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    行業深度:碳基復合材料,三大賽道百億空間
    來源: | 作者:碳谷集團 | 發布時間: 2022-08-19 | 218 次瀏覽 | 分享到:
    碳基復合材料,三大賽道百億空間

    什么是“碳基復合材料”?

    簡單來講,就是碳纖維和石墨,或者石墨烯制造而成的復合材料。

    這種材料,耐高溫,強調大,并且,且強度隨溫度的增加不降反升,同時具備高尺寸穩定性、化學惰性、高導熱系數、高導電性、穩定的摩擦因數、抗核輻射、高溫下的高模量等等優點。

    總之就是一種先進材料,可以用于光伏熱場、新能源車的制動盤和軍工導彈喉襯。

    市場空間方面,機構測算,未來市場空間超百億;競爭格局方面,這個行業技術門檻比較高。

    碳碳光伏熱場賽道,2020-2025年市場空間CAGR為14%。


    1、熱場包含四大核心部件,新增+替換構成需求主體

    四大核心部件(導流筒、坩堝、保溫筒、加熱器)構成熱場系統主體。單晶拉制爐熱場系統主要包括導流筒、坩堝、保溫筒、加熱器等;并且導流筒、坩堝、保溫筒、加熱器這四大部件的價值量已在單晶爐熱場系統中超過60%。

    熱場耗材屬性明顯,新增+替換構成需求主體。

    單晶拉制爐熱場系統零部件的替換十分重要,單晶熱場中坩堝和加熱器的替換周期約6-8個月,相比較石墨坩堝的每年換10次的頻率減少很多,保溫筒替換周期是18個月,導流筒替換周期約2年,在單晶爐不更換的情況下,消耗件因壽命問題也需定期更換,同時這些熱場部件的定期消耗替換,會使相關的市場空間持續擴大。


    2、大型化+加速降本,碳碳材料逐步替代等靜壓石墨

    1)工藝角度看,熱場尺寸大型化過程中,石墨減材成型帶來生產成本的大幅提升,催生碳碳材料的替代。

    等靜壓石墨熱場生產環節較多,生產周期較長,而且需要氯氣,在大型化過程中,其強度不足以保證產品安全,結構和性能不可調,同時減材成型工藝注定在大型化后生產經濟性較差。石墨熱場供應企業主要是以西格里和東洋碳素為代表的海外企業。

    考慮到生產特性,一般熱場直徑是拉棒直徑的三倍,2021年以來,210硅片(12英寸硅棒)滲透率快速提升,為保證單晶爐長期競爭力,新上產能以采用36英寸熱場為主,行業大型化進程加速,碳碳材料也實現對傳統石墨的加速替代。

    2)性能角度看,碳碳材料各理化性能顯著優于石墨,產品使用壽命也有顯著提升。

    碳碳材料由于理化性能優異,產品的使用壽命長,能夠提高設備的利用率和減少維修成本,同時相比于石墨材料產品,它的可設計性強,可以做的更薄,并且能利用現有設備生產更大尺寸、大規模的熱場。此外,石墨材料主要是由石墨顆粒壓制成型的脆性材料,高溫下易產生裂紋,影響拉晶的效率和晶體的質量,若坩堝燒壞,硅料還會把爐底燒穿,而碳碳材料的安全性更高,隔熱保溫效果好,不會發生脆斷事故。另外碳碳材料中的碳灰分很低,能夠有效控制單晶硅的含碳量,而石墨揮發出的雜質會污染硅熔體從而影響質量。

    3)成本角度看,碳碳熱場處于快速降本通道中。

    目前,光伏熱場行業都是依靠進口的等靜壓石墨,其供貨周期長和生產成本高都制約了降本和擴張規模的進程。而碳碳材料熱場,受益于產品尺寸及氣相沉積爐的大型化,生產效率及能耗顯著下降,大型爐臺相較微型爐臺單位產出功率下降超過50%,帶來能耗的顯著下降。

