新材料系列之二高性能纤维：强国强军的战略材料0824.ppt

,2012 年 8 月 20 日研究所,专题研究,评级：推荐,证券分析师：代鹏举0755-23936132联 系 人：周成娟0755-23936019,S,高性能纤维：强国强军的战略材料新材料专题深度之二,投资要点：高性能纤维性能优异，在特殊要求领域不可替代，是强国强军的战略材料 高性能纤维是指对外界的物理和化学作用具有特殊耐受能力的一种材料，被称为第三代合成纤维。这类纤维具有比普通纤维更高的机械强度和弹性模量，更好的热稳定性、耐酸碱性及耐候性，在宇宙开发、海洋开发、情报信息、能源交通、土木建筑、军事装备、化工和机械等国防军事和工业领域起着不可替代的作用，是体现一个国家综合实力与技术创新的标志之一。以碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维为代表的高模量高强度纤维发展速度最快，但我国进口依存度较,高，进口替代和产业化要求迫切,高模量高强度纤维的需求量均以两位数的年均增长率快速增长，但我国,的这三大纤维进口依存度却分别高达 70%，40%和 95%，产业化要求迫切，也存在着巨大的进口替代空间。另外，目前世界上比强度最高的高强高模纤维，由于实际工艺局限，其强度也仅为理论强度的十分之一，未来发展空间巨大。碳纤维性能卓越，军民两用，消费市场前景璀璨。全球碳纤维的供需基本平衡，但国内产量严重不足，高端纤维严重依赖进口，期待国产碳纤维解决技术瓶颈，迎来发展春天（1）碳纤维的比模量是钢铁的 100以上，同时质轻耐腐蚀，在风电工业、航空航天、国防和文体等领域前景璀璨。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是其主要品种，占比达 90%。（2）目前全球 PAN 基碳纤维的消费量约 35000 吨，保守估计，未来几年全球碳纤维的需求将以每年 13%的速度增长。而全球 PAN 基碳纤维的产能约 75000 吨，主要集中于日本，其次是美国，共占全球总产能的 81.54%，目前全球供需较平衡。（3）国内的 PAN 基碳纤维消费量约为 8500吨，近年消费增速达 18%，但实际产量不足 2000 吨，且以低端产品为主，供给严重不足，高端碳纤维严重依赖进口。目前国产碳纤维的研发已小有成果，目前正着力解决制约其性能进一步提高和产业化的瓶颈：一是原丝工艺，二是碳化设备，期待未来几年国内碳纤维生产市场出现爆发式的增长。芳纶综合性能卓越，分为高强的对位芳纶和耐热的间位芳纶。我国的对位芳纶初具产业化条件，间位芳纶市场占有率已跃居全球第二。国产芳纶产业将随着产品的系列化而愈加成熟（1）对位芳纶在开发初期曾被誉为完美的纤维，它主要用于防弹和增强防护领域，全球年需求约 8 万吨，国内消费不到 1 万吨，且国内消费目前偏向光纤增强和航空航天领域，在防弹领域的用量仅 500 吨，不及美国的 4%。国产对位芳纶泰普龙初具产业化条件，未来增长潜力巨大。（2）间位芳纶主要用于高温过滤，全球产能 3.93 万吨，国产间位芳纶泰美达牌号的产能达 5000 吨，市场占有率全球第二，仅次于美国杜邦，产品反响良好，但尚未系列化。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是世界上比强度最高的纤维，每年需求量超 10 万吨，但全球实际年,产能不足 2 万吨，供给严重不足,UHMWPE 纤维主要用于防切割防弹装备、高强绳索、渔网和桥梁加固,等方面，预计未来几年市场需求量达 10 万吨以上。目前 UHMWPE 全球产能集中于荷兰、美国和日本，其,证券研究报告,请务必阅读正文后免责条款部分,2,证券研究报告实际产量约 1.4 万吨，占全球总产量的 80%以上。我国已突破超高分子量聚乙烯纤维的技术垄断，成为第三个自主生产国，随着其产业化进程的加快，将迎来爆发式的增长。十二五期间，高性能纤维步入黄金发展期 在已出台的各产业十二五规划中，我国的新材料产业和纺织产业都将高性能纤维列为重点发展对象，预计到 2015 年，高性能纤维的用量将翻番达到 10 万吨。,相关上市公司,纤维类别碳纤维,公司代码000928.SZ600143.SH600146.SH,公司名称中钢吉炭金发科技大元股份,公司优势10 吨军品碳纤维已在运行，占股 30%中钢江城碳纤维一期年底投产，二期 1500 吨2013 年 4 月投产。公司的碳纤维项目是广东省和广州市重点项目。作为碳纤维科研生产基地，该项目引进国外氧化炉、碳化炉等先进设备，配臵相应的生产辅助设备。