碳纤维价格多少一公斤（碳纤维行业研究）

（报告出品方/作者：申万宏源研究，郑嘉伟）1.碳纤维生产流程&主要技术拆解1.1原丝制备第一步——聚合核心在于多指标控制下的高效稳定反应原丝的制备第一步是聚合过程得到原液聚合是制备原丝至关重要的步骤。原料丙烯腈单体和溶剂二甲基亚砜（DMSO

（报告出品方/作者：申万宏源研究，郑嘉伟）

1. 碳纤维生产流程&主要技术拆解

1.1原丝制备第一步——聚合核心在于多指标控制下的高效稳定反应

原丝的制备第一步是聚合过程得到原液

聚合是制备原丝至关重要的步骤。原料丙烯腈单体和溶剂二甲基亚砜（DMSO）与共聚单体和引发剂偶氮二异 丁腈一起按配比投料进入聚合釜，在一定温度下进行溶液聚合反应，然后进行脱单脱泡处理后得到聚丙烯腈原 液。

聚合过程中聚合温度、引发剂用量、水和单体比的控制问题是技术的关键。聚合反应过程中温度的控制非常重 要，温度低，反应速率慢；温度高，反应速率快，但聚合物的立构规整性变差，会影响原丝、碳丝的质量。引 发剂用量、水和单体比会影响聚合物的分子量，分子量及其分布是PAN聚合物重要的性能指标，具有较高的分 子量以及适合的分子量分布是生产优质PAN原丝的基本要求。

1.2 预氧化——联结PAN原丝和碳纤维的纽带

预氧化提高原丝热稳定性，为碳化铺垫

预氧化处理又被称为热稳定化或不熔化处理，通常是指在空气 气氛中200～300°C下对PAN原丝进行的热处理，处理过程中 需对PAN原丝施加一定的张力，阻碍大分子链段的解取向运动， 从而减少纤维的收缩。该过程的目的是使线性的PAN大分子链 转化为耐热的含氮梯形结构，这种梯形结构可以使PAN原丝在 后续的碳化过程中不熔不燃，并且保持纤维形态，从而得到高 质量的碳纤维。

预氧化处理是PAN在热处理过程中发生反应最复杂、最集中的 一步，在这一过程中PAN大分子会经历一系列的化学变化和物 理变化，研究学者们对PAN在预氧化过程中发生的物理化学反 应以及结构演化机理的研究仍未达成定论。目前，研究普遍认 同线性的PAN大分子链在预氧化过程中发生的一系列化学反应 主要包括环化反应、脱氢反应、氧化反应和交联反应，并伴随 着颜色、密度变化以及热机械性能的改变，同时伴随着大量的 放热。

时间、温度和牵伸张力是关键

预氧化处理是碳纤维制备过程中至关重要的一步，是联结PAN 原丝和碳纤维的纽带，起到承上启下的作用，预氧化炉炉温的 调校和标定、预氧化炉温度的控制、停留时间的控制、 过程中 静电的处理、氧化炉内部风速的控制、牵伸速度的控制等都对 预氧丝的性能有非常大的影响。

1.3 碳化/石墨化——去除非碳元素，形成碳纤维

预氧丝碳化得到碳丝

预氧丝的碳化过程在高纯氮气中进行，一般包括300～1000°C的低温碳化和1100～1600°C的高温碳化两个阶 段。随着碳化的不断进行，预氧丝中的非碳元素（H、O、N）从稳定的聚合物中裂构出来，较小的梯形聚合物 结构之间不断进行交联、缩聚，且伴随热解，梯形结构逐步向乱层石墨结构转化，最终生成含碳量在90%以上 的碳纤维。

碳化后的碳纤维有时为了提高模量，在2000～3000°C的高温下进行石墨化处理。石墨化过程中，碳纤维中残留 的N、H等非碳元素进一步被除掉，C-C键重新分布，聚合物中非芳构化的碳的成分减少，转化为类似石墨层面 的组织。石墨化处理过程并不减少碳纤维的重量，但能改善碳纤维中微晶的序态和沿纤维轴的取向。

1.4 表面处理/上浆——制成复合材料必要步骤

表面处理是碳纤维制成复合材料必要步骤

碳纤维因其高比强度、比模量、耐腐蚀、耐磨损等性能被广泛研 究与开发，但碳纤维很少单独使用，通常作为增强体来制备碳纤 维增强树脂基复合材料(CFRP)。

碳纤维因其特殊的排列规整石墨微晶结构，其表面极性基团较少， 呈化学惰性且表面能、比表面积都较小，因此碳纤维与树脂之间 浸润性差，界面结合力较弱。然而，优异的界面性能是碳纤维增 强树脂基复合材料具有优良综合性能的前提。