    受益行業大型化轉型趨勢,碳碳材料加速替代石墨材料。

    分產品來看:坩堝和導流筒作為受力部件,由于石墨的高溫脆性大,碳碳材料已率先實現替代,坩堝滲透率超95%,導流筒超60%;

    同時,由于碳碳材料的抗熱抗振能力更好,保溫桶也逐漸采用碳碳材料,滲透率超過55%。


    3、硅片擴產需求快速提升,行業供需相對平衡

    新能源轉型大勢所趨,全球市場迎來共振。

    從全球角度去看,中國、歐洲、美國是光伏發展的主要市場,決定了全球的光伏裝機需求。

    未來幾年,美國市場有望受益于ITC政策延期,在未來2-3年實現裝機需求的大幅增長,長期來看,為滿足2030、2050年的排放目標,根據SEIA估計,2030年美國光伏年新增裝機量有望達到125GW。

    歐洲市場一方面受益于越來越嚴苛的環境目標,同時也受益于傳統能源價格提升帶動PPA價格上行,光伏裝機需求快速增長。根據CPIA的預測,樂觀情形下,2022年全球新增光伏裝機將達到240GW,到2025年將達到330GW。

    1)新增需求:近期規劃/建設中硅片產能合計超過300GW

    通過對光伏行業主要上市公司及非上市公司的產能規劃梳理,當前行業規劃/建設中產能超過300GW,其中約有264GW產能是光伏上市企業發布的投資公告,考慮到下游裝機需求的快速提升,以及上市公司充足的融資渠道,預計這部分產能落地可能性較高。

    當前單GW硅片產能對應單晶爐需求約為75-80臺,按照326GW擴產規劃計算,對應單晶爐需求約為24450-26080臺,按照單臺單晶爐對熱場部件需求0.27噸/臺計算,當前硅片擴產對應的新增熱場部件需求約為6602-7042噸,這部分需求預計將在未來2-3年逐步釋放。


    2)替換需求:200GW既有硅片產能對應約3500噸/年熱場需求

    碳基復合材料熱場部件為消耗品,坩堝的使用壽命約為6-8個月,導流筒的使用壽命約為2年左右,保溫筒的使用壽命為1年半左右。簡單測算,每臺單晶拉制爐每年對碳基復合材料熱場部件的替換性需求約為0.225噸。

    考慮到下游裝機需求及容配比,假設2022年對應硅片產量需求或將達到300GW,假設已有產能貢獻產量為200GW,則對應老產能在產爐臺為15000-16000臺,對應熱場的替換需求約為3375-3600噸/年。

    4、市場空間測算

    1)國盛證券測算

    綜上,保守估計新增產能于未來三年逐步釋放,則預計2022年,新增+替換合計對于碳碳熱場的需求約為5600-6000噸/年。

    供給方面,行業頭部企業加速推動產能擴張,根據各公司公告,天宜上佳于2021年年底已形成約2000噸產能;金博股份2021年產能為1600噸,在建項目建設完成后形成1950噸產能,另外擬通過定增募資建設1500噸產能,預計2022年有效產能將達到2500噸左右;美蘭德擬新增約800噸產能;西安超碼擬新增350噸產能??傮w來看,行業供需相對較為平衡。

    2)浙商證券測算

    核心結論:

    2021年碳碳熱場市場空間約31億元,2020-2025年復合增速達14%。

    預計到2025年,單晶碳碳熱場改造需求市場空間約0.3億元,占比1%;替換需求市場空間為41.5億元,占比89%;

    新增需求市場空間達5.0億元,占比11%??傮w趨勢為替換需求占比持續提升,新增、改造需求占比逐步下降。


    5、市場格局

    光伏熱場碳碳復材產業鏈上游原材料主要有碳纖維及碳纖維預制體、樹脂、丙烯等化工產品,中游為光伏熱場供應商,下游為光伏行業的硅片及電池組件供應商。

    主要廠家有,天宜上佳、金博股份、超碼科技(中天火箭子公司)、美蘭德等。

    產能方面,根據各公司公告,浙商證券測算2022-2024年碳碳熱場市場合計產能達5167/7288/7919噸,對應需求為5026/6155/6947噸,考慮產能折損和庫存效應,未來三年市場供需處于緊平衡狀態。

