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碳纤维行业深度报告:风电拉动碳纤维需求大丝束产品空间广阔-复

作者:admin      来源:admin      发布时间:2024-05-29

  碳纤维是由聚丙烯腈或沥青、粘胶等有机纤维,在高温环境下经碳化形成碳主链结构而得到的无机高分子纤维,直径5-10 微米,含碳量高达90%以上。碳纤维具有碳材料的固有本性特征,又兼具纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。特性之一是轻质,比重不到钢 的1/4,同时力学性能优异,抗拉强度是钢的 7-9 倍,高强度、高弹性模量、耐高低温、耐腐蚀、抗疲劳等。通常与树脂、金属、 陶瓷等材料复合后形成碳纤维复合材料,可广泛应用于军工、航天、交通、新能源、汽车轻量化以及体育用品等领域。

  根据制造原料不同可以分为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、沥青基碳纤维、黏胶基碳纤维。

  其中,聚丙烯晴(PAN)基碳纤维成品品质优异、力学性能优良,且相较于其他两种碳纤维制造工艺难度更低,是最主要的碳 纤维产品,占全球高性能碳纤维的 90%以上。

  一般将丝束数量小于 24K的碳纤维称为小丝束(1K 就代表一束碳纤维中有 1000 根丝),初期以 1K、3K、6K 为主,逐渐发 展为 12K, 主要用于国防军工、航空航天等高端技术领域,产量低、成本高,价格高,被称为“宇航级材料”;24K 及以上的为大丝束,广泛用于纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等工业和民用领域,成本低,但生产控 制难度大,被称为“工业级材料”。大丝束碳纤维核心驱动力就是在保持碳纤维优良性能的前提下,大幅降低其成本,打开碳纤维 广泛运用于工业和民用领域大门。

  根据不同的强度和模量的力学性能分为高强型、高强中模型、高模型、高强高模型。

  作为碳纤维龙头,日本东丽制定的 T 系列和 M 系列性能指标是实践中被运用最广的分类指标。航天航空领域往往要求材料更 轻、力学性能更好,因此多采用 T300-T800 强度的碳纤维,而民用如风电、体育领域则多采用 T300 强度的碳纤维。

  航天领域如飞机、火箭对材料轻量化的追求,早已达到以克为计量单位的程度,在安全的基础上不断追求更轻。用碳纤维制造 的飞机,可以大幅节约能耗,扩展飞行航程,提高载荷,提高灵活性,延长飞行寿命等。美国早在1969年就已经把碳纤维复合材料用在了F-14A战斗机上,但由于工艺和造价的限制,当时仅仅使用了飞机自重1%用量 的碳纤维。到了以F-22和F-35为代表的第四代战斗机,碳纤维的使用比例提升到飞机重量的24%和36%。发展到今天,X-47B、“神 经元”、“雷神”等几个型号的无人机上,碳纤维的使用比例高达90%。

  民用飞机领域,在早期 A310、B757和 B767上,碳纤维复合材料占比仅为5%-6%,随着技术的不断进步,至 A380 时,复合材 料占比达到 23%,最新的 B787 和 A350 机身上,复合材料的用量达到 50%。中国人自己的民用大飞机C919的复合材料使用比例就 达到了12%,而CR929更是要达到总重的51%,超过波音787的50%用量。

  风电叶片是风电机组将风能转化为机械能的关键部件。叶片结构和用材会直接影响风能的转换效率,是风机获取更高风电机 组利用小时数和实现经济效益的基础。从风电叶片结构来看,其主要由增强材料(梁)、夹芯材料、基体材料、表面涂料及不同 部分之间的结构胶组成。叶片80%成本来自于原材料,而60%原材料成本来自于纤维材料— —增强纤维与基体树脂。

  碳纤维在体育休闲市场中,主要应用于高尔夫球杆、曲棍球棍、网球拍、钓鱼竿、自行车架、滑雪板、赛艇等高端体育 休闲领域。这些应用同样主要基于碳纤维的轻质、高强度、高模量、耐腐蚀等特点。例如碳纤维复合材料制作的高尔夫球杆 比金属杆减重近50%,碳纤维自行车较铝材减重40%且实现更高的车架精度。钓鱼竿、球拍、滑雪板、高尔夫球杆等体育用 品的碳纤维多使用大丝束碳纤维(≥24K)。

  得益于轻量化和优异的力学性能,碳纤维缠绕氢气瓶得以运用。对于氢燃料车来说, 储氢罐是目前主流的燃料储存方式, 通过将氢气能源以气态、液态、固态三种状态储存在储氢罐中,能够保证氢能源车的能源供给,通过高压压缩储存气态氢,能 够赋予氢燃料车成本低、能耗小、充放气速度快的等特点,也是目前氢燃料车的动力供给的主流解决方案。

