2022碳纤维行业专题报告之一原文

内容目录一、新材料之王：碳纤维性能优异，复合材料应用广泛61.1 碳纤维性能优异，PAN基碳纤维占据主流地位61.2 碳纤维产业链涉及较多工艺，复合材料应用广泛8二、军民两用优异材料，驱动碳纤维需求持续走高102.1 全球碳纤维需求持续增长，我国结构性差异蒸含机遇102.1.1 全球碳纤维需求以风电叶片、航空航天、体育及汽车为主102.1.2 我国碳纤维需求存在结构性改善机遇112.2 始于军用，先进材料应用方兴未艾122.3 强于民用，多点开花打开广阔空间152.3.1 风电领域：“海风徐来”，叶片大型化趋势如火如荼152.3.2 航空领域："减重飞行"，民机需求释放在即222.3.3 汽车领域：“轻装上阵”，轻量化需求带动渗透率提升242.3.4 体育领域：“全民运动”，体育休闲大有可为28三、国产替代正当时，我国碳纤维迎来发展机遇期303.1 国内供需缺口持续扩大，碳纤维实际产能仍集中于日美企业303.2 国产替代正当时，碳纤维产业具备崛起的主观能力与客观基础323.2.1 政策：鼓励支持，持续引导323.2.2 提质：技术突破，自主创新333.2.3 增量：犷产加速，增量可期353.2.4 降本：规模优势，成本下行36四、相关公司404.1 吉林化纤(000420.SZ):内部协同加快转型，进军碳纤维复材大有可为404.2 精功科技(002006.SZ):碳化线整线设备核心供应商，国产替代需求加速释放.404.3 中复神鹰(暂未上市)：碳纤维民品龙头，产品升级犷产前景可期414.4 光威复材(300699.SZ):国产碳纤维行业龙头，军民双轮驱动打开广阔发展空间.414.5 中简科技(300777.SZ):专注军工领域的国产碳纤维核心供应商 42五、风险提示43图表目录图1：碳纤维产品图示6图2:碳纤维主要性能优势及特点6图3: PAN基碳纤维生产流程7图4：沥青基碳纤维生产流程7图7：碳纤维上下游产业链8图8：全球碳纤维需求量稳步增长10图9：全球碳纤维下游应用（按用量）11图10：全球碳纤维下游应用（按金额）11图11:不同应用领域碳纤维产品单价及用量（气泡大小代表该产品未来5年CAGR） 11图12：2020年全球大丝束碳纤维需求持续提升11图13:我国碳纤维需求量加速增长12图14：我国下游应用主要以风电、体育为主12图15：我国与全球碳纤维下游应用差异12图16:碳纤维复合材料在飞机上的应用历程14图17:碳纤维复合材料已应用于现代军机多个关键部位14图18：军用碳纤维应用领先于民用航空14图19：碳纤维复材在航空发动机上的应用14图20：先进军机碳纤维复合材料使用比例持续提升15图21:全球累计风电装机量持续增长，十年CAGR达14%16图22：全球新增风电装机量以陆上风电为主16图23：中国累计风电装机量大幅提升，十年CAGR达25%16图24：中国新增风电装机量以陆上风电为主16图25:未来5年全球海上风电将保持高速增长16图26：全球海上风电装机量占比逐年提升16图27：海上风电建设成本分布17图28：项目容量为100MW时采用不同单机容量机组的经济指标17图29：我国海上风机平均单机容量显著高于陆上风机18图30：海上风机平均单机容量预计在2025年达到15-17MW18图31:全球风机风轮直径持续扩大18图32:我国新增风机单机容量、风轮直径快速增加18图33:碳纤维主要应用于风电叶片主梁19图34：玻璃纤维叶片在大风中可能会击中塔筒19图35:2015年碳纤维风电叶片渗透率20图36：2021年碳纤维风电叶片渗透率持续提升20图37：2020航空航天碳纤维需求分布23图38：民用飞机中碳纤维复材占比23图39：未来二十年中国民航1市场新增飞机需求23图40：未来5年全球航空航天碳纤维需求（吨）23图41:目前我国C919订单情况24图42：使用不同材料可以达到的减重百分比（以钢为基准）25碳纤维车身图46：碳纤维复合材料在汽车中的潜在应用比例26图47: RTM成型工艺27图48：使用于汽车的碳纤维复合材料各成本占比情况27图49：全球新能源汽车产量预测（万辆）28图50：未来5年全球车用硬纤维需求预测28图51:体育休闲市场分类应用占比28图52：我国高尔夫球杆净出口持续增长（万根）28图53：我国参加体育运动人数持续提升29图54：未来5年全球体育休闲碳纤维需求29图55：全球主栗企业碳纤维运行产能及后续扩产计划（千吨）30图56：全球碳纤维运行产能稳步上行31图57： 2020年全球碳纤维运行产能分布31图58：全球小丝束碳纤维产能占比31图59：全球大丝束碳纤维产能占比31图60：我国碳纤维进口来源分布32图61:国内碳纤维供需缺口持续扩大32图62：我国碳纤维当月进口量总体仍在增长32图63：碳纤维价格持续上涨（元/千克）32图64：我国碳纤维专利申请量快速提升（件）34图65： T800s高强度级产品性能对比35图66： M40J高模量级产品性能对比35图67:国内产品拉伸强度CV值性能优异35图68：国内产品拉伸模量CV值性能优异35图69：我国主要厂商当前原丝及碳纤维产能36图70:碳纤维国产化率持续提升36图71:原丝约占碳纤维生产成本的51%37图72:丙烯肪价格自本轮高点后开始回落（元/吨）37图73：原丝丙炜脐单耗持续下降（吨/吨）38图74：碳纤维丙烯睹单耗持续下降（吨/吨）38图75:吉林碳谷碳纤维原丝成本结构38图76：中复神鹰碳纤维产品成本结构38图77：中简科技碳纤维原丝成本结构38图78:光威复材碳纤维产品成本结构38图79： 