因此为了提高材料 的界面性能，许多研究人员从纤维表面入手，对其进行改性处理。 在纤维表面引入极性基团或活性位点，以此来提高纤维和树脂间 的浸润性和结合力，增强分子间作用力，从而提高复合材料的界 面性能。目前，碳纤维表面改性的方法主要有表面氧化处理法、 等离子体处理法、高能射线辐照处理法、电泳/电化学沉积处理 法、化学接枝处理法、化学气相沉积处理法及上浆处理法等。随 着研究人员对表面改性技术的深入研究，改性方法也越来越丰富， 并且均取得了较好的效果。

上浆法是最常用的碳纤维表面处理方法，具有简单、快速、高效 以及适合工业化应用等优点。原理是上浆剂的存在可以提高碳纤 维表面的极性，同时通过对纤维上浆引入过渡层来减小纤维和树 脂间的表面能差异，有利于增强纤维/树脂复合材料的界面粘结 力。（报告来源：未来智库）

2. 碳纤维生产成本及降本路径展望

2.1 碳纤维生产成本解析——ORNL数据（2012年左右）

根据美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）数据，工业级与航空级碳纤维在规模化生产下的生 产成本分别约144元/kg与179元/kg，其中原丝制取占成本比重的一半左右。

2.2 碳纤维生产成本解析——规模效应带动成本下降20-30%

国内代表性碳纤维研究中心——山东大学碳纤维工程技术研究中心 。参照山东大学开发的二步法制备碳纤 维原丝生产工艺流程，产能为3300吨/年的原丝生产线，原丝单位成本为3.807万元/吨，相比1100吨/年的原丝生产 线单位成本为4.784万元/吨减少20.42%，其中固定资产折旧降低最为显著；产能为1500吨/年的碳纤维单位成本为 11.676万元/吨，相比500吨/年的碳纤维生产线单位成本为15.899万元/吨下降26.56%。碳纤维生产制备的前期投入 大，生产设备、能耗等固定成本高，所以碳纤维的规模效应显著。

2.3 碳纤维生产成本解析——中复神鹰——低成本典范

我国碳纤维代表性企业——中复神鹰 。 据中复神鹰数据，直接材料成本占比约为1/3，丙烯腈为主要直接材料，占比超过70%，由于丙烯腈为原油产物，属于大宗化 工产品，价格波动收到石油化工行业影响；制造费用占比超过50%，单位制造费用主要包含燃料及动力、固定资产折旧，其 中能耗包括电、蒸汽、煤炭以及天然气。 按照环节拆分，原丝环节占比约2/3，预氧化以及碳化占比1/3。 我们观察到，中复神鹰生产成本远低于前述ORNL测算数据，且结构上原丝占比更高，一定程度上体现了后续碳化工艺段的生 产效率进一步优化。

2.4 碳纤维低成本制备技术路径——原丝低成本化+热处理优化

低成本碳纤维是当下研究的重中之重

碳纤维依靠其优异的性能，被广泛使用在各个领域。尽管碳纤维拥 有优于其他结构材料的优异机械性能，但碳纤维的生产成本非常高， 这就使得对它的应用率先在在如飞机、航空航天和军事等一些重要 的应用上。与飞机和航空航天等应用要求相比，汽车等设备对零部 件的结构韧性要求相对较低。作为具有极轻与高韧性的结构材料， 碳纤维增强复合材料得到了人们的重视。随着碳纤维及其复合材料 在商用、民用等领域的应用不断扩大，市场对于低成本 PAN 基碳 纤维的质量和产量需求日益增大。这就要求PAN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，实现大规模生产， 以加快碳纤维更大范围的应用。这一现状使得 PAN 基碳纤维的低 成本改性工作成为当前的一大研究热点。

碳纤维的生产成本前文已经介绍，据美国ORNL数据PAN原丝的生 产成本占其生产总成本的50%以上，其次是热处理过程（预氧化和 碳化过程）的生产成本占其总成本的40%左右。因此，PAN及碳纤 维的低成本化改性工作基本都是从PAN原丝入手，主要围绕PAN原 丝低成本化和热处理优化两方面进行。

