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    行业深度:碳基复合材料,三大赛道百亿空间
    来源: | 作者:碳谷集团 | 发布时间: 2022-08-19 | 358 次浏览 | 分享到:
    碳基复合材料,三大赛道百亿空间

    什么是“碳基复合材料”?

    简单来讲,就是碳纤维和石墨,或者石墨烯制造而成的复合材料。

    这种材料,耐高温,强调大,并且,且强度随温度的增加不降反升,同时具备高尺寸稳定性、化学惰性、高导热系数、高导电性、稳定的摩擦因数、抗核辐射、高温下的高模量等等优点。

    总之就是一种先进材料,可以用于光伏热场、新能源车的制动盘和军工导弹喉衬。

    市场空间方面,机构测算,未来市场空间超百亿;竞争格局方面,这个行业技术门槛比较高。

    碳碳光伏热场赛道,2020-2025年市场空间CAGR为14%。


    1、热场包含四大核心部件,新增+替换构成需求主体

    四大核心部件(导流筒、坩埚、保温筒、加热器)构成热场系统主体。单晶拉制炉热场系统主要包括导流筒、坩埚、保温筒、加热器等;并且导流筒、坩埚、保温筒、加热器这四大部件的价值量已在单晶炉热场系统中超过60%。

    热场耗材属性明显,新增+替换构成需求主体。

    单晶拉制炉热场系统零部件的替换十分重要,单晶热场中坩埚和加热器的替换周期约6-8个月,相比较石墨坩埚的每年换10次的频率减少很多,保温筒替换周期是18个月,导流筒替换周期约2年,在单晶炉不更换的情况下,消耗件因寿命问题也需定期更换,同时这些热场部件的定期消耗替换,会使相关的市场空间持续扩大。


    2、大型化+加速降本,碳碳材料逐步替代等静压石墨

    1)工艺角度看,热场尺寸大型化过程中,石墨减材成型带来生产成本的大幅提升,催生碳碳材料的替代。

    等静压石墨热场生产环节较多,生产周期较长,而且需要氯气,在大型化过程中,其强度不足以保证产品安全,结构和性能不可调,同时减材成型工艺注定在大型化后生产经济性较差。石墨热场供应企业主要是以西格里和东洋碳素为代表的海外企业。

    考虑到生产特性,一般热场直径是拉棒直径的三倍,2021年以来,210硅片(12英寸硅棒)渗透率快速提升,为保证单晶炉长期竞争力,新上产能以采用36英寸热场为主,行业大型化进程加速,碳碳材料也实现对传统石墨的加速替代。

    2)性能角度看,碳碳材料各理化性能显著优于石墨,产品使用寿命也有显著提升。

    碳碳材料由于理化性能优异,产品的使用寿命长,能够提高设备的利用率和减少维修成本,同时相比于石墨材料产品,它的可设计性强,可以做的更薄,并且能利用现有设备生产更大尺寸、大规模的热场。此外,石墨材料主要是由石墨颗粒压制成型的脆性材料,高温下易产生裂纹,影响拉晶的效率和晶体的质量,若坩埚烧坏,硅料还会把炉底烧穿,而碳碳材料的安全性更高,隔热保温效果好,不会发生脆断事故。另外碳碳材料中的碳灰分很低,能够有效控制单晶硅的含碳量,而石墨挥发出的杂质会污染硅熔体从而影响质量。

    3)成本角度看,碳碳热场处于快速降本通道中。

    目前,光伏热场行业都是依靠进口的等静压石墨,其供货周期长和生产成本高都制约了降本和扩张规模的进程。而碳碳材料热场,受益于产品尺寸及气相沉积炉的大型化,生产效率及能耗显著下降,大型炉台相较微型炉台单位产出功率下降超过50%,带来能耗的显著下降。

