（报告出品方/作者：中航证券，张超、梁晨）
复合材料的完整定义是由不同材料（包括金属、无机非金属和有机高分子材料）互为基体或增强体， 用物理和化学方法在宏观尺度上复合而成的新型材料。而纤维增强复合材料是目前高性能复合材料的重要 结构。这种复合材料的增强材料主要是一些高性能纤维。
目前三大高性能纤维分别为碳纤维、芳纶纤维、以及超高分子量聚乙烯纤维。工业和信息化部 2019 年 发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录》中，将符合相关性能要求的超高分子量聚乙烯纤维、高性能碳纤维、芳纶及制品等高性能纤维及复合材料，都列为“关键战略材料”。三种纤维及其复材凭借各自优异的性能，目前在国防军工领域的应用深度、广度不断提升。
而除了这三种纤维外，包括石英纤维、陶瓷 纤维相关的复合材料也有相应的军工应用场景。从三大高性能纤维的地位来看，碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维的问世，一定程度压缩了芳纶纤维的应用，但由于纤维性质的差异，三者也均在不同的应用场景有 着无可替代的位置，有时甚至还会一起使用，比如对于碳纤维复合材料，可以通过添加几层芳纶纤维织物 来提高抗冲击性能。由 50%的碳纤维和 50%的芳纶纤维组合而成的混杂复合材料，与仅由碳纤维制成的复合材料相比，抗冲击性能最高可提高 25%。同时，相对于一些传统金属材料，这些高性能纤维材料更“年 轻”，未来性能指标有望持续提升。
1、碳纤维及其复合材料——国防战略性先进材料
1.1、国防装备关键材料，性能优异
碳纤维（Carbon Fiber，简称 CF）是由有机纤维（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结构，含碳质量分数在 95%以上的特种无机纤维，以其优异的物理化学性能被誉为 “黑色黄金”。碳纤维一般不会直接使用，通常以碳纤维为增强体，与树脂、金属、陶瓷等为基体结合形成为碳纤维复合材料。
碳纤维及碳纤维复合材料属于战略性先进原材料，是国防装备的关键材料，在航空航天、轨道交通、 风力发电、新能源汽车、建筑补强等领域具有广阔的应用空间。碳纤维材料的优异性能主要包括：①质量 轻，强度高：密度为 1.5-2g/cm³，相当于钢的 1/4、铝合金的 1/2；强度比钢大 4-5 倍、比铝大 6-7 倍， 弹性回复为 100%；②耐高温、低温：在 3000℃非氧化气氛下不融化、不软化，在液氨温度下依然很柔软、 不脆化，热弹性系数小；③导电性能好：25℃时高模量碳纤维的比电阻为 775Ω*cm，高强度碳纤维为 1500 Ω*cm；④耐酸性好：对酸呈惰性，耐浓盐酸、磷酸、硫酸等侵蚀；还具有耐油、抗辐射特性。⑤摩擦系数 小：自身具有润滑性。
按原丝类型分类：碳纤维的原丝主要有聚丙烯腈（PAN）原丝、沥青纤维和粘胶丝，由这三大类原丝生 产出的碳纤维分别称为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维。其中，聚丙烯腈（PAN）基碳纤维相较于其他两种碳纤维工艺难度更低，并且拥有优异的成品品质和优良的力学性能，目前占据主流地位，产量占碳纤维总量的 90%以上，粘胶基碳纤维还不足 1%。
按丝束大小分类：K 表示碳纤维单丝的数量，如 1K 代表一束纤维丝里包含了1000 根单丝。一般而言， 每束碳纤维根数小于 24000 根（24K）的被称为小丝束；大于 48000 根（48K）的则称为大丝束。小丝束碳 纤维在工艺控制上要求更严格，碳化等设备造价高，主要应用于国防军工等高科技领域，以及体育用品， 如飞机、导弹、火箭、卫星和渔具、高尔夫球杆、网球拍等；大丝束碳纤维成本相对较低，具有更高的性 价比，主要应用于医疗器械、机电、土木建筑、交通运输和能源等工业领域。
按力学性能分类：碳纤维因其优良的力学性能，在应用时多是作为增强材料，因此使用中更多的是按 其力学性能进行分类，拉伸强度和模量是国际碳纤维分类的主要标准，可分为高强型（GQ）、高强中模型 （QZ）、高模型（GM）、高强高模型（QM）。拉伸强度越大，碳纤维越难被拉断；拉伸模量越大，碳纤维越刚 性，越“宁折不弯”。
实际使用中，一般采用世界碳纤维龙头——日本东丽的产品编号表示力学强度，碳纤维拉伸强度 T300＜T600＜T700＜T800＜T1000，拉伸模量 M30＜M40＜M46＜M50＜M60＜M65。 碳纤维复合材料事实上是由增强体和基体两部分组成，一般碳纤维复材主要形态、性能及应用场景上 的差别是由组成基体所决定的，因此一般可以将碳纤维复合材料分类为碳纤维增强树脂基复合材料、碳纤维增强碳基复合材料(C/C)、碳纤维增强金属基复合材料和碳纤维增强陶瓷基复合材料等。其中树脂基复 合材料是市场需求最为广阔的碳纤维复合材料，约占总碳纤维复合材料需求总量的 70%左右。
