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碳纤维行业深度报告:高成长/广空间/21世纪新材料之王(一)

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发表时间:2021-09-23 11:50

报告来源/作者:信达证券/张润毅   本文仅代表来源方与作者观点


                  1.碳纤维——材料“黑金”,行业壁垒高、产品附加值大

1.1 碳纤维刚柔并济,下游应用广泛

材料发展史与人类发展史紧密相连,而新材料更是推动人类从“自然王国”走向“自由王国”的强大动力。材料 通常被定义为用来制作有用物件的物质,人类对材料的认知和利用能力直接决定了社会形态与人类生活水平。在 当代,材料、能源和信息已经成为构成社会文明和国民经济的三大支柱,而其中材料更是科学技术发展的物质基 础和技术先导。

纵观整个材料发展史,以时间为维度可将其归纳为石器/青铜器/铁器/钢铁/硅/新材料这六个发展时期。其中,随 着 20 世纪下半叶新技术革命的开启,新材料已然成为各高新技术领域发展的助推器,例如计算机技术依赖于半 导体材料的工业化生产,宇航工业则需要大量高温高强度结构材料与之配套,而现代光纤通信更是以低消耗的光 导纤维为基石。

碳纤维被誉为 21 世纪新材料之王,是材料皇冠上的一颗璀璨明珠。碳纤维(Carbon Fiber,简称 CF)是一种含 碳量高于 90%的无机纤维。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 链机构而制得。作为新一代增强纤维,碳纤维具有出色的力学性能和化学性能,既具有碳材料固有的本性特征, 又兼备纺织纤维的柔软可加工性,因此被广泛应用于航空航天、能源装备、交通运输、体育休闲等领域:

质量轻:作为一种性能优异的战略性新材料,碳纤维密度与镁和铍基本相当,不到钢的 1/4,采用碳纤维复 合材料作为结构件材料可使结构质量减轻 30%-40%。

高强度、高模量:碳纤维的比强度比钢高 5 倍,比铝合金高 4 倍;比模量则是其他结构材料的 1.3-12.3 倍。

膨胀系数小:大多数碳纤维在室温下的热膨胀系数为负数,在 200-400℃时为 0,在小于 1000℃时仅为 1.5 ×10-6 /K,不易因工作温度高而膨胀变形。

耐化学腐蚀性好:碳纤维纯碳含量高,而碳又是最稳定的化学元素之一,导致其在酸、碱环境中表现均十分稳定,可制成各类化学防腐制品。

抗疲劳能力强:碳纤维结构稳定,据高分子网统计,其复合材料经应力疲劳数百万次循环试验后,强度保留 率仍有 60%,而钢材为 40%,铝材为 30%,玻璃钢则只有 20%-25%。

碳纤维复合材料是碳纤维基础上的再次强化。虽然碳纤维可单独使用并发挥特定功能,然而其终究属于脆性材 料,只有与基体材料结合形成碳纤维复合材料,才能更好地发挥力学性能,承载更多负荷。

碳纤维可按照原丝类型、制造方法、性能等不同维度分类:

按原丝类型分类:聚丙烯腈(PAN)基、沥青基(各向同性、中间相);粘胶基(纤维素基、人造丝基)。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%。

按照制造条件和方法分类:碳纤维(800-1600℃)、石墨纤维(2000-3000℃)、活性碳纤维、气相生长碳纤 维。

按力学性能可分为通用型和高性能型:通用型碳纤维强度在 1000MPa、模量在 100GPa 左右;高性能型又 分为高强型(强度 2000MPa、模量 250GPa)和高模型(模量 300GPa 以上),其中强度大于 4000MPa 的 又称为超高强型,模量大于 450GPa 的称为超高模型。

按丝束大小可分为小丝束和大丝束:小丝束碳纤维初期以 1K、3K、6K 为主,逐渐发展为 12K 和 24K,主 要应用于航空航天、体育休闲等领域。通常将 48K 以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括 48K、60K、80K 等, 主要应用于工业领域。

