碳纖維復(fù)材行業(yè)分析：行業(yè)進入應(yīng)用快速放量期

（報告出品方/作者：德邦證券，倪正洋、張宇虹、邵玉豪）

1. 碳纖維復(fù)材是輕量化關(guān)鍵材料，設(shè)計及制造降本是推動應(yīng)用的核心

1.1. 碳纖維復(fù)材性能優(yōu)異，產(chǎn)業(yè)鏈上各環(huán)節(jié)的加工具有高附加值

碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)異，是輕量化的關(guān)鍵材料之一。復(fù)合材料是由兩種或 兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的 材料。復(fù)合材料中不同材料互為基體或增強體，在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié) 同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料。碳纖維復(fù)合材料（也稱碳纖維 增強復(fù)合材料，Carbon Fiber-reinforced Polymer，CFRP）是由碳纖維作為增強 材料的一種高性能復(fù)合材料，而在基體材料選擇上，以樹脂基、碳基使用最多。據(jù)賽奧碳纖維統(tǒng)計，2021 年全球碳纖維復(fù)合材料中，樹脂基+碳基市場份額超過 80%。碳纖維復(fù)合材料具有比強度高、比重小、比模量高、抗疲勞性能及耐腐蝕 性能優(yōu)異等特點，兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是輕量化的關(guān)鍵材料，率先應(yīng) 用于航空航天、風(fēng)電、高端裝備制造等領(lǐng)域。

預(yù)浸料鋪放是最成熟的碳纖維復(fù)合材料成型工藝，隨著應(yīng)用下游拓寬，纏繞 拉擠、預(yù)制體等工藝涌現(xiàn)。概括而言，復(fù)合材料成型即指將一維纖維固結(jié)成三維 形狀的過程，是復(fù)合材料工業(yè)的發(fā)展基礎(chǔ)和條件，由于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)成型 與材料成型同時完成，所以碳纖維復(fù)合材料有時也直接指碳纖維復(fù)合材料部件/制 品。從 2021 年全球樹脂基碳纖維復(fù)合材料需求的成型工藝來看，預(yù)浸料鋪放、纏 繞與拉擠、混配模成型、預(yù)制體是當(dāng)前最主流的工藝，按以上成型工藝生產(chǎn)的樹 脂基碳纖維復(fù)合材料的重量占比分別為 28.8%、36.1%、12.3%、7.2%，合計達 84%，其中：預(yù)浸料鋪放是最成熟的成型工藝，是航空航天復(fù)合材料首選的成型 工藝；纏繞拉擠隨著碳纖維復(fù)材在風(fēng)電與氣瓶中應(yīng)用的增長而躍升為占比第一的 工藝；預(yù)制體隨著光伏熱場碳碳復(fù)材的應(yīng)用而成為主流工藝之一。

預(yù)浸料鋪放：實用性最廣、應(yīng)用經(jīng)驗最成熟的材料形態(tài)及成型工藝。以預(yù) 浸料為材料、以自動鋪放或手工鋪貼為層合工藝、以熱壓罐為固結(jié)工藝 的航空航天復(fù)合材料工藝是基礎(chǔ)，其核心優(yōu)勢是“高纖維含量”、“均勻 浸潤”與“低孔隙率”。幾乎所有應(yīng)用均會首先采用此工藝，然后在應(yīng)用 過程中再摸索特點，發(fā)現(xiàn)更高效簡化工藝，如風(fēng)電梁帽的開發(fā)歷史，從預(yù) 浸料鋪放過渡到厚重織物成型，再到拉擠板材。

纏繞拉擠：復(fù)合材料的經(jīng)典成型工藝，主要優(yōu)點是工藝簡潔，主要缺點 是只能制作回轉(zhuǎn)體及型材，不能制造型面復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。隨著風(fēng)電與氣瓶 應(yīng)用的增長，纏繞與拉擠工藝超越了預(yù)浸料鋪放工藝，占比上升至第一。

預(yù)制體：近幾年成為主要工藝之一，目前在碳碳復(fù)材中發(fā)展迅速，主要由光伏爐所需的熱場碳碳復(fù)材的快速發(fā)展而推動的。

預(yù)浸料是多種成型工藝使用的重要中間材料，碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈每一級的加工技 術(shù)含量高、附加值高。從碳纖維復(fù)合材料的制造流程來看，預(yù)浸料是熱壓罐、模 壓、卷制、纏繞等多種工藝中極其重要的中間材料，它的制造方法主要是將連續(xù) 整齊平行的碳纖維牽引，通過與樹脂基體充分浸潤收卷成卷材，相應(yīng)的碳纖維整 體產(chǎn)業(yè)鏈為“原絲-碳纖維-碳纖維織物-預(yù)浸料-復(fù)合材料”。據(jù)江蘇恒神招股書， “同一品種原絲的售價約 40 元/kg，碳纖維約 180 元/kg，預(yù)浸料約 600 元/kg， 民用復(fù)合材料約在 1000 元以下/kg，汽車復(fù)合材料約 3000 元/kg，航空復(fù)合材料 約 8000 元/kg。”在碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈中，不同階段產(chǎn)品價格均有較大幅度增值，各階段的加工制造技術(shù)是關(guān)鍵。

