机械设备行业专题：碳纤维复材进入应用快速放量期

碳纤维复合材料是轻量化的关键材料之一，设计和制造降本空间大。碳纤维复合材料是由碳纤维作为增强材料的一种高性能复合材料，在基体材料选择上，以树脂基、碳基使用最多，在成型工艺上多需要用到预浸料作为中间材料。据赛奥碳纤维统计，2021年全球碳纤维复合材料中，树脂基+碳基市场份额超过80%。据江苏恒神股份有限公司公开转让说明书，“通过对碳纤维复合材料的成本结果分析，最大的成本空间是在复合材料结构件的设计和制造工艺上”。 复合材料制造工艺的低成本化，应用技术的低成本化，是碳纤维复合材料扩大应用不可或缺的重大环节。 全球碳纤维复材行业规模200亿美金，下游较为分散。碳纤维及中间制品：2021年，全球市场规模约34亿美元，下游航空航天、风电叶片、碳碳复材、体育休闲市场规模分别为11.9、5.5、1.8、5.1亿美金，占比合计约72%。我国市场规模约14.7亿美元，以上四个行业市场规模分别为1.4、3.8、1.5、4.8亿美金，占比合计约78%。碳纤维复合材料：2021年，全球碳纤维复材市场规模约200亿美元，以上四个行业市场规模分别为91、11、28、39亿美金，占比合计约85%。我国市场规模约108亿美元，以上四个行业市场规模分别为33、9、11、40亿美元，占比合计约87%。下游市场较为分散。 碳纤维复材进入应用快速放量期。民航：波音公司预计未来20年中国航空公司将购买6450架单通道飞机和1590架宽体机，我们假设了两类机型中碳纤维复材的用量和单价，预计平均每年我国市场规模约为130亿元。风电：“双碳”背景下，风能发展迅速叠加风机叶片大型化、轻量化趋势，预计到2025年全球风电行业碳纤维复材市场空间约140亿元。轨交：碳纤维复材在轨交领域处于试点萌芽期，拓展可达空间广阔。随着渗透率的不断提升，预计2025年仅国内轨交碳纤维市场将超37亿元，碳纤维复材进入应用快速放量期。 风险提示：碳纤维复材工艺优化及降本进度不及预期；国产碳纤维复材导入航空航天等高端产业进度不及预期；轨交等行业对碳纤维复材应用的导入不及预期。 1.碳纤维复材是轻量化关键材料，设计及制造降本是推动应用的核心 1.1.碳纤维复材性能优异，产业链上各环节的加工具有高附加值 碳纤维复合材料性能优异，是轻量化的关键材料之一。复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。复合材料中不同材料互为基体或增强体，在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料。碳纤维复合材料（也称碳纤维增强复合材料，CarbonFiber-reinforcedPolymer，CFRP）是由碳纤维作为增强材料的一种高性能复合材料，而在基体材料选择上，以树脂基、碳基使用最多。 据赛奥碳纤维统计，2021年全球碳纤维复合材料中，树脂基+碳基市场份额超过80%。碳纤维复合材料具有比强度高、比重小、比模量高、抗疲劳性能及耐腐蚀性能优异等特点，兼具纺织纤维的柔软可加工性，是轻量化的关键材料，率先应用于航空航天、风电、高端装备制造等领域。 表1：碳纤维复合材料性能优异，是轻量化的关键材料之一 预浸料铺放是最成熟的碳纤维复合材料成型工艺，随着应用下游拓宽，缠绕拉挤、预制体等工艺涌现。概括而言，复合材料成型即指将一维纤维固结成三维形状的过程，是复合材料工业的发展基础和条件，由于碳纤维复合材料结构成型与材料成型同时完成，所以碳纤维复合材料有时也直接指碳纤维复合材料部件/制品。从2021年全球树脂基碳纤维复合材料需求的成型工艺来看，预浸料铺放、缠绕与拉挤、混配模成型、预制体是当前最主流的工艺，按以上成型工艺生产的树脂基碳纤维复合材料的重量占比分别为28.8%、36.1%、12.3%、7.2%，合计达84%，其中：预浸料铺放是最成熟的成型工艺，是航空航天复合材料首选的成型工艺；缠绕拉挤随着碳纤维复材在风电与气瓶中应用的增长而跃升为占比第一的工艺；预制体随着光伏热场碳碳复材的应用而成为主流工艺之一。 