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碳纤维行业下游需求旺盛,国产替代潜力大

碳纤维行业下游需求旺盛,国产替代潜力大

  • 分类:投资研究
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  • 发布时间:2020-09-07
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碳纤维行业下游需求旺盛,国产替代潜力大

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  • 分类:投资研究
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碳纤维行业下游需求旺盛,国产替代潜力大

碳纤维(carbonfiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”,质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。碳纤维具有许多优良性能,碳纤维的轴向强度和模量高,密度低,非氧化环境下耐超高温,耐疲劳性好,比热及导电性介于非金属和金属之间,热膨胀系数小且具有各向异性,耐腐蚀性好,X射线透过性好。碳纤维与传统的玻璃纤维相比,杨氏模量是其3倍多;它与凯夫拉纤维相比,杨氏模量是其2倍左右,在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀,耐蚀性突出。

碳纤维与其他材料性能对比

 

 

碳纤维被誉为21世纪的“新材料之王”,具有优越的物理和化学性能,其重量不到钢的四分之一,但抗拉强度远远强于钢铁,且抗拉弹性、比强度、比模量均显著优于钢,还具有耐高温、耐腐蚀等优点。这些优异的性能给碳纤维带来了广阔的市场前景,被广泛应用于石油化工、航空航天、体育用品、交通运输等领域。

国内外对比分析

目前,全球已经形成以日本、美国为代表的典型生产线,东丽集团采用DMSO技术路线,三菱丽阳采用二甲基甲酰胺技术路线,东邦公司则采用氯化锌技术路线。国外碳纤维企业单线产能大,T300级别的碳纤维产能一般达到2,000吨以上,生产线的工位多,生产速度快,干喷湿纺速度的可达400米/分钟,碳化速度可达15米/分钟。

我国碳纤维产业在过去10年间已实现了“从无到有”的突破,工艺技术不断提升,工艺装备不断优化,应用领域不断拓展。目前我国碳纤维总产能约1.5万吨/年(2016年全球产能约12.8万吨/年),实际年产量仅为4000吨,开工率约20%。30多家国产碳纤维企业的规模普遍偏小,单体企业年产能约为1000吨~3000吨(东丽产能2.11万吨)。国内碳纤维企业以生产小丝束碳纤维为主,大丝束碳纤维制备部分企业尚在试生产中。

下游市场快速扩大,应用领域技术突破点众多

复合材料界经常说;设计是龙头、材料是基础、制造是关键、应用是目的、维护是保障。我们认为,在旺盛的下游需求的带动下,会有越来越多的企业投入研制碳纤维复合材料的设计开发中来,从而掀起新一轮的碳纤维应用技术革命。

 

中国和全球碳纤维应用分市场需求情况

 

 

现代碳纤维材料始于军用,目前航空航天为重要应用领域。碳纤维复合材料是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比,碳纤维复合材料可使飞机减重20%-40%,并有能力克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增强了飞机的耐用性;复合材料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。在军用航空领域得到了广泛应用和快速发展,碳纤维复材渗透率不断上升。目前来看我国从现役主战二代机J-7碳纤维占比3%,J-10碳纤维占比6%,到第三代战机J-11碳纤维占比约为10%,第四代战机J-20碳纤维占比20%,技术进步明显。虽然与美国第四代战机30%的平均碳纤维用量仍有较大差距,但我国军机碳纤维使用比例仍有巨大提升空间。C919大飞机的生产线也带动了航天航空用碳纤维下游技术的增长,尤其在大尺寸复合材料一体化成型和低成本制造领域中均获得较大技术进展。在中国制造2025中,碳纤维被列入战略材料,规划预计2020年国产碳纤维用量达4000吨以上,满足大飞机技术要求,到2025年高性能碳纤维基本实现自主保障。

在风电领域,目前中国是全球最大的风电市场,风电市场体量大、发展快。预计未来几年中国新增装机容量仍将保持较高规模,风电市场需求量广阔。碳纤维替代玻璃纤维做叶片材料目前已成为市场上的主流趋势。当风力机超过3MW、叶片长度超过40米时,碳纤维叶片的优势已明显高于一般的玻璃钢复合材料所制造的扇叶,相应生产成本增加很少,效率却提升一倍。目前,Vestas是全球以碳梁开发大功率风电叶片的最主要的客户,在全球设有多处叶片工厂。另外,除Vestas以外,国内下游风电叶片厂家如金风科技,明阳智能等也同时积极研发相应技术,远景风电已经开始用拉挤板制作样机。目前国内碳纤维用量在风电叶片中的占比均快速提升,2015至2019年,国内风电用碳纤维用量的复合增速高达97.8%。

国内风电叶片碳纤维用量(千吨)

 

 

新能源汽车市场也是碳纤维我国碳纤维需求潜力较大的市场之一。随着汽车行业轻量化的发展,碳纤维材料在汽车领域的应用也越来越多。目前消费者对纯电动汽车最大的障碍之一应该就是里程焦虑的问题,为了更有效的提高纯电动汽车的续驶里程,车身的轻量化就至关重要。碳纤维除了可以制造更轻的车身结构之外,在新能源汽车中,也能用来制作燃料电池堆或者储存氢气的高压储气罐,从而更好地保证储气罐的安全。我们认为高压储气罐市场是先进复合材料,尤其是碳纤维缠绕复合材料用量最大、增长最快的市场之一。预计在2025年用于燃料电池车辆(FCV)的复合压缩天然气和氢气瓶所消耗的碳纤维几乎与风力涡轮机叶片的预计消耗量相同,比汽车,铁路和其他地面运输的底盘和车身部件预测的消耗量多50%,是航空航天领域的两倍。

碳纤维在新能源汽车上的使用情况

 

 

我国碳纤维的研制正处于T300通用级向高性能T700和T800的过渡期,因此,高性能碳纤维几乎完全靠进口,市场期盼和等待国产高性能碳纤维早日上市以满足各行各业的需求。攻坚核心技术(氨化、皮芯结构)、制造关键设备(高压水蒸汽牵伸机、预氧化炉、低温碳化炉)和严格品质监管,步步提升,加快发展。雄厚资金是研发的前提,技术进步是发展的基础,有序竞争是优胜劣汰的市场规律。国家的支持,市场的需求,有实力企业的介入,必将促进高性能碳纤维的早日产业化。

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