2021年各公司碳纤维产能均突破千吨级（吨/年）39图80：各公司碳纤维单吨成本逐步下行（万元/吨）39表4：碳纤维应用于航天领域经济效益突出13表5：碳纤维增强复合材料相比其他复材性能优势明显13表6： 2030年前海上风电装机量政策目标超过10GW的国家或地区17表7：用碳纤维主梁替代玻璃纤维后可实现风电叶片的有效降重19表8：维斯塔斯若干碳纤维风电叶片专利将于2022年7月到期20表9：多家风电企业已开始应用碳纤维叶片20表10:2021-2025年我国及全球风电领域碳纤维需求测算21表11:碳纤维复合材料在飞机结构中的应用22表12：未来20年中国民用航空碳纤维市场需求测算24表13:未来20年中国国产客机碳纤维市场需求测算24表14：储氢瓶种类及性能25表15:碳纤维复合材料的部分应用车型及效果26表16：我国有关碳纤维的产业政策33表17：我国碳纤维核心设备自主化进程加速34表18：当前我国碳纤维在建产能36表19：2022年国内丙饰腾投产计划37表20：规模优势下碳纤维生产成本显著降低39其具有优异的物理、化学性能，在军工及民用领域都有着广泛的应用，被称为21世纪的 “黑色黄金”。碳纤维复合材料即以碳纤维为增强体，以树脂、碳质、金属、陶瓷等为基 体所形成的复合材料，在结合增强体与基体优异性能的同时，应用范围更加广泛。1.1碳纤维性能优异，PAN基碳纤维占据主流地位碳纤维：“新材料之王乙碳纤维(Carbon Fiber)是由聚丙烯肪(PAN)等有机纤维在 10003000高温的惰性气体氛围中经氧化碳化后制成的，含碳量在90%以上的无机高分 子纤维，是目前可以获得的最轻的无机材料之一。碳纤维的比强度和比模量等力学性能优 异，且具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、高震动衰减性、高导电导热性、 低热膨胀系数、高电磁屏蔽性等特点，其易加工、可设计的性能使其广泛应用于航空航天、 军工、能源、体育用品、汽车工业、轨道交通和建筑补强等领域，是国防军工和国民经济 不可或缺的战略新兴材料，被誉为“新材料之王”。图1 ：碳纤维产品图示性能检点简介强度高抗拉强度在3500Mpa以上模量高弹性模量在230Gpa以上密度小，比强度高密度是钢的1/4,是铝合金的1/2：比强度比钢大16倍，比铝合金大12倍耐超高温在非氧化生氯条件下，可在2000C时使用,在3000的高温下熔融软化耐低温在-180°C低温下碳纤维依旧具有弹性耐酸、耐油、耐腐蚀耐浓盐酸、磷酸等介质侵蚀，其耐腐蚀性能超 过黄金和4自金，拥有较好的尉油、耐腐蚀性能热膨胀系数小，导热系数大可以耐急冷急热，即使从3000的高温突 然降到室温也不会炸裂图2：碳纤维主要性能优势及特点资料来源：高性能纤维与应用，西部证卷研发中心资料来源：光成复材官网，西部证卷研发中心按照原料不同，碳纤维可分为PAN基、粘胶基、沥青基碳纤维。按照原材料不同，碳纤 维主要分为粘胶基(纤维素基、人造丝基)、沥青基(各向同性、中间相)和聚丙烯睛(PAN) 基三大类。目前以聚丙烯腊为原料制成的PAN 基碳纤维占据主流地位，产量占碳纤维总 量的90%以上，如无特殊说明，本文所指碳纤维皆为PAN基碳纤维。表1：按照原料分类的碳纤维种类分美优势劣势应用现状应用占比聚丙烯肺(PAN)基生产工艺简单，力学性能优良， 综合性较强，用途广泛生产影响因素较多， 小丝束生产成本高已经成为碳纤维主流290%沥青基原料来源广泛且价格低廉，碳化吸收率高 导热导电性能高，拉伸模量高抗压强度较低，制 作工艺复杂成本高目前规模较小，主要应用于建筑补强等6%8%拈胶基比重最小，可用来制作更轻量化的材料构 件；耐蚀、耐烧性好，生物兼容性好碳化收率低，技术难度大， 设备复杂，成本高主要用于耐烧蚀材料及 隔热材料，如火箭制造41%纺丝凝固浴 200-1000T-2000X- 环氯树脂等图4:沥青基碳纤维生产流程图5：黏胶基碳纤维生产流程资料来源：CNKI,西部证券研发中心资料来源：CNKI,西部证券研发中心资料来源：CNKI.西部证券研发中心按照丝束大小，碳纤维可分为大丝束和小丝束碳纤维。一般按照碳纤维中单丝根数与1000 的比值命名，如12K指单束碳纤维中含有12000根单丝的碳纤维。通常将24K及以下 的碳纤维称为小丝束碳纤维，初期以1K、3K、6K为主，后逐渐发展为12K和24K, 主要应用于国防军工等高科技领域以及体育休闲用品。通常将48K以上碳纤维称为大丝束 碳纤维，包括48K、60K、80K等（部分领域25K也可称为大丝束），主要应用于能源、 交运、建筑等工业领域。表2：按照丝束大小分类的碳纤维种类1 分美丝束又寸性能拉伸疆度应用领城1小丝束W24K优异高国防军工、体育用品大丝束248K相对较低低工业领域资料来源：光成复材招股说明书，西部证券斫发中心按照力学性能，碳纤维可分为通用型和高性能型碳纤维。