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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(三)

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发表时间:2021-10-16 13:56

                                                      3.全球市场极速扩张,国内航空航天需求潜力巨大

3.1 国际市场:航空航天占据主导,风电叶片增速强劲

2019 年全球碳纤维需求首次突破 10 万吨。据《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》测算,2019 年全球碳纤维 需求总量达 10.4 万吨,同比增长 12%,金额达到 28.7 亿美元,同比增幅 11.6%。2008-2019 年全球碳纤维需 求量 CAGR 为 10%。

这是全球碳纤维发展 60 余年来需求量首次突破 10 万吨大关,其直接反映了碳纤维下游需求的持续扩张。随着 各国对碳纤维投入加大,核心技术将不断突破,当绝大部分核心技术被掌握后,下一个 10 万吨需求增长的用时 间将急剧缩短,据《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》预测,2025 年全球碳纤维需求量将达到 20 万吨,2030 年将达到 40-50 万吨。

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航空航天依旧稳占碳纤维需求主体地位。2019 年航空航天领域碳纤维需求量 2.35 万吨,同比增长 12%,占总 需求量的 23%。由于航空航天高端碳纤维单价较高,因此该领域 2019 年需求金额达到 14.1 亿美元,占需求总 金额的 49%。据《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》披露,2019 年航空航天领域碳纤维需求的增加主要来源 于波音 787 和空客 A350 产能的扩张。

5 年翻 4 倍,风电叶片需求增速强劲。据赛奥碳纤维技术统计,2014-2019 年全球来自风电叶片领域的碳纤维需 求由 0.6 万吨上升至 2.55 万吨,CAGR 达 33.6%,增速强劲。2019 年来自风电叶片领域的碳纤维需求占总量的 25%,然而由于该领域碳纤维单价较低,对总体金额贡献不显著,仅占总需求价值量的 12%。

其他领域碳纤维需求增速稳定。据《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》统计,2019 年汽车、压力容器、混配 模成型、建筑补强、电子电气等领域碳纤维需求与总需求量协同增长,同比增速维持在 12%左右。其中,体育休 闲领域需求增速较慢,每年维持 4-5%左右的增幅。

3.2 国内市场:航空航天占比不足,体育休闲、风电叶片为需求主要来源

我国碳纤维需求 12 年增长近 5 倍。据赛奥碳纤维技术统计,2008-2019 年我国碳纤维需求量已经由 0.8 万吨上 升至 3.8 万吨,占全球总需求量的 36%,CAGR 达 15%,超过全球平均增速。预计到 2025 年,我国碳纤维需 求总量将达到 11.9 万吨。

风电叶片、体育休闲领域为主要需求来源,航空航天需求严重不足:

2019 年风电叶片高增长拉动行业整体需求。2019 年我国风电叶片碳纤维需求量为 1.38 万吨,同比增长达 72.5%,占总需求量的 36.5%。其中,国产碳纤维约 1000 吨,相较 2018 年的完全进口,迈出了国产替代 的第一步。

体育休闲领域为国内碳纤维需求最大来源。2019 年中国大陆与中国台湾体育休闲领域碳纤维需求合计 1.4 万 吨,同比增幅 4%,占总需求量高达 37%,2014-2019 年体育休闲领域一直是我国碳纤维需求最大来源。

航空航天占比仅为 3.7%,较世界平均水平差距显著。2019 年我国航空航天碳纤维需求 1400 吨,较 2018 年上升 400 吨。2014-2019 年我国航空航天领域碳纤维需求占比维持在 2%-4%,较世界平均的 22%-24% (2014 年为 29%)差距显著。

3.3 碳纤维为航空航天必备新材料,未来增量需求有望破万吨

3.3.1 碳纤维正推动航空航天迈入轻量化时代

当前,由于碳纤维性能的不断提高和基体树脂增韧性技术的突破,碳纤维复合材料正逐步取代传统金属材料被广 泛应用于航空制造业中,特别是高强中模、大伸长碳纤维,能够显著提高冲击后的压缩强度和耐热/湿性,成为飞 机结构材料的不二之选。

