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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(二)

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发表时间:2021-09-27 14:41

                             2、师夷长技,详解美、日碳纤维崛起之路

2.1 正视与国外差距,是短板亦是上升空间

技术创新、政策扶持、应用升级是驱动碳纤维产业发展的三大动力。通过归纳梳理碳纤维生产流程与产业链我们 将产业发展逻辑总结为四点:

1)大量研发投入促进核心技术突破,迅速提高碳纤维性能与竞争力,加快产品升级换代;

2)高端产品满足并进一步培育下游需求,应用端不断向高端领域延展,实现需求的“质”“量”齐升;

3)旺盛且持久的订单显著提升企业业绩,改善其现金流,并吸引优质资本持续注入;

4)政策倾斜叠加现金流充沛,企业将投入更多研发资源并扩大生产规模,有效降低生产成本。

以上述产业发展逻辑作为框架,现阶段我国碳纤维产业在核心技术装备、产品性能、生产成本与规模等方面较美、 日仍有较大差距,具体表现为以下三点:

1)碳纤维研制、应用等基础科学问题尚未探明,高端碳纤维及其复材较国外仍有代差。我国碳纤维研究虽起步 早,但由于早期缺乏腈纶等纤维制品的工业生产基础,叠加国外严格的技术封锁,导致我国在碳纤维工艺、成分、 结构、性能等技术领域仍有认知盲点。

据《中国高性能碳纤维产业的创新发展》论述,国外航空航天等领域已经大规模应用以 T800 级碳纤维为主要增 强体的第 2 代先进复合材料,而中国总体上仍处在第 1 代先进复合材料扩大应用阶段,T800 级碳纤维的工程化 应用尚处研制阶段。中国高性能纤维及其复合材料与国外先进水平存在代差。

2)产业化工艺与装备核心技术仍未有本质突破,导致企业有产能无销量,进口依赖严重。现阶段国产碳纤维仍 以小丝束产品为主,高质量、大丝束、低成本、大规模碳纤维工业化生产技术尚未突破,而国外已开始将大丝束 低成本与小丝束高质量碳纤维工业化生产技术融合,提升碳纤维品质的同时进一步降低成本。

据《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》统计,2019 年我国碳纤维需求约 3.8 万吨,其中进口量占 68%;此 外,2019 年我国碳纤维运行产能为 2.6 万吨而销量仅为 1.2 万吨,销量/产能比仅为 34%(国际通常在 65%-85%)。

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我们认为,碳纤维产业化程度不高一方面归因于前述基础科学未完全探明,另一方面则由于企业与科研院所尚未 建立有效合作机制导致“产”与“研”相分离。此外,因装备国产化不足、对引进装备二次改造能力弱,只能使 工艺去迎合装备条件,从而失去以工艺为核心的产业化准则,进一步导致产品质量稳定性差、产能释放率低。

3)性能不足、产业化程度低等问题导致下游“不会用”、“用不好”问题突出,未对需求升级形成有效牵引。据 《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》统计,2019 年国内来自体育休闲领域的碳纤维需求占比达 37%,而航 空航天高端需求占比仅为 4%,反观全球航空航天领域高端碳纤维需求占比则高达 23%。

我们认为,我国碳纤维下游需求结构失衡的主要原因在于国内大多数企业未形成碳纤维生产的全流程覆盖,产业 链各环节较为分散,导致企业缺乏对碳纤维从设计到制造再到下游应用的集成能力,最终使得下游应用难以升级, 未对需求产生持续的拉动作用。

2.2 他山之石:技术创先机、政策育土壤、应用拓市场

碳纤维始于美国,兴于日本,产业整合、应用场景不断扩大是现阶段行业发展主题:

碳纤维始于白炽灯发光体,日本、英国率先开始 PAN 基碳纤维研发。1879 年爱迪生发明了以碳纤维为发光 体的白炽灯并于美国取得初步成功,但随后因被钨丝取代而陷入沉寂。