业内通常采用日本东丽（TORAY） 公司分类法，按照拉伸强度及模量标准进行分类。其中通用型碳纤维强度为1000MPa> 模量为100GPa左右。高性能型碳纤维又分为高强型（强度2000MPa、模量250GPa以 上）和高模型（模量300GPa以上）和高强高模型等（强度4000MPa以上、模量300GPaT1100G高强型T700ST400HT300T1000GT800SM35J 一M40JM30i强高模型M46J M50.I M55J M60JM65J M70JM40乂46高模型450100200300400500600700拉伸模量/GPa资料来源：东丽官网，西部证券研发中心12碳纤维产业链涉及较多工艺，复合材料应用广泛碳纤维产业链从上游原油开始，延伸到终端军工、民用等各项应用：原油经过炼制、裂解 及氮氧化得到丙炜盾：丙炖肪经聚合和纺丝之后得到聚丙饰聘(PAN)原丝；再经过预氧 化、碳化后得到PAN基碳纤维；碳纤维中加入树脂、上浆剂等形成碳纤维复合材料，最 后由各种成型加工工艺得到满足不同下游需求的最终产品。图7：碳纤维上下游产业链中游产品上游原料炼制、裂解聚合树8S、上浆剂碳纤维 制品碳纤维 复合材料预氧化 破化PAN基 碳纤维成型加工航空航天风电叶片体育休闲下游应用建筑补强其他资料来源：新材料在线，西部证芬研发中心以碳纤维为增强体的复合材料性能更优，应用更广。复合材料通常由基体和增强体通过一 系列反应生成，除具有各材料组分自身独有的性能外，还因为不同材料组分的界面结合效 应使之具有更优异的综合性能。碳纤维力学性能优异，但作为结构材料很少单独使用，一 般是经过深加工制成编织布等中间产物或者作为增强体加工成复合材料再进行使用。表3：碳纤维复合材料分类及应用分类子分臭轴点应用领城1树脂基复合材料 (CFRP)热固性树脂(TS)强度、刚度高：酚醛树脂基耐热性好宇宙飞行器外表面防热层及火箭 喷嘴(酚醛树脂基)、航空航天结热塑性树脂(TP)时湿热、强初、优良的成型加工性构材料(环氧树脂基)、钓渔竿建 筑补强等碳/碳复合材料由碳纤维及其制品增强低密度、耐烧蚀、抗热发、高导热、导弹弹头、固体火箭发动机喷(C/C)的复合材料低膨胀、摩擦磨损性能优异管、航天飞机、人工骨骼等金属基复合材料 (CFRM)轲、铝、锦、铜高比强度、高比模量、 优异的疲劳强度宇航结构材料、汽车、铁道、机 械等陶瓷基复合材料(CFRC)-改善初性、提高机械冲击/热冲击性发动机高温部件等橡胶基复合材料(CFRR)-改善热疲劳性、提高使用寿命管材、耐磨衬轮、特殊密封件等资料来源：CNKI,西部证券研发中心高强轻量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等特点，因此在诞生之初便作为战略性物资应用于国 防、航空航天等军用行业。之后随着商业化的顺利推进及成本的不断降低，碳纤维优异属 性被广泛认知，应用范围持续拓宽，并逐步在民用领域大放光彩，成为军民两用的优异新 材料品种。2.1 全球碳纤维需求持续增长，我国结构性差异蕊含机遇2.1.1 全球碳纤维需求以风电叶片、航空航天、体育及汽车为主全球碳纤维需求量稳步增长，未来仍将处于高速增长期。过去10余年间，随着碳纤维 下游应用渗透率的提升，全球碳纤维需求量稳步增长，2019年全球碳纤维需求量首次突 破10万吨，相较2008年CAGR达10%» 2020年受疫情影响下游航空业受损明显，但其 他产业需求旺盛，全年需求量仍较19年同比提升3%达到10.7万吨，据赛奥碳纤维技 术预测，2025年全球碳纤维需求量有望达到20万吨，5年CAGR将达13.3%,未来 或将持续处于高速增长期。图8：全球碳纤维需求量稳步增长资料来源：赛集碳纤维技术，西部证券研发中心风电叶片、航空航天、体育及汽车为全球碳纤维主要应用领域。全球范围来看，碳纤维下 游应用较为分散，各产业应用蓬勃发展，风电叶片、航空航天、体育及汽车为主要应用领 域。按用量计，风电叶片近年来快速发展，现已成为全球第一大碳纤维消费市场，2020 年需求量3.06万吨占比29%,航空航天、体育休闲及汽车分别占比15%、14%和12%。 值得关注的是，若以金额计，航空航天产业以9.87亿美元排名第一，占比高达38%,体 现出航空航天领域碳纤维产品的高产值，而风电叶片虽用量大，但其使用的碳纤维是低成 本的大丝束产品，因此金额计占比仅约16%。航空航天体育体闱汽车混配模成型1压力容器+r* <5碳碳复Z 材风电叶片体育休闲汽车压力容器一混配模成型碳碳复材其他资料来源：春奥碳纤维技术，西部证券研发中心资料来源：骞奥碳纤维技术,西部证券研发中心航空航天领域产品具备高附加值，大丝束产品份额持续提升。上文提到，小丝束碳纤维产 品生产工艺要求严格且难度大，生产成本较高，故多用于航空航天等高科技及高附加值领 域，航空航天领域产品单价约60美元/吨。而大丝束产品性能相对逊色但胜在生产成本低， 以风电叶片为代表的碳纤维产品单价低至14美元/kg,因此在风电、电缆等基础工业领域 需求旺盛，2020年大丝束产品需求占比约45%,较2019年提高2个PCT。