（报告出品方/作者：东吴证券，柴沁虎）
1.中国的碳纤维产业和国际先进水平存在较大差距
碳纤维是由聚丙烯腈，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。其中，以聚丙烯腈（PAN）基为基体的复合材料力学性能优良，应用领域广泛，产量约占全球所有碳纤维总产量的90%以上。
碳纤维具备出色的力学性能和化学稳定性，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维，具有质轻、高强度、高模量、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。
碳纤维是世界各国发展高新技术、国防尖端技术和改造传统产业的物质基础和技术先导，是我国战略性新兴产业中最主要的发展方向之一。同时具有明显的军民两用特征，对国民经济发展和国防现代化建设具有非常重要的基础性、关键性和决定性作用。
1.1.发达国家主导了碳纤维的技术演进
日本三大巨头强势垄断，美、德紧随其后。日本东丽一直以来是全球碳纤维制造的霸主，垄断波音公司碳纤维的供应，年，东丽与东邦、三菱在全球丙烯腈基碳纤维销量市占率达50%以上。
在碳纤维小丝束市场，东丽、东邦和三菱合计占据了全球小丝束碳纤维名义产能的70%以上，占据垄断地位。美国紧随其后，美国赫氏拥有40多年美国军机开发应用碳纤维的经验，年赫氏与美国氰特销量的市占率达到12%。
在碳纤维大丝束市场，日本东丽收购美国ZOLTEK后成为全球大丝束碳纤维的领头羊，日本三菱也开始加大大丝束碳纤维的投入。德国SGL公司紧随其后，年的销量全球市占率达到23%。
1.2.存在新冠疫情，全球碳纤维仍维持3%的增速
年，全球碳纤维运行产能约为17.17万吨。从区域角度来看，美国是产能最多的国家，运行产能达3.73万吨，占年全球碳纤维运行产能的22%；中国大陆位居第二，运行产能为3.62万吨，占比为21%；日本位列第三，运行产能为2.92万吨，占比为17%。由于技术不成熟，中国的碳纤维开工普遍不足，其他国家和地区的开工率则维持在相对较高的水平。年，全球碳纤维的需求10.69万吨，同比增长3%。考虑到存在新冠疫情的冲击，潜在需求增速远高于这一水平。
碳纤维的分类方法较多，可以根据原料进行分类，也可以根据工艺路线或者产品规格进行分类。为了聚焦本报告的论述内容，我们选择按照产品规格进行分类。按照每束碳纤维中单丝根数，碳纤维可以被分为小丝束（1K~12K）碳纤维和大丝束（24K~K）碳纤维。
早期小丝束碳纤维以1K、3K、6K为主，逐渐发展出12K和24K。小丝束碳纤维工艺控制要求严格，生产成本较高，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。
大丝束产品性能相对较低但制备成本亦较低，因此往往运用于基础工业领域。
需要强调，西方国家对我国实施严格的技术封锁和产品禁运的碳纤维主要是小丝束碳纤维。
根据林刚的估计，年全球大丝束产品的需求占比48.3%，比年提高了6.1个百分点。需求快速增长的核心原因有三点，首先，风电的需求快速增长，根据林刚的估计，年风电的需求同比增长20%。其次，航空航天的需求增速有较大下降，由于新冠疫情冲击，航空航天的需求增速降低了30%。最后，由于大丝束产品供不应求，也有部分小丝束产品合股替代。但是整体看，“十四五”期间，大丝束产品的份额仍然会稳步扩张。
