碳纤维产品性能突出，需求广阔。高资金投入、技术不断迭代构筑行业高壁垒。行业需求快速增长，全球市场航空价值最高，国内市场风电占比最大。国产替代进行时，国内企业尽享行业红利。

一、碳纤维行业概况

（一）碳纤维：性能优越，用途广泛前景光明

性能优异。碳纤维被称为“新材料之王”，是由聚丙烯腈（PAN）（或沥青、粘胶）等有机纤维在高温环境下裂解碳化形成的含碳量高于90%的碳主链结构无机纤维。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，密度是钢的1/4，比强度比钢大16倍，是目前已大规模生产的高性能纤维中具有最高比强度和最高比模量的纤维，同时具有导电、导热、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等一系列其他材料所不可替代的优良性能。

原材料种类多样满足应用需求。碳纤维根据原丝种类主要分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。PAN基碳纤维由于生产工艺相对简单，产品力学性能优异，是碳纤维中用途最广、用量最大、性能最好的纤维，聚丙烯腈(PAN)基碳纤维在碳纤维的生产中占有绝对优势，自20世纪60年代问世以来，迅速占据主流地位；沥青基、粘胶基的产量规模较小，目前碳纤维一般指PAN基碳纤维。

PAN基碳纤维强度丝束分类。根据力学性能分类，碳纤维可分为高强型（GQ）、高强中模型（QZ）、高模型（GM）、高强高模型（QM）。根据丝束数量，碳纤维主要有3K、12K、24K、48K等规格，分为大丝束和小丝束，3-24K（含）为小丝束产品，一般用于航天军工等高科技领域，以及体育用品中产品附加值较高的产品类别，主要下游产品包括飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等，24K以上为大丝束产品，主要应用于风电叶片和民用包括土木建筑、交通运输和能源等行业，主要下游产品包括风电叶片、建筑补强产品、抽油杆、压力容器等。

（二）碳纤维下游应用不断延伸拓展，产品附加值不断提升

碳纤维产业链由上游的原油化工产业，中游的原丝加工、碳纤维相关产物以及碳纤维复合材料生产加工以及下游的应用市场组成。

（1）上游原材料丙烯腈丰富易得。通过从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制备丙烯，并经氨氧化后得到碳纤维生产的主要原材料丙烯腈。丙烯腈经过聚合阶段形成聚丙烯腈溶液进入纺丝阶段得到碳纤维原丝。

（2）中游形成性能完善的复合材料。将碳纤维原丝进行预氧化、氧化、低温和高温碳化后生产出碳纤维及碳纤维产品，与不同的基体材料结合形成碳纤维复合材料。根据基体材料类型划分，可分为树脂基、金属基、陶瓷基、橡胶基等复合材料，不同分类的基体材料性能优势不同且差异巨大。

树脂基复合材料较大程度的保留了碳纤维的高强度和高模量性能，主要应用于建筑、化学、交通、医疗和航空航天领域，是高端行业提升设备性能和追求轻量化优势的必备材料之一。金属基复合材料完善了硬度等方面的性能，在航空航天、汽车制造和体育装备上应用较多，弥补了碳纤维树脂基复合材料剧烈碰撞后崩碎的缺陷。树脂基和金属基材料无法面对超高温场合，因此无法应用于发动机相关的领域，陶瓷基复合材料完善了耐高温方面的性能，碳纤维陶瓷基复合材料就是针对这一高端领域而特制的一种复合材料。橡胶基复合材料完善了耐摩擦方面的性能，是工业耐磨领域上的一个重要应用方式，广泛应用于耐磨衬轮、特殊密封件。

（3）下游应用领域快速拓展，产品附加值大幅提升。碳纤维复合材料经过各种成型工艺得到下游应用所需的最终产品。随着科技的进步与发展，碳纤维下游应用市场历经起步、成长、扩张和全面发展四阶段，发展可持续性强，应用领域覆盖范围广，目前已经应用于航空航天、风电叶片、体育休闲、压力容器、碳/碳复合材料、交通建设、海洋等领域，是国防军工和国民经济发展不可或缺的重要战略物资。碳纤维产品的经济属性在于其附加值高，技术创造的价值在产品附加值中占主要比重，因而具有较高的价值增长和经济效益，其中以航空复合材料增值最多。