子公司中宝碳纤维是国内三大碳纤维制品巨头之一，拥有产能 300 万平方米碳纤维预浸料生产线，其预浸布销售毛利率在 40以上。其新产品通过专利初级审查。,全球第二、国内第一的间位芳纶供应商，2011 年间位芳纶产能已达 5000 吨/年；2011,002254.SZ,泰和新材,年，公司千吨级产业化项目建成投产，实现了对位芳纶泰普龙纤维的商业化运营。,芳纶,600871.SH600810.SH,S 仪化神马股份,100 吨/年对位芳纶项目 600871 经过技术改造，基本实现生产稳定运行。自主创新对位芳纶关键技术，建成年产 500 吨对位芳纶生产线，截止 2012 年 5 月 8日已稳定运行 3 个多月，成纤率达 99%以上，实现了批量生产。,全资子公司北京同益中的孚泰牌超高分子量聚乙烯纤维及护星牌超高分子,超高分子量聚乙烯纤维,600061.SH600871.SH,中纺投资S 仪化,量聚乙烯纤维复合材料已被用于神舟 5、6、7 号的海上打捞回收系统、军用两栖坦克登陆装备系统和军用飞机跑道紧急降落系统，整体技术及产品处于国际先进、国内领先水平。2011 年 8 月 3000 吨/年高性能超高分子量聚乙烯纤维一期项目将建成并试投产,请务必阅读正文后免责条款部分,2,证券研究报告,目,录,1、高性能纤维：强国强军的战略材料.41.1、高性能纤维的定义：具备特殊耐受力的一类材料.41.2、高性能纤维类别繁多.51.3、应用集中于工业，其中高强度高模量纤维发展最快.61.4、三种主要高性能纤维：各显其能，各居其功.81.5、高性能纤维产业发展要求迫切.82、碳纤维.102.1、碳纤维性能卓越，是军民两用的新材料.102.2、碳纤维全球需求持续增长.112.3、碳纤维全球产能分布集中，供给较平衡.112.4、碳纤维的国内消费市场潜力巨大.122.5、国内实际产量严重不足，高端碳纤维依赖进口.122.6、制约我国碳纤维产业的瓶颈：原丝工艺和碳化设备.142.7、国内碳纤维研发步调加快，小有成果.152.8、相关上市公司.163、芳纶.173.1、芳纶性能卓越，主要用于军工和高温滤料.173.2、全球芳纶需求旺盛，国内消费潜力巨大.183.3、全球芳纶寡头垄断，国内芳纶产业化初见成效，顺利迈向国际市场.203.4、相关上市公司.214、超高分子量聚乙烯纤维.224.1、UHMWPE 纤维是世界上比强度最高的纤维.224.2、突破垄断，我国成为世界上第三个 UHMWPE 纤维的自主生产国.224.3、UHMWPE 纤维下游市场丰富，每年需求量超十万吨.234.4、全球产能分布高度集中，实际年产量不足 2 万吨，供给严重不足.244.5、相关上市公司点评.265、十二五期间：高性能纤维步入黄金发展期.275.1、新材料产业十二五规划：高性能纤维前景可期.275.2、纺织产业十二五规划：高性能纤维用量将翻番.27请务必阅读正文后免责条款部分,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,图,表,表,表,表,表,表,表,表,表,3,证券研究报告,图目录,1、具备各种特殊耐受力的高性能纤维.42、高性能纤维种类一览.6,3、2011 年度碳纤维在三大领域的消费结构.104、2006 年-2015 年全球碳纤维的需求现状及预测（单位：吨）.115、各类碳纤维中 PAN 基碳纤维产量占比 90%.126、2010 年 PAN 基碳纤维的全球主要厂商产能分布.127、2010 年碳纤维国内主要生产厂商的产能（单位：吨）.138、2011-2015 年我国碳纤维生产厂商新增产能分布（单位：吨）.139、PAN 基碳纤维的生产工艺流程.14,10、芳纶的种类.1711、全球芳纶下游需求结构.18,12、2015 年我国芳纶纤维消费结构分布.1813、2011 年国内对位芳纶的消费结构.1914、2011 年国内间位芳纶的消费结构.1915、预测未来 10 年国内芳纶需求量（单位：千吨）.1916、2011 年全球主要芳纶产能（单位：万吨）.2017、2011 年全球芳纶生产能力分布（单位：万吨）.2018、预计 2015 年我国的芳纶进出口消费比例（单位：吨）.2119、UHMWPE 纤维发展历程图.2220、宁波大成的 UHMWPE 纤维工艺路线.2321、欧美 UHMWPE 纤维消费结构.2322、日本 UHMWPE 纤维消费结构.2323、UHMWPE 纤维国内市场需求预测（单位：吨）.2424、2010 年 UHMWPE 纤维及防弹无纬布实际产量（单位：吨）.25,表目录,1、高强度高模量纤维的特性及应用一览.72、三种主要高性能纤维的性能及对比.83、碳纤维的应用领域.10,4、国内外主要 PAN 原丝生产工艺对比.15,5、碳纤维相关上市公司一览.166、对位芳纶和间位芳纶的对比.187、芳纶相关上市公司一览.21,8、2011 年 UHMWPE 纤维的主要生产厂商及产能（单位：吨）.25,9、超高分子量聚乙烯纤维的相关上市公司.26,请务必阅读正文后免责条款部分,4,证券研究报告1、高性能纤维：强国强军的战略材料1.1、高性能纤维的定义：具备特殊耐受力的一类材料高性能纤维，是指对外部的力、热、光、电等物理作用和酸、碱、氧化剂等化学作用具有特殊耐受能力的一种材料。