20 世纪 50 年代,美苏争霸期间,美国为研发大型火箭和人造卫星以及全面提升飞机性能,急需新型结构材 料和耐烧蚀材料,碳纤维又重新出现在材料科学舞台。

1959 年,日本大阪工业试验所近藤昭男博士发明 PAN 基碳纤维制备技术,随后 60 年代日、英率先开始 PAN 基碳纤维技术攻关,而同时期美国还在攻克粘胶基技术,导致其 PAN 基碳纤维研究起步较晚。

1970-1990 年,碳纤维工程化、工业化技术先后被攻克,产品逐渐系列化,应用场景取得重大突破。20 世 纪 70 年代,日、美、英开始频繁技术合作,美国从英国获得碳化技术并与日本东丽、东邦和三菱展开技术 转让,随后美国与日本于 1972 年制得碳纤维高尔夫球杆和鱼竿,风靡全球。同时期,碳纤维复材实现了于 航空航天(军、民用)结构件上的工程化应用,并率先在军机上实现批量化生产,成为碳纤维腾飞的基石。

跨入 80 年代,世界碳纤维单产线产能突破千吨/年,东丽产品谱系日益丰富(T300、T800、T1000、M60J),以 波音、空客为代表的民用航空对碳纤维需求萌芽,1982 年 T300 率先于 B757、B767 及航天飞机上得到应用。然而,英国由于缺乏应用支撑开始以转让技术为主,将技术分别转让给中国、印度、俄罗斯和巴西。

1990-2000 年,碳纤维迎并购浪潮,美、日地位进一步稳固,寡头局面初步形成。该时期各大碳纤维厂商开 始抢占市场份额,美国赫氏并购了美国赫拉克勒斯的碳纤维产业;美国石油巨头阿莫科整合了大部分美国的 碳纤维资源,不仅包括美国联碳公司还有东邦与美国塞兰尼斯公司合作的碳纤维资产(2001 年变更为氰特 CYTEC)。德国石墨巨头西格里收购了英国考陶尔兹留下的 RK carbon,至此碳纤维拓荒者——英国考陶尔 兹退出历史舞台。

进入 21 世纪,碳纤维产业整合仍在继续,下游应用向风电、汽车等新兴领域加速延展。进入 21 世纪,行 业整合仍在延续,SGL 从阿尔笛处拉收购了合资碳纤维的股份、日本东邦收购了美国福塔菲尔碳纤维、日本东丽收购了卓尔泰克;与此同时航空航天、汽车、风力发电等领域碳纤维应用急剧扩大,号称碳纤维飞机 的 B787 和 A350 于 2011 年和 2014 年完成首架交付,2010 年宝马与西格里合资建碳纤维厂试图彻底实现 电动汽车轻量化,由于拉挤板成功应用于叶片梁帽,风电巨头维斯塔斯对碳纤维需求空前增长。

以史为镜,我们认为技术革新、政策护航与应用拓展是世界碳纤维发展的最核心变量:

技术驱动产品性能升级,是碳纤维发展的第一动力。美、日在碳纤维发展初期便已意识到核心技术工艺是实 现性能提升的基础,随后便纷纷进行战略布局,直到现阶段依然在大力推动碳纤维材料的研发。以日本为例, 自 20 世纪 60 年代开始 PAN 基碳纤维技术攻关后,其每间隔 5-10 年便会推陈出新,实现技术与产品性能 的全面升级。

与此同时,日本国内较早实现了产业联盟,成员覆盖了完整的碳纤维产业链,如新构造材料技术研究联盟 (ISMA),其共有 39 个成员,37 家为企业,1 家为国立研究所,剩余 1 家为国立大学。通过产、学、研的 深度结合,日本在碳纤维中间材料技术、成型技术、连接技术与回收技术领域均实现了重大突破,成为世界 碳纤维强国。