未来在风电 领域高景气叠加对部分小丝束产品替代的推动下，大丝束产品份额有望进一步提升。图12： 2020年全球大丝束碳纤维需求持续提升图11：不同应用领域碳纤维产品单价及用量（气泡大小代 表该产品未来5年CAGR）风电叶片航空航天体育休闲 汽车混配成型压力容器碳碳复材高模量,资料来源：赛奥碳纤维技术，西部证券研发中心资料来源：赛奥碳纤维技术，西部证券研发中心2.1.2 我国碳纤维需求存在结构性改善机遇我国碳纤维行业进入快速发展期，需求增长显著。我国碳纤维行业目前已逐渐步入快速发 展期，相关能源产业竞争优势明显，在''双碳”政策目标指引下，风电、光伏、氢能等产 业有望迎来加速发展，碳纤维市场空间广阔。根据赛奥碳纤维数据，我国碳纤维需求从 2008年的0.8万吨增长至2020年的4.9万吨，期间CAGR高达16%,明显高于同期 全球增速。此外，我国碳纤维需求总量全球占比也在不断提高，2020年达到45.7%,较 2008年提升近23个PCT预计到2025年，我国碳纤维需求量将达15万吨，5年 CAGR 达25% o资料来源：赛奥碳纤维技术，西部证券研发中心风电叶片、体育为我国碳纤维主要应用领域，需求结构差异就含机遇。受益于下游风电领 域需求拉动，风电叶片已超过体育休闲位列我国第一大碳纤维消费市场，2020年需求占 比41%»相较于全球碳纤维需求分布领域的多点开花，我国碳纤维需求分布集中于中低端 领域，风电叶片与体育休闲合计占比达71%,当前民用需求领域具备更强的成长性，而航 空航天、汽车、电子电气等高端领域需求合计占比不足10%,结构性差异明显。未来伴随 我国碳纤维产品国产化率以及产业链供应能力的进一步提升，碳纤维需求结构将逐步向全 球范围更成熟且附加值更高的消费结构点拢，相关高端产业领域蕴含转型发展机遇，未来 航空航天、风电叶片、汽车等领域有望成为国内最大的需求增长点。图14：我国下游应用主要以风电、体育为主图15：我国与全球碳纤维下游应用差异风电叶片 ,体育休闲 碳碳复材 ,速筑补强,压力容器航空航天 ,混配模成型 ,汽车 ,电子电气其他全球（吨） 中国（吨）35000 r30000 -25000 -20000 -资料来源：赛奥碳纤维技术，西部证券研发中心资料来源：赛奥碳纤维技术，西部证券研发中心2.2 始于军用，先进材料应用方兴未艾一代材料造就一代装备，碳纤维复材驱动航天事业发展。航天事业的发展,与机体材料、 结构材料、发动机材料以及各类组件材料的创新化应用密不可分，使用先进材料，是实现航 天器材高性能、轻量化、长寿命、低成本的重要保障。碳纤维复合材料作为先进材料的典 型代表，贯穿整个先进复合材料的发展历程，是目前航天器结构应用范围最广、技术成熟 度最高的先进材料，同时也是实现航天器结构轻量化、多功能化的关键材料。目前航天器 结构用碳纤维以高强高模基，树脂基体已逐步采用耐热性更好、吸湿率复合材料在航空航天领域的广泛应用打下了坚实的基础。将碳纤维先进复合材料应用于抗空航天领域，可以实现：（1）装备大幅度减重，降低能耗 的同时可增加有效载荷，且由于零件和紧固件较少，装配成本进一步降低：（2）优异的力 学性能：（3）具备在高低温环境下以及腐蚀性介质中的尺寸稳定性；（4）材料结构可设计， 实现结构功能一体化；（5）可满足不同的性能需求，如电磁屏蔽、热烧蚀防护等。表4：碳纤维应用于航天领域经济效益突出猊天器种类经济效丈（美元/KG）轻型民航机60直升机100航空发动机450战斗机450超音速民航机1000近地就道卫星2000同步轨道卫星20000航天飞机30000资料来源：中简科技招股书，西部证券研发中心表5：碳纤维增强复合材料相比其他复材性能优势明显材料臭别宙度/ (g em3)拉伸强度/Mpa拉伸模量/Gpa比强度/(Mpa/g1 cm3)比模量/(Mpa/g 1 cm3)相同负荷下的减重比例 （以钢材为基准）钢复合材料7.8110021014127-铝复合材料2.750075185281.7%铁合金材料4.515001203332731.2%玻璃纤维2124548.26232460%碳纤维增强复合材料1.51600-3000130-1801067-200087-12080.8%资料来源：CNKI,西部证券研发中心碳纤维复合材料经历飞机承力部件应用变迁。航空飞行器长期的发展目标是：轻量化、高 可靠性、长寿命、高效能。碳纤维复合材料凭借优异的高模轻量、耐高温性、抗疲劳性及 阻燃性等特点，不断满足航空领域涌现的材料升级需求。碳纤维复合材料作为飞机结构件 材料可使结构质量减轻30%40%,其应用已从最初的前机身段、机翼外翼、整流壁板等 次承力结构逐步发展到当今的机翼、机身等主承力结构。采用碳纤维复合材料不仅可实现 构件轻量化和设计自由化，还可在实现整体成型的基础上减少零件数量（零件使用减少 61.5%,紧固件使用减少61.3%）,降低生产装配成本，并进一步提高生产效率。碳纤维及复合材料对军用飞机性能提升显著。为满足新一代战斗机对高机动性、超音速巡 航及隐身的需求，军用战斗机于80年代开始大量采用复合材料结构。通过在军机主结构、 次结构以及特殊部位等方面的应用，碳纤维复合材料的结构减重和功能化应用能够给军用 飞机带来机动性、作战半径、滞空时间、飞行速度等众多指标的提升。