包括高强度、高模量、耐高温、阻燃、抗电子束辐射、抗射线辐射、耐酸、耐碱、耐腐蚀等的纤维。被称为第三代合成纤维。这类纤维由于具有比普通纤维更高的机械强度和弹性模量，更好的热稳定性、耐酸碱性及耐候性。是 20 世纪 60 年代初发展以来，高分子纤维材料领域发展迅速的一类特种纤维。它被称为继第一代锦纶、涤纶和腈纶及第二代改性纤维（包括差别化纤维）之后的第三代合成纤维。图 1、具备各种特殊耐受力的高性能纤维,用于装甲防护的高强度纤维用于消防服的阻燃纤维资料来源：国海证券研究所请务必阅读正文后免责条款部分,用于防切割手套的高模量纤维用于反雷达干扰器的导电纤维,用于海上采油的耐腐蚀纤维用于舱外天空福的防辐射纤维,5,证券研究报告,1.2、高性能纤维类别繁多,高性能纤维按化学组成可分为有机和无机高性能纤维两大类。,有机高性能纤维是由有机聚合物制成的高性能纤维或利用天然聚合物经化学处理而制成的高性能纤维，按其大分子刚柔性可分为刚性链聚合物纤维和柔性链聚合物纤维。其中，刚性链聚合物纤维由芳香族大分子构成，大分子柔软度较差，包括芳纶、聚四氟乙烯等；而柔性链聚合物纤维大分子不包含芳香环，柔性度较好，包括超高分子量聚乙烯纤维、超高分子量聚乙烯醇纤维、超高分子量聚丙烯腈纤维等。,无机高性能纤维一般以矿物质或金属为原料制成。它同样具有不同的分子构象或结构，如无定形纤维、多晶纤维和单晶纤维等。主要品种有碳纤维、玻璃纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维、金属纤维等，此外尚有石棉纤维、矿渣棉、高硅氧纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维等其他无机纤维。,请务必阅读正文后免责条款部分,6,证券研究报告图 2、高性能纤维种类一览聚对苯二甲酰对苯二胺（芳纶Kevlar）,聚酰胺类纤维,芳香族聚酰胺共聚纤维杂环族聚酰胺纤维,高强度高模量纤维,超高分子量聚乙烯纤维,碳纤维,硼纤维,陶瓷纤维,玻璃纤维,金属纤维,碳纤维及石墨纤维,碳化硅纤维聚间苯二甲酰间苯二胺,无机高性能纤维,耐热纤维,（芳纶Nomex）聚酰亚胺纤维(PI),按属性,高 性能纤维,按性能,聚苯砜酰胺纤维聚苯并咪唑纤维(PBI),有机高性能纤维按链柔性,阻燃纤维,酚醛纤维金属螯合纤维芳纶表面化学处理纤维聚丙烯腈预氧化纤维,刚性链聚合物,柔性链聚合物,耐腐蚀纤维（含氟纤维）,聚四氟乙烯纤维、四氟乙烯-六氟丙烯共聚纤维聚偏氯乙烯纤维,芳纶,聚四氟乙烯,超高分子量聚乙烯纤维超高分子量聚乙烯醇纤维超高分子量聚丙烯腈纤维,功能纤维,乙烯-三氟氯乙烯共聚物中空纤维半透膜活性炭纤维超细纤维毡、吸油纤维毡,光导纤维导电纤维聚酯型氨基甲酸酯纤维,弹性体纤维,聚醚型氨基甲酸酯纤维,聚丙烯酸酯类纤维聚对苯二甲酸醇二酯类纤维资料来源：国海证券研究所1.3、应用集中于工业，其中高强度高模量纤维发展最快高性能纤维在国防军事和工业领域应用十分广泛。尤其是在有特殊要求的请务必阅读正文后免责条款部分,7,证券研究报告工业和技术领域，比如宇宙开发、海洋开发、情报信息、能源交通、土木建筑、军事装备、化工和机械等诸多方面，高性能纤维起着不可缺少的作用。有机高性能纤维中的高模量高强度纤维每年以两位数速率增长。有机高性能纤维可分为 4 大类近 40 种，分别为高强高模纤维、耐热纤维、抗燃纤维及耐腐蚀纤维。目前，已经商品化的高性能有机纤维当属高强高模纤维增长最快，主要品种的需求量均以 2 位数增长，耐热纤维次之，主要品种以 5%-10%的年增长率发展，抗燃纤维和耐强腐蚀性纤维相对增长缓慢，但又不可缺。