碳纤维复合材料在航空领域的应用大致可分为三个部分:

1)应用在受力不大或非承力构件阶段(如舵面、口盖等);

2)应用在次承力或承力较大构件阶段(如机翼等);

3)应用在主承力构件或复杂受力构件阶段 (如机身、中央翼 盒)等;

世界范围内各类型军用飞机均大量使用碳纤维复合材料:

战斗机:先进机型碳纤维复材占比正逐步提升,据《碳纤维及石墨纤维》统计,美国 F-14A 的复合材料仅占 1%,到英国生产的战机“台风”EP2000 时复合材料含量已达 40%。

直升机:理论上 1kg 碳纤维复合材料可代替 3kg 的铝合金,对于直升机而言,碳纤维不仅具有高比强度和 比模量,且具有优异的阻尼特性,即不易起振,起振后能迅速吸收动能并停止下来,这可降低飞行载荷在直 升机悬翼上产生的交变动值。此外,碳纤维复合材料具有突出的耐疲劳性,静强度与疲劳强度比为 0.6-0.7, 而玻璃纤维仅为 0.3,芳纶纤维为 0.5。

以 MBB 公司研制的 BK117 直升机为例,该机型碳纤维复合材料占比高达 75%,于使用复合材料的构件, 平均减重 33%,平均零件数目减少 79%。同时,我国由哈尔滨飞机制造公司生产的直-9 型直升机复合材料 用量也超过了 60%,该机不仅武装了驻港部队,而且参加了上海合作组织在俄罗斯举行的反恐演练。

耐热+减重,碳纤维助力火箭、导弹飞得更高,打得更远。在 2000℃以上高温环境中碳材料是唯一强度不降的物 质,且军用碳纤维可在 3 000℃以上环境保持稳定,耐温性远超钛金属及其合金,因而被广泛应用于火箭的助推 器、防护罩、发动机罩和导弹壳体、发射筒等结构。此外,碳纤维复合材料亦可减轻火箭和导弹的质量,加大其 射程,提高落点精度。

以导弹为例,据《碳纤维及石墨纤维》表述,美国、日本、法国的固体发动机壳体主要采用碳纤维复合材料。美 国 MK 型、SICBM 型、三叉戟Ⅰ型机动洲际弹道导弹鼻锥和发动机喷管喉衬都采用了 3D C-CFRP(以碳纤维 3 向编织物为胚体的碳纤维复合材料),卫兵型、SPI 型反弹道导弹鼻锥采用了 3D C-CFRP,民兵Ⅲ鼻锥也采用了 细编穿刺 C-C 复合材料。MX 弹道导弹第三级发动机喷管及三叉戟 II 型(D-5)的第一、二级发动机喷管都采用了 C-CFRP。美国“北极星”、“战斧”、三叉戟 II 型(Trident-II,D-5)导弹的固体发动机壳体采用了 CFRP。法国 M51 导弹的一级发动机外壳由碳纤维复合材料编织而成。

碳纤维可为民用航空带来显著经济效益。据《碳纤维及石墨纤维》描述,利用碳纤维及其复合材料替代钢或者铝 减重效率可达 20%-40%,对客机而言,减重可有效节省燃油、 提高航程和净载能力,具有显著的经济效益。

在早期 A310、B757 和 B767 上,碳纤维复合材料占比仅为 4%-7%,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。至 A380 时,复合材料占比达到 25%,具体应用于客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等和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规模应用的先河。