政策为研发单位、企业保驾护航,为碳纤维发展提供优质土壤。20 世纪以来,美、日均在政策层面推波助 澜,促进碳纤维产业的发展。如日本在包括“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”和“京都议定书”等多 项基本政策中都将碳纤维作为重点推进项目,在政策支持下,日本碳纤维行业得以更有效集中各方资源,推 动产业共性问题的解决。此外,美国国防部高级研究计划局在 2006 年启动了先进结构纤维项目,美国能源 部 2014 年也为多个碳纤维项目提供了高达 1130 万美元的资助。

企业层面,美、日亦提供政策“方便”以不断优化行业环境。例如 20 世纪 80 年代,美国碳纤维公司大多采 用外部治理模式,但由于碳纤维材料的特殊性其发展往往受到别国技术的制约,美国国内公司一度濒临倒闭。1988 年美国国防部推出了以碳纤维等关键材料本土化为核心的国家战略,指出碳纤维等国防工业关键材料 必须自给自足,从而帮助国内碳纤维企业走出了困境。

应用领域持续拓宽是行业发展的“永动机”。碳纤维最初被用于白炽灯灯丝,而后由于美、苏军事争霸,碳 纤维开始在军用航空航天领域发光发热,成为武器装备的减重利器。此后,随着 PAN 基碳纤维技术的突破、 叠加产能提升带来的规模效应,碳纤维生产成本大幅降低,碳纤维开始在民用航空、体育休闲等领域大放异 彩。现阶段,以风力发电、压力容器、新能源汽车等新为代表的新兴产业轻量化需求旺盛,成为碳纤维行业 发展的新驱动。我们认为,应用领域的持续拓宽一方面将倒逼碳纤维产业化、工程化技术进步,另一方面也 将吸引更多优质企业的涌入,为行业发展提供不竭动力。

2.3 航空为先——东丽与赫氏的腾飞之路

2.3.1 日本东丽:积淀 50 余年,航空布局终迎开花结果

15 年增长 5 倍,东丽碳纤维业务规模突破 2300 亿日元。2019 年东丽碳纤维业务收入 2369 亿日元,同比增长 9.7%,实现营业利润 210 亿日元,营业利润率为 8.9%。2004-2019 年,东丽碳纤维业务收入 CAGR 达 12%。

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洞悉材料价值,“超长期”战略成就全球碳纤维龙头:日本东丽公司 1926 年创立之初仅是一家人造丝制造公司, 随后根据市场需求不断丰富自身产品体系,在深谙各类材发展价值的前提下陆续研发了合成纤维,树脂、薄膜等 尖端材料,并将产品推广至全球,成为世界材料领域无可争议的“领头羊”。

纵观东丽碳纤维业务发展史,我们将其成功因素总结为三点:

1)提前洞悉碳纤维潜在应用价值,并维持高研发 投入,为公司未来厚积薄发奠定基础;

2)乘航空发展之风,率先实现高端碳纤维批量化、规模化生产,同时在 全球范围内积极扩充产能,不断提升公司市场占有率;

3)以航空为基,横向布局风力发电、汽车等高端民用领 域,真正实现多点开花。

从体育休闲领域切入碳纤维市场,实现工业化生产。东丽 1961 年启动碳纤维研发,1971 年开始生产。公 司早期试图进军航空碳纤维领域,但彼时欧美主要公司都聚焦该市场,订单竞争激烈,尚属小公司的东丽无 法进入。于是公司另辟蹊径,通过开发鱼竿、球杆等体育用品,实现碳纤维的商业化应用和工业化生产。

乘航空之风,铸行业巨头:20 世纪 70 年代后期,石油价格飙升,民航公司急需轻量化增强材料以减少机身 重量,1975 年和 1987 年,东丽碳纤维分别应用于波音 737 的辅助承重结构和空客 A320 的主承力部件中。据波音公司“高拉伸强度和弹性条件下较铝轻 30%”的需求,东丽开发出 T800 等高端碳纤维并于上世纪 90 年代起陆续用于波音 767、777、787 及空客 A350 上。航空需求的爆发加速东丽千吨产线的构建和万吨产 量的释放,公司实现由前期亏损至稳定盈利的转变。

产能扩张叠加横向布局,碳纤维生产体系持续完善:

