每个企业都在比拼成本和产品质量，关键是技术的成熟度。现在国内企业的成本已经足以媲美国际企业。即使将来进口放开，国内企业也会充分竞争。

从企业产品结构来看，每个企业都有不同的布局思路。一是着眼于大丝束碳纤维的未来发展，二是不断培育高性能的小丝束。推荐国内最早突破干喷湿纺技术的中富申英，重点布局碳纤维丝束原丝和市场份额第一的吉林碳谷。这两家企业在大小拖上的明显优势，形成了与全产业链龙头日本东丽类似的水平，我们更愿意称之为“中国东丽组合”。