表 1、高强度高模量纤维的特性及应用一览,品种聚对苯二甲酰对苯二胺纤维（PPTA）超高相对分子质量聚乙烯纤维（UHMWPE）聚芳酯纤维（LCP）聚苯并双唑纤维(PBO)吡啶环芳杂环纤维(M-5)聚酮纤维（PK）聚乙烯醇部分皂化纤维（PVA）芳杂环聚酰胺纤维碳化硅类纤维（SiC）,特性抗燃性不足，极限氧指数（LOI）仅为26，需与其他难燃纤维混纺加以改进密度最小（0.97g/cm 3），强度和比模量甚高，模量居第二位；长期使用温度较低，蠕变相对较大，且与树脂粘合性较差机械性能与PPTA纤维相仿、振动衰减性好，耐疲劳性、耐切割性优、蠕变极小、非吸湿性突出、耐热耐化学品好耐热性和LOI各为650和68、比耐热和难燃的有机纤维代表聚苯并咪唑（PBI）纤维还好（各为550和41），耐光性和储存稳定性略差强 度 为 3.9 GPa(23 cN/dtex)，模 量 为 330 GPa(1940 cN/dtex)，是有机高性能纤维中最高模量的纤维，更重要的是其压缩强度高达1.6GPa、是PBO纤维的4倍，居高性能纤维之冠。与橡胶的粘合性好溶解温度20-95，强度为5-9 cN/dtex，深度为10%-20%强度和模量极高，强度为4.5-5GPa密度为2.35-2.74 g/cm3，拉伸模量为170-270GPa，拉伸强度为2800-3400MPa,主要应用防弹和防护领域、代石棉和橡胶增强材料制作防切割手套或用作食品、医药等行业的工作服或用于人工关节混凝土补强材料、防切割手套、光缆补强材料、绳网类、同温层飞行的飞艇张力元件、火星探测器的软着陆气囊、工程防护板等竞赛用快艇的绳缆、赛车的抗冲击板、自行车把柄、乒乓球网、产业用的绳子和吊带、各种气球和火星探索飞船部件、大巴和雪车的传送带、酷热环境的消防服、刚出炉的铝板或玻璃板耐热材、焊接机器人的电缆护材等代钢筋材料及抗压结构件、防弹器材、卫星支架、机翼、消防服等取代粘胶帘子布应用于扁平子午胎中，它还可用作高压软管、防护手套、密封材料、电池隔膜和复合材料等增强混凝土、摩擦材料、橡胶增强材料、印刷线路基板、滤材、电池隔膜、包装材料及医疗卫生材料等航天航空和防弹材料；高档轮胎帘子布、高压软管、传送带、光纤补强、军服、消防服和各种复合材料制品增强陶瓷和金属的复合材料，用于航天和航空等领域，也可用作红外探测器的探头,资料来源：国海证券研究所体现国家综合实力与技术创新的标志之一。高性能纤维在国内外已作为技术创新、占领技术优势的重要战略物质，在国防、军工、航空、航天、能源、交通等领域具有广泛的应用。高性能纤维生产技术与装备水平是体现国家综合实力与技术创新的标志之一。请务必阅读正文后免责条款部分,伤，,8,证券研究报告1.4、三种主要高性能纤维：各显其能，各居其功碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维被称为当今世界的三大高性能纤维。在品种繁多的各种高性能纤维中，碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维备受世界关注，是各国的重点发展对象。它们的共同点是不仅都具有高强度高模量的力学性能，更是具备耐腐蚀和阻燃耐热等特殊性能，在国防军事、航天航空和工业能源等领域起着至关重要的作用。这三大高性能纤维由于某些性能上的差异，被应用在各个不同领域，发挥着各自无可取代的特长。表 2、三种主要高性能纤维的性能及对比,材料,力学性能,其他优势,相对局限性,主要应用领域,（相比于钢，钢的密度约7.8 g/cm 3）,碳纤维,密度约1.8 g/cm 3，不到钢的1/4。做到相同强度时碳纤维与钢的重量比约为1:43。,耐蚀性出类拔萃，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀。,耐冲击性较差，容易损,可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。多用于增强复合,在强酸作用下发生氧化，材料，用于航天航天、,碳纤维树脂复合材料强度是钢的7-9倍，模量是钢的5-6倍，是KEVLAR-49的2倍。,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。,能源工业以及体育用品等。,芳纶,密度约1.4 g/cm 3，仅为钢的1/5左右。560环境下，不分解不融化。,抗紫外线能力差。易吸湿，易酸解。,防弹和防护领域、代石棉和橡胶增强材料。,强度是钢丝的5-6倍，模量是钢丝的2-3倍，韧性是钢丝的2倍。,良好的绝缘和耐老化性能,抗燃性不足。,超高分子量聚乙烯,密度极低，仅为0.97 g/cm 3，可浮于,抗紫外线辐射，防中子,长期使用温度较低，应,制作防切割手套或用,水面。,和射线，比能量吸收高、介电常数低、电磁,力下熔点只有145-160。作食品、医药等行业的工作服或用于人工,比强度是同等截面钢丝的十余倍，比,波透射率高。,蠕变相对较大。,关节。,模量极高，仅次于特级碳纤维。耐化学腐蚀性，且防潮。