1.2. 碳纖維復(fù)材的設(shè)計和制造降本空間大，是擴大應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和制造環(huán)節(jié)具有最大的降本空間，是擴大下游 應(yīng)用的核心環(huán)節(jié)。1996 年美國先進民用飛機新材料專業(yè)委員會編制的《下一代民 用運輸機用的新材料》中提到“材料成本實際上僅占復(fù)合材料構(gòu)件總成本的 8%~10%，開發(fā)下一代民用運輸機工藝的一個基本準(zhǔn)則是低成本制造的可能性?！?。江蘇恒神招股書中也指出，“通過對碳纖維復(fù)合材料的成本結(jié)果分析，最大的成 本空間是在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的設(shè)計和制造工藝上”。復(fù)合材料制造工藝的低成本 化，應(yīng)用技術(shù)的低成本化，是碳纖維復(fù)合材料擴大應(yīng)用不可或缺的重大環(huán)節(jié)。本 節(jié)將重點介紹碳纖維復(fù)材設(shè)計及制造環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)及壁壘。

（1）碳纖維復(fù)合材料設(shè)計之初就需要綜合結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料、工藝等多項技術(shù)

碳纖維復(fù)合材料與常規(guī)金屬材料最顯著的不同在于它的力學(xué)性能可以通過設(shè) 計進行控制改變，因此，它在力學(xué)性能方面給設(shè)計人員提供了自由度。金屬材料 結(jié)構(gòu)設(shè)計人員可以直接使用材料部門提供的性能數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)成型工藝 進行設(shè)計，設(shè)計、材料和工藝三方面的技術(shù)人員可以分別完成各自領(lǐng)域的開發(fā)。而高性能碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)必須由設(shè)計、材料、工藝三個領(lǐng)域的技術(shù)人 員組成緊密配合的團隊，相互協(xié)作共同努力才能完成。

（2）有限元等計算機數(shù)值模擬技術(shù)，在設(shè)計及制造過程中均有關(guān)鍵作用

有限元模擬是一種重要的數(shù)值模擬方法，能夠較好地模擬仿真材料在載荷或 載荷與環(huán)境聯(lián)合作用下的變形、損傷與斷裂過程，在碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計及制 造過程中均有重要應(yīng)用。在設(shè)計過程中，采用結(jié)構(gòu)有限元分析的方法，可以對復(fù) 合材料制品進行力學(xué)分析計算，獲得滿足設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)。在加工制造過程中， 以往的復(fù)合材料生產(chǎn)工藝參數(shù)依靠“試湊法”，要獲得有用數(shù)據(jù)，需要做大量試 驗，從而導(dǎo)致大量的人力和物力浪費，增加了產(chǎn)品的成本。高效生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的關(guān)鍵技術(shù)在于選擇合適的工藝參數(shù)，制定合理的工藝方案，而 數(shù)值模擬為優(yōu)化工藝參數(shù)，深刻理解各種參數(shù)對成品質(zhì)量的影響，提供了有效的 技術(shù)手段?？偟膩碚f，計算機模擬分析在碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計及制造中，起到 了降低工藝成本、優(yōu)化設(shè)計、縮短設(shè)計周期及保證產(chǎn)品質(zhì)量服務(wù)的關(guān)鍵作用。

（3）低成本制造工藝的開發(fā)和應(yīng)用

低成本的制造成型技術(shù)在部件連接、整體成型、連續(xù)化成型、高效率成型等 方面具有很高的技術(shù)壁壘。主要包括樹脂傳遞模塑成型（RTM）、樹脂膜融化成 型（RFI）、真空灌注成型（VARI）等液體成型技術(shù)、共固化液體成型（co-LCM） 技術(shù)、以熱隔膜成型為代表的預(yù)成型技術(shù)等。舉例來看，業(yè)內(nèi)正積極探索的液體 成型技術(shù)，其免除了將纖維制成預(yù)浸料，再切割成層片鋪疊成預(yù)型件的過程，擺 脫了大投資的熱壓罐，工藝易于實現(xiàn)自動化，具有生產(chǎn)周期短、勞動力成本低、環(huán) 境污染少、制造尺寸精確、外形光滑、可制造復(fù)雜產(chǎn)品等優(yōu)點。

（4）產(chǎn)業(yè)化、大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)

碳纖維復(fù)材生產(chǎn)工藝線長，單條生產(chǎn)線控制點都在 1000 個以上，各類參數(shù)間 關(guān)聯(lián)度極大，生產(chǎn)線啟動往往需要 10 天以上產(chǎn)品質(zhì)量才能穩(wěn)定下來。工藝過程包 括溫濕度、濃度、黏度、流量、壓力、轉(zhuǎn)速、風(fēng)速、電流等幾千個參數(shù)，需要高精 度的自動化監(jiān)控和調(diào)節(jié)，其中一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就會嚴重影響碳纖維復(fù)材產(chǎn)品 的性能和質(zhì)量的穩(wěn)定。產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝不成熟是目前導(dǎo)致碳纖維復(fù)材產(chǎn)品質(zhì)量不 穩(wěn)定的主要原因。保障碳纖維復(fù)材長期連續(xù)、穩(wěn)定、工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)壁壘高。