在最新的 B787 和 A350 机身上,复合材料的用量达到 50%以上,有更多部件使用碳纤维,例如机头、尾翼、机 翼蒙皮等,使碳纤维需求量极大提升。

3.3.2 装备升级放量、民航需求爬坡,碳纤维新增需求破万吨

我国军机总数仅为美国四分之一,高端战机占比不足,军机迭代迫在眉睫。据《World Airforces 2020》统计, 2019 年我国军机总量为 3210 架,虽位列世界第三但仅为美国的四分之一。目前我国以歼-7、歼-8 为代表的二 代战斗机仍是主力,占比达到 58%,四代机占比仅为 1%,而美军现役已无二代战斗机,其三、四代机型占比分 别为 87%和 13%。我们认为,未来我国军机升级换代将是大势所趋。

经我们测算,未来军机碳纤维复合材料需求规模将超过 300 亿元:

我国军机单机重量和碳纤维复合材料含量同步提升,放量后将产生乘数效应。据《复合材料在航空战机上的 应用》表述,以歼击机为例,我国歼-7 空重 5.3 吨,碳纤维复材含量约 2%,新一代战机空重 17 吨,碳纤 维复合材料含量约 25-30%,相比老旧机型,新机型单机重量与碳纤维复材含量均显著提升,未来将产生乘 数效应支撑碳纤维需求增长。

军机迭代将新增 8210 吨碳纤维需求,市场规模达到 328 亿元。

主要假设:

1)军机持续迭代,新机型不断亮相;

2)据《先进战斗机结构选材与制造工艺需求分析》内容,将军 机结构系数设为 31%-34%。

3)军用碳纤维复合材料成材率大约为 70%。

国产 C919、ARJ21 订单不断增加,支撑民用碳纤维复材市场未来需求。国产大型客机 C919 于 2008 年启动研 制,2017 年成功首飞并计划在 2021 年取得适航证。此外,国产 ARJ21 新支线飞机投入运营后销量也保持良好。

据中国之声 2020 年 5 月披露,C919 当前累计客户 28 家,订单总数已有 815 架;商飞亦收到来自 22 家客户合 计 596 架 ARJ21-700 飞机订单。经测算,当前国产客机在手订单兑现将产生 1383 吨碳纤维复材需求,市场规 模超过 55 亿元。

据中国航空工业发展研究中心发布的《2020-2039 年民用飞机中国市场预测年报》预测,为满足运量增长和替换 退役飞机需求,至 2039 年中国客机机队规模将达 8854 架,其中因运量需求而新增的客机 5208 架,替换退役 客机 2368 架,剩余 1278 架为存量客机,市场价值超万亿美元。我们判断,未来以 C919、ARJ21 为代表的国 产民用飞机订单将继续增长,进一步提振碳纤维下游需求。


                                                                  4.高端民用多点开花,国产替代迎成长风口

4.1 风力发电将成碳纤维行业新驱动

碳纤维可有效降低风电叶片重量,促进风力发电向大功率方向发展。风力发电系统主要由发电机、叶片、塔架和 控制系统组成。其中,复合材料叶片是发电机的核心部件之一,叶片成本约占发电机系统成本的 18%-22%。由 于风力发电机的电能与叶片长度成正比,故此为提高发电功率需要增加叶片长度,叶片重量也随之增加,为更好 地平衡叶片重量与长度,碳纤维复合材料成为风电叶片的理想选择。

5 年翻 4 倍,风电叶片碳纤维需求增速强劲。据赛奥碳纤维技术统计,2014-2019 年全球来自风电叶片领域的碳 纤维需求由 0.6 万吨上升至 2.55 万吨,CAGR 达 33.6%,增速强劲。2019 年来自风电叶片领域的碳纤维需求占 总量的 25%,然而由于该领域碳纤维单价较低,对总体金额贡献不显著,仅占总需求价值量的 12%。

风力发电市场规模迅速扩张,中国为全球重要市场。据 GWEC 发布的《全球风电发展报告 2019》统计,2019 年全球风电新增装机容量达到 60.4GW,同比增长 19%;2019 年全球风电累计装机容量突破 650GW,同比增 长 10%,2001-2019 年全球风电累计装机容量由 24GW 上升至 651GW,CAGR 达 20%,规模增速显著。