对于现代军机而言， 应用碳纤维复合材料带来的性能提升至关重要»-*a*二0"»x»«1960s1970s1980s-t4- mi* 力"mm£*力”也ami札“如机£*£* 力 t»"梃*. *££&*. 44.M1». +<*.*>«. #»«. «ss*n*<. +<. 4*"* *. »i«. «.«资料来源：各公司官网，CNKI,西部证券研发中心资料来源：HEXCEL官网，西部证券研发中心军用航空领域对碳纤维的应用领先于民航领域。碳纤维复合材料作为新一代国防装备的战 略基础材料，加速发展相关的技术及应用是提升国防实力、保持军事地位的重要前提，因 此碳纤维在军用领域的应用及发展均领先于民用航空领域。同时，伴随生产工艺及产品性 能的持续提升，碳纤维复合材料应用领域不断拓宽，并进一步延伸至涡轮发动机等军用航 空应用领域。图18:军用碳纤维应用领先于民用航空图19:碳纤维复材在航空发动机上的应用资料来源：CNKI ,西部证券研发中心资料来源：HEXCEL官网，西部证券研发中心碳纤维复合材料用量已成为衡量军用装备先进性的重要标志，未来我国军用航空领域对碳 纤维的需求驱动主要来自两大方面：（一）我国军用飞机数量及更新换代需求提速；（二） 单机碳纤维复合材料的使用比例持续提升。据Flight Global,目前我国有约60%的军用飞机面临退役，战斗机将进行快速更新换代， 以三代、四代战斗机为标志的新一代空战力量将逐步占据主流，新机型批量生产有望加速。 由于碳纤维复合材料在结构轻量化中无可替代的材料性能，其在战斗机上的用量持续提升。 上世纪70年代初，美国第三代战斗机F14A上的碳纤维复合材料的用量占比仅有1%,至 2000年第四代战斗机F35的碳纤维复合材料用量占比已提高至36%,在最新一代欧洲台风 战斗机的占比更是达到70%,碳纤维复合材料的用量已经成为衡量军用装备先进性和可靠性 的重要标志。未来伴随我国新型战机的换代升级加速，单机碳纤维复合材料的使用比例有望 持续提升。资料来源：CNKI,军方视角，中简科技招股书，西部证券研发中心2.3 强于民用，多点开花打开广阔空间2.3.1 风电领域：“海风徐来”，叶片大型化趋势如火如荼全球碳中和推动风电装机逐年走高，海上风电增速将领先于陆风。碳中和目前已成为全球 共识，各个国家和地区相继出台能源转型时间表，意图在新一轮的能源革命中占得先机。 风能作为一种取之不尽、环保清洁的能源拥有无可比拟的生命力与发展潜能，在当前全球 碳中和的合力推动下，风电装机热度逐年走高，2020年实现累计风电装机量743GW,十 年CAGR达14%。2020年全球新增风电装机量93GW,其中陆上风电占比93%,海上 风电占比约7%。考虑到全球各国能源转型的紧迫性以及在风电领域持续的资金、政策加 码，全球风电装机量在“抢装潮”退去后仍有望保持高速增长态势。根据GWEC, 2025 年全球新增风电装机量预计将突破112GW,其中海上风电占比将超21%,未来4年海风 新增装机量复合增速(21%)将显著领先于陆风(4%)o中国风电装机贡献主要增量。我国于2020、2021年分别经历陆上、海上风电“抢装潮” 后，预计后续风电装机量增长将逐步回归正常水平。我国历年新增风电装机量约占全球同 期新增装机量的40%-50%左右，2020年更是高达70%以上，为全球风电增长的主要贡 献力量。2020年中国新增装机量72GW,实现累计风电装机量282GW,近十年CAGR 高达25%。2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 20201009080706050403020100资料来源：GWEC,西部证券研发中心图23：中国累计风电装机量大幅提升，十年CAGR达25%资料来源：GWEC,西部证券研发中心图24:中国新增风电装机量以陆上风电为主资料来源：国军统计局，西部证券研发中心800070006000500040003000200010000新增陆上风电（万千瓦）新增海上风电（万千瓦）I , II1”,1120122014201620182020图25：未来5年全球海上风电将保持高速增长资料来源：国家能源局，中电联，CWEA,西部证券研发中心图26：全球海上风电装机量占比逐年提升lllllllllll2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 202010090 先 60 50 40 豺100资料来源：IRENA, GWEC,西部证券研发中心资料来源：GWEC,西部证券研发中心新增陆上风电装机量（GW）.新增海上风电装机量（GW）新增陆上风电装机量增速（右轴）新增海上风电装机量增速（右轴）80%海上风电资源禀赋显著，风电开发重点逐渐向海上风电转移。与陆上风电相比，海上风电 具有十分突出的资源禀赋：1、海上风能资源更加丰富，平均风速比陆上风速高约20%, 平均空气密度更高，发电效率更高。2、不占用陆地资源，远离居住地，受噪音、电磁波 等问题限制少。3、处于用电需求更大的沿海地区，供电成本更低。全球主要国家和地区 相继出台系列政策推动海上风电发展，2030年前海上风电装机量将持续增长。