2. 碳纖維復(fù)材：2021 年全球規(guī)模約 200 億美元，我國約 占其中五成

2.1. 碳纖維&中間制品：2021 年全球規(guī)模 34 億美元，我國約占其中四成

2021 年，全球碳纖維及中間制品市場規(guī)模約 34 億美元，航空航天、風(fēng)電葉片、體育休閑合計占下游的 66%。據(jù)賽奧碳纖維統(tǒng)計，2008-2021 年，全球碳纖 維及中間制品（預(yù)浸料+織物）需求總重量 CAGR 為 9.5%，2021 年達 11.8 萬 噸，同比+10.4%。價值量方面，2021 年，全球碳纖維及中間制品市場規(guī)模為 34.0 億美元，分下游來看，航空航天、風(fēng)電葉片、體育休閑占比分別為 35%、16%、 15%，是最主要的三個應(yīng)用領(lǐng)域。由于上世紀 70 年代出現(xiàn)的石油危機，碳纖維從 此前的軍用航空航天結(jié)構(gòu)向民用飛機滲透，在工業(yè)領(lǐng)域也因輕量化需求得到了推 廣應(yīng)用。根據(jù)市場規(guī)模與需求重量折算，全球碳纖維及中間制品的均價為 28.9 美 元/kg，分下游來看，航空航天領(lǐng)域均價最高，達到 72.0 美元/kg，體育休閑、壓 力容器、汽車等領(lǐng)域均價相近，在 20-30 美元/kg 之間，風(fēng)電葉片領(lǐng)域均價則相對 較低，約 16.8 美元/kg。在航空航天和工業(yè)領(lǐng)域兩種不同需求的推動下，碳纖維 產(chǎn)生了兩個不同的類型和發(fā)展方向，即以滿足航空航天領(lǐng)域需求的高性能前提下 的低成本，和以滿足工業(yè)領(lǐng)域需求的低成本下的高性能，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。

2021 年，我國碳纖維及中間制品市場規(guī)模約 14.7 億美元，約占全球市場的 四成。2008-2021 年，我國碳纖維及中間制品需求總重量 CAGR 為 15.5%，2021 年達到 6.2 萬噸。價值量方面，我們根據(jù)不同下游所需重量，以及各領(lǐng)域銷售均 價，計算得到 2021 年市場規(guī)模為 14.7 億美元（注：此處與奧賽碳纖維報告中直 接呈現(xiàn)的我國市場規(guī)模略有差異，為保持數(shù)據(jù)更好的一致性，我們使用了以上的 計算方式），占全球市場的 43%；分下游來看，體育休閑、風(fēng)電葉片、碳碳復(fù)材、 航空航天分別占 33%、26%、10%、10%，合計約達八成，其中碳碳復(fù)材特別受 益于我國光伏產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，在航空航天中的應(yīng)用也有望隨我國大飛機戰(zhàn)略產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展而更快提升?？傮w來看，一方面，我國內(nèi)需市場大、工業(yè)門類眾多，另一 方面，我國大飛機、新能源汽車等高端產(chǎn)業(yè)正蓬勃發(fā)展，我國碳纖維產(chǎn)業(yè)具有相當(dāng)?shù)慕当緷摿蛷V闊的應(yīng)用前景。

2.2. 碳纖維復(fù)材：2021 年全球規(guī)模約 200 億美元，我國約占其中五成

2021 年，全球碳纖維復(fù)材市場規(guī)模約 200 億美元，不同下游復(fù)材均價梯度 較原材料均價梯度更大，體現(xiàn)了不同領(lǐng)域復(fù)材設(shè)計&制造附加值的差異。據(jù)賽奧碳 纖維統(tǒng)計，2021 年全球碳纖維復(fù)合材料中，樹脂基+碳基市場份額超過 80%，而 且其在報告中簡化了表述，統(tǒng)一稱為樹脂基碳纖維復(fù)合材料，統(tǒng)計了全球、我國 相應(yīng)需求總重、市場規(guī)模、下游行業(yè)分布等數(shù)據(jù)。在 2.2 節(jié)中，我們以賽奧的統(tǒng)計 數(shù)據(jù)為唯一來源，重點梳理碳纖維復(fù)材市場空間，且若無特殊說明，以“碳纖維復(fù) 材”代指“以樹脂基及碳基作為基體的碳纖維復(fù)合材料”。2021 年，全球碳纖維 復(fù)材需求總重為 18.2 萬噸，市場規(guī)模約 200 億美元，分下游來看，航空航天、體 育休閑、碳碳復(fù)材、風(fēng)電葉片價值量占比分別為 46%、20%、14%、5%，銷售均 價分別為 360、138、215、21 美元/kg，前三者分別是風(fēng)電葉片銷售均價的 17、 7、10 倍，可見復(fù)雜結(jié)構(gòu)的設(shè)計及制造附加值更高。

2021 年我國碳纖維復(fù)材市場規(guī)模約 108 億美元，約占全球五成。據(jù)賽奧碳纖 維，2021 年，我國碳纖維復(fù)材需求總重同比+28%為 9.7 萬噸，市場規(guī)模約為 699 億元，我們與全球市場統(tǒng)計單位保持統(tǒng)一，則折合約 108 億美元，約占全球市場 五成。下游體育休閑、航空航天、碳碳復(fù)材（熱場材料）、風(fēng)電葉片價值量分別占 37%、31%、11%、8%。從均價來看，整體而言我國碳纖維復(fù)材與全球市場均價 相近，但航空航天領(lǐng)域產(chǎn)品均價約是全球該領(lǐng)域均價的 3 倍，或體現(xiàn)了國外在高 端領(lǐng)域?qū)ξ覈欢ǖ膬r格策略和技術(shù)封鎖。我們認為，碳纖維在民用航空中的應(yīng) 用隨我國大飛機產(chǎn)業(yè)逐漸崛起有望更快發(fā)展，且相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)含量與附加值高， 壁壘深厚；風(fēng)電葉片受益于我國新能源產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展正快速獲得應(yīng)用；而軌道交 通是我國優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)之一，碳纖維復(fù)材有很好的輕量化作用，行業(yè)正積極探索相關(guān) 應(yīng)用，未來有望起量。我們將在第三章重點分析碳纖維復(fù)材在以上行業(yè)的應(yīng)用和空間。

3. 碳纖維預(yù)浸料：碳纖維復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈中的核心環(huán)節(jié)