国家层面,2019 年新增装机容量排名前五的是中国、美国、英国、印度和西班牙,合计占全球的 70%。就累计 装机而言,中国、美国、德国、印度和西班牙位列第一至第五,合计占全球的 72%。

我国陆上与海上新增装机规模均位列世界第一:

2019 年,全球陆上风电新增装机容量为 54.2GW, 同比增长 17% ;累计装机规模迈过 600GW 这一新的 里程碑,达到 621GW。其中,我国陆上风电新增并网容量为 23.8GW,占全球比重 44%,累计并网容量达 到 230GW。

2019 年,全球海上风电新增装机容量超过 6GW,是有史以来表现最好的一年。其中,我国的新增规模达到 创纪录的 2.3GW,居全球第一。英国的新增规模接近 1.8GW,依然是全球重要的海上风电市场。德国的新 增规模超过 1.1GW,居全球第三。

据 GWEC 预测,2020-2024 年,全球有望新增 355GW 风电装机,年均增长接近 71GW,CAGR 将达到 4%。海上风电新增装机规模将从 6GW 增至 15GW,其在全球年度风电新增装机中的占比相应由 10%提高至 20%。

就中国市场而言,由于存量项目需赶在 2020 年 12 月 31 日前并入电网,以拿到核准电价,故此 2020 年有望成 为中国陆上风电市场有史以来表现最好的一年,从 2021 年开始,中国陆上风电市场发展主要受平价上网项目驱 动,继续引领世界风电市场。

我们判断中国风电行业的蓬发展将成为碳纤维市场有力驱动器,促进民用碳纤维需求走高。

4.2 碳纤维,引领新能源汽车材料革命

未来已来,碳纤维助力新能源汽车实现轻量化蜕变。据新能源汽车网测算,在同样续航里程下,电动汽车重量比 传统汽车重 200-300kg 甚至更多。因此为保证电动汽车有较好续航里程和可承受成本,电动汽车车身须减重 50% 以上。在所有轻量化材料中,碳纤维复合材料是唯一能在钢质零部件基础上减重 50-60%却能够提供同等强度的 先进材料。

碳纤维及其复合材料在新能源汽车轻量化领域的优势突出表现在以下方面:

车身轻量化:碳纤维密度小,较低碳钢结构减重 50%,较镁/铝合金结构减重 30%;

颠覆生产流程:模压和粘结工艺代替冲压和焊接,节约生产线及模、夹具的投入;

集成度高,造型自由:可设计性强,可实现流线型曲面成本低,可减少零部件种类和工装投入;

提升汽车安全性:汽车轻量化后中心下降,提升操作稳定性,碰撞吸能能力为钢的 6-7 倍,铝的 3-4 倍;

提升汽车舒适性:更高的振动阻尼,对汽车整体降噪效果提升显著,舒适性更加。

据中国汽车工程学会发布的《节能与新能源汽车技术路线图》预测,2026-2030 年,我国将实现整车比 2016 年减重 35%,将重点发展镁合金和碳纤维复合材料技术,实现碳纤维复合材料混合车身及碳纤维零部件的大范围 应用。

除车身减重外,碳纤维亦可应用于新能源汽车电池箱体。动力电池作为新能源汽车能量供给的核心零部件,其性 能直接影响新能源汽车的性能表现。其对材料有高强度、轻量化和优良的耐腐蚀性要求;碳纤维在这 3 方面具有 极大优势,其具有较高的比强度和比模量,同时还具有优良的耐蚀性和阻燃性,因此能在满足上述条件的同时, 做到动力电池箱的轻量化。

我国新能源汽车市场增速强劲,未来将成为碳纤维下游市场的中流砥柱。据中汽协和工信部统计,2014-2019 年 我国新能源车年产量由 8.4 万辆上升至 124.2 万辆,CAGR 为 71.4%,2019 年产销量略下滑主要因行业补贴退 坡。