1.1.1、航空领域：减重经济效益显著，得到广泛青睐
用碳纤维复合材料代替钢或者铝，减重效率可达到 20%-40%，因此在航空航天领域得到广泛青睐。飞机结构材料约占起飞总重量的 30%左右，减轻结构材料的重量可以带来许多好处。对军用飞机而言，减重 在节省燃油的同时扩大了作战半径，提高了战场生存力和战斗力；对于客机而言，减重节省了燃油、提高 了航程和净载能力，具有显著的经济效益。
碳纤维复材在军机应用占比不断提升。碳纤维复合材料不仅应用于机身，也逐渐成为喷气飞机发动机、 涡轮发动机、涡轮的主要结构材料。此外，飞机的抗氧化碳-碳鼻锥帽和机翼前缘、超音速飞机的刹车片等都使用碳纤维复合材料。从 1969 年起，美国 F14A 战机碳纤维复合材料用量仅有 1%，到美国 F-22 和 F35 为代表的第四代战斗机上碳纤维复合材料用量达到 24%和 36%，在美国 B-2 隐身战略轰炸机上，碳纤维复 合材料占比更是超过了 50%，用量与日俱增，目前碳纤维复合材料在军用飞机上占 30-40%。 民机对碳纤维复材稳定性要求更高。民机市场对碳纤维的性能要求通常与军机相当，但对碳纤维质量 稳定性的要求比军机更高，必须按国际权威机构制订的标准，通过由民用航空适航部门监督下进行的适航 鉴定。
1.1.2、航天领域：高强高模主要应用领域，导弹用量占比不断提升
2020 年航天领域的碳纤维需求量占航空航天领域碳纤维需求的比例为 1.80%，需求基数不大但高性能 需求强，应用广泛，同时随着我国远程战略武器的快速发展，有望扩大碳纤维复材的应用占比。根据碳纤 维强度和模量特点可应用于不同领域，目前碳纤维复合材料已经广泛应用于导弹武器、运载火箭、卫星和 航天飞机等航天领域。一般来说，标准模量通用型 T300 级碳纤维主要应用导弹主次承力结构件和防隔热 部件。高强中模 T800 级和高模碳纤维主要用于飞行器和导弹等主承力结构件，而高强高模碳纤维主要应 用于卫星承力结构件。
我国生产的导弹和火箭目前碳纤维应用不断拓展。新一代洲际弹道导弹——东风-41 和巨浪 2 洲际弹 道导弹都采用了国产碳纤维材料生产的导弹壳体，快舟十一号固体运载火箭一级发动机也使用了大尺寸碳 纤维复合壳体，标志着我国大尺寸碳纤维复合壳体发动机技术工程应用的跨越式提升。 用于导弹武器，碳纤维复合材料（CFRP）在导弹上的主要应用方向是导弹舱体、弹翼、舵翼面及发动 机壳体结构等主要承力部件，这些部件占据了导弹结构质量的主要部分。T800 和 IM7 为代表的高强中模型 碳纤维复合材料典型应用如导弹发动机壳体等。一些碳/碳复合材料，主要应用于导弹武器的热防护部件， 如固体导弹发动机的喷管、喉衬等防热部件和高超声速飞行器的头部和翼前缘等部件。
1.1.3、船舶军舰：尚在尝试阶段，部分关键部件已经得到应用
碳纤维复合材料具有良好的声、磁、电性能：透波、透声性好，无磁性，因此可以用于提高军舰的隐 身性能。在舰船的上层建筑中使用复合材料不仅可以减轻船体的重量，而且通过在夹层中嵌入有滤波功能的频率选择层，就可以在预定的频率下发射和接受电磁波，从而屏蔽敌方的雷达电磁波。 目前碳纤维复合材料在船体的应用尚在尝试阶段，但在舰船关键部件已经得到应用。
碳纤维复合材料 可应用于船舶上层建筑，可减轻上层建筑的质量，提高安全性能；用于舰船推进器，可减轻推进器质量， 降低油耗、延长使用寿命；用于桅杆、船体结构，可增加整体强度；CFRP 叶片不仅更轻、更薄，还可改善 空泡性能、降低振动、减少燃油消耗；在推进系统上可用作螺旋桨和推进轴系，减轻船体的振动效应和噪声，多用于侦察舰和快速巡航舰；在机械和装备上可用作方向舵，某些特殊的机械装置和管道系统等。此 外，高强度的碳纤维绳索在海军军舰的缆绳和其他军用物品上也有较为广泛的应用。未来随着碳纤维复合 材料科学的发展和制造工艺的改进，在船舶军舰上的应用将得到更加蓬勃的发展。
1.2、产业链核心在碳纤维制备，技术壁垒高
目前只有沥青纤维、聚丙烯睛(PAN)纤维和粘胶(纤维素)基纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业 化。聚丙烯腈（PAN）基碳纤维产量占产业总量的 90%以上，粘胶基碳纤维占比只有 1%左右。