中国“十四五”期间各省合计规划40GW海上风电项目中国台湾2025年前海上风电装机量达到5.5GW, 2030年前达到10GW美国2030年前海上风电装机量达到22GW印度2022年前海上风电装机量达到5GW, 2030年前达到30GW韩国2030年前海上风电装机量达到12GW资料来源：IEA,发改委，能源局，西部证券研发中心制约海上风电发展的关键问题在于成本，降本的关键举措在于单机容量大型化。海上风电 建设成本主要包括风电机组、电力设施、安装工程、地质勘查费用、海上桩基和财务费用， 其中风电机组和安装工程占比最大，合计超过52%。根据平价时代风电项目投资特点与 趋势，在同等装机规模下，当单机容量由2WM升高至4.5WM时，项目成本逐渐降低， 其中，当容量高于3WM时，成本将显著降低。在给定100MW项目容量下，在单机容量 由2WM升高至4.5MW的过程中，静态投资由6449元/千瓦下降到5517元/千瓦；LCOE 由0.3451元/千瓦时下降到0.2983元/千瓦时。单机容量的大型化之所以能够实现成本的降低，一方面在于全寿命周期风电机组发电量随 着单机容量的提升而增加，进而实现度电成本的降低。另一方面，在同等项目规模下，随 着单机容量的提高，在风电机组台数减少所带来的经济效益影响下，风电机组的单瓦制造 成本不断下降。在可预见的未来，海上风机装机容量将不断提高以实现降本增效，且在成 本因素推动下，海上风机的单机容量将较陆上风机表现出更加明显的扩容趋势。根据 GWEC预测，到2025年海上风机平均单机容量将达到15-17MW。图27：海上风电建设成本分布图28：项目容量为100MW时采用不同单机容量机组的经济指标0.356600风电机组0.346400安装工程0.336200财务皆用0.321 1 1 1 K6000 5800海上桩基0.31 5600电力设施0.35400地质勘查费用0.2952000.285000LCOE（元/千瓦时）-静态投资（元/千瓦，右轴）2.0MW 2.2MW 2.3MW 2.5MW 3.0MW 4.0MW 4.5MW资料来源：平价时代风电项目投资特点与趋势，西部证卷研发中心资料来源：北极星也力网，西部证券研发中心240220资料来源：CWEA,西部证券研发中心资料来源：GWEC,西部证券研发中心单机容量大型化带动风机叶片大型化。风机单机容量的提升对配套的叶轮直径提出了要求， 额定功率达到10MW的风机要求配套具有200m以上风能直径的风机，过短的叶片无法发 挥大功率机组的性能优势，相同风场下，扫风面积随风机叶片直径的增加而提升，进而提高 了相应的风机发电效率。目前全球风机最大风轮直径已经从2010年的90m提升至 2021年的220m,预计到2030年时最大风轮直径能够达到230250m。我国新增风机 平均单机容量从2008年的1214KW提升到了 2019年的2453KW,相应的风轮直径 也已由2008年的65m增加至2018年的120m。未来单机装机容量的不断上升将加速风机叶片 大型化的趋势，叶片的发展趋势主要体现在长度更长、成本更低，材料更轻、强度更高等。图31：全球风机风轮直径持续扩大图32:我国新增风机单机容量、风轮直径快速增加324 m2010201320162021*2030”3 MW 6 MW 8 MW 12 MW 15-20 MW新增风机平均单机容量（KW）新增风机平均风轮直径（m,右轴）资料来源：IEA,西部证券研发中心260024002200200018001600140012001000rr 130 120.110 疝niilllll资料来源：CWEA,西部证券研发中心风机叶片大型化进程加快，碳纤维渗透率有望持续提升。玻璃纤维凭借其耐腐蚀性能优异、 强度高、可设计性好以及性价比等优势，成为此前风机叶片的主流材料，然而随着叶片长 度的增加，其质量将发生指数性上升。在当前叶片大型化的趋势下，若依然使用玻璃纤维， 其质量的大幅增加将带来风机发电效率和力学性能的衰退，特别是在环境恶劣的海上，若 使用过重的叶片将造成风机寿命的降低。同时碳纤维有着更高的弹性模量，进而减小了超 大叶片在强风载下发生挠曲而击中支柱的可能性。碳纤维主要以拉挤板形式应用于风电叶片主梁。与玻璃纤维相比，碳纤维的密度比玻璃纤 维小约30% 风电巨头Vestas生产的V 90型3.0MW风机叶片已经实现了较玻瑞纤维减本，碳纤维在风电叶片中的使用程度较低，未来随着风机叶片大型化的趋势加快，叠加大 丝束碳纤维在民用领域成本的进一步降低，碳纤维在风电叶片领域的渗透率将持续提升。表7：用碳纤维主梁替代玻璃纤维后可实现风电叶片的有效降重图33:碳纤维主要应用于风电叶片主梁图34：玻璃纤维叶片在大风中可能会击中塔筒资料来源：能,源头条，西部证冢研发中心资料来源：Sandia National Laboratories,西部证券研发中心叶片构成叶片量千克）平均单价（美元/千克）叶片成本（美元）全破阡主果全破纤主梁全玻阡主臬全阡主梁|叶片型号SNL100-00质量占比SNL100-01质量占比SNL100-00SNL100-01单轴向玻璃纤维3939434.5%1607919.5%1.877366730068双轴向玻璃纤维105469.2%1054612.8%33163831638泡沫板1506813.2%1506818.3%7.23108942108942凝胶涂层9270.8%9271.1%7.2367026702树脂5385747.2%3399641.3%3.63195501123405碳纤维00.0%1020812.4%150153120叶片总重11419782336416450453875变化幅度-28%9.0%资料来源：Sandia National Laboratories,西部证券研发中心维斯塔斯拉挤板专利面临到期，行业需求释放在即。