碳纖維預(yù)浸料作為一種最常使用的中間體材料，其性能穩(wěn)定優(yōu)異，已逐漸成為碳纖維復(fù)材的主要工藝之一。隨著上游碳纖維和樹脂生產(chǎn)工藝和性能的優(yōu)化， 以及下游碳纖維復(fù)材的蓬勃發(fā)展，碳纖維預(yù)浸料行業(yè)的市場規(guī)模也在不斷擴大， 由 2017 年的 18.04 億元增長至 2021 年的 45.94 億元，CAGR 為 26.33%，保持 了較高的市場增速。雖然碳纖維復(fù)合材料在整體性能和應(yīng)用上顯示出很大優(yōu)勢，但高性能預(yù)浸料 缺乏對基礎(chǔ)材料的研發(fā)，目前國內(nèi)普遍使用的航空級預(yù)浸料仍主要依賴進口，鮮 少有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能預(yù)浸料系統(tǒng)，而對基礎(chǔ)材料的研究是預(yù)浸料系統(tǒng)研究 的奠基石，其決定了對碳纖維復(fù)材制品的最終性能。如何保證碳纖維的品質(zhì)和樹 脂基體的高性能與功能化是預(yù)浸料基礎(chǔ)材料研究的聚焦點。

而預(yù)浸料行業(yè)的另一關(guān)注點則是其性能驗證，考察預(yù)浸料產(chǎn)品在工藝和制品 上的應(yīng)用往往從指標(biāo)驗證開始，當(dāng)預(yù)浸料產(chǎn)品性能達到使用要求后，再深層次地 對其可靠性進行驗證。高端體育器材作為碳纖維預(yù)浸料驗證的先鋒，在指標(biāo)驗證 上發(fā)揮著重要作用。目前，國內(nèi)的多家企業(yè)立足于預(yù)浸料系統(tǒng)研發(fā)和產(chǎn)品驗證。其中，晉飛科技 的產(chǎn)品主要涉及高端體育領(lǐng)域，中航復(fù)材主要集中供應(yīng)給航空航天領(lǐng)域，光威復(fù) 材的預(yù)浸料業(yè)務(wù)主供風(fēng)電領(lǐng)域，恒神股份的預(yù)浸料業(yè)務(wù)應(yīng)用于航空航天、民用客 機以及新能源汽車領(lǐng)域。

中航復(fù)材：國內(nèi)航空預(yù)浸料和航空部件制造的領(lǐng)頭羊，碳纖維復(fù)材賽道上的 核心卡位企業(yè)。主要從事復(fù)合材料原材料（高性能樹脂及預(yù)浸料、蜂窩及芯 材）、復(fù)合材料構(gòu)件的研制、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)，是我國航空復(fù)合材料研發(fā)工程 化的核心力量。其預(yù)浸料種類繁多，主要涉及環(huán)氧、雙馬、聚酰亞胺等多種高性 能樹脂，廣泛應(yīng)用于飛機主、次承力結(jié)構(gòu)部件，如用于機翼和尾翼制造的 QY 9511 / QY 9611 / 5429 雙馬預(yù)浸料、用于航空發(fā)動機冷端結(jié)構(gòu)的 BMP316 聚酰 亞胺預(yù)浸料等。截至 2021 年底，其包括碳纖維預(yù)浸料在內(nèi)的航空工業(yè)復(fù)材預(yù)浸 料產(chǎn)品營收規(guī)模達到 35.53 億元。

光威復(fù)材：風(fēng)電用預(yù)浸料的龍頭供應(yīng)商。專業(yè)從事碳纖維、碳纖維織物、碳 纖維預(yù)浸料、碳纖維復(fù)合材料制品及碳纖維核心生產(chǎn)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)與銷售的 高新技術(shù)企業(yè)，擁有碳纖維行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈布局。光威復(fù)材的碳纖維預(yù)浸料產(chǎn)品主 要是提供給風(fēng)電行業(yè)的風(fēng)電用碳纖維預(yù)浸料，在 2021 年的業(yè)務(wù)收入中碳纖維預(yù) 浸料業(yè)務(wù)收入 3.59 億元，相對光威復(fù)材的碳纖維及碳纖維織物產(chǎn)品，碳纖維預(yù)浸 料業(yè)務(wù)在光威的經(jīng)營中占比較少。

晉飛科技：高端體育用預(yù)浸料供應(yīng)商。晉飛科技業(yè)務(wù)涉及軌道交通、醫(yī)療器 械、工業(yè)裝備、體育休閑等高壁壘、高粘性、高附加值領(lǐng)域。其自主研發(fā)高水平的 預(yù)浸料生產(chǎn)技術(shù)，可實現(xiàn)寬面密度范圍（20gsm→600gsm）的預(yù)浸料加工，晉飛 科技生產(chǎn)的預(yù)浸料用途廣泛，主要用于高端體育器材和軌道交通領(lǐng)域，其開發(fā)的 ST012 系列碳纖維預(yù)浸料主要應(yīng)用于釣魚竿、高爾夫球桿等高端體育休閑領(lǐng)域， 主要面向全球頂級體育器材制造商日本 SHIMANO、MIZUNO 等。而其自主開發(fā) 的 ST007 阻燃系列預(yù)浸料主要應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域，其規(guī)格符合軌道交通 EN45545 阻燃標(biāo)準(zhǔn)。