    隨頭部廠商加速擴產、低端產能出清,頭部企業市占率(按產能)有望從80%提升至86%。


    碳陶制動盤順應輕量化需求,大交通藍海市場發展潛力大

    1、碳陶為性能優良制動材料

    制動系統主要包括盤式制動和鼓式制動兩種,其中盤式制動因有著更優的制動效果而成為主流,系統主要由剎車盤、卡鉗和活塞組成。

    當汽車做出制動動作時,活塞施加壓力使卡鉗卡住剎車盤,通過襯片和制動盤之間的摩擦力使剎車盤停止轉動,進而使與剎車盤相連接的車輪停止轉動,其中活塞數量影響施加的制動力,襯片與制動盤的材料屬性影響最終的剎車效果,剎車盤除應具有作為構件必須的強度和剛度外,還應有盡可能高而穩定的摩擦系數,以及適當的耐磨性、耐熱性、散熱性和熱容量等。

    汽車和高速列車等現代交通工具的剎車材料經歷了從鑄鐵、合成材料、粉末冶金材料到碳碳復合材料和碳陶復合材料的發展。

    其中,碳陶復合剎車材料是20世紀90年代發展起來的一種以高強度碳纖維為增強體,以熱解碳、碳化硅(SiC)等為基體的多相復合剎車材料,是在碳碳復合剎車材料的基礎上,引入具有優異抗氧化性能的碳化硅陶瓷硬質材料作為基體的一種剎車材料

    碳陶&金屬剎車盤對比:相比金屬,碳陶剎車盤安全性和制動性能上表現更優,天然適用于電動車

    (1)安全性:碳陶搭載的車型以性能車為主,因性能車加速度更大,車身載重高、電池電機功率高,所以在加速度很大的情況下需要保障行車制動安全性,雖然普通金屬也可以滿足需求,但是剎車制動中會有溫度上升,金屬溫升會導致摩擦系數變化;

    (2)制動性能:制動性能上碳陶更有體驗感,不存在剎車中的頓挫感。


    2、國內電動車彎道超車,有望加速推動國產化進程

    基于碳陶材料出眾的性能優勢,其已在軍用飛機、高端汽車剎車系統取得了一定的應用,未來有望成為新一代飛機、高鐵和汽車剎車材料。

    1)飛機:國內首次應用,發展前景廣闊。

    2017年,由中航工業與西工大合作開發碳陶飛機剎車材料成全球首創,且成功在我國軍機得到運用。

    據《中國民航報》報道,中航工業制動已完成400多爐次碳陶剎車盤的批產考核,生產了10多個機種10000余件碳陶剎車盤,慣性臺試車考核10000余次。

    已批量裝機碳陶剎車盤120余架份,累計安全飛行10000余個起落,具備完善的技術底蘊。

    目前碳陶剎車盤也已在殲20、殲10B、殲15、運20等主力戰機上應用,并被各大媒體評價為我國戰機相對于外國戰機的性能優勢之一。

    2)高鐵:碳陶剎車材料仍在試車實驗中,市場待開啟。

    目前國內外高鐵剎車材料均以粉末冶金閘片為主,碳碳/碳陶因部分性能未得到圓滿解決,目前應用較少,仍處試車階段。

    國內以天宜上佳(688033)為代表的龍頭公司正在進行相關項目的研發并取得了階段性成果,技術水平處于國際領先水平,未來將主要應用于新型時速400公里及以上時速動車組。