    受益行业大型化转型趋势,碳碳材料加速替代石墨材料。

    分产品来看:坩埚和导流筒作为受力部件,由于石墨的高温脆性大,碳碳材料已率先实现替代,坩埚渗透率超95%,导流筒超60%;

    同时,由于碳碳材料的抗热抗振能力更好,保温桶也逐渐采用碳碳材料,渗透率超过55%。


    3、硅片扩产需求快速提升,行业供需相对平衡

    新能源转型大势所趋,全球市场迎来共振。

    从全球角度去看,中国、欧洲、美国是光伏发展的主要市场,决定了全球的光伏装机需求。

    未来几年,美国市场有望受益于ITC政策延期,在未来2-3年实现装机需求的大幅增长,长期来看,为满足2030、2050年的排放目标,根据SEIA估计,2030年美国光伏年新增装机量有望达到125GW。

    欧洲市场一方面受益于越来越严苛的环境目标,同时也受益于传统能源价格提升带动PPA价格上行,光伏装机需求快速增长。根据CPIA的预测,乐观情形下,2022年全球新增光伏装机将达到240GW,到2025年将达到330GW

    1)新增需求:近期规划/建设中硅片产能合计超过300GW

    通过对光伏行业主要上市公司及非上市公司的产能规划梳理,当前行业规划/建设中产能超过300GW,其中约有264GW产能是光伏上市企业发布的投资公告,考虑到下游装机需求的快速提升,以及上市公司充足的融资渠道,预计这部分产能落地可能性较高。

    当前单GW硅片产能对应单晶炉需求约为75-80台,按照326GW扩产规划计算,对应单晶炉需求约为24450-26080台,按照单台单晶炉对热场部件需求0.27吨/台计算,当前硅片扩产对应的新增热场部件需求约为6602-7042吨,这部分需求预计将在未来2-3年逐步释放。


    2)替换需求:200GW既有硅片产能对应约3500吨/年热场需求

    碳基复合材料热场部件为消耗品,坩埚的使用寿命约为6-8个月,导流筒的使用寿命约为2年左右,保温筒的使用寿命为1年半左右。简单测算,每台单晶拉制炉每年对碳基复合材料热场部件的替换性需求约为0.225吨。

    考虑到下游装机需求及容配比,假设2022年对应硅片产量需求或将达到300GW,假设已有产能贡献产量为200GW,则对应老产能在产炉台为15000-16000台,对应热场的替换需求约为3375-3600吨/年。

    4、市场空间测算

    1)国盛证券测算

    综上,保守估计新增产能于未来三年逐步释放,则预计2022年,新增+替换合计对于碳碳热场的需求约为5600-6000吨/年。

    供给方面,行业头部企业加速推动产能扩张,根据各公司公告,天宜上佳于2021年年底已形成约2000吨产能;金博股份2021年产能为1600吨,在建项目建设完成后形成1950吨产能,另外拟通过定增募资建设1500吨产能,预计2022年有效产能将达到2500吨左右;美兰德拟新增约800吨产能;西安超码拟新增350吨产能。总体来看,行业供需相对较为平衡。

    2)浙商证券测算

    核心结论:

    2021年碳碳热场市场空间约31亿元,2020-2025年复合增速达14%。

    预计到2025年,单晶碳碳热场改造需求市场空间约0.3亿元,占比1%;替换需求市场空间为41.5亿元,占比89%;

    新增需求市场空间达5.0亿元,占比11%。总体趋势为替换需求占比持续提升,新增、改造需求占比逐步下降。


    5、市场格局

    光伏热场碳碳复材产业链上游原材料主要有碳纤维及碳纤维预制体、树脂、丙烯等化工产品,中游为光伏热场供应商,下游为光伏行业的硅片及电池组件供应商。

    主要厂家有,天宜上佳、金博股份、超码科技(中天火箭子公司)、美兰德等。

    产能方面,根据各公司公告,浙商证券测算2022-2024年碳碳热场市场合计产能达5167/7288/7919吨,对应需求为5026/6155/6947吨,考虑产能折损和库存效应,未来三年市场供需处于紧平衡状态。