江蘇恒神：多系統(tǒng)、多領(lǐng)域預(yù)浸料供應(yīng)商。預(yù)浸料產(chǎn)品主要應(yīng)用于航空航天、 交通、新能源、建筑補強、工業(yè)等領(lǐng)域。航空航天領(lǐng)域方面，其開發(fā)的 EH918 高溫中模預(yù)浸料已經(jīng)完成自動化鋪絲工藝驗證，并完成后壓力框復(fù)合材料部件交付。針對風(fēng)電、光伏、新能源汽車領(lǐng)域，江蘇恒神提高了在新能源汽車復(fù)合材料領(lǐng)域 HF10J-24K 碳纖維和 EV101 系列預(yù)浸料材料的供應(yīng)能力，持續(xù)保持該領(lǐng)域內(nèi)材 料供應(yīng)的領(lǐng)先優(yōu)勢；公司開發(fā)的 HF30F-12K（T700 級）碳纖維在 2021 年迅速實 現(xiàn)對國外同等產(chǎn)品的替代工作，在風(fēng)電碳板、光伏坩堝材料、氫能材料等領(lǐng)域?qū)?現(xiàn)應(yīng)用。體育休閑市場方面，江蘇恒神積極支持高端體育自行車制造商，開發(fā)的 EM123 系列預(yù)浸料為客戶提供優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量保證和供應(yīng)。截至 2021 年底， 恒神股份的碳纖維預(yù)浸料營收規(guī)模為 3.90 億元。

4. 碳纖維復(fù)材重要細分應(yīng)用領(lǐng)域分析及空間測算

4.1. 民用航空：預(yù)計未來 20 年間，平均每年我國碳纖維復(fù)材市場規(guī)模約 130 億元

碳纖維復(fù)合材料是大型整體化結(jié)構(gòu)的理想材料，在飛機結(jié)構(gòu)材料中的用量不 斷提升。由于具有輕質(zhì)量、高強度、抗疲勞、耐腐蝕、成型工藝性良好、成本低等 特點，碳纖維復(fù)合材料在航空裝備上的大量應(yīng)用可有效提高性能、減輕結(jié)構(gòu)重量、 降低運營成本、增強市場競爭力，因此在飛機結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越多。從 20 世紀 80 年代開始，碳纖維復(fù)合材料開始應(yīng)用在客機上的非承力構(gòu)件，在早期的 A310、 B757 和 B767 上，碳纖維復(fù)合材料的占比1僅為 5%-6%；隨著技術(shù)的不斷進步， 碳纖維復(fù)合材料逐漸作為次承力構(gòu)件和主承力構(gòu)件應(yīng)用在客機上，其質(zhì)量占比也 開始逐步提升，到 A380 時，復(fù)合材料占比達到 23%；而 B787 和 A350 中，復(fù)合 材料的用量達到了 50%以上，有更多部件使用碳纖維，例如機頭、尾翼、機翼蒙 皮等，使用量大大提升。在我國國產(chǎn)客機中，據(jù)中國商飛轉(zhuǎn)載人民日報報導(dǎo)，C919 使用的復(fù)合材料占到飛機結(jié)構(gòu)重量的 12%，與中俄合作研制的 280 座遠程寬體客 機 CR929 復(fù)合材料使用比例有望超過 50%，其中復(fù)合材料主要就是碳纖維復(fù)合 材料，以下測算我國民航飛機使用的碳纖維復(fù)材市場規(guī)模。

據(jù)波音公司指出，在過去十年間，全球航空業(yè)的增長中大約 25%來自中國， 這一趨勢將在未來 20 年內(nèi)持續(xù)下去。波音公司預(yù)測，未來 20 年中國航空公司將 購買 6450 架單通道飛機和 1590 架寬體機。我們測算相應(yīng)的碳纖維復(fù)材用量合計 3.6 萬噸，平均每年 1788 噸，若按 2.2 中統(tǒng)計的我國航空航天領(lǐng)域碳纖維復(fù)材單 價 1077 美元/kg 算，每年市場規(guī)模約 19.3 億美元，對應(yīng)約 130 億人民幣市場規(guī) 模。

業(yè)內(nèi)公司介紹

光威復(fù)材：主要從事高性能碳纖維及復(fù)合材料研發(fā)和生產(chǎn)，現(xiàn)已發(fā)展成為我 國民用及軍用碳纖維行業(yè)的龍頭企業(yè)。2021 年，公司碳纖維及織物、碳梁、預(yù)浸 料分別實現(xiàn)收入 12.8、8.1、3.6 億元，占總營收的比例分別為 48.9%、31.0%、 13.8%。回顧其在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展歷程，光威復(fù)材自 2002 年開始研制碳纖維；2005 年成為國內(nèi)第一家實現(xiàn)碳纖維工程化企業(yè)，并開始了碳纖維的航空應(yīng)用驗證；經(jīng)過三年數(shù)萬個樣次大量試驗驗證，至 2008 年初步實現(xiàn)航空用碳纖維國產(chǎn)化目 標(biāo)；2012 年公司開始研制 T800 級碳纖維；2015 年進一步開發(fā)了航空登機梯，向 高端碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展。據(jù)公司招股書，其 GQ3522（T300 級）產(chǎn)品在航空、 航天等高端領(lǐng)域已應(yīng)用十余年，為型號用國產(chǎn)碳纖維的主要供應(yīng)商。目前，光威 復(fù)材正著力推動 T800 級系列碳纖維產(chǎn)業(yè)化，是其儲備并驗證多年、尚未正式批 產(chǎn)的下一代航空裝備用主力材料。

4.2. 風(fēng)電：2025 年全球風(fēng)電領(lǐng)域碳纖維復(fù)材市場空間約 140 億元規(guī)模

由于輕質(zhì)和高強度的特點，碳纖維復(fù)合材料是目前滿足風(fēng)電葉片性能要求的 最佳選擇之一。傳統(tǒng)風(fēng)電葉片廣泛采用的玻璃纖維復(fù)合材料，其抗拉強度為 1000～2000MPa，密度在 2.5g/cm3左右，性能已經(jīng)趨于極限。相對之下，碳纖維 復(fù)合材料抗拉強度高達 3000～5000MPa,密度僅有 1.6g/cm3。除了輕質(zhì)和高強度 外，碳纖維復(fù)材還具有高彈性模量、耐高低溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)異特性。此 外，通過采用氣動效率更高的薄翼型和增加葉片長度，能提高風(fēng)能利用率和年發(fā) 電量，從而降低綜合使用成本。尤其是近年來碳纖維行業(yè)采用大絲束碳纖維拉擠 梁片工藝以降低成本，大絲束碳纖維及其復(fù)合材料價格下降，使得碳纖維在風(fēng)電 葉片領(lǐng)域用量急劇增加。