拉伸强度和拉伸模量是衡量碳纤维性能最主要的两大指标。以此为依据,我国 2011 年颁布了《聚丙烯腈(PAN) 基碳纤维国家标准(GB/T26752-2011)》。同时,由于日本东丽在全球碳纤维行业具有绝对领先优势,国内厂商 大多也同步采用日本东丽的分类标准作为参考。

1.2 高壁垒带来高附加值,提升工艺、实现批量化生产可显著降本增效

1.2.1 行业技术壁垒高,原丝生产是核心,碳化氧化是关键

碳纤维生产流程复杂,对设备和技术要求极高。各环节精度、温度和时间的控制都将极大影响最终成品质量。聚 丙烯腈碳纤维因制备流程相对简单、生产成本低、三废处便捷等特点成为现阶段应用领域最广、产量最高的碳纤 维。其主要原料丙烷可从原油中制得,聚丙烯腈碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。

从原油中制得丙烷后,丙烷经选择性催化脱氢(PDH)可得到丙烯;

丙烯经氨氧化后得到丙烯腈,丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝;

聚丙烯腈经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维,并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料,用于生产碳纤 维复合材料;

碳纤维经与树脂、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;

原丝质量、性能水平直接决定了碳纤维的最终性能。因此,提高纺丝液的质量,优化原丝成型的各项因素成为制 备高品质碳纤维的关键节点。

据《聚丙烯腈基碳纤维原丝生产工艺研究》描述,纺丝工艺主要包括三大类:湿法纺丝、干法纺丝和干湿法纺丝。 目前,国内外生产聚丙烯腈原丝的工艺主要采用湿法纺丝和干湿法纺丝,其中湿法纺丝的应用最为广泛。

湿法纺丝首先将纺丝液从喷丝孔挤出,纺丝液以细流的形态进入到凝固浴中。聚丙烯腈纺丝液的成丝机理是:纺 丝液中与凝固浴中 DMSO(二甲基亚砜)的浓度存在较大差距,而凝固浴和聚丙烯腈溶液中水的浓度也存在巨 大差距。在以上两种浓度差的相互作用下,液体之间开始双向扩散,通过传质、传热、相平衡移动等过程最终凝 结成原丝。

原丝生产中 DMSO 残余量、纤度、单丝强度,模量,伸长率、含油率、沸水收缩率成为影响原丝质量的关键因素。以 DMSO 残余量为例,其对原丝表观性状、截面状态、最终碳纤维产品的 CV 值等均有影响,DMSO 残余 量越低,产品的性能越高。生产中主要通过水洗的方式去除 DMSO,因而如何控制水洗温度、时间、脱盐水用量 和水洗循量等因素就成为重要的环节。

高质量的聚丙烯腈原丝应具有以下特征:高密度、高结晶度、适当的强度、圆形截面、较少的物理缺陷,同时具 有光滑的表面和均匀致密的皮芯结构。

碳化、氧化环节温度控制是关键。碳化氧化是原丝制作成碳纤维最终产品的必备环节,该环节需对温度的精度、 范围进行准确控制,否则将显著影响碳纤维产品的拉伸强度,甚至造成断丝现象:

预氧化(200-300℃):预氧化环节通过在氧化性气氛中施加一定张力,对 PAN 原丝进行缓慢温和的氧化,在 PAN 直链的基础上形成大量环装结构,从而达到可以耐受更高温度处理的目的。

碳化(最高温度不低于 1000℃):碳化过程需在惰性气氛中进行。碳化初期 PAN 直链断裂,开始进行交联反 应;随着温度逐渐上升,热分解反应开始,释放出大量小分子气体,石墨结构开始形成;温度进一步上升后, 碳元素含量迅速提高,碳纤维开始成型。

石墨化(处理温度 2000℃以上):石墨化并非碳纤维制作必备过程,为可选环节。若期望碳纤维拥有高弹性模 量,则需进行石墨化;若期望碳纤维获得高强度,则无需进行石墨化。石墨化环节中,高温使纤维内部形成 发达的石墨网面结构,通过牵伸对结构进行整化从而得到最终产品。