航空航天、风电、体育休闲以及汽车是目前碳纤维最重要的几大应用领域。这四大应用领域约占碳纤维总消费量的70%。不过，需要强调指出，航空航天用碳纤维约占碳纤维消费量的15%，但是货值占比则为37.7%。根据广州赛奥碳纤维技术股份有限公司林刚的估计，年全球风电领域碳纤维的消费增速估计在20%，压力容器（主要是燃料电池领域）的消费增速在20%，由于单晶硅热场材料的猛增，碳碳复材的全球消费增速则接近80%。展望未来，风电、汽车、压力容器和碳碳复材依然是最具前景的几大应用领域。航空航天用碳纤维则是碳纤维产业竞争的制高点。
1.3.高增长、高对外依存度是中国碳纤维的特点
根据林刚的估计，年中国碳纤维的总需求约4.89万吨，虽然有新冠疫情的冲击但是仍然保持了29%的增速。实际上，“十三五”期间，中国的碳纤维需求增速一直维持在两位数以上。受益于下游应用的打开，“十四五”期间中国的碳纤维需求增速可能仍然维持在一个非常高的增速水平，林刚估计，21年的需求增速可能不低于20年。不仅如此，中国的碳纤维也一直维持着高对外依存度，年中国的碳纤维进口量3.04万吨，约占总需求的62%，同比增加了17.5%。
“十三五”期间，国产碳纤维技术取得长足的进步。由于较多国产碳纤维企业尚未实现关键技术的突破，产线存在运行及产品质量不稳定的问题。国产碳纤维产业“有产能，无产量”的现象初步得到缓解。年，中国大陆的碳纤维运行产能为3.62万吨，国产碳纤维的销量达到1.85万吨，同比增长53.8%，“十三五”期间的平均产量增速30%。部分企业，比如中复神鹰,装置开工率基本超过90%。
2.中国的碳纤维产业迎来重要发展契机
碳纤维具有明显的军民两用特征，所以，西方国家对我国碳纤维，尤其是小丝束碳纤维产业，实施严格的技术封锁和产品禁运。
我国碳纤维的产业发展可以上溯到上世纪60年代，但是直到年中国仍未实现碳纤维的规模化生产。国防军工用于结构材料的高性能碳纤维几乎全部依赖国外产品。经过近20年的合力攻关，国内的碳纤维也只是初步解决了有没有的问题，成本控制、高端产品开发和发达国家存在较大的差距。
不过需要注意，随着“双碳”政策的落地，国内的碳纤维产业发展迎来黄金时刻。风电、电动汽车、氢能、光伏等领域都是中国有比较优势的产业，也是国家重点扶持的产业。相关领域的碳纤维需求增速较快，市场容量较大，并且本土企业基本实现了相关领域的技术突破。如果能抓住契机，国内的民用碳纤维产业有可能实现反超，进而带动高端碳纤维产品的突破。
2.1.中国的碳纤维产业有完备的产业基础
与西方国家的发展历程不同，中国的碳纤维产业模式属于典型的官产学研一体化的发展模式。
中国的碳纤维产业研究可以上溯到上世纪60年代，中国科学院长春应化所李仍元先生和沈阳金属研究所张名大先生在年就已经开展碳纤维研究工作，但是直到年仍未实现碳纤维的产业化，并且由于久攻不下，国内的研究单位信心不足，避而远之，研发处于最困难的低谷时期。
专项设立后，千头万绪，进展不顺。这种背景下，经过认真调研和分析，专家组提出了“十五”专项在战略目标和运行机制方面进行大幅度的调整，主要包括：明确PAN原丝作为突破口；设立PAN碳纤维独立考评机制；构筑共享公用的表征测试平台；建立了战略调研、专利和技术信息共享机制；形成以企业工程化研发为核心的体系。
不仅如此，中国政府注意到碳纤维相关基础性研究严重滞后和薄弱，必须提前布局聚丙烯腈碳纤维的重大基础科学问题研究。先后设立了多轮专项，从事相关领域的研究。
在相关团队持续不懈的努力科技攻关的基础上，我国高性能纤维制备科学技术与应用技术取得了重大突破，从完全依赖进口、无法制备出合格的T级碳纤维的极为窘迫尴尬状况，到年底，中国基本实现了CCF-1级（相当于日本东丽T）碳纤维的工业化生产，并且开始向国防工业供货。