    随头部厂商加速扩产、低端产能出清,头部企业市占率(按产能)有望从80%提升至86%。


    碳陶制动盘顺应轻量化需求,大交通蓝海市场发展潜力大

    1、碳陶为性能优良制动材料

    制动系统主要包括盘式制动和鼓式制动两种,其中盘式制动因有着更优的制动效果而成为主流,系统主要由刹车盘、卡钳和活塞组成。

    当汽车做出制动动作时,活塞施加压力使卡钳卡住刹车盘,通过衬片和制动盘之间的摩擦力使刹车盘停止转动,进而使与刹车盘相连接的车轮停止转动,其中活塞数量影响施加的制动力,衬片与制动盘的材料属性影响最终的刹车效果,刹车盘除应具有作为构件必须的强度和刚度外,还应有尽可能高而稳定的摩擦系数,以及适当的耐磨性、耐热性、散热性和热容量等。

    汽车和高速列车等现代交通工具的刹车材料经历了从铸铁、合成材料、粉末冶金材料到碳碳复合材料和碳陶复合材料的发展。

    其中,碳陶复合刹车材料是20世纪90年代发展起来的一种以高强度碳纤维为增强体,以热解碳、碳化硅(SiC)等为基体的多相复合刹车材料,是在碳碳复合刹车材料的基础上,引入具有优异抗氧化性能的碳化硅陶瓷硬质材料作为基体的一种刹车材料

    碳陶&金属刹车盘对比:相比金属,碳陶刹车盘安全性和制动性能上表现更优,天然适用于电动车

    (1)安全性:碳陶搭载的车型以性能车为主,因性能车加速度更大,车身载重高、电池电机功率高,所以在加速度很大的情况下需要保障行车制动安全性,虽然普通金属也可以满足需求,但是刹车制动中会有温度上升,金属温升会导致摩擦系数变化;

    (2)制动性能:制动性能上碳陶更有体验感,不存在刹车中的顿挫感。


    2、国内电动车弯道超车,有望加速推动国产化进程

    基于碳陶材料出众的性能优势,其已在军用飞机、高端汽车刹车系统取得了一定的应用,未来有望成为新一代飞机、高铁和汽车刹车材料。

    1)飞机:国内首次应用,发展前景广阔。

    2017年,由中航工业与西工大合作开发碳陶飞机刹车材料成全球首创,且成功在我国军机得到运用。

    据《中国民航报》报道,中航工业制动已完成400多炉次碳陶刹车盘的批产考核,生产了10多个机种10000余件碳陶刹车盘,惯性台试车考核10000余次。

    已批量装机碳陶刹车盘120余架份,累计安全飞行10000余个起落,具备完善的技术底蕴。

    目前碳陶刹车盘也已在歼20、歼10B、歼15、运20等主力战机上应用,并被各大媒体评价为我国战机相对于外国战机的性能优势之一。

    2)高铁:碳陶刹车材料仍在试车实验中,市场待开启。

    目前国内外高铁刹车材料均以粉末冶金闸片为主,碳碳/碳陶因部分性能未得到圆满解决,目前应用较少,仍处试车阶段。

    国内以天宜上佳(688033)为代表的龙头公司正在进行相关项目的研发并取得了阶段性成果,技术水平处于国际领先水平,未来将主要应用于新型时速400公里及以上时速动车组。