碳纤维产业生产制造环节流程长，工序多且复杂，资金、技术和生产壁垒都很高。聚丙烯腈基碳纤维 的生产，主要分为两步：第一步是将基础石油化工产品聚丙烯腈通过聚合、纺丝形成碳纤维原丝；第二步 是原丝经过整理后，送入氧化炉制得预氧化纤维（俗称预氧丝），预氧丝进入碳化炉制得碳纤维，碳纤维经表面处理、上浆即可得到碳纤维产品。对于聚丙烯腈（PAN）基碳纤维而言，上游的原丝制备技术是其制 备的核心。碳纤维的强度显著地依赖于原丝的微观形态结构及其致密性。质量过关的原丝是产业化的前提， 是稳定生产的基础。碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料；碳纤维与树脂、陶瓷等材料结合，可形成 碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。
碳纤维原材料为石油化工行业的副产品丙烯腈（AN），主要通过原油炼制、裂解、氨氧化等工序获得。 下游应用主要及总在 ABS/SAN 树脂，腈纶，丙烯酰胺等化工产品，消费占比接近 90%，碳纤维应用总体占 比仍然较小，但根据 Technavio 的最新市场研究报告显示，在 2019 年至 2023 年期间，碳纤维需求的不断 增长预计将推动全球丙烯腈市场实现 3%以上的复合年增长。
纺丝的方法有干法和湿法，目前湿法是工业上普遍采用的纺丝方法。这里所说的湿法纺丝，是指聚合 物的凝固过程发生在液相中的纺丝方法。因而，喷丝板浸入在凝固浴中，纺丝原液通过喷丝板直接进人凝 固浴的湿喷湿纺和喷丝板不与凝固浴直接接触，纺丝原液从喷丝板喷出后首先经过一定距离的空气段，然 后进入凝固浴中凝固的干喷湿纺都属于湿法纺丝。不过，在国内碳纤维业界，习惯上湿法纺丝仅指湿喷湿 纺，而干喷湿纺有时候又被称为干湿法。这两种纺丝方法，在 PAN 基碳纤维原丝的工业化生产中都有应用， 两者各有优势，一般认为东丽公司的 T700 系列产品采用的是干喷湿纺，而 T800 系列则采用的是湿喷湿坊。
碳纤维生产所需设备非常多，但从原丝到碳纤维过程中，最关键的有加热所需的氧化炉和碳化炉，设 备的稳定性直接关系到生产链的运转能力和产品性能。经过石墨化处理所得碳纤维经过无损伤检验后送环 氧树脂处理浴用稀环氧树脂进行溶液浸润处理，使得到的单向无纬碳纤维布具有良好的横向粘接性，便于 使用时操作。处理过的无纬布进入溶剂干燥器使溶剂蒸发，然后再经无损伤检验即得成品碳纤维。
碳纤维生产规模效应强。通常在碳纤维生产成本构成中，原丝占 51%左右，大约 2.2 公斤原丝生产 1 公斤碳纤维。原丝的生产过程中，折旧及能耗占比较大约 40%，提高生产效率可以有效减少单吨折旧及能 耗。并且，碳纤维的强度显著依赖于原丝的微观形态结构及其致密性，质量过关的原丝是产业化的前提、 稳定生产的基础。 日本东丽曾测算出，碳纤维行业具有规模经济性。生产线的规模如果小于 400t/a 很难盈利；千吨线 盈利能力也不高，成本大概 21.96 美元/kg；若单线规模从 1000t 上升到 2000t，成本可降低 10%；规模上 升至 3000t 成本可降低 15%；若上升到万吨线，成本可降低近 30%至 17.44 美元/kg。若再将干喷湿纺工艺 继续优化、提高纺丝速度，则成本可进一步降低至 12-13 美元/kg。（报告来源：未来智库）
1.3、碳纤维需求快速增长，国产替代空间巨大
全球碳纤维及复合材料快速发展：2020 年全球碳纤维市场需求约 10.69 万吨，较上年提升 3.05%。其 中，风电占比 29%，航空航天占比约 15%，体育休闲占比约 14%，汽车占比约 12%。预计到 2025 年，全球碳 纤维市场需求量有望达到 20 万吨，年复合增速在 13%。
从碳纤维复合材料的方面来看，2020 年全球树脂基碳纤维复合材料的需求量为 16.44 万吨，根据树脂 基占比在 70%左右，预计 2020 年总碳纤维复合材料的需求超过 23 万吨。
航空航天碳纤维及其复材价值更高。碳纤维复合材料的主要收入来自航空航天，其中，波音、空客与 美国的军用航空航天占据绝大部分市场。航空航天军工的复材工艺环节比较复杂，从预浸料、自动铺带铺 丝、热压罐、装配，每个环节的各类检验手段。这些均在碳纤维基础上，增加了很多附加值。而其他工业 用碳纤维复材，尤其是近两年风电领域，通过拉挤成型直接制造风电碳板，大幅降低了成型复材成本。此 外航空航天的研发周期更长，一款新的复材进入机型，周期起码十年，而风电碳梁通常在 1-2 年，一定程 度也加大了航空航天的附加值空间。
