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▌碳纤维是轻质高强的航空航天材料

碳纤维是典型高壁垒行业

碳纤维是由有机纤维(粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等)在1000C以上的高温环境下裂解碳化形成的一种含碳量高于90%的无机纤维。

根据原丝种类,碳纤维主要可分为聚丙烯腈(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%,沥青基碳纤维约占8%。

碳纤维材料具有高强度、低密度等优质特性。碳纤维具有低密度、高强度、耐高温、高化学稳定性、抗疲劳、耐摩擦等优异的基本物理及化学性能,并有高振动衰减性,良好的导电导热性能、电磁屏蔽性能以及较低的热膨胀系数等特性。



碳纤维及复材加工流程复杂,工艺难度高,具有很高的技术壁垒。

完整的碳纤维产业链包括从原泰国电影模范生油到获得丙烯,再聚合成聚丙烯晴,经过结丝、氧化、碳化后得到碳纤维,与树脂、陶瓷等材料结合,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。

根据茅于轼事件始末基体材料的不同,碳纤维复合材料有树脂基、碳基、陶瓷基、金属基等多种形式,其中,树脂基复合材料是使用最广泛的碳纤维复合材料。

制作碳纤维的产品需要高温固化、真空导入、热压罐等生产工艺,全过程流程长,精度要求高,需要开发高精度模具,研制成本非常高。



需求增长迅速,航空航天为主要应用领域

我国积极鼓励支持碳纤维产业发展。

2015年5月,国务院正式发布《中国制造2025》,把新材料作为重点领域之一进行大力推动和发展,其中高性能结构材料、先进复合材料是新材料领域的发展重点。

2015年10月,工信部正式公布了《中国制造2025重点领域技术路线图》,将“高性能纤维及其复合材料”作为关键战略材料,2020年的目标为“国产碳纤维复合材料满足大飞机等重要装备的技术要重生之庸臣求”。

2016年11月,国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》,明确指出加强新材料产业上下游协作配套,在碳纤维复合材料等领域开展协同应用试点示范,搭建协同应用平台。

2017年1月,工信部、发改委、科技部、财政部联合制定《新材料产业发展指南》,提出到2020年,“在碳纤维复合材料、高品质特殊钢、先进轻合金材料等领域实现70种以上重点新材料产业化及应用,建成与我国新材料产业发展水平相匹配的工艺装备保障体系。”



美日技术领先,垄断全球

技术先进国家在碳纤维技术发展初期已经意识到该材料的重要性,纷纷进行战略布局,大力推动碳纤维材料研发。目前碳纤维主要生产国家包括日本、美国、欧洲和韩国等国家。

目前,世界碳纤维技术主要掌握在日本公司手中,其生产的碳纤维无论质量还是数量均处于世界领先地位。

日本是全球最大的碳纤维生产国,日本的东丽公司、东邦公司和三菱丽阳公司拥有全球丙烯腈基碳纤维(小丝束)近50%市场份额,其中日本东丽公司是世界上高性能碳纤维研制的“领头羊”。

▌碳纤维复合材料带来产业链变革

碳纤维复合材料与铝合金、钛合金、合金钢并称为飞机机体的四大先进结构材料,在小型商务飞机和直升飞机上的使用量达到70%~80%,在军用飞机上占30%~40%,在大型客机上占15%~50%。

碳纤维复合材料以CFRP为主。碳纤维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,与其它材料具有很高的相容miui,黑白画,calm性,兼备纺织纤维的柔软可加张境原坐月子工性,并且容易复合,具有很大的设计自由度。

目前碳纤维复合材料以树脂基复合材料(CFRP)为主,占全部碳纤维复合材料市场份额的90%以上。

CFRP具有质量轻等一系列突出的性能,在对重量、刚度、疲劳特性等有严格要求的领域以及要求高温、化学稳定性高的场合,碳纤维复合材料都具有茄红素护肤系列很大优势。



民用飞机CFRP比例不断提升

碳纤维复合材料在军民用飞机上的用量逐年增加。由于碳纤维复合材料具有低密度、高比强度、高比模量、可设计性强、等优点,在飞机上采用先进复合材料可以大主考官自助烤肉幅度减轻机体结构质量、改善气动弹性,提高飞机的综合性能,大批量飞机零部件相继采用碳纤维复合材料,并且采用复合材料的面积、部位和重量也日趋增加。