值得一提的是，当叶片达到一定长度 后，替换成更轻质的碳纤维复材将大大减小桩基、塔筒的载荷以及机组的质量，也将使得 考虑安装运输和其他材料用量在内的综合成本降低，维斯塔斯的拉挤主梁工艺使得碳纤维 的替代成本进一步降低。在2015年前，碳纤维主梁主要是将价格较高的小丝束碳纤维通 过成本更高的真空灌注成型工艺来制备；而从2016年开始，维斯塔斯开始运用拉挤工艺 生产主梁，这种成型工艺将此前使用的小丝束碳纤维替换为成本只有其50%-60%的大丝 束碳纤维，同时将主梁主体受力部分拆分成标准件再一次组装成型，极大的提高了生产加 工效率，使得碳纤维叶片的成本进一步降低。2020年全球风电叶片碳纤维用量约3.1万吨，维斯塔斯提供了 80%以上的市场份额， 其中约90%用于叶片主梁。维斯塔斯的这项专利将于2022年7月到期，目前国内部分 厂商表8：维斯塔斯若干碳纤维风电叶片专利将于2022年7月到期I专利名称专利编号当前权利人专利内容摘要到期时间I风力涡轮机叶片及其制造方法CN02814543维斯塔斯本发明涉及风力涡轮机叶片，其包含许多预先预制的沿 外部圆周顺序布更的条带。条带由纤维合成材料最好是2022.7.19风力涡轮机叶片CN200610167020维斯塔斯碳纤维构成。本发明也涉及制造预先预制的条带的方法 和制造风力涡轮机叶片的方法。本发明涉及风力涡轮机叶片，其包含许多预先预制的沿 外部圆周顺序布置的条带，条带由纤维合成材料最好是2022.7.19风力涡轮机叶片EP06018665维斯塔斯碳纤维构成。本发明也涉及制造预先预制的条带的方法 和制造风力涡轮机叶片的方法。本发明涉及一种风力涡轮机叶片，包括沿外周依次排列 的多个预制条，条带由纤维合成材料最好是碳纤维构成2022.7.19o本发明还涉及用于制造预制条和用于制造风力涡轮机 叶片的方法。资料来源：国家知识产权局，西部证券研发中心表9：多家风电企业已开始应用碳纤维叶片图35: 2015年碳纤维风电叶片渗透率图36: 2021年碳纤维风电叶片渗透率持续提升公司叶片尺寸/机组功率应用部位应用彩式|Gamesa42.5m/2MW梁帽预浸碳纤维与预浸玻埔纤维交替LM61.5m/5MW梁帽/后缘碳纤维和玻埔纤维混合Vestas44m/3MW梁帽全碳纤维GEC48.5m梁帽全碳纤维Nordex44m/2.5MW梁帽全碳纤维Repower40m/2MW梁帽碳纤维和玻璃纤维混合GmbH56.5M/5MW梁帽/叶根全碳纤维南通东泰2MW梁帽全碳纤维中材科技56m/3MW梁帽全碳纤维中复连众39.2m/2MW果帽全碳纤维资料来源：新材料在线，碳纤维生产技术，西部证券研发中心玻璃纤维碳纤维>10.0MW6.0-7.9MW5.0-5.9MW4.0-4.9MW3.0-3.9MW2.0-2.9MW1.0-1.9MW<0.99MW联合发布的风能北京宣言，“十四五”期间将保证年均新增装机50GW以上，2025年 后中国风电年均新增装机容量不低于60GW,到2030年中国风电装机总量达到800GW, 到2060年至少达到3000GW,未来装机总量可期。当前碳纤维的实际应用量占整个叶片 市场不到10%,而随着风机大型化趋势的加速，未来待装风机（尤其以海风为主）的平均 装机瓦数与叶片长度将持续提升，碳纤维风电应用渗透率有望实现快速突破。根据我们测 算，2025年我国国内风电碳纤维需求有望达到5.6万吨,2021-2025年CAGR可达59%, 对应市场空间约56亿元，而全球风电叶片碳纤维需求有望于2025年达到10.6万吨。表10 ： 2021-2025年我国及全球风电领域碳纤维需求测算2021E2022E2023E2024E2025E;国内风电叶片需求情况质上风电新增陆风装机量（GW）3050607178平均装机瓦数（MW）33.544.55装机数量（台）1000014286150001577815600叶片长度（米）6065707577单叶片重量（吨）1218212830碳纤维占比12.4%12.4%12.4%12.4%12.4%单叶片碳纤维重量（吨）1.52.22.63.53.7渗透率8%10%13%16%20%陆风碳纤维需求（吨）35719566152332629534819海上风电新增海风装机量（GW）118121722平均装机瓦数（MW）56789装机数量（台）15711000133317892200叶片长度（米）7782859095单叶片重量（吨）3032333537碳纤维占比12.4%12.4%12.4%12.4%12.4%单叶片碳纤维重量（吨）3.74.04.14.44.6渗透率30%35