预浸料铺放：实用性最广、应用经验最成熟的材料形态及成型工艺。以预浸料为材料、以自动铺放或手工铺贴为层合工艺、以热压罐为固结工艺的航空航天复合材料工艺是基础，其核心优势是“高纤维含量”、“均匀浸润”与“低孔隙率”。几乎所有应用均会首先采用此工艺，然后在应用过程中再摸索特点，发现更高效简化工艺，如风电梁帽的开发历史，从预浸料铺放过渡到厚重织物成型，再到拉挤板材。 缠绕拉挤：复合材料的经典成型工艺，主要优点是工艺简洁，主要缺点是只能制作回转体及型材，不能制造型面复杂的结构。随着风电与气瓶应用的增长，缠绕与拉挤工艺超越了预浸料铺放工艺，占比上升至第一。 预制体：近几年成为主要工艺之一，目前在碳碳复材中发展迅速，主要由光伏炉所需的热场碳碳复材的快速发展而推动的。 图1：概括而言，复合材料成型即指将一维纤维固结成三维形状的过程（图为采用缠绕成型工艺制造碳纤维复材管） 图2：全球范围内，预浸铺放、缠绕与拉挤、混配模成型、预制体等是制造树脂基碳纤维复合材料的主流工艺 预浸料是多种成型工艺使用的重要中间材料，碳纤维产业链每一级的加工技术含量高、附加值高。从碳纤维复合材料的制造流程来看，预浸料是热压罐、模压、卷制、缠绕等多种工艺中极其重要的中间材料，它的制造方法主要是将连续整齐平行的碳纤维牵引，通过与树脂基体充分浸润收卷成卷材，相应的碳纤维整体产业链为“原丝-碳纤维-碳纤维织物-预浸料-复合材料”。据江苏恒神招股书，“同一品种原丝的售价约40元/kg，碳纤维约180元/kg，预浸料约600元/kg，民用复合材料约在1000元以下/kg，汽车复合材料约3000元/kg，航空复合材料约8000元/kg。”在碳纤维产业链中，不同阶段产品价格均有较大幅度增值，各阶段的加工制造技术是关键。 图3：碳纤维复合材料生产流程 图4：原丝、碳纤维、预浸料、碳纤维复合材料价格及增值幅度 1.2.碳纤维复材的设计和制造降本空间大，是扩大应用的核心环节 碳纤维复合材料结构件的设计和制造环节具有最大的降本空间，是扩大下游应用的核心环节。1996年美国先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民用运输机用的新材料》中提到“材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8%~10%，开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性。”。 江苏恒神招股书中也指出，“通过对碳纤维复合材料的成本结果分析，最大的成本空间是在复合材料结构件的设计和制造工艺上”。复合材料制造工艺的低成本化，应用技术的低成本化，是碳纤维复合材料扩大应用不可或缺的重大环节。本节将重点介绍碳纤维复材设计及制造环节的关键技术及壁垒。 图5：据江苏恒神招股书中分析，碳纤维复材最大的成本空间是在复材结构件的设计和制造工艺上 （1）碳纤维复合材料设计之初就需要综合结构设计、材料、工艺等多项技术碳纤维复合材料与常规金属材料最显著的不同在于它的力学性能可以通过设计进行控制改变，因此，它在力学性能方面给设计人员提供了自由度。金属材料结构设计人员可以直接使用材料部门提供的性能数据和传统的金属结构成型工艺进行设计，设计、材料和工艺三方面的技术人员可以分别完成各自领域的开发。 而高性能碳纤维复合材料结构的研发必须由设计、材料、工艺三个领域的技术人员组成紧密配合的团队，相互协作共同努力才能完成。 （2）有限元等计算机数值模拟技术，在设计及制造过程中均有关键作用 有限元模拟是一种重要的数值模拟方法，能够较好地模拟仿真材料在载荷或载荷与环境联合作用下的变形、损伤与断裂过程，在碳纤维复合材料的设计及制造过程中均有重要应用。在设计过程中，采用结构有限元分析的方法，可以对复合材料制品进行力学分析计算，获得满足设计要求的结构。在加工制造过程中，以往的复合材料生产工艺参数依靠“试凑法”，要获得有用数据，需要做大量试验，从而导致大量的人力和物力浪费，增加了产品的成本。