  碳/碳复材是指以炭纤维(或石墨)及其织物为增强材料,以碳(或石墨)为基体,通过加工处理和碳化处理制成的全碳质复合材料。作为碳纤维增强碳基本复合材料,碳/碳复材具有质量轻、耐烧蚀性好、抗热冲击好、损伤容限高、高温强度高、可设计性强等突 出特点,尤其是其强度随着温度的升高,不仅不会降低反而还可能升高,它是所有已知材料中耐高温性最好的材料。

  1959年,碳纤维在日本大阪工业试验所中诞生。日本大阪工业试验所发明了 PAN 基碳纤维制备技术。同年美国空军材料实验室 和美国联合碳化公司首次用人造丝作为原料制备出碳纤维。但是往后的十年,碳纤维产业始终局限于实验室技术的研发。20世纪70-80年代,碳纤维实现了工业化突破。碳纤维复合材料在航天航空结构上的工程化得以应用和批量生产,同期日本东丽 公司基本开发完成现有的绝大部分产品型号——T300、T800、T1000、M60J,产能达到上千吨/年,卓尔泰克作为美国第一个工业碳 纤维的厂家诞生。美国联合碳化公司主动找到日本东丽公司达成合作协议,用自己比较成熟的碳化技术与东丽公司的聚丙烯腈原丝技术交换。美日 两国各取所需,形成了碳纤维技术的双雄垄断。

  1962年,中科院长春应用化学所成立“聚丙烯腈基碳纤维的研制”课题组,标志着我国碳纤维行业的起步。为了国防需要,全国各大研究所、研究院展开对于碳纤维产业链的研究。上世纪六七十年代,中央投入到承担碳纤维原丝 等碳纤维民用研究资金 2600多万元,建成PAN原丝试制力约50吨/年,碳纤维长丝的试制能力约2.0 吨/年。

  上世纪80~90年代:引进国外碳化设备受阻,生产效率低下,研发及工业化停滞。

  因为国外碳纤维技术严格封锁,尽管当时国家科委鼓励引进国外的先进技术,并提供资金支持,但仅有英国RK公司愿意 以高价出售大丝束预氧化炉和炭化炉。随后我国委托RK公司加工制造了一套10吨级(12K)预氧化、碳化中试线,项目历经 磨难,险遭封杀。国内大部分研发单位退出该领域,全国仅有3家碳纤维工厂维持小批量生产,行业发展陷入停滞。(报告来源:未来智库)

  从销售金额方面看,2021年全球碳纤维的销售额为34.00亿美元,除了需求量的影响之外,还有碳纤维价格的上涨。全球碳纤维前三大主要应用从质量需求来看,依次为风电叶片、航空航天、体育休闲。由于航空航天领域所用碳纤维价格 较高,所以从市场规模看,前三大依次为航空航天、风电叶片、体育休闲。未来十年,受益于风能、氢能、光伏等行业的快速发展,碳纤维需求有望持续增长,预计2025年将达到20万吨,2030将达 到40万吨,年均复合增长率约为15%。

  GWEC(全球风能理事会)发布2021年全球风电行业发展报告称,2021年全球新增风电装机容量93.6GW,比2020年创纪录水 平下降1.8%,其中中国47.7GW占比51%,美国占比14%,巴西占比4%。从分布来看,其中72.5GW来自陆上风电场(占比77%), 21.1GW来自海上风电场(占比23%)。GWEC预测未来5年,全球风电装机容量将达到557GW,年均复合增长率为6.6%。

  2021年,全球碳纤维理论产能约20.76万吨,其中中国大陆地区首次超过美国,成为全球最大产能国,碳纤维理论产能达 到6.34万吨,占比30.5%,美国4.87万吨,占比23.5%,日本2.5万吨,占比12%。而且从国内各家碳纤维企业公布的扩产情况看, 中国将在产能上较长期保持第一的地位。尽管中国大陆产能众多,但需要注意到2021年我们的进口量有3.3万吨,超过国产数量,说明国内产能与海外巨头相比仍 有较大差距,无论在性能、质量水平及成本水平上,进口碳纤维依然有强大的优势。未来中国碳纤维产业仍需努力形成具有 国际竞争优势的产能。

  由于碳纤维行业复杂的工艺流程、高额的研发投入以及很长的研发、产业化周期,使得国际上真正具有研发和生产能力的公 司屈指可数,碳纤维市场属于高度集中寡占型市场。从细分市场来看,小丝束产品主要集中在日本企业,大丝束产品则主要在欧 美,包括美国的Zoltek和德国的SGL。日本东丽公司,作为全球最大的碳纤维生产商之一,其产品从小丝束到大丝束,已经做到了全系列覆盖,代表着碳纤维工业 化技术的最高水平。其对高端碳纤维材料的垄断,占据着航天航空的国际市场。产能角度,日本东丽与美国卓尔泰克合并后,总 产能达约5.75万吨,占据绝对龙头地位。