与树脂粘合性较差。冲击吸收能比对位芳纶高近一倍，突出的抗冲击性和抗切割性，耐磨性好，耐磨性、有较长的挠曲,摩擦系数小。,寿命。,资料来源：国海证券研究所1.5、高性能纤维产业发展要求迫切我国传统化纤产能过剩，但对位纺纶、碳纤维和超高分子量聚乙烯等高性能纤维却仍需大量进口。其中对位纺纶进口依存度超过 95%，碳纤维进口依存度约 70%。超高分子量聚乙烯进口依存度也接近 40%。未来我国高性能纤维市场存在巨大替代进口的空间。强国强军的战略物资。在军事装备现代化、民用产品高性能化、生产过程标准化、技术进步高速化发展的今天，高性能纤维，以及高性能纤维增强的复合材料已在各领域发挥重要作用。正如美国国家材料顾问委员会的科学家在 1992 指出的那样：如果美国要保持在高技术产品上的领先，支持请务必阅读正文后免责条款部分,9,证券研究报告,高技术纤维的开发是十分关键的。失去在高技术纤维领域的领先地位将使我们失去飞机制造业在国际上的领先优势，进一步还会削弱我们的汽车工业在国际上的竞争力。,巨大的产业化空间。高性能纤维具有已有的和潜在的市场，除在军事领域外，它还在航空航天、船舶、海洋工程、电子信息、桥梁建筑、交通运输、体育娱乐、建筑等方面有广阔的应用前景。其产业化上可带动原材料，下可带动复合材料及其产品的产业链的发展，可产生巨大的经济效益。,纤维强度不足理论十分之一，科学理论上还有进一步发展的需要。纤维在成型过程中大分子链沿轴向取向排列形成规整度很高的轴向有序结构，如果纤维中所有的大分子沿轴向整齐排列，其的理论拉伸强度可达200cN/dtex 以上。目前即使是高强高模纤维，其强度仅为理论强度的十分之一，在材料中也是比强度最高的。同时也说明我们对传统的纤维成型理论及其工艺通过创新性研究还会进一步提高纤维强度和模量。,请务必阅读正文后免责条款部分,10,证券研究报告2、碳纤维2.1、碳纤维性能卓越，是军民两用的新材料碳纤维是含碳量在 95%以上的新型高性能纤维。其中含碳量高于 99的称石墨纤维。它是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的比模量是钢铁的 100 以上，在同时要求重量和强度的工程上应用前景璀璨。碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它的比重不到钢的 1/4，模量却是钢的 5-6倍，材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。而且碳纤维在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，且具有耐疲劳、抗蠕变、导电、传热等特性，碳纤维增强的复合材料更是具备出类拔萃的综合性能。不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。表 3、碳纤维的应用领域,市场成熟市场新兴市场待开发市场,应用领域航空航天及国防领域和体育休闲用品增强塑料、压力容器、建筑加固、风力发电、摩擦材料、钻井平台等汽车、医疗器械、新能源等,资料来源：国海证券研究所碳纤维目前的主要消费市场在于航空航天、风力发电、运动器材等领域。碳纤维可用来替代铜、钢铁等金属，同时用于国防军事、机械和建材交通等领域，是军民两用的关键新材料，在国民经济中有着重要的战略地位。图 3、2011 年度碳纤维在三大领域的消费结构,消费品/体育用品20%,航空航天用量15%,风电等工业65%资料来源：2011 年美国碳纤维会议数据，国海证券研究所请务必阅读正文后免责条款部分,到,11,证券研究报告2.2、碳纤维全球需求持续增长全球碳纤维的需求量每年以 13%的速度增长。随着航空航天等领域对碳纤维需求的持续增长，全球碳纤维市场正以每年平均两位数的速度快速增长。据美国 Lucintel 公司研究称，未来几年全球碳纤维市场将以每年 13%的速度继续增长，预计到 2015 年全球碳纤维市场将达到 23 亿美元。航空航天和风电新能源等领域是全球碳纤维的主要增长市场。在航空航天领域，越来越多的商务飞机和军用飞机的主要或次要结构件模型将应用碳纤维复合材料生产。此外，随着全球风电市场的逐步壮大，风电叶片也已经成为碳纤维主要的应用领域之一。据Chemical Week称，一套机组仅叶片就重 18 吨，如果用碳纤维，能减轻 6 吨，还增加了强度和韧性，也增加了发电功率，如此优秀的品质使碳纤维在风电叶片上的应用越来越多，2014年，每年将有超过 5 万吨的碳纤维流入叶片市场领域。