二、碳纤维的经济性分析

1 成本构成：原材料及设备占比最高，预氧化是决定生产速度和效 率的关键

从工艺流程看，PAN 原丝成本占比近一半，其次为氧化、碳化环节。碳纤维的 制备工艺主要包括丙烯晴聚合物溶液制备、PAN 原丝制备、PAN 纤维预氧化及 热稳定化、PAN 预氧纤维碳化、表面处理等。大多数碳纤维厂商从采购丙烯腈 开始进入碳纤维产业链。PAN 基碳纤维制备的核心是原丝制备技术。碳纤维制备 过程中，原丝制备占成本比例较高，接下来分别是氧化、碳化环节。因此，从各 环节成本构成看，PAN 原丝成本占比近一半，其次为氧化、碳化环节占比较高。 此外，通过规模化生产，可以实现在相同时间及能耗下更大的丝束通过量，降低 总体生产成本。根据中科院宁波材料所特种纤维事业部数据，通过生产规模的扩 大，可以将碳纤维生产成本从 9.88 美元/公斤基础上降低 2.03 美元/公斤（对应降 幅约为 20.5%）。

从生产要素看，原材料依然是最主要成本，设备、人力成本其次。碳纤维的制 备成本主要包括原丝生产成本、装备设施折旧、劳动力、能耗等。根据 Sandia National Laboratories 数据，以 50K 碳纤维为例，其中 45%成本来自于原丝生产， 37%的成本在于装备设施折旧费用。除上述成本以外，还有环境安全、质量安全、 产品质量稳定性等影响碳纤维价格的多种因素。 在后续各主要生产环节中，氧化环节本占比最高，占总成本比重 18%，也是对固 定资产、能耗要求最高的工艺环节，占固定资产投资的 22.6%。此外，氧化也是 决定生产速度和产出效率的关键步骤。氧化炉是耗时最长的生产环节，根据蓝鲸 腾飞，如果生产碳纤维全过程需要 88min， 其中预氧化时间大约需 80min，约占 总生产时间的 90%左右，因此如何在保证质量的前提下，缩短预氧化时间，也是 提升产量和降低成本的重要方式之一。

2 海外降本之路： 90 年代经历大幅下降后趋于稳定，设备、能源是 关键因素

根据 Tim Ellringmann 等人对过去发布的碳纤维成本模型的统计，去除通胀因素 影响，碳纤维生产技术在 90 年代取得很大改进。Goss 在 1986 年的统计数据显示， 碳纤维单吨生产成本达 42.8 美元/kg，而 2000 年以后，碳纤维成本稳定在 18-25 美元/kg 之间。 分生产要素看，2000 年以后虽然原丝成本波动幅度较大，但由于技术水平的提 升，90 年代期间还是实现了较为可观的降幅。而最主要的还是设备、能源成本， 在 90 年代大幅下降后趋于稳定，相比之下，人力成本整体成上升趋势。

分生产环节看，原丝环节占据主要份额且占比逐渐提升，氧化、碳化、上浆成 本占比皆有所减少。

根据海外碳纤维降本的历史经验，我们可以发现，1）通过技术水平的提升，单 吨原材料消耗可率先实现一定程度的降本，但降本幅度有限，且后续波动较大， 主要系原材料为大宗商品，价格受供需影响较大，影响因素较为复杂。2）设备、 能源是实现大幅降本的关键生产要素，且降本后趋于稳定，而从生产环节看， 氧化、碳化是压缩生产成本的关键，因此与其相对应生产环节的设备、能耗是 实现降本的关键。3）人力成本整体成上升趋势，可降低空间有限。