目前，中国已经建立起CCFM-（M55J级）、CCF-4（T级）、CCF-3（T级）、CCF-1（T级）的聚丙烯腈碳纤维制备技术研发(吨级试验线)、工程化(百吨级中试线)和规模产业化(千吨级生产线)较为完整的产业体系，产品质量不断提高，规范标准初具系统、规模应用格局初步形成，不但解决了国产高性能碳纤维“有无”问题，有效缓解和基本满足了国防建设对结构材料用国产高性能碳纤维极为迫切的需求，而且迫使日美等国家不得不把中国作为一个对手认真看待，大幅度降低碳纤维价格来与国内企业进行竞争。
2.2.外部环境倒逼国内碳纤维产业升级
西方国家限制我们发展主要是小丝束碳纤维，相关领域存在严格的技术封锁和产品禁运。对于工业领域用碳纤维，西方国家一直利用其先发优势，在价格上打压本土企业。
年以来，受全球新冠疫情的影响，全球碳纤维的贸易整体受到较大冲击，国外碳纤维出口国内的难度加大。年下半年以来，日本、美国加强了对碳纤维出口中国的政策管控，导致碳纤维进口难度进一步较大。年12月，因东丽子公司出口碳纤维流入了未获日本《外汇及外国贸易法》许可的中国企业，日本经产省对该公司实施了行政指导警告，要求东丽子公司防止再次发生此类事件，并彻底做好出口管理。从年底开始，东丽暂停了对华出口碳纤维业务。年2月，美国总统拜登签署了行政命令，在联邦机构间展开为期天的审查，以解决四个关键产品供应链中的漏洞，其中包括碳纤维，主要目标是增强供应链的弹性，以保护美国免于未来面临关键产品短缺。
材料产业取得突破的核心在于规模化生产，并且能够和上下游沟通应用过程中需要解决的问题。海外管控强化和疫情反复实际上为本土企业脱颖而出提供了一个良好的产业发展环境。考虑到本土企业已经实现了大丝束碳纤维的技术突破，同时，国内的市场又在快速崛起。我们认为欧美对华出口管控加强有可能利大于弊。
2.3.双碳政策落地打开碳纤维中长期发展空间
中国是碳纤维生产大国，但是很多领域都存在两头在外的现象，制约了国内碳丝产业的可持续发展。根据林刚的判断，年，风电领域用的碳丝大约85%依赖进口，制品也有85%需要出口。双碳战略的落地打开了国内相关产品的市场，为相关企业的产品升级和市场开拓奠定了较好的基础。
2.3.1.风机叶片大型化带动碳纤维预浸料需求提升
海上化、大型化是风电的发展趋势。
当风机变大后，全玻璃钢叶片已无法满足叶片大型化、轻量化的要求，而密度、刚性方面更出色的碳纤维材料则成为了更理想的选择。在满足刚度和强度的前提下，碳纤维比玻璃钢叶片质量轻30%以上。当前风轮直径已突破m，叶片重量达18吨。采用碳纤维的m风轮叶片可以有效减少总体自重达38%，成本下降14%。
Vestas是全球风电巨头，已经实现了碳纤维在风机叶片的规模化应用，其他国际巨头，西门子-歌美飒、GE-LM、Nordex等均在新的机型中采用了碳纤维拉挤板制造与测试样机。
国内风电企业还没有形成碳纤维叶片的规模化量产，更多处于样机验证阶段。基本是三种工艺并行：预浸料铺贴、多轴织物灌注、拉挤板，相对而言，拉挤板工艺优势明显。
根据全球风能理事会预测，年全球风电新增装机将超过GW。其中，海上风电正进入加速发展阶段，预计在年-年会有40GW的年均新增装机（每年约占新增风电总装机量的15%）。
“碳达峰，碳中和”战略的确定，带动了国内风电发电规模的快速发展，《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：保证年均新增装机万千瓦以上。年后，中国风电年均新增装机容量应不低于万千瓦，到年至少达到8亿千瓦，到年至少达到30亿千瓦。如按此规划执行，到风电市场需要19-20万吨碳纤维，而当前全球需求不过是3万吨。