    3)汽车

    20世纪90年代,德国宇航院(DLR)以高档轿车刹车盘为应用目标,对碳陶刹车材料进行了研究并获得了成功,碳陶刹车盘凭借其优异的性能在高端跑车中得到了广泛的应用。

    目前受限于汽车碳陶制动盘的生产成本相对较高,其主要应用于高性能跑车以及后市场改装车等领域。

    基于当前背景,国盛预计新能源汽车发展有望率先带动碳陶刹车材料进入大规模商业化量产。

    驱动因素一:整备质量提升,提升刹车性能需求。

    由于电动车底盘布置较大质量的电池来实现续航要求,导致同级别下,电动车的整备质量相较燃油车高出约20%,以20-30万级别车型为例,比亚迪汉、极氪001等车型整备质量2.1-2.2吨,小鹏P7约为1.9吨,特斯拉model3约为1.8吨,而相似价位区间的燃油车代表迈腾、帕萨特整备质量约为1.5吨,尺寸更大的别克君越为1.6吨。

    考虑到运动物体动能与质量平方成正比,同等条件下,电动车对于制动力的需求较燃油车高出约40%,因而对于刹车性能提出更高要求。

    为保证制动性能,采用传统钢制刹车盘,必然要提升刹车盘尺寸,导致簧下质量大幅提升,影响汽车操控性及舒适性,同时制动盘较大的转动惯量也将影响电动车的续航水平,而碳陶刹车相较钢制刹车可以大幅减重,因此电动化趋势下,碳陶刹车材料需求迫切性或将快速提升。

    此外,刹车系统压力的增大,也将导致钢制刹车系统更容易产生热衰减现象,造成行驶安全性的隐患。

    驱动因素二:电动机大幅提升汽车运动性能,刹车系统需匹配加速性能。

    电动车依靠电机驱动,无论输出响应速度还是峰值功率都要由于传统内燃机,电动车加速及运动性能相较燃油车有质的飞跃,部分高端车型如taycan、models均将运动性能作为产品核心竞争力之一,也会为车型匹配更高性能的碳陶刹车。

    驱动因素三:电动化趋势带来国内车企弯道超车,国产供应链配套有望加速降本。

    国内品牌积极把握电动化转型过程中的弯道超车机会,成功实现了产品等级的上探,在30-60万等级的已站稳脚跟,为营造产品的豪华属性,主机厂联合零部件企业共同推动高端配置的下放,典型如空气悬挂等配置,在岚图free、极氪001等35万级别车型上都有选装,主机厂负责提供订单,零部件厂商负责探索规模化量产的降本路径,实现正向循环。

    3、市场空间

    1)国盛证券测算:随着国内新能源车放量,预计2024年国产新能源车碳陶刹车市场空间有望超80亿。

    预计国内2024年新能源车销量达到1000万量,预计随着碳陶刹车盘售价的大幅下降,带动碳陶刹车盘渗透率提升,假设2024年单盘售价降至2000元/个,渗透率达到10%,对应国内新能源车碳陶刹车盘市场空间达到80亿元。

    2)浙商证券测算:预计,2025年碳陶制动盘需求预计将达49.7万套,对应市场空间58亿元,2021-2025年复合增速86%。

    3、目前碳陶制动盘生产以国外厂商为主,国内是推广阶段的蓝海市场。

    碳陶刹车适配高性能电动车的制动系统,但目前碳陶刹车应用核心制约因素是制动盘生产周期长,生产成本高。

    特斯拉ModelSPlaid车型的碳陶瓷刹车套件选装,售价高达2万美元,其应用并不具备经济性。

    当前碳陶刹车盘厂商主要为海外企业,主要包括意大利Brembo(布雷博)、英国SurfaceTransformsPlc、美国Fusionbrakes等,其中Brembo在碳陶刹车领域处于绝对领先的地位,除自有品牌产品外,各大品牌原厂的碳陶刹车绝大多数都是由Brembo代工。


