“新材料之王”碳纤维 | 2025市场近250亿、风电领域年均增长达84%

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碳纤维是什么？

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。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。世界碳纤维产业已形成了黏胶基、沥青基和聚丙烯腈基三大原料体系，其中黏胶基和沥青基碳纤维用途较单一，产量也较为有限，而聚丙烯腈基碳纤维兼具良好的结构和功能特性，是碳纤维发展和应用的主要品种，2020年其产量占碳纤维总量的90%左右。 PAN基碳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。

为何这个时点谈起碳纤维？

多应用领域齐发力，碳纤维当下需求增长空间十分可观。根据赛奥碳纤维，2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片28%、体育休闲16%、航空航天14%，国内碳纤维需求量占比前三的领域依次是风电叶片36%、体育休闲28%、碳碳复材11%。假设汽车、混配模成型、建筑等领域需求平稳增长，预计2025年我国碳纤维需求将达到13.2万吨，2022-2025年CAGR为21.7%；2025年我国碳纤维市场规模将达到29.2亿美元，2022-2025年CAGR为16.0%。赛奥碳纤维则预计，到2025年国内碳纤维需求总量将达到15.9万吨，市场空间在250亿元左右。首先在需求最大的风电领域，碳纤维应用于风电叶片中关键结构如梁帽、主梁等。碳纤维主梁的工艺主要有三种，分别为预浸料工艺、碳布灌注工艺和拉挤碳板工艺。

由于风机大型化是未来的发展趋势，叶片长度的增加，也对增强材料的强度和刚度等性能提出了新的要求，玻璃纤维在大型复合材料叶片制造中逐渐显现出性能方面的不足。为了保证在极端风载下叶尖不碰塔架，叶片必须具有足够的刚度。在叶片产品升级过程中，既要减轻叶片的重量，又要满足强度与刚度要求，碳纤维的替代作用愈发凸显。虽然碳纤叶片成本上升，但其带来的传动链上相关部件以及塔筒的优化减重，使得风电机组的整体成本降低10%以上。例如120m的碳纤维风轮叶片可以减少总体自重达38%，使得风电机组的整体成本下降14%。根据WoodMackenzie，预计到2030年陆上风电将有超80%应用碳纤维拉挤板，而海上风电则100%应用碳纤维拉挤板。

未来随着维斯塔斯拉挤工艺专利到期、国内碳纤维持续降本增效、海上风电快速渗透及风机大型化趋势等多重利好因素叠加，机构预计2022年-2025年碳纤维渗透率有望达到11%/18%/29%/45%，对应碳纤维需求量为0.75/1.70/3.04/5.19万吨，2021-2025年CAGR达84.3%。远期国内年新增风电装机达100GW且主梁用碳纤维渗透率达100%的前提下，碳纤维需求有望达13.1万吨。