日本三菱丽阳公司调查了 2006 年到 2015 年碳纤维在三大领域各自的需求情况及预测，认为自 2012 年起其需求将以年增长近 20%的速度强劲增长。图 4、2006 年-2015 年全球碳纤维的需求现状及预测（单位：吨）80000700006000050000400003000020000100000,2006,2007,2008,2009,2010,2011,2012E,2013E,2014E,2015E,航空航天,体育休闲,能源及工业,资料来源：日本三菱丽阳，国海证券研究所2.3、碳纤维全球产能分布集中，供给较平衡碳纤维分为三种，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维是其主要品种，占其总产量的 90%以上。碳纤维按照原丝成分，主要分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维三大类。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维因生产工艺相对比较简单、技术相对成熟、产品的综合力学性能好且成本相对较低已经成为碳纤维工业生产的主流产品，约占全球碳纤维总产量的 90，也是当今世界碳纤维发展的主流。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维产能非常集中，日本和美国合计产能占全球 80%请务必阅读正文后免责条款部分,12,证券研究报告以上。PAN 基碳纤维方面，日本厂商产能依旧雄踞第一位，日本前三大 PAN基碳纤维厂商东丽、东邦及三菱的总产能达到 40400 吨，美国前三大 PAN基碳纤维厂商卓尔泰克（Zoltec）、Hexcel 及氰特（Cytec）集团的总产能达到 20750，分别占全球总产能的 53.87%与 27.67%，产能分布非常集中。,图 5、各类碳纤维中 PAN 基碳纤维产量占比 90%,图 6、2010 年 PAN 基碳纤维的全球主要厂商产能分布,7%,1%,2%,8%,2%,日本东丽,10%,25%,日本东邦日本三菱美国Zoltec,90%,4%6%,17%,18%,美国Hexcel美国Cytec台塑集团西格里集团土耳其Aksa,沥青基碳纤维,粘胶基碳纤维,其他,PAN基碳纤维,10%,资料来源：国海证券研究所,资料来源：国海证券研究所,沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维产量较小，用于其他更特殊要求的领域。沥青基碳纤维属于高模量碳纤维，是碳纤维第二大品种，总产量约占 7。粘胶基碳纤维受性价比等因素制约，占碳纤维总产量不足 1，但由于有更好的耐烧蚀性能，主要用于隔热材料，如火箭发动机喷管等。2.4、碳纤维的国内消费市场潜力巨大国内的碳纤维市场近年消费增速加快，未来将出现快速扩张态势，年均增速将达 18.41%。据统计，1996-2002 年国内碳纤维消费量年均增长超过20%，而近几年来碳纤维消费需求量增速一直保持在 18%左右。2009 年我国碳纤维的年需求量超过 7200 吨，2010 年突破 8500 吨。未来几年碳纤维市场将出现快速扩张态势，年均增速将达 18.41%。预计到 2015 年，国内碳纤维总需求量将达到 13500 吨/年。国内碳纤维的文体市场趋于饱和。目前我国文体休闲制品的碳纤维消费市场已经趋于饱和，许多产品以进入国际市场为主，未来发展速度将有所减缓，预计 2010-2015 年期间年均增长速度约 4.6%。国内碳纤维的工业及能源市场发展潜力极大。我国碳纤维工业应用的重要潜在市场以混凝土结构物的补强、飞机制造、民用汽车和风力发电为主，未来市场的发展前景较好，预计年均增长率达到 53.4%。2.5、国内实际产量严重不足，高端碳纤维依赖进口国产碳纤维以低端产品为主。我国碳纤维原丝产能约 12080 吨，碳纤维产能 7081 吨，产品以小丝束等低档产品为主，T300 级碳纤维初步实现了国请务必阅读正文后免责条款部分,13,证券研究报告,产化。,国内碳纤维产能虽基本满足自给，但实际产量远小于产能，不足 2000 吨。仅从产能方面考察，国内碳纤维生产基本可满足需求。但由于国内碳纤维产品多数为低端产品，难以满足下游的性能需求。且国内多数厂商生产不稳定，实际产量远小于产能。2010 年国内碳纤维实际产量不足 2000 吨，自给率不足 30%，因此国内碳纤维需求缺口仍然很大。,图 7、2010 年碳纤维国内主要生产厂商的产能（单位：吨）,资料来源：我国碳纤维行业现状和发展趋势分析，国海证券研究所,国内新增碳纤维产能将出现爆发式增长。