根据国家能源局统计，-年间，我国风电装机规模加速上行，新增风电装机规模逐年持续提高，年新增风电装机规模达71.7GW，同比年的25.7GW增长了.0%，当年累计风电装机规模也达到了.7GW。
根据中国可再生能源学会风能专业委员会的统计，我国新增装机的风电机组的单机容量不断增大，年我国风电新增装机容量万千瓦，其中2.0MW以下风电机组装机容量占比从年的91%，下降至年的7%，十年装机容量占比下降了84%。2.0MW及以上风电机组装机容量从年的9%，增长至年的96%，累计增长了88pct。
国际风电主机厂普遍将碳纤维拉挤板代工由欧洲转向国内，风电叶片已经成为国内最大的，也是增速最快的应用领域之一。
年，全球风电叶片碳纤维需求3.06万吨，同比增速20%。根据林刚的数据估计，风电叶片碳纤维需求量占全球需求总量的比例由年的24.59%增长至年的28.64%。年国内风电叶片领域碳纤维需求量为2.00万吨，占国内需求总量的41%，较年的1.38万吨增长45%。
风电叶片用碳纤维主要以国内外T级24K、48K、50K等产品为主。海外主要是东丽旗下卓尔泰克（美国+墨西哥+匈牙利）、日本三菱、德国西格里以及台塑、土耳其Dowaksa，国内的蓝星及碳谷+宝旌的产品也基本能够满足下游客户的需求。
2.3.2.碳纤维制品是燃料电池储氢罐的最佳解决方案
与传统容器用钢等金属材料相比，碳纤维具有高比强度及模量、高疲劳强度、高刚度、高压承受能力、较低的热膨胀系数、耐腐蚀性和其他优异特性。
目前，压力容器对于碳纤维的用量整体较少，年全球需求量为8,吨，国内需求量为2,吨，市场整体处于起步阶段。但是燃料电池产业的快速发展有望为储氢气瓶用压力容器的发展带来转折。
储运环节为氢能应用的关键环节，目前储存氢能主要采用高压气态储运氢技术，其特点在于利用气瓶作为储存容器，通过高压压缩方式储存气态氢。通过几十年的发展，储氢气瓶已经由最初的钢瓶发展到目前的复合材料气瓶。
根据欧阳明高院士估计，年，全球燃料电池汽车销售万台，年，全球燃料电池汽车大约-万台。年全球储氢用碳纤维的需求量大约18万吨。
储氢气瓶用碳纤维一般T即可满足要求，按照美国能源部的技术路线图：氢气瓶储氢成本需要从现在的15美元/度，降低到8美元/度，换算成碳纤维成本，价格大约12.6美元/公斤。
中国储氢气瓶用碳纤维的研发基本和国际接轨，年7月气瓶安全标准化与信息工作委员会发布了车用四型气瓶的团体标准的征求意见稿。中集安瑞科、斯林达都在进行储氢气瓶的开发，年12月，斯林达车用IV型储氢瓶通过“三新”评审，成为国内首家通过“三新”评审的车用压缩氢气塑料内胆碳纤维全缠绕气瓶制造厂家。
2.3.3.碳碳复合材料是单晶硅热场的最佳解决方案
碳/碳复合材料主要使用在刹车盘、航天部件、热场部件等领域。
整体而言，碳/碳复合材料是碳纤维的一个相对小众的细分应用领域，年全球碳/碳复合材料的规模大约吨，国内的规模大约0吨。
但是，由于年国内光伏市场的高速增长，单晶硅炉领域的需求量迅速增长，年国内碳/碳复合材料的需求增速接近翻倍。
单晶硅炉内主要有碳毡功能材料和坩埚、保温桶、护盘等碳/碳复合材料。随着单晶硅炉的技术升级，用碳/碳复合材料替代传统的石墨材料技术可行，经济优势明显。单晶硅炉相关领域一般用T碳纤维即可满足需求。
海外从事单晶硅炉用碳/碳复合材料的生产企业主要是SGL公司、东海碳素等，国内主要有湖南金博、中天火箭、西安超码、航天睿特、博云新材、中南大学、南方搏云等。预制体是碳碳复材重要的制造环节，国内相关企业主要有中材科技南京玻璃纤维研究院、江苏天鸟、天津工业大学复合材料研究所、宜兴飞舟等。
其他应用领域方面，燃料电池用碳纸、液流电池用碳毡较为值得