我们认为,伴随着 2020 年汽车减重 10%,2025 年减重 20%,2030 年减重达到 30%目标的临近,以及新能源 汽车出货量的持续提升,碳纤维复合材料在新能源汽车行业中的运用范围与运用比例将会继续扩大,使中国成为 全球最大的碳纤维轻量化新能源汽车市场,引领全球碳纤维产业的未来。

4.3 我国碳纤维进口替代特征初显,未来可期

我国碳纤维国产化率为 32%,进口部分主要依赖日本、中国台湾。据《碳纤维产业释放良机 2019》阐述,2019 年我国 3.8 万吨碳纤维需求中进口量为 2.6 万吨,同比增长 68%;国产供应量为 1.2 万吨,同比增长 33%,国 产化率达 31.5%。

以传统大小丝束市场来分,我国小丝束市场容量约 1.8 万吨,其中国产约 0.7 万吨;大丝束市场容量约 1.4 万吨, 其中国产 0.1 万吨;另有接近 0.5 万吨左右国产碳纤维横跨两个市场。

目前我国国产碳纤维供应量已连续两年增幅超过 30%,体现出国有碳纤维企业生产技术和管理水平的巨大提升, 预计在 2025 年左右,我国碳纤维国产量将超越进口量。

2019 年大陆从日本进口碳纤维 0.8 万吨,占总需求的 20.3%;从中国台湾进口碳纤维 0.6 万吨,占总需求的 15.0%, 中国台湾与日本成为除大陆本土以外的碳纤维最大供应地。

4.4 国内供给格局:高端聚焦技术创新,低端发力降本增效

4.4.1 高端品供应商屈指可数,核心企业强者恒强

产品性能决定核心竞争力,先发优势持续积累最终形成卡位优势。对于航空航天等高端市场,产品性能是首要因 素,据中简科技招股书表述,现阶段我国从事碳纤维材料研制及生产的单位近百家,但能够生产符合航空航天标 准的高性能碳纤维企业屈指可数,大量企业集中在体育休闲领域,绝大多数碳纤维厂家仍处在亏损状态。随着市 场经济优胜劣汰,碳纤维行业将面临洗牌,拥有自主知识产权和持续创新能力的企业必将在未来竞争中占得先机。

目前国内能够生产高端碳纤维的厂商主要有中简科技、光威复材、江苏恒神及中复神鹰,其中中简科技和光威复 材更是高端碳纤维赛道领跑者。我们认为,中简科技与光威复材的优势主要集中在以下三个方面:

较早切入高端碳纤维领域形成先发优势:

1)中简科技 2008 年为承担科技部“863 聚丙烯腈基碳纤维工程 化”重点项目而成立,随后便扎根高端碳纤维的研发与工程化制备,在国产化替代的理念下产品不断填补国 内相关领域空白;

2)光威复材 2002 年便开始碳纤维研发,承担两项 863 碳纤维专项的同时于 2008 年建 成国内首条千吨级碳纤维产线,成为国内首家实现碳纤维工程化的企业。

强大的科研能力与持续的研发投入不断拓宽企业护城河:

1)中简科技实控人均为业内顶尖专家,董事长杨 永岗与总经理温月芳均来自我国最早从事新型碳材料研发的机构——中科院山西煤炭化学研究所,2013- 2019 年研发投入 6 年增长近 3 倍,授权专利总数超 20 项;

2)光威复材深耕碳纤维研发近 20 年,期间作 为行业龙头主持了两项碳纤维国家标准的制定,产品覆盖了 T300/T700/T800/M40J 等一些列高端碳纤维, 且拥有核心设备的研发制造能力,是目前国内生产品种最全、技术最先进、产业链最完整的碳纤维行业龙头 企业之一。

与下游客户形成稳定供求关系,成为特种领域核心供应商:中简科技 T700 级和光威复材 T300 级碳纤维已 被批量化用于我国航空航天领域,成为特种领域核心供应商;由于特种领域对材料质量及稳定性要求极高, 故此一旦对应型号定型批产,供应关系和材料价格一段时间内将保持平稳。