国内碳纤维需求国产替代空间巨大。国内市场方面，2020 年国内碳纤维市场总需求为 4.89 万吨，同 比增长了 29%，增速远超全球。约占全球 46%的市场。但可以发现进口量为 3.04 万吨（占总需求 62%），国 产纤维供应为 1.85 吨（占总需求 38%），总体仍然呈现出国内产能存在巨大的供不应求。但随着近几年的 发展，我国国产碳纤维比重在不断提升，增长速度也持续加速，给予国内碳纤维需求增速 25%，国产碳纤 维增速 35%，预计到 2025 年我国碳纤维需求将达到 14.9 万吨，国产碳纤维占比有望超过 55%。
我国航空航天应用占比亟需提升。我国的碳纤维应用主要集中在体育休闲、风电等领域，二者合计占 据了约 3/4 的市场需求。国内航空航天领域碳纤维需求低于全球平均水平，2020 年航空航天市场碳纤维需 求量约为 1700 吨，占国内市场碳纤维总需求量的 3.50%，远低于全球市场 15.00%的占比，一方面是国产 高性能碳纤维产品供给不足制约了航空航天市场的大规模应用，另一方面是由于我国民用航空市场的缺失， 未来随着 C919 等的批产落地，有望通过民机带动我国航空航天碳纤维市场快速提升。
航空航天碳纤维复材价格高，随着产业成熟价格有望下降。从中国碳纤维复合材料来看，2020 年我国 树脂基碳纤维复合材料需求量为 7.52 万吨，占全球需求的 46%。产值达到 489.19 亿元，其中占比最大的 仍然是附加值最高的航空航天行业，价格上可以达到 7000 元/公斤。国内航空航天用碳纤维价格高一方面 是产品结构的差异，相比较国外中国航空航天碳纤维应用主要是军品，没有大批量价格低的民用航空碳纤 维产能；另一方面，国外禁止中国购买高端碳纤维，因此这一部分产能都是国内供给，成本控制较国外有 差距，一定程度拉高了单价。但随着我国高端碳纤维技术、产能的不断突破，同时叠加国内民机市场的发 展，我国航空航天碳纤维成本控制问题有望得到改善，价格也将下降到具有竞争力的位置。
军机碳纤维年需求超千吨。中美之间军用飞机的数量仍有较 大差距，假设中国未来 10 年各类军机建设数量可以达到中美差值的 50%，那么预计军机碳纤维复合材料需 求可以达到 2 万吨，再假设碳纤维复材和碳纤维的转换比在 65%，那么预计未来 10 年军机碳纤维需求量为 1.3 万吨，年均需求超过千吨。
风电叶片应用发展迅猛，未来有望引领工业碳纤维快速增长。2020年全球风电风叶片碳纤维需求为 3.06 万吨。电叶片大型化是风电的发展趋势，当前风轮直径已突破 125m，未来正朝着长度为 150m、250m的大型风电叶片前进。碳纤维在实现风电叶片大型化、轻量化时的主要优势是在满足一定强度要求的前提 下，具有其他材料不具备的高比模量，因此碳纤维材料是更加理想的选择。
例如，3MW 的风机的叶片，使用碳纤维替代传统的玻璃纤维，叶片的重量将减少 32%，成本下降约 16%。四百余家风能企业在 2020 年北 京国际风能大会上联合发布的《风能北京宣言》指出：在“十四五”规划中，须为风电设定与“碳中和” 国家战略相适应的发展空间，保证年均新增装机 5000 万千瓦以上。2025 年后，中国风电年均新增装机容量应不低于 6000 万千瓦，到 2030 年中国风电累计装机容量至少达到 8 亿千瓦，到 2060 年至少达到 30 亿 千瓦。假设风电叶片碳纤维需求年复合增速在 25%，那么预计到 2025年风电叶片碳纤维年需求有望达到 9.34 万吨。
1.4、打破国际垄断，共同构建国内高端碳纤维话语权
全球属于巨头垄断市场，主要集中在美日欧：整体来看，全球碳纤维市场属于国际巨头垄断市场，小 丝束（主要是航空航天用）产品主要集中在日本企业（东丽、东邦、三菱），大丝束产能则主要在欧美（美 国卓尔泰克、德国 SGL 等）。2015 年东丽收购卓尔泰克公司后，其产能和市场占比近全球的三分之一，形 成一家独大的垄断局面。
高端碳纤维供不应求，纷纷扩产满足航空航天高速增量需求。在目前国内军用碳纤维整体供不应求的 情况下，这些厂商之间竞争情况相对平和，对于目前一些批产型号基本是各自独供，但未来随着各企业的 产能上台阶，一些新型号装备的预研或形成竞争。航空航天的高景气带动相关企业纷纷提出扩产计划，如 中简科技在 2021 年千吨线投入生产后，马上提出 1500 吨产能的扩产计划。
碳纤维复材重要中间环节预浸料与预制体。树脂基碳纤维在生产过程中，预浸料的生产是关键的中间 体，一般碳纤维生产企业在打通下游复材生产能力时，基本都具备预浸料生产能力，比如光威复材、恒神 股份等都可以进行预浸料的生产，但在我国航空用预浸料方面，基本被中航高科下的中航复材所垄断。预 制体是碳/碳复材重要的制造环节，主要的上市企业是楚江新材子公司江苏天鸟，同时天宜上佳 2021 年碳 纤维预制体生产线实现投产。碳碳复材方面，国内主要上市企业有博云新材、北摩高科、天宜上佳以及中 天火箭子公司等。