将碳纤希琳娜依维复合材料应用于飞机结构中可相应减重20%-30%,这是其他先进技术很难达到的效果,而且还可以带来结构和性能的改善,以及运营成本下降的综合效益。因此,复合材料在军民用飞机上的用量正逐年增加。但由于民机对安全性、可靠性、经济型的要求高于军机,因此在应用上更加保守和延后。

由次承力构件向主承力构件过渡北外星光,碳纤维复合材料在客机上的应用比例逐步提升。

20世纪80年代开始,碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件,在早期的A310、B757和B767上,碳纤维复合材料的占比仅为5%-6%,随着技术的不断进步,碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在客机上,其质量占比也开始逐步提升,到A380时,复合材料英超足球宝贝占比达到23%,具体应用在客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等,次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料等,开创了先进复合材料在大型客机上大夕乐购规模应用的先河。

而最新的B787和A350,复合材料的用量达到了50%以上,有更多部件使用碳纤维,例如机头、尾翼、机翼蒙皮等,使用量大大提升。

就国内民用客机产业而言,在2017年首飞的C919大客机上,使用的复合材料占到名器王天守飞机结构重量的12%,其应用范围涵盖方向舵等次承力结构和飞机平尾等主承力结构,主要包括雷达罩、机翼前后缘、活动翼面、翼梢小翼、翼身整流罩、后机身、尾翼等部件,其中尾翼主盒段和后机身前段使用了先进的第三代中模高强碳纤维复合材料,主承力结构、高温区、增压区使用复合材料在国内民用飞机研制中也属首次。

2018年珠海航展上亮相的中俄合作研制的280座远程宽体客机CR929复合材料使用比例有望超过50%。

碳西斯卡纤维复合材料应用于客机具备四大优势:

CFRP广泛作为军机结构材料

在碳纤维复合材料使用初期,因为价格昂贵、性能好,因此多应用在航空领域,尤其是军用飞机制造领域。

统计显示,在世界范围内,军用飞机使用碳纤维复合材料的数量约占所有军用飞机总材料的35%,直升机则在75%左右。

碳纤维复合材料已广泛应用为军机结构材料。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25%和35%,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。

根据不完全数据统计,国外的军用飞机使用的碳纤维材料已经可以达到全部机身的40%以上,碳纤维增强树脂基复合材料的比例越高,飞机作战技术就越好。

目前,一些欧美国家的轻型飞机基本实现材料的复合化应用,这就使得飞机更加轻盈、飞行的安全性更高。



在战斗机和直升机上,碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件。

国外将碳纤维/环氧和碳纤维/双马复合材料应用在战机机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能,数据显示采用复合材料结构的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%;

复合材料垂直安定面可减轻质量32.24%。用军机战术技术性能的重要指标结构重量系数来衡量,国外第四代军机的结构重量系数已达到27~28%。

未来以F-22为目标的背景机复合材料用量比例需求为35%左右,其中碳纤维复合材料将成为主体材料。

国外一些轻型飞机和无人驾驶飞机,已实现了结构的复合材料化。目前主要使用的是T300级和T700级小丝束碳纤维增强的复合材料。

我国飞机产业链碳纤维需求空间巨大

由于具有质轻、高强度的属性,碳纤维在航空航天领域唐僧呼死你有广泛应用。碳纤维相对于钢或铝,减重效果可以达到20%至40%,在航空航天领域,主要应用于飞机的结构材料(占飞机重量的30%左右),使飞机重量减轻6%至12%,从而显著地降低飞机的燃油成本;

此外碳纤维也能够克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增强飞机的耐用性;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。

