碳纤维（Carbon Fiber，简称CF）是一种含碳量高于90%的无机纤维。由有机纤维（粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等）在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构而制得。作为新一代增强纤维，碳纤维具有出色的力学性能和化学性能，包括：1）质量轻。碳纤维密度与镁和铍基本相当，不到钢的1/4，采用碳纤维复合材料作为结构件材料可使结构质量减轻30%-40%。2）高强度、高模量。碳纤维的比强度比钢高5倍，比铝合金高4倍；比模量则是其他结构材料的1.3-12.3倍。3）膨胀系数小。大多数碳纤维在室温下的热膨胀系数为负数，高温条件下热膨胀系数小，不易因工作温度高而膨胀变形。4）耐化学腐蚀性好。在酸、碱环境中表现均十分稳定，可制成各类化学防腐制品。5）抗疲劳能力强。其复合材料经应力疲劳数百万次循环试验后，强度保留率仍有60%，而钢材为40%，铝材为30%，玻璃钢则只有20%-25%。由于碳纤维既具有碳材料固有的本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，因此被广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域。碳纤维复合材料是碳纤维基础上的再次强化。虽然碳纤维可单独使用并发挥特定功能，然而其终究属于脆性材料，只有与基体材料结合形成碳纤维复合材料，才能更好地发挥力学性能，承载更多负荷。
碳纤维可按照原丝类型、制造方法、性能等不同维度分类。1）按原丝类型分类。聚丙烯腈（PAN）基、沥青基（各向同性、中间相）;粘胶基（纤维素基、人造丝基）。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总量的90%以上，粘胶基碳纤维还不足1%。2）按照制造条件和方法分类。碳纤维（800-1600°C）、石墨纤维（2000-3000°C）、活性碳纤维、气相生长碳纤维。3）按力学性能可分为通用型和高性能型。通用型碳纤维强度在1000MPa、模量在100GPa左右；高性能型又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa）和高模型（模量300GPa以上），其中强度大于4000MPa的又称为超高强型，模量大于450GPa的称为超高模型。4）按丝束大小可分为小丝束和大丝束。小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于航空航天、体育休闲等领域。通常将48K以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括48K、60K、80K等，主要应用于工业领域。
碳纤维产业链上游为石油化工行业，主要通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得丙烯腈；碳纤维企业通过对以丙烯腈为主的原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈，再以其纺丝获得聚丙烯腈原丝，对原丝进行预氧化、碳化等工艺制得碳纤维，通过对碳纤维和高质量树脂的加工以获得碳纤维复合材料以满足应用需求；产业链下游企业设计并开发碳纤维复合材料的应用并购买碳纤维复合材料结构件。碳纤维制备流程及产业链如下图所示。
图1 碳纤维生产流程
资料来源：信达证券《碳纤维行业深度报告：碳纤维，高成长、广空间的新材料优质赛道-210708》。
碳纤维生产流程复杂，对设备和技术要求极高，其产品越往下游附加值越高，尤其是应用于航空航天领域的高端碳纤维复合材料，因下游客户对其可靠性、稳定性要求十分严苛，产品价格也较普通碳纤维呈几何倍数增长。比如根据江苏恒神股份2015年的公开转让说明书，同一品种原丝的售价约40元/公斤，碳纤维约180元/公斤，预浸料约600元/公斤，民用复合材料约在1000元以下/公斤，汽车复合材料约3000元/公斤，航空复合材料约8000元/公斤，每一级的深加工都有大幅度的增值。
02 市场规模和竞争格局
