碳纤维系列报告之（一）：碳纤维概览及生产壁垒详解.pdf

1 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 碳纤维系列报告之（一）：碳纤维概览及生产壁垒详解 碳纤维指的是含碳量超过 90%的纤维状碳材料，凭借密度小、强度高、耐腐蚀、易成型等特点，已成为轻量化材料的重要一员，逐步取代以往的金属材料，在民用和军事领域已成为核心应用材料。鉴于碳纤维的重要战略意义，上世纪 60 年代至今，从政府层面到产业层面，对碳纤维行业的发展都倾注了大量的心血，一代一代的科学家和工程师为中国碳纤维独立自主发展贡献了自己的力量。在 2008 年以前，国内碳纤维生产产量小、品质稳定性不高、性价比优势不明显。 2008 年后，中国的碳纤维企业在军品纤维生产方面实现了真正的突破，并在低成本民品纤维的研发开 发上进行大量投入、以与海外产品展开正面竞争。 中国碳纤维行业已经迎来了最佳发展时期，这也是我们撰写本篇报告的出发点和初心，希望通过我们对行业资料的梳理，帮助投资者了解中国碳纤维行业，并发现其中的投资价值。 碳纤维系列报告分为三篇，此为第一篇，主要梳理碳纤维的分类及生产工艺，并从生产技术角度讨论碳纤维生产壁垒高在哪里、国内在突破碳纤维低生产成本道路上面临的挑战点是什么。 碳纤维的分类： （ 1）按照强度和模量分类，有 T300/700/800、 M40J/55J等型号， T 系列应用范围最广，如航空航天、工业等领域；而 M 系列产品更高端，主要用于航天、高端体育休闲等。（ 2）按丝束大小分，大丝束强度和刚度方面的性能比小丝束差，主要用于风电叶片、汽车等领域，被称为“工业级”碳纤维；小丝束主要应用于航空航天等领域，被称为“宇航级”碳纤维。（ 3）按原料分类，包括 PAN/沥青 /粘胶基碳纤维，其中 PAN基为主流。 碳纤维及复材生产工艺比较： 碳纤维生产主要分为两步，即单体聚合并纺成原丝，接下来原丝氧化碳化成碳丝（ 碳纤维）。 按纺丝方法可分为湿法、干法、干湿法等，其中干湿法生产效率高、生产出的碳纤维品质好、生产成本更低。 碳纤维生产壁垒高，我国技术突破及成本优化任重道远。 （ 1）碳纤维生产过程繁杂，任何一道工序出现问题都会影响产品质量，所以在纺丝液粘度、温度及时间、真空度等指标控制上非常严格且需要丰富的经验。（ 2）折旧和能源在碳纤维生产成本中约占 40%，行业具有明显的规模经济性：从千吨线到万吨线，成本可降低 30%至 17.44 美元 /kg，若再将干喷湿纺工艺继续优化、提高纺丝速度，则成本可降低至 12-13 美元 /kg。国内企 业大丝束成本跟东丽等海外龙头相比存在较大差距，仍需在提高纺丝速度、设备国产化等方面重点攻关。（ 3）国内碳纤维生产龙头企业包括光威复材、中简科技等，近年来公司不断突破及优化生产工艺，生产负荷有明显提高，使得毛利率也有较大幅度提升。 风险提示： 工艺开发及改进风险；安全生产风险；价格下滑风险。 Table_Tit le 2020 年 07 月 29 日 合成纤维及树脂 Table_BaseI nfo 行业深度分析 证券研究报告 投资 评级 领先大市 -A 首次 评级 Table_Char t 行业表现 资料来源： Wind 资讯 % 1M 3M 12M 相对收益 -0.73 -8.69 -26.68 绝对收益 10.43 9.44 -8.16 孟瞳媚 分析师 SAC 执业证书编号： S1450520040003 mengtmessence 010-83321073 张汪强 分析师 SAC 执业证书编号： S1450517070003 zhangwq1essence 010-83321072 -10%-7%-4%-1%2%5%8%2019-07 2019-11合成纤维及树脂 沪深 300 行业深度分析 /合成纤维及树脂 2 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 内容目录 1. 序言 . 4 1. 碳纤维的分类 . 4 1.1. 按强度模量分类， T 系列碳纤维应用最广 . 4 1.2. 按原料分类， PAN 基碳纤维是主流 . 6 1.2.1. PAN 基碳纤维 . 6 1.2.2. 沥青基碳纤维 . 