飞机产业对碳纤维的需求增量主要来自两大因素:一是碳纤维复合材料在飞机结构材料中的应用比例不断提高,二是飞机订单的增长。

▌我国飞机碳纤维产业正处在爬坡阶段

我国碳纤维产业取得长足进步

自2000年起,我国碳纤维产业经历了近18年的高速发展。

在2005年,我国就进行了原丝技术的转型升级,截止2014年,碳纤维第一轮产业化建设基本完成。

国产碳纤维行业实现了快速发展,目前生产能力初具规模,应用领域不断拓展,已初步建立起碳纤维制造和应用的全产业链。

目前我国碳纤维产业正处于产业整合阶段,现已建立起国产聚丙烯腈碳纤维技术体系,确立了主流技术方向;初步形成了从实验室研制到产业化的国产碳纤维研发生产平台,并同时建立了国产高强碳纤维应用评价、符合材料制备与应用体系。



从产能上看,我国碳纤维产能2006年至2009年增速较快,在经历2010年增速触底后,2011年至今,我国碳纤维产能始终保持稳定增长。

受国内中复神鹰、吉林精功等碳纤维生产企业千吨级生产线建成投产以及吉林化纤等企业原丝产能提升影响,我国碳纤维理论产能在2017年同比大幅增长44%,达到2.60万吨。

在未来2-3年中,碳纤维生产厂商仍有多条千吨级生产线将陆续建成,我国碳纤维理论产能预计仍将保持较快增长态势。

随着中国在碳纤维领域投入的不断增大,中国碳纤维产量占世界份额也不断提高。

从产量上看,据中国化纤工业协会统计,2010年至2014年期间,我国碳纤维产量从1500吨增至3200吨,增长了1倍,年均增长20.9%。

据测算,近年来我国碳纤维产量保持较快的增长速度,2015年我国碳纤维产量约为3840吨,2017年产量已经提升至7000吨左右。

近年来在国家相关部委的推动下,我国碳纤维产业在产业化和规模化发展方面取得了重大突破。

从2014年开始,中国市场的碳纤维产业进入前所未有的新的发展阶段,在我国完整的碳纤维研发链条下的碳纤维工程化研发出现了阿鑫博客加速发展的势头,初步形成了以山东、江苏和吉林等地为主的碳纤维产业聚集地,培育了威海拓展、中复神鹰和江苏恒神等碳纤维生产星际安魂曲骨干企业和一批碳纤维复合材料及制品企业。

目前可爱宝贝看医生我国已经攻克了国产T300级碳纤维、国产T700级碳纤维和国产M40石墨纤维的工程化和应用问题,解决了以上这3种材料的有无问题;

突破了国产T800级碳纤维和国产M40J石墨纤维的关键制备技术,实现了工程化生产,主体力学性能达到东丽T800碳纤维和M40J石墨纤维水平;突破了国产T1000碳纤维和M50J、M55J、M60J石墨纤维实验室制备技术,具备开展下一代纤维研发的基础

2016年2月15日,中国突破日本管制封锁研制出高性能碳纤维。

2019年2月,中复神鹰再立新功,T1000级碳纤维取得突破性进展,中国完全自主研发的百吨级T1000碳纤维生产线已实现投产且运行平稳。这标志着我国高性能碳纤维再上一个新台阶,迈入了向更高品质发展的新时代。使用碳纤维作为关键材料的六代机,在未来非常值得期待。

近日,中国在T-1000级超高强度碳纤维领域的研究取得了重大突破。

中国科学院山西煤炭化学研究所研究员张寿春团队所制备的聚丙烯腈基超高强度碳纤维顺利通过验收,并成功开发聚丙烯腈基新型中空碳纤维。

这些技术长期被日本和美国公司垄断,特别是T-1000及其以上级别的超高强度碳纤维更是高端产品,是对我国封锁的重中之重。

此次取得的研究突破将有助于我国高性能碳纤维多品种、系列化发展,对于结构轻量化和多功能化应用具有积极意义。

同时这对于我国飞机碳纤维行业具有非常重要的意义,是提高国产武器装备性能的重要物质基础之一。

实现碳纤维产业化的企业仍然稀缺

虽然我国碳纤维进口替代空间以及应用市场空间巨大,但这并不等同于潜在订单,行业的健康发展还是要回归到以市场为主导。

目前碳纤维行业内还存在各种问题,实现产业化的企业仍然比较稀缺。

碳纤维企业包括两类,一类是真正的碳纤维生产企业,多数则是碳纤维复合材料制品生产企业。

这两类企业的生存环境截然不同,前者需要巨额投资,且影响参数众多,运行参数随所用设备和原材料而变,无可借鉴的经验,往往运行数年,仍无法生产出满足用户要求的产品,正是这类企业面临着破产的危机。