1.5、小结
碳纤维及其复合材料凭借其低密度、高强度、高模量、高稳定性的特点，在航空航天、汽车船舶等领 域应用广泛，引领着轻质化材料的浪潮。碳纤维产业的发展受到国家政策的大力扶持，碳纤维在中国制造 2025 中被列为关键战略材料之一。碳纤维复合材料能够应用于飞机机身、喷气发动机、涡轮等部件，还可 应用于火箭、导弹以及人造卫星中，此外在船舶上也有应用。目前我国已经从上游碳纤维本身打破了国外 的封锁，尽管在成本控制上仍然存在差距，但随着高性能碳纤维在武器装备上规模化应用，有望进一步拉 动整个产业的良性发展。
2、芳纶纤维及其复合材料——防弹装甲的优质材料
2.1、坚韧、耐冲击，广泛用于防弹及武器装甲上
芳纶纤维（Aramid fiber）全称为“芳香族聚酰胺纤维”，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，芳纶纤维于 1960s 由美国杜邦公司（商品名为 Kevlar）研发成功并商业化，因此在碳 纤维出现之前，芳纶纤维一直占据着高性能纤维市场。与碳纤维一样，芳纶纤维并不会直接作为最终产品， 至少要做成织物或相应的复合材料才能使用。
2.1.1、航空航天领域：质量轻、强度高，可作为透波、承受冲击的结构件
在航空航天方面，芳纶由于质量轻而强度高，作为结构材料可节省了大量的动力燃料，比如常用作蜂 巢结构材料，采用环氧树脂浸渍芳纶布形成芳纶预浸料，并直接与蜂窝或泡沫结构相黏结制备的多层蜂巢 结构的板材，由于具有突出的耐冲击、质量轻、优良的透电磁波性等特性，可以适用于制作导弹、飞机上 的宽频透波材料和可以承受冲击力量的结构部件，例如整流罩、机舱内衬板等高性能夹层结构。而随着航 天材料要求越来越苛刻，芳纶纤维逐渐由承受冲击力的结构部件发展到二次结构材料，如机舱门窗、整流 罩体表面以及机内天花板、隔板、舱壁、行李架、座椅等。此外将芳纶与薄铝板、环氧无纬布交叠热压后 形成的超混复合层板，具有极高的比模量和比强度，抗疲劳寿命是铝合金板的 100 倍～1000 倍，可用于飞 机的机身等部位。
此外，由于芳纶纤维具有优异电绝缘性能、透波性能以及尺寸稳定性能，它在军工电子中也作为主要 的结构件，比如机载或星载雷达天线罩、雷达天线馈源功能结构部件等多方面。美国 RCA 公司为多颗卫星 研制的多部抛物面天线中，其反射面均采用芳纶纤维织物增强复合材料制造。
2.1.2、军事防护领域：抗冲击的防弹装甲材料
鉴于优异的抗冲击特性，芳纶纤维被广泛用于制造防弹背心和坦克装甲材料的军事用途。防弹背心通 常是由几十层芳纶组成的材料制成，并在两层之间包括一个陶瓷板。一些装甲车（如美国 M1 坦克）所用的 防护罩是由钢-芳纶-钢材料制成的，可以抵抗直径达 700mm 的反坦克导弹。此外，除了保护坦克本身外，钢-芳纶-钢护盾还通过吸收穿透导弹产生的动能来保护乘员。比如在波音 AH-64 上，配备了芳纶复材旋翼 的美军主攻直升机，可以防止直径最大为 23 毫米的子弹。
2.2、芳纶纤维产业链上的两种芳纶材料
芳纶纤维主要包括全芳香族聚酰胺纤维和杂环芳香族聚酰胺纤维两种，可分为邻位芳纶、对位芳纶 (PPTA)和间位芳纶(PMTA)三种，其中实现工业化的产品主要有间位芳纶和对位芳纶两种。这两大类芳纶的 主要区别在于酰胺键与苯环上的 C 原子的连接位置不同。
间位芳纶（芳纶 1313）是一种柔软洁白、纤细蓬松、富有光泽的纤维，化学名为聚间苯二甲酰间苯二 胺，间位芳纶属难燃纤维，在空气中不会自燃或融化，离开火焰后会自熄。纤维遇高温时，会迅速膨胀碳化，形成隔热层，能阻挡热量的传递，起到有效的保护作用。在 250℃以上高温中连续长时间使用后，仍 具有较高的强度和尺寸稳定性。在 350℃以下不会发生明显的分解和碳化。当温度超过 400℃时，纤维逐渐 发脆、炭化直至分解，但是不会产生熔滴。
间位芳纶介电常数很低，在低温、高温、高湿条件下均能保持 优良的电绝缘性，是全球公认的最佳绝缘材料。间位芳纶织物具有优良的抗辐射性能，实验表明，其在 50kV 的 X 射线连续照射 250h后，仍能保持原有强度的 49%。间位芳纶在酸、碱、有机溶剂、还原剂以及漂白剂 中的稳定性较好，但不能与强酸、强碱等长期作用。间位芳纶对日光的稳定性较差，难以染色。纯间位芳 纶制成的芳纶纸具有高强度、低变形、耐高温、耐化学腐蚀、阻燃和优良的电绝缘性能，广泛应用于国防、 航空航天、高速列车和电工绝缘等领域，是一种关系国家安全的高科技新材料。