经历过 2008 年金融危机，,2009-2010 年我国碳纤维消费量开始攀升，预计在 2012 年前后进入增长期。,目前我国有许多碳纤维项目开始启动，预计到 2015 年我国将新增碳纤维原丝产能 44000 吨，原丝碳化产能 21400 吨。,图 8、2011-2015 年我国碳纤维生产厂商新增产能分布（单位：吨）,资料来源：我国碳纤维行业现状和发展趋势分析，国海证券研究所,请务必阅读正文后免责条款部分,14,证券研究报告尽快加快国内碳纤维尤其是高端碳纤维的自主研发和产业化进程，具备重大战略意义。受供求关系和发达国家对我国实行碳纤维技术及产品双重封锁的影响，我国碳纤维市场一直处于受制于人的状态，甚至某些碳纤维复合材料高端用户面临没有原料可以进行加工的尴尬境地。此外，由于大型航空飞机制造和清洁能源等产业的拉动，世界范围的碳纤维需求量将持续增加，国际碳纤维供需关系短期之内不会大幅回落。因此，作为重大战略材料，我国需建设立足国内的碳纤维自主保障能力，以确保高端用户的需要。2.6、制约我国碳纤维产业的瓶颈：原丝工艺和碳化设备制约我国碳纤维发展的主要因素有两个方面，其一是碳纤维原丝质量问题。国产原丝在纯度、强度以及均质化方面与国外相比存在较大差距，大大制约了国产碳纤维的产品质量。碳纤维生产工艺流程长，技术关键点多，生产壁垒高，是多学科、多技术的集成，其中碳纤维原丝的生产技术更是难中之难。碳纤维原丝的生产难度主要表现在碳纤维原丝的喷丝工艺、丙烯腈聚合工艺、丙烯腈与溶剂及引发剂的配比等。由于 PAN-原丝对碳纤维质量影响巨大，占碳纤维成本比例达到 50%以上。PAN 基碳纤维制造的第一步是用丙烯睛（AN）单体制造 PAN 原丝，类似于纺织用的 PAN 纤维的生产。在原丝制备工艺中，需要考虑影响原丝质量的因素，比如聚合物的分子量、聚合组分、纺丝拉伸方法等等。第二步是原丝的预氧化和碳化，预氧化处理的目的是使 PAN 的线性分子链转化为耐热的梯形结构，使其在高温碳化时不熔不燃，保持纤维形态。碳化过程是碳纤维形成的主要阶段，除去了纤维中大量的氧、氮和其他元素，再经表面处理、干燥上浆得到金属光泽的 PAN 基碳纤维产品。图 9、PAN 基碳纤维的生产工艺流程,干湿法工艺,裂解气体,裂解气体,丙烯腈AN,PAN原丝,热氧稳定化空气200-300,低温碳化 N 2400-1400,高温石墨化 Ar1800-3000,焦油,中间产品,焦油,表面处理、上浆,耐燃纤维,碳纤维,石墨纤维,资料来源：国海证券研究所目前，世界碳纤维的技术格局是：日本垄断关键技术，美国的碳纤维技术处于成长阶段，国内则处于起步阶段。世界碳纤维技术主要掌握在日本东丽公司、东邦公司和三菱人造丝公司手中，这 3 家企业技术严格保密。而美国赫克塞尔(Hexcel)、阿莫科(Amoco)和卓尔泰克(Zoltek)等其他碳纤维企业均处于成长阶段，生产工艺还处于不断完善阶段。国内的碳纤维企业更是处于请务必阅读正文后免责条款部分,15,证券研究报告如何提高原丝生产工艺水平的瓶颈上。表 4、国内外主要 PAN 原丝生产工艺对比,主要生产商日本东丽,丙烯腈原丝工艺干湿法纺丝,所用单体和溶剂体系以DMSO为溶剂，分别以丙烯腈丙烯酸甲酯及丙烯腈衣康酸为单体生产聚丙烯腈原丝,技术说明其原丝技术只转让给合作的BP-Amoco公司，另外销售给合资法国东丽Sofical公司。东丽公司生产的T1000碳纤维的拉伸强度比,T300翻了一番，是目前性能最好的碳纤维。,日本东邦日本三菱人造丝,湿法纺丝分别采用湿法和干湿法纺丝,在ZnCl 2 水溶液中，以丙烯腈和丙烯酸甲酯为单体。湿法以丙烯腈、丙烯酰胺和甲基丙烯酸为单体，以DMF为溶剂；干湿法以丙烯腈甲基丙烯酸及丙烯腈、丙烯酸甲酯甲基丙烯酸为单体，以DMF为溶剂,美国赫克塞尔公司,湿法纺丝,采用硫氰酸钠一步法工艺,以前由日本住友化学公司提供原丝，现已建,成自己的原丝生产线,美国阿莫科,干湿法纺丝,以DMSO为溶剂，分别以丙烯腈,从日本东丽公司引进的原丝生产线,丙烯酸甲酯及丙烯腈衣康酸为单体,国内：,湿法二步法纺丝,以DMAC（二甲基乙酰胺）为溶剂，年产能5,000吨的碳纤维原丝生产线由500,吉林奇峰化纤,水相悬浮聚合、引发体系采用过硫酸铵亚硫酸铵或亚硫酸氢铵氧化,吨T300级1K、3K碳纤维原丝和4,500吨T300级12K碳纤维原丝生产线组成。,还原体系。资料来源：国海证券研究所碳纤维技术的发展方向是在降低成本的基础上提高性能。近年来，国外对碳纤维技术开发研究集中在提高性能、降低成本方面。日本东丽公司根据先进复合材料市场发展的需求，已决定逐步淘汰 T300 类碳纤维，重点发展拉伸强度为 4000-5000MPa、价格与 T300 基本相当的碳纤维品种，同时由于大丝束碳纤维性价比较高，也开始发展大丝束碳纤维。