碳纖維復(fù)合材料較多應(yīng)用在風(fēng)電葉片的關(guān)鍵部位，如主梁帽、蒙皮表面、葉 片根部等。由于碳纖維價格比較高，考慮到葉片的制造成本，碳纖維只應(yīng)用到葉 片的一些關(guān)鍵部位。其中，主梁帽是風(fēng)電葉片主承力結(jié)構(gòu)的重要組成，將碳纖維 應(yīng)用于此可以最大限度的發(fā)揮其高剛性的特點，最大限度地減重而不過多地增加成本；蒙皮表面整體使用碳纖維，可以降低作用在內(nèi)支撐梁上的受力和扭矩；碳 纖維應(yīng)用于葉片根部時，不僅可以提高根部材料的斷裂強度和承載強度，使施加 在螺栓上的動態(tài)載荷減少，還可以增加根部法蘭處的螺栓數(shù)量，從而增加葉片和 輪轂連接處的靜態(tài)強度和疲勞強度。目前 24K 及以上的碳纖維已經(jīng)部分應(yīng)用于葉 片梁帽、葉根、蒙皮全表面，未來碳纖維及其復(fù)合材料在風(fēng)電葉片領(lǐng)域必將廣泛使用。

風(fēng)電葉片呈大型化和輕量化趨勢，加速體現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料巨大的替換優(yōu)勢。葉片的掃風(fēng)面積和葉片長度的平方成正比，發(fā)電功率隨著葉片大型化會得到迅速加強。同時，隨著長葉片捕風(fēng)能力的增強，可以減少同等規(guī)模下所需的機組數(shù)量，降低風(fēng)電 項目的成本。目前玻璃纖維復(fù)合材料性能已經(jīng)趨于極限，難以解決尺寸增大帶來的剛 性不足的問題，而碳纖維可實現(xiàn)輕量化效果，同時保持了更加有益的剛性和強度。荷 蘭戴爾弗理工大學(xué)研究表明，一個旋轉(zhuǎn)直徑為 120 米的風(fēng)機的葉片，由于梁的質(zhì)量超 過葉片總質(zhì)量的一半，梁結(jié)構(gòu)采用碳纖維，和采用全玻纖的相比，重量可減輕 40％左 右，剛度則是玻璃纖維復(fù)合材料葉片的 2 倍。在發(fā)展更大功率風(fēng)電機組和更長轉(zhuǎn)子葉 片時，為了既進一步減少葉片質(zhì)量，又同時滿足強度與剛度要求，采用性能更好的碳 纖維復(fù)合材料是未來風(fēng)電葉片的必然趨勢。

2025 年，全球風(fēng)電行業(yè)碳纖維復(fù)材市場空間預(yù)計約 140 億元規(guī)模。全球迫切 降低碳排放量前提下，風(fēng)能將成為全球最大清潔能源之一。疊加風(fēng)機葉片大型化、 輕量化的趨勢，全球風(fēng)電行業(yè)碳纖維市場空間仍將保持較快增長。目前碳纖維復(fù) 材在風(fēng)電行業(yè)使用滲透率約在 25%，隨著滲透率的逐步提升，疊加全球風(fēng)電裝機 量高速增長。到 2025 年，預(yù)計全球風(fēng)電行業(yè)碳纖維復(fù)材市場空間預(yù)計將達 20.7 億美元，對應(yīng)約 140 億人民幣市場規(guī)模。

光威復(fù)材：國內(nèi)軍民融合碳纖維龍頭企業(yè)發(fā)力風(fēng)電碳梁領(lǐng)域。光威復(fù)材是國 內(nèi)最早實施碳纖維國產(chǎn)化事業(yè)的民營企業(yè)，打破西方國家壟斷及封鎖，是我國航 空航天領(lǐng)域碳纖維主力供應(yīng)商。目前，風(fēng)電領(lǐng)域成為我國碳纖維領(lǐng)域需求的關(guān)鍵 力量，以碳梁為代表的新能源風(fēng)電葉片應(yīng)用場景成為公司深入民用領(lǐng)域的主要抓 手。為繼續(xù)拓展碳梁業(yè)務(wù)，2019 年 7 月，光威復(fù)材與內(nèi)蒙古包頭相關(guān)政府、丹麥 維斯塔斯公司等簽署協(xié)議，在包頭建設(shè)“萬噸級碳纖維產(chǎn)業(yè)化項目”。包頭一期產(chǎn) 線 4000 噸，預(yù)計 2022 年建成投產(chǎn)，產(chǎn)品為低成本民用碳纖維，主要面向碳梁等 領(lǐng)域。

澳盛科技：成立于 2002 年，是一家專注碳纖維及其復(fù)合材料制品設(shè)計、研 發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)，致力于碳纖維的推廣和應(yīng)用，是碳纖維行 業(yè)的十大知名企業(yè)。澳盛科技成立之初，從事紡織化纖生產(chǎn)和銷售，2006 年進行 產(chǎn)品轉(zhuǎn)型升級，轉(zhuǎn)向碳纖維復(fù)合材料行業(yè)。當(dāng)前，澳盛科技的碳纖維復(fù)合材料在 運動休閑、建筑和橋梁加固、醫(yī)療器械、3C 電子、風(fēng)機葉片等行業(yè)具有自身獨特 優(yōu)勢，并在汽車、軌道交通、工業(yè)裝備、新能源等領(lǐng)域進行前瞻性研究，業(yè)務(wù)涵蓋 碳纖維編織、預(yù)浸、拉擠、纏繞、模壓及其他異形件加工等領(lǐng)域。公司共建有 6 個 技術(shù)平臺，并和中科院寧波所、蘇州大學(xué)進行產(chǎn)學(xué)研合作。2020 年，澳盛科技成為國內(nèi)首個碳纖維用量超萬噸的企業(yè)，在國際上排名前列。