3. 需求：10年高增，国内外格局分化

3.1 东丽10年前对行业的判断过于乐观，但是未来可能中国会推动这种乐观

碳纤维的应用场景广泛，主要是交通领域轻量化带来的节能减碳以及新能源产品带来的轻量化高强度需求。

3.2 东丽10年前对行业的判断过于乐观，但是未来可能中国会推动这种乐观

历史上东丽预测2020年碳纤维行业需求达到14万吨，但实际上2020年全球需求约10.69万吨，即使考虑2020年开始的疫情 对各领域需求的影响，东丽当年对行业需求的估计仍显乐观。 尽管如此，我们并不怀疑未来行业需求的空间，我们认为随着中国碳纤维生产能力与成本的赶超，叠加上下游产业链配套 （主要是复合材料创新工艺与成本下降），碳纤维行业下游需求有望加速扩张。

3.3 双碳为主线，推动碳纤维短中长期需求增长

碳纤维作为“21世纪新材料之王”，应用范围广阔 。 碳纤维已广泛应用在航空航天、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。从全球市场来看，2020年碳纤 维需求的前三大应用领域依次为风电叶片、航空航天和休闲体育。 具体而言，风电叶片需求量最大，需求量为3.06万吨，较2019年 增长20%，保持快速增长趋势，2020 年需求量占比达29%。其次是航空航天，需求量为1.65万吨，全球新冠疫情对航空业造成不利 影响，民用客机主要生产厂家对碳纤维的需求有一定幅度的下降，需求量较2019年下降30%，2020年需求量占比为15%。需求量排 名第三的领域为体育休闲，需求量为1.54 万吨，较2019年增长3%，需求量占比为14%，主要使用在高尔夫球杆、自行车架、钓鱼竿、 球拍、曲棍球棍等高端休闲体育市场。

我国碳纤维应用结构与全球相比差异大，国产替代加速 。从应用结构来看，2020年我国碳纤维主要用于风电和体育休闲领域，航空航天在我国占比较少。具体而言，风电叶片应用最大，在我 国应用占比41%，需求量为20000吨，但这一领域所用的碳纤维大都是进口产品，客户也基本上是国外公司；其次是体育休闲，占比 为30%，需求量为14600吨；航空航天在我国的应用仅为1700吨，占比为3.5% ； 从国产替代角度来看，2020年国产碳纤维18500吨，占总需求的38%，相比2019年的12000吨，增长率为54.2%，连续2年超过 30%的高速增长；2018年增长率为21.6%。

4. 供给：增量供给看国内，优质产能不过剩

国内供给：大幅扩产，原丝比碳丝多，但优质产能预计远小于名义

名义产能看2年内碳纤维产业将严重过 剩，但理解供给需要注意以下问题： 1）扩产进度低预期（重资产、高科技）；2）供给有效性 ；3）碳丝与原丝的搭配 ； 总体我们认为优质供给不会太过剩。

5. 投资逻辑：重视“中国东丽组合”，看好军民龙头及复材细分冠军

小丝束看中复神鹰，大丝束看吉林碳谷

从需求角度来看，我们认为碳纤维行业景气度高，但不必过于担心新竞争者的进入，由于技术壁垒与资金壁垒的原因会使得部分新进入者的规划产能可能不及 预期，对行业的竞争格局影响有限，景气度态势仍将持续，中长期增长逻辑清晰，双碳带动碳纤维需求爆发；（报告来源：未来智库）

从供给角度来看，未来名义产能目前会大幅超过需求，但实际产能小于需求；

从企业技术路径的角度来看，各家企业的技术路径不一，当下碳纤维行业严重供不应求的情况下，技术路径的差异并不会对企业带来重大影响，但是在未来行 业竞争激烈的情况下，各家企业比拼的是成本和产品质量，关键就是工艺的成熟度，国内企业的成本目前已经足以和国际企业匹敌，即使未来进口放开，国内 企业完全具备竞争能力；

从企业产品结构的角度来看，各家企业的布局思路不同，一类是以大丝束碳纤维作为未来发展重点，一类是不断深耕小丝束，高性能。我们推荐关注国内最早 突破干喷湿纺技术的中复神鹰，重点布局碳纤维大丝束原丝、大丝束原丝市占率第一的吉林碳谷，这两家企业在大、小丝束的明显优势，形成了类似全产业链 龙头日本东丽的水平，我们愿称之为”中国东丽组合”。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站