制约我国碳纤维发展的瓶颈之二是耐高温材料及大型高温炉。国产碳化炉采用仅能允许在 1400以下温度使用的碳化硅作为发热体，高温环境下碳化硅抗负荷强度低，不能制作大尺寸工业规模碳化炉，无法实现 1500的最佳工艺。国外采用高纯石墨材料 1800以上的高温碳化炉严格限制对我国的出口，中等规模的高温碳化炉进口价格高，导致国产碳纤维装臵的建设成本过高，无法与进口纤维竞争。2.7、国内碳纤维研发步调加快，小有成果我国碳纤维研究已经三十多年，T300 通用级产业化已取得突破性进展，百吨级和千吨级碳纤维已投入生产；T700 级正在进行中试放大，T800 级正在实验室研制。目前国内有一两个单位的产品品质已超过 T300 级的性能指标，达到了 T400 级水平，并且可以小批量生产。这处于上世纪 80 年代日请务必阅读正文后免责条款部分,。,16,证券研究报告本东丽公司在碳纤维研发方面的水平。同时由于 T300 级碳纤维实现了国产化，打破了国外垄断，迫使进口价格大幅度下降。从总体形势来看，我国当前处于由 T300 通用级向高性能的 T700 和 T800 发展的过渡期。高性能的 T700、T800 和 T1000 级的碳纤维研制尚远。2.8、相关上市公司从碳纤维的产业链来看，原丝生产商为吉林化纤控股的奇峰化纤（00549.HK）；对原丝进行碳化的上市企业是中钢吉炭（000928.SZ），其生产线产能为 10 吨/年的军工级碳纤维，在建的是金发科技（600143.SH）2000 碳纤维项目，预计 2012 年年底全部投产；碳纤维下游企业包括碳纤维预浸料和复合材料生产的大元股份（600146.SH）表 5、碳纤维相关上市公司一览,公司代码000928.SZ600143.SH600146.SH,公司名称中钢吉炭金发科技大元股份,优势10 吨军品碳纤维已在运行，占股 30%中钢江城碳纤维一期年底投产，二期 1500 吨 2013 年 4 月投产公司的碳纤维项目是广东省和广州市重点项目。作为碳纤维科研生产基地，该项目引进国外氧化炉、碳化炉等先进设备，配臵相应的生产辅助设备。子公司中宝碳纤维是国内三大碳纤维制品巨头之一，拥有产能 300 万平方米碳纤维预浸料生产线，其预浸布销售毛利率在 40以上。其新产品通过专利初级审查。,资料来源：公司公告，国海证券研究所请务必阅读正文后免责条款部分,17,证券研究报告3、芳纶3.1、芳纶性能卓越，主要用于军工和高温滤料芳纶是一种具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能的新型高科技合成纤维。其强度是钢丝的 5-6 倍，模量为钢丝或玻璃纤维的 2-3 倍，韧性是钢丝的 2 倍，而重量仅为钢丝的 1/5 左右，在 560 度的温度下，不分解，不融化。它具有良好的绝缘性和抗老化性能，具有很长的生命周期。芳纶的发现，被认为是材料界一个非常重要的历史进程。芳纶包括全芳香族和杂环芳族的聚酰胺纤维两大类以及细分的众多品种。其中，最具实用价值的品种有 3 个：芳纶 1313 是开发最早、产量最大、应用最广，也是最有发展前途的有机耐高温纤维；芳纶 1414 具有高强度、高模量的特点，素有高分子材料中的百变金刚之誉，是当今世界高性能纤维材料的代表；日本帝人公司和俄罗斯开发出的共聚芳纶则具有更高的力学性能。图 10、芳纶的种类芳纶,全芳香族聚酰胺纤维,杂环芳族聚酰胺纤维,对位,间位,有序结构的杂环聚酰胺纤维,聚对苯二甲酰对苯二胺（芳纶1414）,聚对苯甲酰胺,聚间苯二甲酰间苯二胺（芳纶1313）,聚间苯甲酰胺,资料来源：国海证券研究所芳纶 1414 在开发初期曾被誉为完美的纤维，是目前总产能和产量最大的有机高性能纤维。它主要用于防弹和防护领域、代石棉和橡胶增强材料；其缺点是抗燃性不足，极限氧指数（LOI）仅为 26，需要与其他难燃纤维混纺加以改进。芳纶由于质量轻而强度高，在航空航天领域可节省大量的动力燃料，据国外资料显示，在宇宙飞船的发射过程中，每减轻 1 公斤的重量，意味着降低 100 万美元的成本。轮胎业也开始大量使用芳纶帘线来减轻重量，减少滚动阻力。芳纶 1313（间位芳纶）则在高温过滤等工业领域和阻燃内饰及织物等民用领域发挥着重要的作用。请务必阅读正文后免责条款部分,性能,用途,18,证券研究报告表 6、对位芳纶和间位芳纶的对比,对位芳纶（芳纶 1414）耐高温：分解温度 500阻燃性：极限氧指数 32高强度：断裂强度 20-27g/d高模量：初始模量 600-800g/d个体防护：防弹衣、防弹头盔防弹装甲：装甲战车、运