%43%56%70%海风碳纤维需求（吨）5260416470681308121225国内合计国内风电碳阡堆息需求（吨）883113730223023937656044风电叶片碳阡维平均价格（元/千克）135120120110100风电碳纤维市场规模（亿元）1216274356海外风电叶片需求情况出上风电新增陆风装机量（GW）3540455055平均装机瓦数（MW）44.555.56装机数量（台）87508889900090919167叶片长度（米）7075778082单叶片重量（吨）2128303235陆风碳纤维需求（吨）888614814200882380829838海上风电新增海风装机量（GW）457912平均装机瓦数（MW）7899.510装机数量（台）5716257789471200叶片长度（米）859095100100单叶片重量（吨）3538434545碳纤维占比12.4%12.4%12.4%12.4%12.4%单叶片碳纤维重量（吨）4.34.75.35.65.6渗透率40%43%43%80%100%海风碳纤维需求（吨）2976379953501268720088全球合计全球新增风电装机量（GW）80103124147167全球风电碳阡堆总需求（吨）20693323424774075871105970资料来源：GWEC、BNEF, Sandia National Laboratories,中材科技，百川盈字，西部证券研发中心 注:碳纤维占比12.4%来自上文Sandia National Laboratories实验数据。2.3.2 航空领域：“减重飞行”，民机需求释放在即减重飞行是航空业永恒的话题。上文曾提及，飞机重量与运营成本、使用性能、飞行安全 等因素息息相关，减重可以节省燃料，并提高航程和载重能力，提高民航经济效益。另一 方面，减重在带来巨大经济效益的同时，亦可缓解航空业的碳排放问题：航空业碳排放增 速居各行业之首，当前航空业碳排放占全球排放总量的2.5%,这一比例在2030年将上升 至3.5%;长途飞行目前主要依赖于化石能源，清洁能源的替代在短时间内难以实现。考 虑到经济效益和减碳两大目的，飞机减重成为迫切需求，质轻高强的碳纤维复合材料材料 在民航领域拥有广阔舞台。碳纤维复材较航空金属合金材料性能更优，被广泛应用于飞机各级结构。与传统航天金属 合金材料相比，碳纤维复合材料有着更高的比强度、比模量、抗疲劳特性及耐腐蚀性，能 够承受飞机在高速飞行时的压强及气候条件。航空领域碳纤维复合材料主要采用热压罐成 型工艺，碳纤维复材的良好成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低。目前碳纤 维复合材料已经成功在飞机机身、机翼、发动机风扇叶片及外壳、发动机机舱、引擎舱材 料等各级结构和机体内饰部分得到大规模应用。表11：碳纤维复合材料在飞机结构中的应用飞机结构结构名称机身、侧翼、尾翼、直升机机体结构及叶片、发动机风扇叶片及外 初级结构及高负荷结构饰结构壳、机身蒙皮、机身纵梁、尾翼水平安定面等。舱内侧壁与天花板、发动机机舱、舱内行李架、着陆襟翼、其他机 次级结构及内饰结构翼移动部件、整流罩、引擎舱等。铝合金成为用量最多的材料。我国自主研发的C919大型客机，实现了先进材料在国产民 机中的首次大规模应用，整机碳纤维复合材料用量超过12%,后期有望进一步提升至25%。 未来与俄罗斯联合研发的CR929碳纤维复合材料用量将达50%以上。图37： 2020航空航天碳纤维需求分布图38：民用飞机中碳纤维复材占比60%商用飞机50%公务机军40%用飞机30%直升机20%，无人机通10%用飞机0%.航天碳纤维复材占比资料来源：CNKI,先进材料在抗空航天中的应用，西部证券研发中心资料来源：赛奥碳纤维技术，西部证参研发中心后疫情时代，民用航空业有望迎来复苏拐点。自疫情以来，全球民用航空的出行需求遭受 重创，据蒂尔集团数据，2020年全球航空客运量较2019年下降了约63%,波音及空客 对应削减了相关复合材料飞机的产能以应对需求衰退。随着疫情常态化的趋势以及全球疫 苗接种率的提高，后续民航出行需求有望逐步复苏，基于疫情及航空领域复杂且滞后的特 点，预计民用航空于2024年左右或可恢复到2019年的需求水平。根据赛奥碳纤维预测， 2025年全球航空航天业碳纤维需求将达到2.6万吨，五年CAGR达10%»根据波音公司发布的中国民用航空市场展望，过去十年全球航空业25%的增长来自中 国，未来20年内这一趋势将延续，至2040年中国的新飞机交付数量将超过8000架。商 飞的预测则更加乐观，2040年将超9000架，届时我国将成为全球最大的航空市场。在飞 机轻型化的发展趋势中，必将带动民用航空业碳纤维的强劲需求。图39：未来二十年中国民航市场新增飞机需求图40：未来5年全球航空航天碳纤维需求（吨）70006000500040003000200010000单通道支线机宽体机货机资料来源：波音公司官网，西部证券研发中心300002500020000150001000050000全球航空航天碳纤维需求（吨）资料来源：搴奥碳纤维技术，西部证券研发中心波音宽体客机159015030%5