    3)汽車

    20世紀90年代,德國宇航院(DLR)以高檔轎車剎車盤為應用目標,對碳陶剎車材料進行了研究并獲得了成功,碳陶剎車盤憑借其優異的性能在高端跑車中得到了廣泛的應用。

    目前受限于汽車碳陶制動盤的生產成本相對較高,其主要應用于高性能跑車以及后市場改裝車等領域。

    基于當前背景,國盛預計新能源汽車發展有望率先帶動碳陶剎車材料進入大規模商業化量產。

    驅動因素一:整備質量提升,提升剎車性能需求。

    由于電動車底盤布置較大質量的電池來實現續航要求,導致同級別下,電動車的整備質量相較燃油車高出約20%,以20-30萬級別車型為例,比亞迪漢、極氪001等車型整備質量2.1-2.2噸,小鵬P7約為1.9噸,特斯拉model3約為1.8噸,而相似價位區間的燃油車代表邁騰、帕薩特整備質量約為1.5噸,尺寸更大的別克君越為1.6噸。

    考慮到運動物體動能與質量平方成正比,同等條件下,電動車對于制動力的需求較燃油車高出約40%,因而對于剎車性能提出更高要求。

    為保證制動性能,采用傳統鋼制剎車盤,必然要提升剎車盤尺寸,導致簧下質量大幅提升,影響汽車操控性及舒適性,同時制動盤較大的轉動慣量也將影響電動車的續航水平,而碳陶剎車相較鋼制剎車可以大幅減重,因此電動化趨勢下,碳陶剎車材料需求迫切性或將快速提升。

    此外,剎車系統壓力的增大,也將導致鋼制剎車系統更容易產生熱衰減現象,造成行駛安全性的隱患。

    驅動因素二:電動機大幅提升汽車運動性能,剎車系統需匹配加速性能。

    電動車依靠電機驅動,無論輸出響應速度還是峰值功率都要由于傳統內燃機,電動車加速及運動性能相較燃油車有質的飛躍,部分高端車型如taycan、models均將運動性能作為產品核心競爭力之一,也會為車型匹配更高性能的碳陶剎車。

    驅動因素三:電動化趨勢帶來國內車企彎道超車,國產供應鏈配套有望加速降本。

    國內品牌積極把握電動化轉型過程中的彎道超車機會,成功實現了產品等級的上探,在30-60萬等級的已站穩腳跟,為營造產品的豪華屬性,主機廠聯合零部件企業共同推動高端配置的下放,典型如空氣懸掛等配置,在嵐圖free、極氪001等35萬級別車型上都有選裝,主機廠負責提供訂單,零部件廠商負責探索規?;慨a的降本路徑,實現正向循環。

    3、市場空間

    1)國盛證券測算:隨著國內新能源車放量,預計2024年國產新能源車碳陶剎車市場空間有望超80億。

    預計國內2024年新能源車銷量達到1000萬量,預計隨著碳陶剎車盤售價的大幅下降,帶動碳陶剎車盤滲透率提升,假設2024年單盤售價降至2000元/個,滲透率達到10%,對應國內新能源車碳陶剎車盤市場空間達到80億元。

    2)浙商證券測算:預計,2025年碳陶制動盤需求預計將達49.7萬套,對應市場空間58億元,2021-2025年復合增速86%。

    3、目前碳陶制動盤生產以國外廠商為主,國內是推廣階段的藍海市場。

    碳陶剎車適配高性能電動車的制動系統,但目前碳陶剎車應用核心制約因素是制動盤生產周期長,生產成本高。

    特斯拉ModelSPlaid車型的碳陶瓷剎車套件選裝,售價高達2萬美元,其應用并不具備經濟性。

    當前碳陶剎車盤廠商主要為海外企業,主要包括意大利Brembo(布雷博)、英國SurfaceTransformsPlc、美國Fusionbrakes等,其中Brembo在碳陶剎車領域處于絕對領先的地位,除自有品牌產品外,各大品牌原廠的碳陶剎車絕大多數都是由Brembo代工。


    國內方面,金博股份、天宜上佳均有布局。

    金博股份

    根據公司2022年3月公告的《向不特定對象發行股票申請穩健的第二輪審核問詢函的回復》,公司已具備碳陶剎車盤生產能力。

    天宜上佳:投產后年產能可達15萬套

    公司主業為動車用粉末冶金剎車材料,因此在制動材料領域有著較為深入的理解和研究,2016年起公司就開始了碳碳、碳陶產品的研發,最初的切入點即是汽車和飛機的高性能碳陶制動盤,經過對于核心技術的突破和獨創性改進,已具備高性能制動盤、大尺寸異形件等產品的加工能力,積累了多項發明專利,公司制造的碳陶制動盤具有超高強度、優良的耐溫性,同時大幅降低了生產周期及生產成本,可以滿足包括新能源車、商用及特種車等多種車型的需求。