后者相对而言投资较少,通常可以盐海肉块在较短的时间内即可生产出满足用户要求的复合材料制品,达到收支平衡,进而盈利。

其次对国内的碳纤维生产厂家生产,按所采用的技术路线可把现有的生产线分为三类,这三类技术路线所建立的生产线各生产不同的产品,用于不同的工业领域,互相间不可能兼顾。

2017年国内主要的碳纤维企业中2017,产能千吨以上有7家公司,产能在500-1000吨之间有4家公司,产能在100-500吨之间有7家公司。

而且7家千吨级碳纤维企业的理论产能已经占到全国的84.8%,产业十分集中。通过分析这几家企业的项目收益,可以发现,基本上所有的碳纤维企业都要经历以下五个阶段:建设期、试生产期、稳定期、达标期、满意期。

从建设期开始到产品达标的周期长短是检验碳纤维投资项目成败的重要标准。目前国际水平基本是12-14个月,这个产品达标的含义是:不仅包含生产线A等品的比例(90%以上),还包含产品的预计成本达标(其中,资本投入、能耗消耗、原丝得率、人工消耗均要达标)。



这个“达标周期”,可以成为一个单位工程能力与效益的评价指标。在任何一个行业,只要技术没有达到天花板,均存在:利用技术重大创新机遇的商机。所以在项目投入之前,投入足够的资金和提高技术水平是十分必要的。

但并不是我们将碳纤维量产后就能实现产业化,国产碳纤维产业化链条离不开下游产业艳妃惑夫复合材料产品的产业化。

碳纤维复合材料一弯春情水得到大量应用的领域例如,体育休闲、航空航天,风电叶片,都是国外碳纤维厂商拔得头筹。

那是因为所有这些领域的复合材料产品都是首先由国外厂家设计和制造出来,下游复合材料产业化,对于原材料的需求就会为上游企业创新提供源动力,因而当下复合材料所需的碳纤维的标准也都是国外制定的。

在当下国外碳纤维企业领先的局面下,国产碳纤维进入的首要条件必须在把性能做到与国外基本相当后还必须打价格战。

在此背景下,碳纤维厂商只能立足于自身改进工艺,提高性能,降低成本。想要实现这一目标,国产企业就必须经历长期的准备阶段,这个阶段需要投入大量的人力物力财力,而且结果可能不一定是你所预期的那般。

目前国内碳纤维企业生产碳纤维的成本普遍都高于140元/kg,不亏本经营的唯一出路是成为航空航天行业的供应商,这也是本世纪初众多投资商投资碳纤维企业的初衷。

由于成为航空航天产品供应商的门槛、需求量的限制以及进行型号鉴定的机遇,只有少数(2~3家)企业有幸进入了该领域供应商的行列。所以大多数碳纤维产业都需要寻找其它出路。

在国产碳纤维性能略低于国外碳纤维的当下,只能进入低端复合材料市场,当然只能卖“白菜”价。

说到底,因为我们不掌握复合材料制品的核心技术,只能遵从国外厂商制订的材料规范,国产碳纤维没有任何发言权。

在这种情况下,国产碳纤维厂商的唯一出路就是按照国外的碳纤维材料规范,生产符合其要求的产品,并尽可能降低成本。

打破僵局的方式就是主动掌握碳纤维复合材料制品的开发权,按照国产碳纤维实际达到的性能和用户对产品的性能要求,设计和制造出全寿命成本优于其他结构材料的复合材料制件。

为突破国外严格的技术、装备封锁,加快本国碳纤维的产业化进程和应用市场开拓,中国碳纤维企业还要坚持不懈地钻研。(报告来源:东兴证券/分析师:陆洲)

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