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碳材料領域的黑色黃金——碳纖維

關鍵詞 碳材料 , 碳纖維|2019-11-26 11:59:43|來源 解析投資
摘要 碳材料是自人類誕生以來最早使用的元素之一,從出現伴隨著人類歷史文明。19世紀末,愛迪生使用竹、亞麻和棉紗首先制得碳纖維,其作為新型碳材料發展至今已經有著超過150年歷史,一直以來,...

碳材料是自人類誕生以來最早使用的元素之一,從出現伴隨著人類歷史文明。19世紀末,愛迪生使用竹、亞麻和棉紗首先制得碳纖維,其作為新型碳材料發展至今已經有著超過150年歷史,一直以來,碳纖維憑借優異的性能而被稱譽為“黑色黃金”。

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碳纖維是以用腈綸和粘膠纖維為原料,經高溫氧化碳化而成,含碳量達到90%以上的一種力學性能極其優異的新材料。它的直徑一般為5-7μm,大約是成年人頭發的十分之一,但強度卻是鋼的20倍,且耐高溫居所有化纖之首,是目前制造航天航空等高技術器材的最佳材料。

碳纖維制取原料眾多,按它的來源主要分為兩大類。一類是人造碳纖維,如粘膠絲,人造棉,木質素纖維等;另一類是合成碳纖維,它們是從石油等自然資源中提純出來,再經過處理后紡成絲。合成碳纖維根據纖維碳化程度的不同,其又可分為石墨化碳纖維、碳纖維和預氧化碳纖維三種類型。根據力學性能的不同,可分為通用型碳纖維和高性能型碳纖維,而高能型碳纖維又可根據抗拉強度和彈性模量的不同分為高強型、高模型、高強中模型等不同類型。此外,根據規格的不同,碳纖維可分為小絲束碳纖維(24000根以下)和大絲束(48000根以上)碳纖維。根據原絲原料種類的不同,碳纖維有聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、粘膠基碳纖維、瀝青基碳纖維。其中,聚丙烯腈基碳纖維因制備工藝簡單,成品品質和性能優良,目前產量占碳纖維總量的90%以上,而瀝青基碳纖維約占8%,剩下粘膠基碳纖維還不足1%。

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碳纖維產業鏈制作工序豐富,較為復雜。具體為,上游是生產碳纖維專用的材料;中游是碳纖維生產工藝中的設備提供商;下游是生產碳纖維應用部件的產品。從上游原絲到碳纖維整個過程,碳纖維經過一系列的聚合、紡絲、預氧化、低溫碳化、高溫碳化等過程后方可制得。除此之外,碳纖維再經過與樹脂、陶瓷等材料結合,還可進一步形成碳纖維復合材料。

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上游原材料主要是丙烯腈。碳纖維廠商通過對以丙烯腈為主的原材料進行聚合反應生成聚丙烯腈,再以其紡絲獲得聚丙烯腈原絲。中游為碳纖維生產設備。這里由專門的設備廠商提供第三方生產設備。目前主要原絲設備制造商有意大利的MAE,日本川崎重工;預氧化爐有德國的Eisenmann、美國的Despatch和Litzler;炭化爐主要廠商是美國Litzler、德國Eisenmann、美國Harper 和臺灣聚川公司;收絲卷繞技術為日本Kamitsu 和德國Sahm。下游碳纖維產品應用廣泛。除了風力發電、體育休閑、交通運輸、汽車工業、能源、化工、建筑等民用領域外,也廣泛應用于各個國防工業領域,是軍用飛機、火箭、導彈、衛星、艦船等先進武器裝備不可缺少的戰略性材料。

碳纖維的發展從20世紀60年代起步,之后經過70 -90年代的穩定推進,直到21世紀初期生產工藝技術走向成熟。在行業發展初期,碳纖維主要用于軍工和宇航,但經過50余年的發展,其應用領域逐步向工業領域和普通民用領域擴大。

現階段,全球碳纖維市場規模快速增長。

2010-2018年,全球碳纖維產能約由為約8.4萬噸增長至13.5萬噸。從地區來看,2018年日本生產碳纖維7.6萬噸,占比56%,中國生產碳纖維2.6萬噸,占比20%,美國生產碳纖維1.5萬噸,占比11%,德國生產碳纖維1.3萬噸,占比10%。