三、国产碳纤维： 成本具备进一步下降空间

从中复神鹰和我国主要企业碳纤维产品结构看，国内碳纤维产品主要为小丝束， 但相比而言，大丝束生产更有利于降低成本，因此随着我国大丝束产能扩张，我 国碳纤维生产成本优势有望进一步凸显。 从各类生产要素占比看，2021H1 公司直接材料、人工成本、设备折旧、能源等 在生产成本中占比分别为 33%、16%、12%、28%，相比海外，国内能源消耗占 比较高，设备成本占比较低。

1 原材料：碳纤维随原材料及原油价格波动幅度逐渐减弱

碳纤维的主要原材料为丙烯腈、二甲基亚砜等大宗化工原料。根据华经产业研究 院数据，2020 年我国丙烯腈表观消费量为 247.83 万吨，同期丙烯腈进口量为 30.66 万吨，出口量为 12.72 万吨。2014-2017 年我国丙烯腈进口量逐年下降，主 要系国内新增产能释放以及下游需求增速放缓。2020 年以来进口量再次下降主 要系山东海江、斯尔邦二期、浙江石化等新产能陆续释放，国内自给率不断提升。 丙烯腈由丙烯与氨水经过氧化反应和精炼工艺制造而成，广泛用在合成纤维、合 成橡胶、合成树脂等工业生产中，国内丙烯腈主要产能集中在中石化、中石油等 所属企业，民营企业江苏斯尔邦、山东海江化工、浙江石化产能也居前。 从历史价格看 ，进口和国产丙烯腈价格基本与原油价格走势相一致，但波动幅 度小于原油。

而从碳纤维与原材料价格相关性看，1）进口：2017 年以前进口碳纤维价格与丙 烯腈价格高度相关，近年来相对原材料波动幅度明显减弱。2）出口：出口碳纤 维量较小，单月价格波动幅度较大，趋势基本与原材料走势一直。此外，原材料 端，随着国内近年来丙烯腈产能释放，丙烯腈价格从原来高于进口价逐渐趋近 于与进口相一致。

2 能源：单吨电力费用逐渐下降，低电费地区扩产有望实现能源成本进 一步下降

电费在碳纤维制造费用的主要构成之一，随着国产碳纤维产能利用率提升，生产 工艺不断完善和成熟，稳定性及管理水平提升，产品合格率提升，使得有效产出 提高，单位电耗不断下降。同时，随着光威复材、中复神鹰在电价更低的内蒙古 和青海西宁扩产，进一步推动电费下降、制造成本的降低。

3 设备： 增加炉幅宽度可提高产能和能源效率

设备是提升生产效率、减少资本开支、降低综合成本的关键。例如，在给定单丝 密度、丝束大小和碳化时间的条件下，碳化炉幅越宽，则丝束数量越多、碳化线产能越大；氧化线越宽，氧化环节的单位能耗越低。设备规格一定时，通过既有 设备改造和工艺优化手段，也可以提高生产线速度、提升产能和能源效率。

4 技术进步： 产能利用率与单位生产成本不断下降

刨除此前提到的原材料、电费、设备等因素外，技术进步是促进近年来碳纤维单 位生产成本降低的根本因素。近年来，碳纤维生产企业产能利用率不断提升，单 吨生产成本不断下降，毛利率水平不断提高。

一方面，过去，我国由于技术瓶颈，生产线运行及产品质量极不稳定，导致“有 产能、无产量”的现象，但经历数十年发展与落后产能出清，目前我国碳纤维的 产能正在实现快速增长，产销率也在向国际水平靠拢，逐渐摆脱低产能利用率的 问题，规模化生产和良品率的提升，降低了单位产品的生产成本；另一方面，中 简科技、光威复材等企业军品销售占比较高，军品相比民品对于质量及稳定性、 良品率要求更高。如中简科技，随着军品订单的增加，在销售价格相对稳定的情 况下，规模化助力了单位成本的的下降。