    布局15萬套/年產線,今年實現小批量供應。

    公司在江油預建設“高性能碳陶制動盤產業化建設項目”,形成年產15萬套(60萬盤)碳陶制動盤的產線,建設開始后第3年達產34%,生產20.4萬盤;第4年達產68%,生產40.8萬盤;第5年完成達產,共生產60萬盤;達產后可實現年營收22.4億元。

    同時預計在天津實現制動襯片的配套,形成碳陶制動盤與汽車襯片摩擦副組合銷售體系,預期產能包括新能源車碳陶制動盤36萬盤、高端乘用車碳陶制動盤16萬盤以及商用車及特種車輛碳陶制動盤8萬盤,2022年內爭取實現小批量供應。

    與車企簽訂合作開發協議,加速產品開發、驗證進度。

    2022年3月16日,公司與福田汽車簽訂戰略合作協議,共同推動用于商用車及特種車的高性能、輕量化制動材料的研發與生產。

    目前公司首款汽車碳陶盤已按照主機客戶的要求以及行業相關標準,完成了全部的臺架試驗驗證,試驗結果顯示產品性能優良,目前產品已進行到了實車驗證階段,預計今年完成實車考核。

    進軍火箭發動機喉襯市場,具備耗材屬性需求高景氣

    火箭發動機喉襯是固體火箭發動機的關鍵部件。

    固體火箭發動機動力系統主要由藥柱、殼體、耐燒蝕組件和點火裝置等組成,其中耐燒蝕組件包括噴管和喉襯。

    喉襯的燒蝕條件最為惡劣,要經受上千度的高溫和高速燃氣流的燒蝕和粒子沖刷,直接影響到發動機各項性能的發揮,是發動機的關鍵部件之一。

    碳碳復合材料是固體火箭發動機噴管喉襯的首選材料。

    碳碳復合材料的抗拉強度是高強石墨的3~8倍,模量是7~12倍;抗熱震性能優良;耐燒蝕性強而均勻,且可預示性能特別好;性能可設計性突出;便于制成大型、復雜形狀的產品,因而為整體式噴管創造了條件。采用碳/碳材料后大大地簡化了噴管設計,噴管質量減輕30%~50%,已成為固體發動機噴管喉襯的首選材料,應用十分普遍。

    碳碳復合材料制成的耐燒蝕組件內型面燒蝕比較均勻、光滑,沒有前、后燒蝕臺階或凹坑,顯著地提高了耐燒蝕組件的沖質比、可靠性和效率,逐步替代了早期火箭耐燒蝕組件大多采用的高熔點金屬、熱解石墨、多晶石墨以及抗燒蝕塑料復合材料等。目前,我國航天領域火箭發動機耐燒蝕組件中的喉襯均采用碳碳復合材料。


    固體火箭發動機所需反應和準備時間更短,能承受更強的震蕩和碰撞,發射成本更低。

    固態火箭燃料構造簡單,不需要貯箱、閥門、泵、管路等復雜裝置,固體推進劑裝藥成型后,可以放在發動機殼體中長期貯存,且對儲存的溫濕度以及力學環境要求不苛刻,能隨時處于待命狀態。

    固態火箭發動機沒有管線或者是加壓設備,對于外界的震蕩或者是碰撞的忍耐程度比液態火箭發動機要高。

    固體火箭推進劑的能量密度高,在相同運載能力條件下,火箭可以做得更小、更輕,從而提高運輸的靈活性,降低發射成本。

    導彈系統中絕大多數導彈使用的都是固體火箭發動機,高耗材屬性帶來廣闊市場空間。

    發動機在導彈系統中的價值量占比約20-25%,根據《2018WORLDMISSILESBRIEFING》,2022-2027年全球導彈產量總計將達到21.2萬枚(年均產量達3.5萬枚),產值可達885.6億美元,測算可得2022-2027年全球導彈系統中發動機產值合計將達221.4億美元,喉襯作為關鍵部件市場空間廣闊。