对位芳纶（芳纶 1414）呈金黄色，貌似闪亮的金属丝线，化学名为聚对苯二甲酰对苯二胺，在芳纶 1313 基础上，美国 DuPont 公司成功研制出芳纶 1414，芳纶 1414 具有比芳纶 1313 更好的综合性能，它的出现 被认为是材料界发展的一个重要里程碑。可应用于航空航天工业中用于制造导弹的固体火箭发动机壳体和 用于制作大型飞机的二次结构材料（如机舱门、窗、机翼有关部件等）、国防工业中的防弹衣、防弹头盔、 防刺防割服、排爆服、高弹度降落伞、防弹车体、装甲板等。
2.3、我国芳纶需求快速增长，但自给率低，进口替代空间大
目前全球芳纶产能在 14-15 万吨左右，其中 4 万多吨为间位芳纶，8-9 万吨为对位芳纶，2020 年受疫 情影响，全球芳纶需求有所下降，为 8-9 万吨，同比下滑了 20%左右。目前全球芳纶纤维整体已出现供过 于求局面，但其中对位芳纶的供求形势依旧偏紧。国内芳纶纤维消费旺盛，2020 年我国对位芳纶需求量约 1.3 万吨，同比增长 13.0%，近 5 年复合增速 12.2%。但是，我国对位芳纶产量仍不足 3000 吨，进口量超 过 1 万吨，自给率只有约 23%。我国对位芳纶未来 5 年市场需求增长率将保持在 10%左右，到 2025 年需求 量将达到 2 万吨，算上间位芳纶，预计 2025 年我国芳纶需求将达到 3.5 万吨。
间位芳纶方面，国内有 60%左右用于相对低端的工业过滤领域，仅有 10%左右用于高端的绝缘与蜂窝 芯材领域，而国外 40%左右用于绝缘与蜂窝芯材领域，仅有 20%左右用于工业过滤领域。因此，我国芳纶产 业急需高端发展，并且仍有十分广阔的进口替代空间。
2.4、国际大公司占产能大头，国内公司正奋起直追
全球芳纶产能主要被国际大公司占据，我国占比相对不足。美国、日本和欧洲等国对芳纶纤维的生产 与研究较早，且一直处于世界前列，目前全球芳纶名义产能约 14-15 万吨/年。芳纶产能主要被国际大公司 占据，杜邦是全球绝对龙头企业，合计产能占 50%左右，日本帝人排在第 2 位；中国产能占比不足，约 20% 左右。芳纶行业的竞争相对寡头，而目前的市场容量相对较小。
高端仍需进口，国内已经走在产业化的路上。我国由于起步较晚，与发达国家还存在着很大的差距， 目前芳纶纤维的使用大部分还依赖于进口，尤其是对位芳纶，技术难度和性能指标远高于间位芳纶。但随 着我国对芳纶纤维的重视和投入，部分国产厂商在芳纶纤维市场也占有一席之地。如泰和新材已实现了芳 纶纤维的商业化生产，在国内芳纶纤维的产业化中走在前列，年产量逐年提升。总体来看，行业规模化生 产技术壁垒高、少数巨头垄断行业，新进入者威胁较小，具备批量生产能力的企业不多，买方议价能力一 般。而国内低端应用市场相对饱和，高附加值应用市场供不应求，具备大规模生产能力的企业数量不多， 企业间竞争较小，内部竞争压力不大。
泰和新材加速扩产，有望成为中国芳纶纤维巨头。泰和新材 2018 年公布了《未来五年发展规划》，明 确提出要形成间位芳纶产能 1.2 万吨，对位芳纶产能 1.2 万吨的计划，间位芳纶产能保持全球前二位，对 位芳纶产能跻身全球前三位。此外，2021 年泰和新材签署《托管经营框架协议》，托管国内间位芳纶第二 大公司超美斯，此举有利于公司整合双方及行业资源，实现差异化竞争和行业的良性发展，整体提升中国 芳纶产业在国际舞台的竞争实力。
2.5、小结
芳纶纤维具有优异的阻燃耐高温和高强高模特性，一直是国防军工领域的关键基础材料，主要用于军 警作战服、蜂窝结构材料，防弹衣、防弹装甲等。芳纶纤维产品主要有间位芳纶和对位芳纶两种，国内对 位芳纶国产自给率仅有 23%，存在巨大的替代空间，而间位芳纶，我国虽然产能充足，但从产品形态来看 都是低端的工业过滤材料，急需向高端发展。目前从全球竞争来看，行业基本被国外巨头所垄断，但国内 厂商经过自主发展，目前已经可以实现产业化，未来有望在国际舞台上进行竞争。
3、超高分子量聚乙烯纤维——个体防弹防护领域的首选纤维
3.1、比强度、比模量最高，理想的防弹、防刺安全防护材料
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，又称高强高模聚乙烯纤维，是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代 高性能纤维。是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其分子量在 100 万～500 万的聚乙烯所纺出的纤 维。