5 碳纤维降本推演：国内生产成本或有近 20%下降空间

这里我们对国产碳纤维生产成本做初步的推演和测算。鉴于数据的可得性，这里 我们以 Z 公司的历史数据为例进行行业的测算，但不代表对企业的观点，假设如 下：

1） 产能：根据公司年报，截至 2022 年 6 月 30 日，公司产能为 1.45 万吨/年，包 括连云港生产基地 3500 吨年产能以及西宁万吨项目于 2022 年 5 月投产的 1.1 万吨年产能。目前，西宁二期项目正处于建设阶段，各厂房已封顶，预计到 2022 年底至 2023 年期间各产线陆续建成投产。公司是国内较具有代表性的 碳纤维企业，结合前文对各碳纤维企业的统计，预计到 2025 年国内主要企业 产能会有大幅扩张，规模效应将逐渐显现。

2） 直接材料：生产碳纤维的主要原材料为丙烯腈等化学原料。受国内产能释放 以及需求端疲软影响，2020 年丙烯腈价格已有较大幅度下滑，2021 年下游需 求回暖，带动丙烯腈价格高涨。截至 2022 年 12 月 16 日，CCFEI 丙烯腈价格 指数为 9400 元/吨，相较于 2021 年 6 月 30 日 14700 元/吨已回落 36%。考虑 到丙烯腈价格波动幅度较大，影响因素较为复杂，这里我们使用 2021-2022 年丙烯腈价格平均值作为 2025 年原材料价格的假设，即相较于 2021H1 下降 14%。

3） 直接人工：2020 年，公司疫情期间 Z 公司享受了阶段性减免社会保险费的政 策，导致人工成本下降所致。刨除这一因素外，2021H1 与 2019 年直接人工 成本单耗基本持平，较 2018 年小幅提升。人工成本单耗主要受两方面影响， 一方面是规模效应带来的对单吨人工成本的减少，另一方面，是劳动力成本 的提升。总体上，我们假设短期内直接人工单耗成本不变。

4） 能源消耗：生产单吨碳纤维的电力成本=单吨耗电量*电力单价。1）单吨耗 电量：从历史数据看，碳纤维生产单吨耗电量约为 2.67-2.97 万度，这里我们假设随着规模效应显现，未来单吨耗电量贴近下限，为 2.67 万度/吨。2）电 力单价：根据北极星智能电网在线、全国能源信息平台数据，2021 年 Z 公司 所在江苏省大工业用电价格（220 千伏）约为 0.5318 元/度，而青海省（220 千伏）约为 0.3382 元/度，目前公司 1.45 万吨产能中有 1.1 万吨在西宁地区， 随着西宁二期逐渐投产，单吨电力成本将逐渐降低，假设未来电力成本贴近 西宁地区度电成本，假设为 0.35元/度。此外，光威复材也在内蒙古进行扩产， 因此未来碳纤维生产企业在电价低成本地区扩产或是一种趋势。3）其他能 源成本：生产过程高温加热环节需要大量燃料动力，其他能源主要包括外购 蒸汽。随着未来碳纤维生产企业在电价、煤价成本较低的地区扩产或是一种 趋势，因此假设蒸汽成本与电力同样幅度下降。

5） 设备折旧：随着规模效应的显现，产能利用率的提高，单吨对应固定资产设 备折旧总体呈下降趋势。这里我们采用 2018-2021H1 中历年设备单耗最低值 1.09 万元/吨作为 2025 年设备折旧的假设。 值得注意的是，由于各企业产品结构各不相同，且均可能会发生变化，因此单位 生产成本也会随产品结构发生变化，如随着产品高端化，生产成本也会相应提升。 这里我们推演的生产成本是假设在产品结构不变情况下，未来各项生产要素可能 会发生的变化幅度。根据我们的测算，相比 2021H1，预计到 2025 碳纤维生产成 本还有 19.7%左右的下探空间，其中原材料、设备折旧、能源成本我们分别假设 还有 14%、10%、34%的下降空间，直接人工成本假设不变。

文章来源： 未来智库，广发证券，证券时报