高技术壁垒赋予下游产品高附加值,航空复材价格较原丝翻 200 倍。由于碳纤维制备难度高,工艺复杂,因此 其产品越往下游附加值越高,尤其是应用于航空航天领域的高端碳纤维复材,因下游客户对其可靠性、稳定性要 求十分严苛,产品价格也较普通碳纤维呈几何倍数增长。

据江苏恒神公开转让说明书(2015 年)统计,同一品种原丝、碳纤维、预浸料、民用复材、汽车复材和航空复 材每公斤价格分别约为 40 元、180 元、600 元、不到 1000 元、3000 元和 8000 元,每经一级深加工产品价格 都将实现飞跃,航空复材价格较原丝更是翻了 200 倍。

1.2.2 碳纤维生产成本高,提高工艺、批量化生产均为降本良策

碳纤维生产成本较高,是新兴材料,更是“贵族”材料。可设计性较强的碳纤维属于新兴材料,但较高的原丝生 产成本、环保投入及生产运输费用为其贴上了“贵族材料”的标签。据《碳纤维产业化发展及成本分析》论述, 较高质量的 PAN 原丝投入与碳纤维产出比约 2.2:1,较低质量的原丝与碳纤维产出比约 2.5:1,叠加聚合、喷丝、 碳化氧化等过程对环境、综合技术等要求较高,进一步导致碳纤维生产成本居高不下。

制造费用通常占碳纤维生产总成本的 70%以上。根据中简科技、光威复材公司年报,其碳纤维生产成本主要由 材料、人工、制造费用等构成,2016-2019 年上述两公司碳纤维产品制造费用占其成本均在 70%以上,成为生 产过程中的主要开支。

以生产流程为维度,聚合、纺丝和碳化氧化是其生产成本的主要构成:

聚合:该阶段主要包括由原料和生产物资消耗构成的直接生产成本、由纯化与输送原料、聚合、过滤/输送原液、回收单体/溶剂等成本构成的生产过程成本,以及由蒸汽、电力、水、配套设施运维等成本构成的综 合生产成本。

纺丝:生产成本集中在过滤/ 输送聚合液、纺丝、净化等。产业链中,原丝一般在碳纤维成本中占比 51%。

碳化氧化过程:成本主要集中在处理所需原材料(包括上浆剂、电、氮气、循环水)、配套设施运维、车间 洁净化,及炭化废气处理等成本。

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提高纺丝、碳化氧化等环节工艺可显著降低成本。具体方法包括:

1)采用干喷湿法代替传统湿法纺丝:干喷湿纺为纺丝液从喷丝孔出来后先经过干段空气层或氮气层后才进入凝 固液中进行凝固的工艺技术。对比传统湿法纺丝,该方法可将纺丝速度从每分钟 100 米提高至 300 米,并使固 含量提高至 22%以上。据《PAN 基碳纤维生产成本分析及控制措施》表述,新纺丝工艺的使用可在降低碳纤维 原丝成本(降低 75%)的同时提高产量(2-8 倍左右)。

2)采用新技术缩短预氧化时间:美国能源部橡树岭国家实验室(ORNL)研发的等离子体预氧化法可使预氧化 时间缩短至 25-35 分钟(一般需要 80~120 分钟),该方法可使能耗下降 75%,生产成本降低 20%,并适用于所 有规格的碳纤维生产。此外,采用流态化加热、热辊接触式干燥等新技术均可有效降低生产成本。

3)更换炭化炉材料、提高碳化环节热利用率:美国哈泊公司生产的炭化炉使用绝缘或耐火材料替代传统水冷却 操作,持续降低设备的热量损失;此外,据《PAN 基碳纤维制备成本构成分析及其控制探讨》表述,采取余热多 级利用等新技术可有效降低设备能耗,使碳纤维每吨成本降低 9500 元。