碳纤维需求持续增长，中国需求占比持续提升。随着碳纤维应用的不断拓宽，以及渗透率的不断提升，碳纤维需求持续增长，根据赛奥碳纤维数据，全球碳纤维需求从2008年的3.6万吨增长至2020年的10.7万吨，12年CAGR为9.5%。随着中国应用市场的不断开拓，以及下游风电/光伏等新能源领域的拉动，中国碳纤维需求呈现快速增长态势，根据赛奥碳纤维数据，中国碳纤维需求从2008年的0.8万吨增长至2020年的4.9万吨，12年CAGR为16.0%，明显高于全球增速。中国需求占全球的比例也不断提高，从2008年的22.8%提升至2020年的45.7%。根据《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》预计，2025年全球碳纤维需求有望达20万吨，未来5年复合增长率13%，增速有所加快。而中国增速提升有望更加明显，根据《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》预计，2025年中国碳纤维需求有望达到14.9万吨，未来5年复合增长率达25%，如下图所示。
图2 2018-2025年中国碳纤维需求（万吨）
资料来源：《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》、中泰证券《碳纤维行业深度报告：龙头扩张提速，迎行业高增+国产替代历史机遇-211214》。
碳纤维应用广泛，中国民用需求占比更高。根据《2020全球碳纤维复合材料市场报告》，2020年全球碳纤维下游需求中，风电叶片、航空航天、体育休闲、汽车、碳碳复材分别占比28.6%、15.4%、14.4%、11.7%、4.7%，而2020年中国碳纤维下游需求中，风电叶片、航空航天、体育休闲、汽车、碳碳复材分别占比约41.0%、3.5%、29.9%、2.5%、6.2%。相较全球碳纤维需求结构，我国在风电、体育休闲、碳碳复材等民用需求领域占比更高，也意味着国内在民用需求领域具备更强的成长性;而在航空航天/汽车等行业，我国仍存在进一步开拓的空间。
现阶段我国碳纤维产业在核心技术装备、产品性能、生产成本与规模等方面较美、日仍有较大差距，随着下游拉动和技术进步，国产化率有望提升。现阶段国产碳纤维仍以小丝束产品为主，高质量、大丝束、低成本、大规模碳纤维工业化生产技术尚未突破，而国外已开始将大丝束低成本与小丝束高质量碳纤维工业化生产技术融合，提升碳纤维品质的同时进一步降低成本。根据《2019全球碳纤维复合材料市场报告》统计，2019年我国碳纤维需求约3.8万吨，其中进口量占68%；此外，2019年我国碳纤维运行产能为2.6万吨而销量仅为1.2万吨，销量/产能比仅为34%（国际通常在65%-85%），有产能无产量现象严重，如下图所示。信达证券研究报告认为，我国碳纤维下游需求结构失衡的主要原因在于国内大多数企业未形成碳纤维生产的全流程覆盖，产业链各环节较为分散，导致企业缺乏对碳纤维从设计到制造再到下游应用的集成能力，最终使得下游应用难以升级，未对需求产生持续的拉动作用。随着我国新能源需求（风电叶片、碳碳复材、储氢瓶等）的拉动，以及国内企业技术进步，成本快速下降带来盈利水平提升，行业产能扩张有望迎来拐点，产能扩张有望提速。2020年我国碳纤维生产企业的产能利用率大幅提升，国内一些头部的碳纤维企业产销率能够达到77%及以上，已经达到了65%-90%的国际水平。同时，随着日本、美国加强了对碳纤维出口的管控，碳纤维进口难度进一步较大，国内碳纤维的进口替代有望进一步加速。根据《2020 全球碳纤维复合材料市场报告》数据及预测，2020年国产碳纤维供给量1.84万吨，国产化率约38%，到2025年国产化率有望提升至55%。
图3 我国碳纤维产能及产量
资料来源：奥赛碳纤维，信达证券。
图4 2015-2025年我国碳纤维自给率及预测
资料来源：奥赛碳纤维，信达证券。
全球及中国行业市场集中度较高。根据广州赛奥碳纤维技术有限公司发布的《2020全球碳纤维复合材料市场报告》，2020 年全球碳纤维行业有效产能为16.79万吨，比2019年增加了约 1.3万吨。从全球范围来看，中国、美国和日本三国产能分别为4.50万吨、3.73万吨和2.92万吨，占全球总产能6成以上。从生产企业角度来看，目前碳纤维生产企业中，日本和美国依旧占据主导地位。2020年，碳纤维运行产能前五大公司为：日本东丽Toray（包括收购的美国卓尔泰克Zoltek）产能5.45万吨、德国西格里SGL产能1.50万吨、日本三菱丽阳MRC1.43万吨、日本东邦Toho1.26万吨、美国赫氏HEXCEL1.02万吨，前五家公司合计产能10.66万吨，占全球总产能的62%。根据《全球碳纤维复合材料市场报告》数据，国内玩家数量更少，集中度相较海外更高，2020年中国碳纤维行业的产能CR3和CR5分别为63.2%和81.3%。产能靠前的厂商主要为中复神鹰、碳谷+宝旌(吉林宝旌使用吉林碳谷的原丝)、江苏恒神股份、光威复材等。2020年全球碳纤维竞争格局如下图所示。
图5 2020年全球碳纤维竞争格局（按运行产能）
资料来源：《2020年全球碳纤维复合材料市场报告》，华泰证券《建材行业专题研究：从玻纤发展看碳纤维，供需进化再演绎-211130》。
2020年中国碳纤维行业竞争格局如下图所示。
图6 2020年中国碳纤维竞争格局