  2021年中国碳纤维的总需求为6.24万吨,同比增长了27.7%,其中,进口量为3.31万吨(占总需求的53.1%,比2020增长了 9.2%),国产纤维供应量为2.93万吨(占总需求的46.9%,比2020年增长了58.1%)。风电叶片是中国碳纤维需求的主要领域。2021年国内风电叶片所需碳纤维为2.25万吨,占比36.1%,稳居第一的位置。其次 为体育休闲,占比约为28.1%。受光伏行业驱动快速发展的碳碳复材,占比已经达到11.2%。

  2021年中国风电新增装机高位回落。2021年,我国风电新增并网装机4757万千瓦,同比下降33.6%,主要因为2020年陆上风电 出现抢装潮,装机量达到7167万千瓦的历史高点,随着抢装潮结束,2021年陆上新增装机量高位回落。但2021年海上风电异军突 起,全年新增装机1690万千瓦,是此前累计建成总规模的1.8倍,目前累计装机规模达到2638万千瓦,跃居世界第一。

  据赛奥碳纤维,2021年中国碳纤维原丝的运行产能约为13.6万吨,碳纤维运行产能约为6.3万吨。其中大部分企业的原丝统计, 只是用碳丝产能乘以2.5的估算数据,这个只是为了说明这些厂家具备全部或部分原丝供应能力,并非该企业的真实原丝产能,其中 只有吉林化纤集团的6万吨产能是准确数据,除了自供,还向海内外市场销售原丝。国内碳纤维行业同样产能集中。以运行产能统计,行业前三大企业吉林化纤集团、中复神鹰和宝旌碳纤维,同样也为全球前十 大企业,产能占比达到60%,与全球碳纤维行业格局相似。

  根据碳纤维在树脂基碳纤维复合材料中65%的比例计算,2021年全球树脂基碳纤维复合材料需求量约为18.15万吨,同比增 10.4%,预计2025年达到28.51万吨,未来4年年均增速约12%。2021年,全球的碳纤维复材收入约为200.5亿美元,同比增长33%,尽管依然有商用航空市场低迷的影响,但是,其他如军机、 无人机市场急剧增长;除了汽车行业受BMW 2021年中停产I3的影响外,其他应用分市场均有增长。

  腈纶即为聚丙烯腈纤维,同PAN基碳纤维原丝相同,均是由丙烯腈单体聚合纺丝而得,只是两者对分子量、纺丝长度等要求 有所不同。可以说腈纶“大而粗犷”,碳纤维“小而精致”,腈纶产业经验是发展碳纤维的基础,尤其是大丝束。近些年,由于 其他化纤的竞争替代,腈纶市场逐年萎缩,而PAN基碳纤维则处于蓬勃发展的态势。

  公司主要从事粘胶纤维的研发、生产和销售,产 品以粘胶长丝为主,同时配套粘胶短纤。近年来不断 向碳纤维领域拓展,培育新的利润增长点。粘胶纤维是以天然植物纤维(棉、木、竹等)为 原料制造出来性能更好的再生纤维素纤维。100%纯 天然材质,自然生物降解、无添加、无重金属、无有 害化学物,对皮肤亲和无刺激,是一种性能优良的环 保型“绿色”纤维,产品分为粘胶长丝和粘胶短纤。

  公司于2008年12月由吉林奇峰化纤出资组建,具有20多年腈纶产业经验,主要从事聚丙烯腈基碳纤维原丝的研发、生产和销售。2015年,奇峰化纤将其所持有的吉林碳谷100%股权经过吉林市国盛资产管理有限公司而最终转让给吉林市国兴新材料产业投资有限 公司,同年将国兴新材料所持有的35%股份转让给吉林九富资产经营管理有限公司。经过多年发展变迁,至2021年底,吉林市国兴 新材料产业投资有限公司持有公司49.98%股份,为公司的控股股东,吉林市国资委是国兴新材料的控股股东,持股比例100%,故 吉林市国资委为公司实际控制人。

  上海石化是中国主要的炼油化工一体化综合性石油化工企业之一,主要把石油加工为多种石油产品、中间石化产品、 树脂和塑料及合成纤维(以腈纶为主,少量涤纶)。公司拥有50年的石油化工生产经营和管理经验,具有较强的整体规 模实力( 2021年累计加工原油1376.44万吨,生产成品油796.88万吨,主体商品总量1344.68万吨)。