    国内方面,金博股份、天宜上佳均有布局。

    金博股份

    根据公司2022年3月公告的《向不特定对象发行股票申请稳健的第二轮审核问询函的回复》,公司已具备碳陶刹车盘生产能力。

    天宜上佳:投产后年产能可达15万套

    公司主业为动车用粉末冶金刹车材料,因此在制动材料领域有着较为深入的理解和研究,2016年起公司就开始了碳碳、碳陶产品的研发,最初的切入点即是汽车和飞机的高性能碳陶制动盘,经过对于核心技术的突破和独创性改进,已具备高性能制动盘、大尺寸异形件等产品的加工能力,积累了多项发明专利,公司制造的碳陶制动盘具有超高强度、优良的耐温性,同时大幅降低了生产周期及生产成本,可以满足包括新能源车、商用及特种车等多种车型的需求。

    布局15万套/年产线,今年实现小批量供应。

    公司在江油预建设“高性能碳陶制动盘产业化建设项目”,形成年产15万套(60万盘)碳陶制动盘的产线,建设开始后第3年达产34%,生产20.4万盘;第4年达产68%,生产40.8万盘;第5年完成达产,共生产60万盘;达产后可实现年营收22.4亿元。

    同时预计在天津实现制动衬片的配套,形成碳陶制动盘与汽车衬片摩擦副组合销售体系,预期产能包括新能源车碳陶制动盘36万盘、高端乘用车碳陶制动盘16万盘以及商用车及特种车辆碳陶制动盘8万盘,2022年内争取实现小批量供应。

    与车企签订合作开发协议,加速产品开发、验证进度。

    2022年3月16日,公司与福田汽车签订战略合作协议,共同推动用于商用车及特种车的高性能、轻量化制动材料的研发与生产。

    目前公司首款汽车碳陶盘已按照主机客户的要求以及行业相关标准,完成了全部的台架试验验证,试验结果显示产品性能优良,目前产品已进行到了实车验证阶段,预计今年完成实车考核。

    进军火箭发动机喉衬市场,具备耗材属性需求高景气

    火箭发动机喉衬是固体火箭发动机的关键部件。

    固体火箭发动机动力系统主要由药柱、壳体、耐烧蚀组件和点火装置等组成,其中耐烧蚀组件包括喷管和喉衬。

    喉衬的烧蚀条件最为恶劣,要经受上千度的高温和高速燃气流的烧蚀和粒子冲刷,直接影响到发动机各项性能的发挥,是发动机的关键部件之一。

    碳碳复合材料是固体火箭发动机喷管喉衬的首选材料。

    碳碳复合材料的抗拉强度是高强石墨的3~8倍,模量是7~12倍;抗热震性能优良;耐烧蚀性强而均匀,且可预示性能特别好;性能可设计性突出;便于制成大型、复杂形状的产品,因而为整体式喷管创造了条件。采用碳/碳材料后大大地简化了喷管设计,喷管质量减轻30%~50%,已成为固体发动机喷管喉衬的首选材料,应用十分普遍。

    碳碳复合材料制成的耐烧蚀组件内型面烧蚀比较均匀、光滑,没有前、后烧蚀台阶或凹坑,显著地提高了耐烧蚀组件的冲质比、可靠性和效率,逐步替代了早期火箭耐烧蚀组件大多采用的高熔点金属、热解石墨、多晶石墨以及抗烧蚀塑料复合材料等。目前,我国航天领域火箭发动机耐烧蚀组件中的喉衬均采用碳碳复合材料。


    固体火箭发动机所需反应和准备时间更短,能承受更强的震荡和碰撞,发射成本更低。

    固态火箭燃料构造简单,不需要贮箱、阀门、泵、管路等复杂装置,固体推进剂装药成型后,可以放在发动机壳体中长期贮存,且对储存的温湿度以及力学环境要求不苛刻,能随时处于待命状态。