7 1.2.3. 粘胶基碳纤维 . 8 2. 碳纤维及复材生产工艺比较 . 8 2.1. 纺丝工艺比较 . 8 2.1.1. 湿法纺丝工艺 . 8 2.1.2. 干法纺丝工艺 . 9 2.1.3. 干喷湿纺纺丝工艺 . 10 2.2. 碳纤维增强复合材料（ CFRP）成型工艺 . 10 2.2.1. 预浸料热压罐工艺 . 10 2.2.2. 树脂传递模塑工艺（ RTM） .11 2.2.3. 拉挤成型工艺 . 12 2.2.4. 缠绕成型工艺 . 12 3. 碳纤维生产壁垒高，我国技术突破及成 本优化任重道远 . 12 3.1. 纺丝及氧化碳化环节控制均有难度 . 12 3.2. 生产效率低是影响成本优化的重要因素之一 . 13 3.3. 国内碳纤维企业在型号突破及成本优化方面不断进步 . 14 3.3.1. 光威复材 . 14 3.3.2. 中简科技 . 15 4. 风险提示 . 17 图表目录 图 1： 东丽各型号碳纤维物理性质 . 4 图 2： 2019 年全球各类碳纤维需求分布（按模量） . 5 图 3：各类碳纤维市场 份额 . 6 图 4： PAN 原丝到碳纤维制作流程 . 7 图 5： 沥青基碳纤维工艺流程 . 7 图 6： 粘胶基碳纤维工艺流程 . 8 图 7： 湿法纺丝制作流程 . 9 图 8： 干法纺丝制作流程 . 9 图 9： 干湿法纺丝制作流程 . 10 图 10： 预浸料热压罐工艺示意图 .11 图 11： 树脂传递模塑工艺示意图 .11 图 12： 拉挤成型工艺示意图 . 12 图 13： 缠绕成型工艺示意图 . 12 图 14： PAN 基碳纤维及复合材料的制备流程 . 13 图 14：纺丝工艺流程 . 13 图 16： 碳纤维完全成本及生产成本构成 . 14 图 17： 2019 年光威复材碳纤维生产成本构成 . 17 行业深度分析 /合成纤维及树脂 3 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 18： 2019 年中 简科技碳纤维生产成本构成 . 17 图 19：光威复材碳纤维销量增加，单位成本下降 . 17 图 20：中简科技碳纤维销量增加，单位成本下降 . 17 图 21：光威复材产能利用率增加，毛利率提升 . 17 图 22：中简科技产能利用 率增加，毛利率提升 . 17 表 1：不同型号碳纤维的应用领域 . 5 表 2： 碳纤维性能比较 . 6 表 3： 不同生产规模原丝成本构成 . 14 行业深度分析 /合成纤维及树脂 4 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 1. 序言 碳纤维作为高性能纤维的翘楚，一直以来民和军事领域高端应用场景的核心材料之一。鉴于碳纤维的重要战略意义，上世 60 年代今，从政府层面到产业层面，对碳纤维行业的发展都倾注了大量的心血，一代一代的科学家和工程师为中国碳纤维独立自主发展贡献了自己的力量。在 2008 年以前，国内碳纤维生产产量小、品质稳定性不高、性价比优势不明显。 2008年后，中国的碳纤维企业在军品纤维生产方面实现了真正的突破，并在低成本民品纤维的研发开发上进行大量投入、以与海外产品展开正面竞争。同时长期的研发和生产经验的积累也让中国碳纤维企业开始冲击高端民用碳纤维领域，与常规产品一道，丰富了中国碳纤维行业的生命力。供应与需求相互映衬，国内碳纤维下游市场快速启动，包括航空航天、风电叶片、汽车、压力容器等领域，对碳纤维的需求正快速涌现，中国成为全球碳纤维需求增长最快的市场。 中国碳纤维行业已经迎来了最佳发 展时期，这也是我们撰写本篇报告的出发点和初心，希望通过我们对行业资料的梳理，帮投资者了解中国碳纤维行业，并发现其中的投资价值。 碳纤维系列报告分为三篇，此为第一篇，主要梳理碳纤维的分类及生产工艺，并从生产技术角度讨论碳纤维生产壁垒高在哪里、国内在突碳纤维低生产成本道路上面临的挑战点是什么。 1. 碳纤维的分类 1.1. 按强度模量分类， T 系列碳纤维应用最 广 碳纤维按拉伸强度和拉伸模量这两项力学性能指标来分，碳纤维可分为通用型碳纤维、高强碳纤维、高模碳纤维、超高强碳纤维、超高模纤维这几种。