4.3. 軌交：預(yù)計 2025 年中國軌交用碳纖維復(fù)材市場空間將超 37 億元

鐵路車輛近 200 年發(fā)展歷史中，車體結(jié)構(gòu)隨材料發(fā)展不斷迭代。鐵路車輛發(fā) 展的近 200 年中，車體結(jié)構(gòu)隨材料的發(fā)展經(jīng)歷了木制車體結(jié)構(gòu)、碳鋼車體結(jié)構(gòu)、 不銹鋼車體結(jié)構(gòu)、鋁合金車體結(jié)構(gòu)和新型輕量化復(fù)合材料車體結(jié)構(gòu)等幾個階段1：（1）最早的鐵路車輛采用木制車體，底架和車身均由木材制成。木制車體結(jié) 構(gòu)安全性和穩(wěn)定性都無法得到保障，但在軌道交通領(lǐng)域卻持續(xù)了幾乎 100 年。（2）鋼材質(zhì)階段經(jīng)歷了碳素鋼、耐候鋼到不銹鋼的材料發(fā)展過程，主要因其 耐候性能的提高及工藝技術(shù)的不斷成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)車體質(zhì)量更輕、可靠性更高和 壽命更長。（3）隨著鋁合金大型中空擠壓型材的開發(fā)及焊接技術(shù)的改進，組裝和焊接件 的數(shù)量減少，用工量減少 40%，車體自重較鋼制車體降低 30%。（4）碳纖維復(fù)合材料具有比鋁合金更高的比強度、更優(yōu)異的耐腐蝕性和耐疲 勞性能，通過合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減重效果可達 30%以上，可實現(xiàn)增速節(jié)能；通 過一體化成型工藝設(shè)計，可以減少零件連接，降低用工量，提高制造效率和工藝穩(wěn)定性，提升安全可靠性。

碳纖維復(fù)合材料使用滲透率逐步提升，從非承載件向主承載件滲透。目前碳 纖維復(fù)合材料在軌道交通車輛應(yīng)用的技術(shù)路徑主要從非承載件如頂板、側(cè)墻、座 椅、內(nèi)飾燈到次承載件如設(shè)備艙、前端頭罩、司機室外殼再到主承載件如轉(zhuǎn)向架、 車體、車鉤緩沖等。（1）車頭與司機室。湖南省復(fù)合材料工程術(shù)中心研發(fā)與制造的復(fù)合材料車頭 端蓋,已經(jīng)成功應(yīng)用于“藍箭”動車組和“中華之星”高速列車。1 （2）中間車車體。中車青島四方機車車輛股份有限公司 2018 年 9 月發(fā)布了 CETROVO 新一代碳纖維地鐵車輛,其車體與司機室均使用碳纖維復(fù)合材料制成。2 （3）轉(zhuǎn)向架。英國 ELG 公司研制生產(chǎn)一種 CFRP 轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，性能比 GFRP （玻璃纖維）更加優(yōu)越。中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 2016 年試制了 209P 轉(zhuǎn)向架, 用 CFRP 實現(xiàn)了批量裝車運行考核,目前已安全運營超過 100 萬公里。3 （4）其他零部件。德國福伊特公司研制 CFRP 過渡車鉤,結(jié)構(gòu)極其緊湊,總質(zhì) 量僅為鋼鐵過渡車鉤的 50％；中車長春軌道客車股份有限公司使用碳纖維復(fù)合材 料做成車頂,性能可以和傳統(tǒng)車頂基本保持一致,質(zhì)量僅為傳統(tǒng)車頂?shù)?50％左右。除此之外,碳纖維復(fù)合材料在車廂內(nèi)飾件應(yīng)用也非常廣泛。主要的部位有車門、車 窗、座椅、集便箱、臥鋪、行李架、空調(diào)風(fēng)道等。在地鐵車輛的軌線設(shè)施中，電纜 支架、疏散平臺、DCI500V 供電軌的支座及防護構(gòu)件、復(fù)合軌枕等部位均有碳纖 維復(fù)合材料的參與。

碳纖維復(fù)合材料可以滿足軌道交通車輛的多重設(shè)計指標(biāo)，具有高強度、高模 量、耐疲勞等特點。碳纖維復(fù)合材料具有高強度、高模量、耐疲勞性能好、低密 度、蠕變量小和耐腐蝕等多種綜合性能，可以滿足軌道交通車輛的對高力學(xué)強度、 減振降噪、碰撞吸能、耐疲勞、耐環(huán)境腐蝕等的要求1。（1）比強度好，比模量高。碳纖維復(fù)合材料的比強度約為鋁合金的 7.3 倍， 比模量約為鋁合金的3.2倍，用碳纖維復(fù)合材料制作軌道車輛部件可在保證強度、 剛性的同時有效減輕車體重量，降低能耗。（2）耐疲勞性能好。一般鋁合金或鋼材的疲勞強度約為靜態(tài)強度的 50%，而 碳纖維復(fù)合材料則高達 90%，因此其可以應(yīng)用在經(jīng)常受交變載荷作用的軌道車輛， 從而大大提高部件的安全性和穩(wěn)定性。（3）耐腐蝕性能好。碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性，能很好地解決室 外濕熱、鹽霧等惡劣環(huán)境對金屬等材料產(chǎn)生的腐蝕問題，從而延長車輛使用壽命， 降低維修成本。（4）尺寸穩(wěn)定性好。碳纖維復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)幾乎為 0，常溫下是負值， 所以在正常的使用溫度范圍內(nèi)尺寸相對比較穩(wěn)定，不會因溫度的急劇變化而產(chǎn)生 明顯形變。