航空航天领域竞争格局趋于稳定,核心供应商强者恒强。当前航空航天领域核心供应商主要为中简科技、光威复 材和中航高科,其中中航高科主要提供预浸料、蜂窝及航空复合材料,为中简科技和光威复材下游企业。我们认 为,今后航空航天领域竞争格局将企稳,头部企业行业地位将进一步稳固:

1)航空航天领域国外对我国实行技术与产品封锁政策,叠加新材料核心技术国产化趋势的持续演绎,头部企业 将获得更多发展空间和机遇;

2)航空航天等高端领域对产品性能要求严苛,而国内仅有中简科技、光威复材等少数企业掌握核心技术可生产 出满足要求的材料,不可替代性不断增强;

3)头部上市企业相较其竞争对手可从资本市场获得更多的支持,同时政策资源也必然将向头部有追赶国际巨头 潜力的公司倾斜,领跑者将获得更多卡位优势。

4.4.2 传统市场直面国际巨头竞争,降本增效是关键

美、日几乎垄断全球碳纤维市场,国内传统领域面临极大竞争压力。据《碳纤维产业释放良机 2019》统计,2019 年全球碳纤维运行产能约为 15.5 万吨,其中日本碳纤维产能约为 2.9 万吨,占全球产能的 18.8%;美国产能约 为 3.7 万吨,占全球产能的 24.1%。

日本是全球最大的碳纤维生产国,日本东丽、日本东邦和日本三菱丽阳拥有全球丙烯腈基碳纤维 50%以上市场 份额,掌握世界顶尖碳纤维生产技术,产品的质与量均处于世界领先地位,而美国是继日本之后掌握碳纤维生产 技术的少数国家之一,同时又是世界上最大的丙烯腈基碳纤维消费国,约占世界总消费量的 1/3。

据中国化学纤维工业协会统计,在小丝束碳纤维市场,日本企业所占全球产能的 49%;在大丝束碳纤维市场上, 美国企业所占全球产能的 89%。

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对于国内企业而言,由于美、日在技术领域处于领先地位,同时日本东丽、美国赫氏这类老牌企业由于产线折旧 等方面压力较小,成本端亦存在极大优势,导致国内企业面临巨头价格打压、产品倾销,生存空间紧张。

国内企业主要通过扩充产能提升规模效应以应对激烈的竞争。无论是传统民用市场(包含航空航天),还是具有 大规模需求潜力的市场,如风电、汽车、轨道交通等,价格和性价比始终是企业考虑的首要因素,由此催生出各具商业价值的碳纤维品种。2019 年来,企业纷纷宣布扩产计划,我们预计产能将在未来几年逐步释放,中国碳 纤维有望真正走进低成本时代。

低成本与高性能协调统一是产业未来进步方向,也是国内企业赶超良机。低成本是不同性能碳纤维均需要的基础 技术:

1)对于高端产品而言,当解决了“从无到有”的阶段性问题后,降低生产与获得成本将成为行业下一阶 段的主题;

2)对于传统民用市场,低成本技术更是企业在激烈竞争中存活的关键。

此外,据《碳纤维产业释放良机 2019》表述,在碳纤维生产过程中低成本、高效率、高质量可以实现并存,目 前,国际上的干喷湿法的速度已经高达 600-700 米/分钟,国内也达到了 500 米/分钟,速度地提升会带来成本的 降低,但并不影响纤维的高性能;同理,对于湿纺工艺,东丽公司对卓尔泰克的原丝生产线提速一倍,国内的一 些企业也可以实现 250-300 米/分钟的速度,对碳纤维的性能无不良影响,反而促进了性能的提升。我们认为, 未来国内碳纤维产业必然会在降低成本与提高性能方面同步发力,依次实现低端领域低成本、高端领域低成本与低端领域高性能低成本的跨越式发展。(本文仅供参考,只代表来源方与作者观点。)


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