    “十四五”是我國裝備快速換裝,追趕國際先進軍事力量及前沿技術國防裝備加速突破時期,預計導彈需求將迎來快速增長。

    導彈需要大量儲備以備戰時所需,當前實彈化的訓練模式也增加了對導彈的需要,進而帶動火箭發動機喉襯需求。2021年6月,國防部新聞發言人表示,2021年上半年“各部隊開訓即掀起練兵熱潮,突出按綱施訓打基礎,堅持實戰練兵強能力,與往年同期相比,全軍彈藥消耗大幅增加,高難訓練課目比重持續加大,部隊訓練質效穩中有升”。

    喉襯市場進入壁壘較高,競爭格局良好。

    當前國內碳碳新材料航天部件生產廠商較稀缺,主要集中在少數大型國有企事業單位。航天體系內的生產廠商主要有西安航

    天復合材料研究所(中國航天科技集團公司43所)、航天材料及工藝研究所(703所)等國內航天的相關院所。

    非航天體系內從事碳碳材料制造業務的企業/高校主要有博云新材、西北工業大學、上海大學等。

    天宜上佳:2021年收購瑞合科技,助力公司進入軍用航空領域

    2021年收購瑞合科技,正式進入軍用民用航空領域。

    2021年公司以1.4億元收購瑞合科技55%的股權,并以7000萬元對瑞合科技增資,交易完成后合計持有瑞合科技

    64.5%的股權。瑞合科技主要從事軍用飛機和民用客機高精度零部件加工制造和生產以及復合材料模具的設計和制造等業務,已經累計參與了十余種型號涉及1500余項航空零部件的配套研制及生產。

    瑞合科技主要業務圍繞軍用航空市場展開,軍品營收占比90%。瑞合科技為多型號軍用飛機、大型運輸機、無人機進行主要零部件的精密加工和復合材料模具設計制造,2020年,瑞合科技的軍用飛機零部件及工裝等加工業務占其營業收入的90%左右,民用業務占比約10%。

    軍用航空壁壘較高,瑞合科技資質齊全。

    軍工質量體系和保密制度要求嚴格,進入壁壘高。截至2021年3月,瑞合科技已取得武器裝備科研生產單位三級保密資格、裝備承制單位資格、國軍標質量管理體系認證等證書,是四川省及成都航空航天產業聯盟成員單位,并通過多個民機單位、軍工單位和科研院所的供應商綜合評審,資質齊全。

    瑞合科技客戶資源優質豐富,關系穩定。

    瑞合科技客戶覆蓋中航工業下屬多家主力軍用飛機生產廠、民航客機分包承制生產廠,以及航空裝備主修廠,連續幾年在客戶供應商排名中名列前茅,入選成都飛機工業(集團)有限責任公司供應商名錄,2019年被評為成飛“金牌供應商”。

    瑞合科技盈利能力較強,業績增速快。

    2020年瑞合科技實現營收4,183.8萬元,同比增長109%;實現凈利潤1754.3萬元,同比增長165%?!妒召弲f議》中瑞合科技承諾2021-2023年扣非歸母凈利潤之和不低于10,500萬元,其中2021/2022/2023年扣非歸母凈利潤分別不低于2,500/3,500/4,500萬元。

    瑞合科技與公司優勢互補,協同效應顯著。

    瑞合科技具備復合材料工裝模具設計與制造能力,屬于公司全資子公司天仁道和在樹脂基碳纖維復合材料產業鏈的前端,能與天仁道和形成協同,加強公司整體在復合材料上的技術優勢,擴大公司的業務范圍。瑞合科技具備高精度機械加工能力,助力公司實現軍用民用航空領域的業績突破。

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