UHMWPE 纤维断裂伸长率高于碳纤维和芳纶，柔韧性好，在高应变率和低温下力学性能仍然良好，抗冲 击能力优于碳纤维、芳纶等，是一种非常理想的防弹、防刺安全防护材料，具体特点如下： 高比强度，高比模量。UHMWPE 纤维的比强度是优质钢材的 15 倍，是玻璃和尼龙 66 的 4 倍，是碳纤维 的 2.6 倍，是芳纶纤维的 1.7 倍，比模量仅次于特级碳纤维。 抗冲击性和抗切割性。UHMWPE 烯纤维断裂伸长低、断裂功大，具有很强的吸收能量的能力，在抗冲击 性能方面，UHMWPE 纤维复合材料的比冲击总吸收能量是碳纤维的 1.8 倍、芳纶的 2.6 倍，防弹能力是芳纶 装甲结构的 3.6 倍。由于质轻高强及比能量吸收高的特点，UHMWPE 纤维已逐步取代芳纶，成为个体防弹防 护领域的首选纤维。
耐温性差，UHMWPE 纤维的熔点在 145～160°C 之间，纤维在高温下性能会出现严重下降，限制了其在 某些高温作业环境下的应用； 抗蠕变性差，UHMWPE 纤维在长时间受力下分子之间易产生滑移，影响正常的使用，导致了其在持续受 力环境下无法发挥其优势； 复合粘结性差，由于 UHMWPE 纤维分子结构中不含有极性基团，无法与复合基体之间产生较强的作用 力，使其在复合材料方面的应用较为困难。
3.1.1、军事防护领域：防弹装备的首选材料，正在替代芳纶纤维
UHMWPE 纤维军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料，如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷 达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌等，其中以防弹衣的应用最为引人注目，UHMWPE 纤维制 备的防弹头盔在重量上要比传统材料轻 300～400g，并且防弹效果优于传统材料，现已成为占领美国防弹 背心市场的主要纤维。另外，国外用该纤维增强的树脂复合材料制成的防弹、防暴头盔已成为钢盔和芳纶 增强的复合材料头盔的替代品。（报告来源：未来智库）
3.1.2、航空航天领域：轻质高强，可帮助飞行器减重
在航天工程中，由于该纤维复合材料轻质高强和抗冲击性能好，因此可适用于各种飞机的翼尖结构、 飞船结构和浮标飞机等，并且 UHMWPE 纤维制备的飞机舱内结构件由于质量较轻可以大幅减少飞行成本。 该纤维也可以用作航天飞机着陆的减速降落伞和飞机上悬吊重物的绳索，取代了传统的钢缆绳和合成纤维 绳索，其发展速度异常迅速。
3.2、上游 UHMWPE 供应稳定，干法工艺国内有待突破
UHMWPE 纤维行业产业链来看，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)树脂、溶剂、萃取剂等处于上游，是生产超 高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维所需要的关键原料，下游为超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维的需求领域，主 要有海洋、军事装备、安全防护、体育器械、建筑、纺织领域等。
原材料 UHMWPE 竞争充分，供应稳定。在超高分子量聚乙烯纤维产业上游方面，UHMWPE 是制作超高分 子量聚乙烯纤维的主要原材料，2021 年预计其产量和需求量分别有望达到 38 万吨和 36.7 万吨。从供需来 看，UHMWPE 供应商已经形成了充分竞争的局面，超高分子量聚乙烯纤维的原材料供应状况较为稳定，各大 企业不断扩充产能，供应商充足。
数十年来，在前人的不断摸索下，发明了许多制备 UHMWPE 纤维的方法，主要包括：增塑熔融纺丝法、 固体挤出法、超拉伸或局部拉伸法、表面结晶生长法和冻胶纺丝-超倍拉伸法等，其中唯有冻胶纺丝-超倍 拉伸法实现了工业化生产。根据所采用的溶剂不同，又将 UHMWPE 纤维的冻胶纺丝-超倍热拉伸法分为两种， 干法工艺路线，即高挥发性溶剂干法凝胶纺丝工艺路线；湿法工艺路线，即低挥发性溶剂湿法凝胶纺丝工 艺路线。采用的溶剂和后续工艺是这两种工艺路线最大的区别，由于两类溶剂特性区别大，从而后续溶剂 脱除工艺也完全不同，各有优势。
国内湿法具有规模化生产，干法技术仍未完全掌握。干法冻胶纺丝路线所制备的 UHMWPE 纤维产品强 度高、产品质量稳定，属于高端产品。我国尚未完全掌握这一技术，因此，国内仅少数企业在使用干法路 线。湿法冻胶纺丝路线所制备的 UHMWPE 纤维在纤维强度、性能稳定性等方面比干法纤维稍差，属于中低端 产品，但是产品价格较低。在国内，湿法冻胶法纺丝路线比干法冻胶纺丝路线更加成熟，现阶段国内大部 分 UHMWPE 纤维生产厂家采用湿法路线，并已经具有了规模化生产的能力。总体来看，国内需要的高端产品 则仍然需要依赖进口，在高端 UHMWPE 产品方面我国与国际先进水平尚存在一定的差距。