軌道車輛車體結(jié)構(gòu)材料正在更迭，碳纖維復(fù)材有望成為下一代主導(dǎo)材料。傳 統(tǒng)列車車身最初廣泛采用普通碳素鋼、耐候鋼、不銹鋼，到現(xiàn)在“復(fù)興號”廣泛應(yīng) 用鋁合金，車身質(zhì)量重，能源消耗大，不利于列車的運轉(zhuǎn)和提速。此外，金屬易受 腐蝕，需要定期維護，增加了運營成本。據(jù)復(fù)材網(wǎng)報道，與采用鋼、鋁合金等傳統(tǒng) 金屬材料相比，新一代碳纖維地鐵車輛的車體、司機室、設(shè)備艙分別減重 30%以 上，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架減重 40%，整車減重 13%，而且強度高、剛性大、維護成本低；車頭罩加工時可以大面積成型為流線型外形，大大降低風(fēng)阻。列車采用碳纖維復(fù)合材料車體能有效地減輕車體質(zhì)量的同時，也提高了車體運行的平穩(wěn)性和安全性， 減少運行過程中產(chǎn)生的噪聲，從而強化了乘客的體驗感和舒適感。

預(yù)計 2025 年中國軌交用碳纖維復(fù)合材料市場空間將超 37 億元。相較于軌交 行業(yè)龐大的市場空間，碳纖維復(fù)材在車體結(jié)構(gòu)的應(yīng)用仍處在產(chǎn)業(yè)發(fā)展早期階段。龐大的存量市場疊加仍在持續(xù)成長的中國軌交行業(yè)，碳纖維復(fù)材在軌交行業(yè)的可 拓展空間廣闊。首先，我們根據(jù)國內(nèi)城軌與動車數(shù)量，對應(yīng)預(yù)測每年新增軌交數(shù)量，若碳纖 維復(fù)材使用率逐年提高，到 2025 年，以 30%的碳纖維復(fù)材使用率計算，每列動 車組應(yīng)用 100 噸、每列城軌應(yīng)用 70 噸碳纖維復(fù)材，假設(shè) 2025 年碳纖維復(fù)材在軌 交滲透率 10%，預(yù)計 2025 年中國軌交用碳纖維市場空間將超 37 億元。

晉飛科技:中國頂尖碳纖維復(fù)材方案提供商，承擔(dān)軌道交通批量應(yīng)用重任。晉 飛科技承接了各類軌道交通碳纖維復(fù)合材料部件，形成了一體化成型制備技術(shù)， 實現(xiàn)了非承載、次承載到主承載部件國內(nèi)設(shè)計、研發(fā)、生產(chǎn)應(yīng)用。2021 年 1 月， 世界首條高溫超導(dǎo)高速磁浮工程化樣車及試驗線在四川成都正式啟用，該樣車由 晉飛科技采用全碳復(fù)合材料輕量化車體、低阻力頭型等新技術(shù)和新工藝制造，設(shè) 計時速 620 千米，有望創(chuàng)造陸地交通速度新紀錄，為遠期向時速 1000 千米以上 速度值的突破奠定基礎(chǔ)。被中國復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會評為“2021 年度復(fù)合材料行業(yè) 十大新聞”之首。

恒神股份：國內(nèi)碳纖維全產(chǎn)業(yè)鏈龍頭進軍軌道交通行業(yè)，簽訂國內(nèi)第一份車 體合同。公司同時具備濕法紡絲和干噴濕紡紡絲技術(shù)，且同時擁有原絲和碳絲的生產(chǎn)能力，是國內(nèi)產(chǎn)品種類最齊全的碳纖維企業(yè)之一。2016 年 5 月，公司與中車 長春軌道客車股份有限公司簽訂國內(nèi)第一份研制碳纖維車體合同，標(biāo)志著恒神股 份開始進軍軌道交通行業(yè)。2018 年 1 月，公司與中車長客公司研制出主承載結(jié)構(gòu) 均由碳纖維增強復(fù)合材料加工成型的輕軌車車體，較原金屬車體減重 35%，并于 2018 年 8 月在武漢東湖線實現(xiàn)商業(yè)運營。

光威復(fù)材：國內(nèi)碳纖維行業(yè)首家上市公司涉足軌道交通。公司成立于 1992 年， 是中國碳纖維行業(yè)第一家 A 股上市公司，國內(nèi)第一家全面突破了 T300 級碳纖維 工程規(guī)模制備，并成為航空集團的定點供貨單位。目前公司表示預(yù)浸料業(yè)務(wù)會向 軌道交通等領(lǐng)域發(fā)展。

中國石化:中國最大的一體化能源化工公司之一，自主研發(fā)碳纖維助力軌道交 通。2022 年 2 月，上海石化自主研發(fā)生產(chǎn)的碳纖維近日成功應(yīng)用于廣州地鐵 18 號線“灣區(qū)藍”高速列車。運行數(shù)據(jù)顯示，使用碳纖維復(fù)合材料的列車車頭罩，性 能完全符合運行條件，與同等模塊的鋁合金材料相比，可減輕重量達 35%-40%， 有效助力列車減重提速。

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精選報告來源：【未來智庫】。

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