提升产量可带来规模效应,有效降低碳纤维生产成本。据《碳纤维产业化发展及成本分析》统计,原丝和碳纤维 的产能和生产成本呈反比关系。随着产能的扩大,原丝和碳纤维产线直接生产成本的增幅显著小于单耗成本、固 定资产折旧和流动费用等成本的降幅,千吨级碳纤维产线每年成本较百吨级产线下降 18%。

1.3 我国碳纤维产业方兴未艾,潜力巨大

技术创新助推碳纤维性能提升,国产化替代是行业不变“旋律”。我国自 20 世纪 60 年代后期便开始 PAN 基碳 纤维研究,历经半个世纪发展,现阶段虽仍与国外有显著差距但已可自主制备以 T700、T800、M55J 等为代表 的一系列高端碳纤维,成功打破国外的技术封锁,成绩斐然。

纵观国内碳纤维发展史,我们将其归纳为以下五个阶段:

举国体制,从无到有(1962-1982):该阶段我国碳纤维研究刚起步,国家高度重视碳纤维研发工作,PAN 基 碳纤维研制课题组、高分子复合材料物理研究室相继成立,建成 PAN 原丝试制能力约 50 吨/年,碳纤维长 丝试制能力 1.5-2.0 吨/年,解决了碳纤维从无到有的问题。

尝试引进,于困难中摸索(1983-1990):该时期国家科委鼓励引进国外先进技术并承诺将给予资金支持,但 由于碳纤维技术涉及国防等领域,叠加“巴黎统筹条约”的限制,引进过程举步维艰,经多次谈判考察,我 国最终以 450 万美元从英国 RK 公司购入生产能力 100 吨(12K) /年的碳化设备,但运行效率较低。

“停滞”的十年(1990-2000):由于碳纤维生产的复杂性和国外对我国的技术封锁,国家虽积极组织各研究 单位合力攻关但关键技术依旧难以突破,该时期只有吉化公司、吉林碳素厂和北京化工学院在维持小批量供 货,其他研发单位陆续退出该领域。

“大干快上”,碳纤维迎来建设浪潮(2000-2010):在师昌绪院士的动员和国家大力支持下,科技部决定设 立碳纤维专项,并成立专家组,将碳纤维列入 863 计划新材料领域。此外,大量民间资本的涌入也催生出一 批碳纤维生产企业,据《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》统计,2000-2010 年,拥有碳纤维项目的科 研院所和生产单位达 40 家以上,投资规模超过 300 亿元,全世界碳纤维设备制造厂也迎来了中国盛宴。

大浪淘沙,优胜劣汰(2010 年至今):前期虽有众多碳纤维生产企业但大多未掌握核心技术,叠加碳纤维生 产制造投入大、建设周期久等特点,部分企业难以存活,行业开始经历“洗牌”,企业数量缩减至 10 余家。

此外,该时期优质企业迎来春天:光威集团与中简科技成功上市,中复神鹰扭亏为盈,吉林化纤成为国内原丝龙头,行业实现了 T700 级碳纤维批量化生产和 T800 级碳纤维、M40J 石墨纤维的工程化制备,突破 T1000 级碳纤维、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。

政策扶持加快研发与产业化进程,产品竞争力不断提高,碳纤维行业进入发展快车道。我国政府从 70 年代即开 始大力支持国产碳纤维的发展,由张爱萍将军组织召开的“7511”会议奠定了国家扶持国产碳纤维发展的基础, 而 “863”计划更是在政策层面为碳纤维国产化替代指明了前进方向;通过“十五”、“十一五”、“十二五”三个五年 计划,国家强力支持了国产碳纤维的技术攻关、工程产业化和应用牵引,使国产碳纤维的发展取得长足进步。

我们认为,碳纤维作为新材料的“无冕之王”,今后将进一步受到国家政策的长期扶持,行业环境有望不断改善, 为技术突破、产品性能升级的注入源源不断的强大动力。


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