    固态火箭发动机没有管线或者是加压设备,对于外界的震荡或者是碰撞的忍耐程度比液态火箭发动机要高。

    固体火箭推进剂的能量密度高,在相同运载能力条件下,火箭可以做得更小、更轻,从而提高运输的灵活性,降低发射成本。

    导弹系统中绝大多数导弹使用的都是固体火箭发动机,高耗材属性带来广阔市场空间。

    发动机在导弹系统中的价值量占比约20-25%,根据《2018WORLDMISSILESBRIEFING》,2022-2027年全球导弹产量总计将达到21.2万枚(年均产量达3.5万枚),产值可达885.6亿美元,测算可得2022-2027年全球导弹系统中发动机产值合计将达221.4亿美元,喉衬作为关键部件市场空间广阔。


    “十四五”是我国装备快速换装,追赶国际先进军事力量及前沿技术国防装备加速突破时期,预计导弹需求将迎来快速增长。

    导弹需要大量储备以备战时所需,当前实弹化的训练模式也增加了对导弹的需要,进而带动火箭发动机喉衬需求。2021年6月,国防部新闻发言人表示,2021年上半年“各部队开训即掀起练兵热潮,突出按纲施训打基础,坚持实战练兵强能力,与往年同期相比,全军弹药消耗大幅增加,高难训练课目比重持续加大,部队训练质效稳中有升”。

    喉衬市场进入壁垒较高,竞争格局良好。

    当前国内碳碳新材料航天部件生产厂商较稀缺,主要集中在少数大型国有企事业单位。航天体系内的生产厂商主要有西安航

    天复合材料研究所(中国航天科技集团公司43所)、航天材料及工艺研究所(703所)等国内航天的相关院所。

    非航天体系内从事碳碳材料制造业务的企业/高校主要有博云新材、西北工业大学、上海大学等。

    天宜上佳:2021年收购瑞合科技,助力公司进入军用航空领域

    2021年收购瑞合科技,正式进入军用民用航空领域。

    2021年公司以1.4亿元收购瑞合科技55%的股权,并以7000万元对瑞合科技增资,交易完成后合计持有瑞合科技

    64.5%的股权。瑞合科技主要从事军用飞机和民用客机高精度零部件加工制造和生产以及复合材料模具的设计和制造等业务,已经累计参与了十余种型号涉及1500余项航空零部件的配套研制及生产。

    瑞合科技主要业务围绕军用航空市场展开,军品营收占比90%。瑞合科技为多型号军用飞机、大型运输机、无人机进行主要零部件的精密加工和复合材料模具设计制造,2020年,瑞合科技的军用飞机零部件及工装等加工业务占其营业收入的90%左右,民用业务占比约10%。

    军用航空壁垒较高,瑞合科技资质齐全。

    军工质量体系和保密制度要求严格,进入壁垒高。截至2021年3月,瑞合科技已取得武器装备科研生产单位三级保密资格、装备承制单位资格、国军标质量管理体系认证等证书,是四川省及成都航空航天产业联盟成员单位,并通过多个民机单位、军工单位和科研院所的供应商综合评审,资质齐全。

    瑞合科技客户资源优质丰富,关系稳定。

    瑞合科技客户覆盖中航工业下属多家主力军用飞机生产厂、民航客机分包承制生产厂,以及航空装备主修厂,连续几年在客户供应商排名中名列前茅,入选成都飞机工业(集团)有限责任公司供应商名录,2019年被评为成飞“金牌供应商”。

    瑞合科技盈利能力较强,业绩增速快。

    2020年瑞合科技实现营收4,183.8万元,同比增长109%;实现净利润1754.3万元,同比增长165%。《收购协议》中瑞合科技承诺2021-2023年扣非归母净利润之和不低于10,500万元,其中2021/2022/2023年扣非归母净利润分别不低于2,500/3,500/4,500万元。

    瑞合科技与公司优势互补,协同效应显著。

    瑞合科技具备复合材料工装模具设计与制造能力,属于公司全资子公司天仁道和在树脂基碳纤维复合材料产业链的前端,能与天仁道和形成协同,加强公司整体在复合材料上的技术优势,扩大公司的业务范围。瑞合科技具备高精度机械加工能力,助力公司实现军用民用航空领域的业绩突破。

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