3.3、供不应求态势明显，军事装备升级有望进一步拉动需求增长
随着超高分子量聚乙烯纤维性能的不断提升，军事装备、海洋产业、安全防护等下游领域的应用得到 了进一步拓展，超高分子量聚乙烯纤维的需求在全球范围内稳定增长。2020 年，全球超高分子量聚乙烯纤 维理论需求量约为 9.8 万吨，产能达到 6.56 万吨，仍处于供不应求状态，2015-2020 五年的需求复合增速 约 11%，那么维持这一增速，预计到 2025 年，全球 UHMWPE 纤维的需求量为 16.5 万吨。
我国 UHMWPE 纤维整体处于供不应求状态，高端产能紧缺。2019 年，我国超高分子量聚乙烯纤维总产 量和理论需求量分别约为 2.40 万吨和 4.15 万吨；2020 年，我国超高分子量聚乙烯纤维总产量和理论需求 量分别约为 2.10 万吨和 4.91 万吨。我国超高分子量聚乙烯纤维行业整体处于供不应求的状态。尽管 2011 年之后我国超高分子量聚乙烯纤维的产能已经超过全球总产能的 50%，但是国内的超高分子量聚乙烯纤维 整体呈现中低端产能富余、高端产能紧缺的情况，虽然名义产能高，但受产品性能、成本控制的影响，一 些低端产线已经无法运营。我国超高分子量聚乙烯纤维企业在医用缝合线、雷达天线罩等高端应用领域的 产品研发仍处于起步阶段，在产品一致性及稳定性、抗蠕变产品等细分领域仍处于不断追赶海外龙头公司 的位置。
国内 UHMWPE 纤维军用占比低，未来需求修复有望带动快速增长。欧美市场超高分子量聚乙烯纤维下 游应用领域中，防弹衣和武器装备占比约 70%，而中国市场超高分子量聚乙烯纤维下游应用领域中，防弹 衣和武器装备占比仅约 32%。在军事装备和安全生产领域，超高分子量聚乙烯纤维一直在向高强度、高模 量、细旦化方向发展，纤度越低，制成的防弹制品和防切割手套等产品就越柔软、舒适，便于使用者穿戴， 超高分子量聚乙烯纤维作为现代国防必不可少的战略物资，随着产业技术水平的持续提升，军事装备领域 的需求日益增长，有望带动国内 UHMWPE 纤维需求快速增长。
3.4、我国是 UHMWPE 纤维的大国，但不是强国
在国际市场上，荷兰帝斯曼公司、美国霍尼韦尔公司等是代表性龙头企业。帝斯曼于 1979 年采用干法 凝胶纺丝技术，制备出了超高分子量聚乙烯纤维。20 世纪 80 年代～90 年代，荷兰帝斯曼、美国霍尼韦尔、 日本东洋纺等企业分别实现了该纤维的产业化生产。
低端竞争激烈，高端需实现进口替代。在国家的大力支持与科研人员的共同努力下，我国的 UHMWPE 纤 维产业得到了飞速的发展，我国也成为 UHMWPE 纤维的生产大国，在全球市场上已经具有较大话语权。比 如，由于我国企业参与到市场竞争中，国外巨头一款产品的价格目前已比 15 年前下降了 50%多。但我国是 不能称为 UHMWPE 纤维强国。
无论是生产技术还是生产设备都与世界先进水平存在一定的差异，国产 UHMWPE 纤维的力学性能仅达到发达国家同类产品的中等水平；且纤维的纤度和强度的均匀率较差，在高端产品方 面缺乏竞争力，国产 UHMWPE 纤维主要被用于制备绳索产品，而用于制备防弹头盔、防弹衣的高端 UHMWPE 仍需依赖进口。因此目前国内 UHMWPE 纤维企业正加速研发，建设高端产能，以同益中为代表，公司产品已 应用于我国单兵装备、航空航天、海洋工程、舰艇缆绳等关键领域，成功实现了进口替代。并且公司于 2021年成功上市，其募集资金将主要用于扩充产能规模，将建设年产 4060 吨纤维产业化项目(二期)、防弹无 纬布及制品项目。伴随着资本和产业的有效结合，我国高端 UHMWPE 纤维规模的扩张，国产超高分子量聚乙 烯纤维行业正在开启新发展阶段。
3.5、小结
超高分子量聚乙烯纤维是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，具有超高强度、超高模量、低密度、 耐磨损、耐低温、耐紫外线、抗屏蔽、柔韧性好、冲击能量吸收高及耐强酸、强碱、化学腐蚀等众多的优 异性能，被广泛应用于军事装备、海洋产业、安全防护、体育器械等领域。
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精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站
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