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日本是全球最大的碳纖維生產國,其生產的碳纖維無論質量還是數量上均處于領先地位。日本東麗、日本東邦和日本三菱麗陽三家廠商目前擁有全球丙烯腈基碳纖維50%以上的市場份額,尤其日本東麗更是世界上高性能碳纖維研究與生產的“領頭羊”。數據顯示,日本企業在全球小束絲碳纖維市場份額占到約58%,其中日本東麗占比27%、日本東邦占比18%、日本三菱占比13%;日本企業在全球大束絲碳纖維市場集中度更高,基本被日本東麗控制(注:Zoltek于2013年被東麗收購),日本東麗大束絲碳纖維市場全球占比為49%。

此外,美國是繼日本之后掌握碳纖維生產技術的少數幾個發達國家之一,同時又是世界上最大的丙烯腈基碳纖維消費國,目前所擁有的碳纖維市場份額占據全球產能的24%。

2010-2018年,全球碳纖維需求量由4.27萬噸增長至9.26萬噸,預計到2020年全球碳纖維市場需求將達到11.2萬噸。

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從全球碳纖維應用來看,碳纖維主要集中在航空航天,工業應用和體育休閑三大終端應用領域。目前全球碳纖維總量超過50%被應用于工業領域,其中,風電葉片占比24%,汽車領域占比12%,混配模成型占比11%,壓力容器占比6%,建筑占比4%,船舶占比1%。剩下22%被應用于航空航天,不足20%被應用于體育休閑。

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我國碳纖維工業的起步可以追溯到1962年,總體上與日本碳纖維的研發同步進行,但在產業化生產和集中度方面卻存在較大差距。2005年,我國碳纖維行業總共僅有10家企業,合計產能僅占全球總產能的1%左右;2010年,國內碳纖維生產能力僅占世界高性能碳纖維總產量的0.4%左右;2012年,碳纖維“十二五”期間,產能出現快速增長,達到1.2萬噸。截止2017年,我國碳纖維產能已經達到2.6萬噸。然而,就目前來看,我國碳纖維產業生產規模仍然較小,國內市場供不應求,碳纖維需求比較依賴進口。

我國對碳纖維需求旺盛。2018年我國市場對碳纖維需求量約為3.1萬噸,約占全球市場碳纖維需求量的1/3。其中國內碳纖維市場需求仍主要來源于相對低端的體育休閑領域,占據總需求量的約48%。風電葉片市場增長迅猛,是驅動目前國內碳纖維市場需求快速增長的領域。但較全球水平仍有明顯差距,而航空航天僅占2%,屬于嚴重偏低,產業應用結構有待優化。

高性能碳纖維材料在國民經濟和國防工業領域有著重要作用,因此,日本、美國等發達國家對我國實行嚴格的封鎖,限制高端產品、核心技術和關鍵設備進入我國,以制約我國高端制造和國防工業的發展,導致我國高性能碳纖維供給遠遠不能滿足下游需求。隨著國內碳纖維產業技術水平和工藝能力的不斷進步,國內碳纖維廠商依靠產品性能和質量的不斷提升逐步打破外商的壟斷。截止2018年,我國碳纖維需求中進口比例已經快速下降到61%,顯然,下游市場在對國產高性能碳纖維需求快速釋放。

碳纖維具有極高的戰略價值。自2012年以來,國家陸續發布多部有利于碳纖維行業發展的相關重點政策,其中2015年國務院《中國制造2025重點領域技術路線圖》明確了將“高性能纖維及其復合材料”作為關鍵戰略材料碳纖維產業已經作為國家重要戰略布局。在國家大力投入和推進下,將會吸引越來越多的資金和人才進入其中,國內碳纖維及其復合材料的研發能力將會有明顯提升,碳纖維產業正蓄力前進,未來有望騰飛。

目前我國大多數碳纖維企業所提供產品以中低端碳纖維為主,競爭激烈,毛利率普遍為負,長期處在虧損狀態。真正掌握高性能碳纖維核心技術的國內碳纖維企業較少,僅有7家千噸級碳纖維企業達到要求。這7家企業集中度較高,理論產能已經占到了全國的84.8%,他們分別是中復神鷹、江蘇恒神、精功集團、光威復材、中安信、蘭州藍星以及太鋼鋼科,其中中復神鷹產能最高,達6000噸。

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