高效生产质量稳定的复合材料结构件的关键技术在于选择合适的工艺参数，制定合理的工艺方案，而数值模拟为优化工艺参数，深刻理解各种参数对成品质量的影响，提供了有效的技术手段。总的来说，计算机模拟分析在碳纤维复合材料的设计及制造中，起到了降低工艺成本、优化设计、缩短设计周期及保证产品质量服务的关键作用。 图6：采用有限元对复合材料车体在静力载荷下的垂向变形进行数值模拟 图7：采用有限元对钻削碳纤维复合材料构件的过程进行模型，得到了钻孔过程中温度的仿真图 （3）低成本制造工艺的开发和应用 低成本的制造成型技术在部件连接、整体成型、连续化成型、高效率成型等方面具有很高的技术壁垒。主要包括树脂传递模塑成型（RTM）、树脂膜融化成型（RFI）、真空灌注成型（VARI）等液体成型技术、共固化液体成型（co-LCM）技术、以热隔膜成型为代表的预成型技术等。举例来看，业内正积极探索的液体成型技术，其免除了将纤维制成预浸料，再切割成层片铺叠成预型件的过程，摆脱了大投资的热压罐，工艺易于实现自动化，具有生产周期短、劳动力成本低、环境污染少、制造尺寸精确、外形光滑、可制造复杂产品等优点。 图8：RTM成型工艺示意图 （4）产业化、大规模生产技术 碳纤维复材生产工艺线长，单条生产线控制点都在1000个以上，各类参数间关联度极大，生产线启动往往需要10天以上产品质量才能稳定下来。工艺过程包括温湿度、浓度、黏度、流量、压力、转速、风速、电流等几千个参数，需要高精度的自动化监控和调节，其中一个环节出现问题，就会严重影响碳纤维复材产品的性能和质量的稳定。产业化生产工艺不成熟是目前导致碳纤维复材产品质量不稳定的主要原因。保障碳纤维复材长期连续、稳定、工业化生产的技术壁垒高。 2.碳纤维复材：2021年全球规模约200亿美元，我国约占其中五成 2.1.碳纤维&中间制品：2021年全球规模34亿美元，我国约占其中四成2021年，全球碳纤维及中间制品市场规模约34亿美元，航空航天、风电叶片、体育休闲合计占下游的66%。据赛奥碳纤维统计，2008-2021年，全球碳纤维及中间制品（预浸料+织物）需求总重量CAGR为9.5%，2021年达11.8万吨，同比+10.4%。价值量方面，2021年，全球碳纤维及中间制品市场规模为34.0亿美元，分下游来看，航空航天、风电叶片、体育休闲占比分别为35%、16%、15%，是最主要的三个应用领域。由于上世纪70年代出现的石油危机，碳纤维从此前的军用航空航天结构向民用飞机渗透，在工业领域也因轻量化需求得到了推广应用。根据市场规模与需求重量折算，全球碳纤维及中间制品的均价为28.9美元/kg，分下游来看，航空航天领域均价最高，达到72.0美元/kg，体育休闲、压力容器、汽车等领域均价相近，在20-30美元/kg之间，风电叶片领域均价则相对较低，约16.8美元/kg。在航空航天和工业领域两种不同需求的推动下，碳纤维产生了两个不同的类型和发展方向，即以满足航空航天领域需求的高性能前提下的低成本，和以满足工业领域需求的低成本下的高性能，应用领域广泛。 图9：2021年，全球碳纤维及中间制品需求为11.8万吨，同比增长10.4% 图10：航空航天领域碳纤维及中间制品销售均价最高（2021年，图11：全球碳纤维及中间制品规模下游中，航空航天、风电叶片、单位为美元/kg）体育休闲分别占35%、16%、15%（2021年，价值量） 2021年，我国碳纤维及中间制品市场规模约14.7亿美元，约占全球市场的四成。2008-2021年，我国碳纤维及中间制品需求总重量CAGR为15.5%，2021年达到6.2万吨。价值量方面，我们根据不同下游所需重量，以及各领域销售均价，计算得到2021年市场规模为14.7亿美元（注：此处与奥赛碳纤维报告中直接呈现的我国市场规模略有差异，为保持数据更好的一致性，我们使用了以上的计算方式），占全球市场的43%；分下游来看，体育休闲、风电叶片、碳碳复材、航空航天分别占33%、26%、10%、10%，合计约达八成，其中碳碳复材特别受益于