1)为应对航空等领域碳纤维需求的攀升,东丽一直致力于全球布局以实现产需匹配。1972 年东丽在爱媛 工厂新设月产 6 万吨的生产设备,并通过 UCC 公司构建美国市场的售渠道;1982 年设立 Soficar 公司, 该公司 1985 年于西班牙设立工厂投产;1992 年于西雅图市郊成立 TCA 公司,1997 年在美国迪凯特成 立 CFA 公司并建设工厂。东丽由此确立了横跨日本、欧洲和美国 3 大地区的全球运营体制。2012 东丽 决定年产量增加 6000 吨,集团年产量扩大至 2.71 万吨,2014 和 2015 年也分别实现了增产。

2)东丽亦利用自身技术与市场优势拓展高端民用领域,稳固全球碳纤维龙头地位。汽车方面,2010 年, 东丽与德国 Daimler 公司签订了汽车零部件碳纤维复材共同开发合同;此外,丰田与本田分别于 2014 和 2016 年发布了氢燃料汽车,车身均采用了东丽碳纤维材料;风电方面,东丽 2014 年收购了 Zoltek公司,发力以风电涡轮机叶片为主要用途的大丝束领域。

2.3.2 美国赫氏:深耕复材应用,打造美国航空航天碳纤维标杆

碳纤维复材为主要收入来源,盈利能力持续增长。赫氏是美国最大的碳纤维生产商和复合材料供应商,2019 年 赫氏总营收 23.6 亿美元,其中碳纤维复材收入为 18.6 亿美元,占比近 80%;2006-2019 年赫氏碳纤维复材营 业利润由 1.2 亿美元上升至 4.1 亿美元,CAGR 达 10%,营业利润率由 15%上升至 22%,盈利能力不断增强。

航空航天占比超 85%,民用领域强势崛起。赫氏自身将其整体业务分为商业航空航天、军用航空航天及工业用 品三类,2005-2019 年其航空航天板块业务(军用+民用)占比由 72%上升至 87%,商业航空航天占比由 49% 上升至 68%,增幅显著。

与东丽多元化的材料业务不同,赫氏聚焦复合材料应用 70 余年,公司发展史亦是美国航空航天历史的缩影:

发展初期便致力于复材研发,扎根航空航天。赫氏成立于 1946 年,1953 年其产品便用于复合材料制造的 第一架轰炸机和战斗机,在 1961 年经历了军费削减导致的销售下滑后,1965 年美越战争重新推动公司蜂 窝结构复合材料业务发展。1993 年由于经营问题,公司申请破产保护,多方筹资筹得 5000 万美元后于 1995 年 2 月摆脱破产保护。

通过收购切入碳纤维及其复合材料领域,公司获得“二次生命”。1996 年赫氏收购 Ciba-Geigy 和 Hercule 的复合材料业务,获取了关键的航空产品生产资格和碳纤维生产能力,为后续承接多项军民航空、航天业务 打下基础。

洛马、波音、空客等军民机项目纷至沓来,赫氏进入稳定盈利期。民品方面,空客 A380、A320、H160 直升机、波音 787 Dreamliner、747-8 等机型均采用了赫氏碳纤维复合材料;军品方面,赫氏为 F35、V-22(鱼 鹰)倾斜旋翼飞机、UH60M 黑影、AH-64 阿帕奇、A400M 军事运输机、大黄蜂战机等军机提供碳纤维复合 材料;此外,赫氏也参与了多项美国国家空探索计划如阿波罗登月、哥伦比亚航天飞机制等,如正是航空航 天领域业务的不断增长,使得赫氏稳坐美国碳纤维及其复材制造商龙头地位。

总结东丽、赫氏的发展可再次得出:

1)持续的研发投入、不懈的应用实践为碳纤维制造企业发展的基石;

2)航空航天是碳纤维制造的试金石,批量化生产带来的规模效应是企业蜕变的关键;

3)后期高端民用领域的横向扩张是保持业务常青的良药。


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