目前业内没有统一的碳纤维型号划分标准，在实际使用中，龙头企业日本东丽公司的产品编号常被作为行业标准，如东丽的碳纤维产品编号有 T300、 T800、 M30 等多种，其中 T 表示强度， M 表示模量。强度上， T后缀的数字越大代表产品的强度越大，因此强度是 T300 3500 230 1.76-1.94 0.6-1.2 沥青基 1600 279 1.7 1 粘胶基 2100-2800 414-552 2 0.7 资料来源：王小谦 PAN 基碳纤维组成结构高温演变规律及其对热氧化性能的影响 、安信证券研究中心 图 3： 各类碳纤维市场份额 资料来源：智研咨询、安信证券研究中心 1.2.1. PAN 基碳纤维 大多数 PAN 基碳纤维生产企业具备由原丝生产开始到制作碳纤维到最终完成碳纤维产品的完整生产线。目前全球生产 PAN 碳纤维的企主要分布在日本和美国，其中日本东丽是全球PAN 基碳纤维最主要的生产企业之一。 从 PAN 原丝到碳纤维，需要经过碳化、表面处理、上浆处理等过程。碳化指的是去除材料中的非碳元素，使其碳含量超过 90%，由于 PAN 原丝的玻璃化温度低于 100 摄氏度，因此不能直接碳化，而需要先经过预氧化过程。碳化后，为了赋予纤维更好的粘合性能，需要对它们进行表面处理，向纤维表面添加氧原子以提供更好的化学键合性，使它们的表面被轻微91% 8% 1% PAN基碳纤维 沥青基碳纤维 粘胶基碳纤维 行业深度分析 /合成纤维及树脂 7 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 氧化，并且对表面进行蚀刻和粗糙化以获得更好的机械粘合性能，可通过将纤维浸入各种气体如空气、二氧化碳或臭氧中以及各种液体，如次氯酸钠或硝酸中可以实现氧化。在表面处理之后，需要涂覆纤维以保护它们在缠绕或编织期间免受损坏，此过程称为上浆处理，涂层材料包括环氧树脂，聚酯，尼龙，聚氨酯等。 图 4： PAN 原丝到碳纤维制作流程 资料来源：帝人官网、安信证券研究中心 1.2.2. 沥青 基碳纤维 沥青基是制造碳纤维的第二大路线，该路线原料来源丰富且碳化收率高， 根据 王鹏沥青基碳纤维工艺流程 学术报告，沥青基碳纤维 生产成本仅为 PAN 基碳纤维的 1/3-1/4，但因原料调制杂、产品性能较低而未得到大规模发展。沥青基碳纤维的制备工艺包括：原料沥青沥青熔化处理沥青过滤沉降法或热滤法的调制熔喷法或熔纺法纺丝不熔化处理炭化或石墨化处理。沥青基碳纤维最早于上世纪 60 年代末由日本吴羽化学公司实现工业化生产， 1970 年美国联合碳化物公司也成功完成开发，并于 1982 年投入工业化生产。与 PAN碳纤维相比，沥青基碳纤维强度方面不如 PAN 基碳纤维，但高性能沥青基碳纤维在模量、摩擦和导热方面具有优势，因此在航空航天领域具有不可替代的优势地位。 图 5： 沥青基碳纤维工艺流程 资料来源：王鹏沥青基碳纤维工艺流程、安信证券研究中心 行业深度分析 /合成纤维及树脂 8 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 1.2.3. 粘胶 基碳纤维 粘胶基碳纤维的制备工艺包括：粘胶原丝水洗催化浸渍预氧化低温碳化高温碳化。原料主要为木浆和棉浆，美国、俄罗斯和白俄斯多用木浆，我国则以棉浆为主。 根据 李辉复合催化剂种有机硅组分在粘胶基碳纤维制备中的作用 学术报告， 由于粘胶纤维理论总碳量仅为 44.5%，加上制造过程中的热解反应，粘胶基碳纤维生产效率只有 10%-30%，所以制备成本相对更高。且其强度较低，不能像 PAN 基碳纤维那样以高倍张力进行预氧化，只有在完成预氧化后的高温处理阶段才可以施加张力。粘胶基碳纤维的优点在于其原材料粘胶纤维是天然产物，粘胶纤维加工过程中无需添加催化剂，因此纤维中可以不含金属离子。凭借这个其他种类碳纤维不具备的优势，在需要保证信号不受干扰的情况下、要求所用的碳纤维不能含有金属离子时（如战略武器的隔热材料、防静电和防电磁波服装的防护材料），就必须使用粘胶基碳纤维。此外，粘胶基碳纤维具有耐烧蚀的特点，在制造隔热保温材料时不可替代。 图 6： 粘胶基碳纤维工艺流程 资料来源：李辉复合催化剂种有机硅组分在粘胶基碳纤维制备中的作用、安信证券研究中心 2. 碳纤维及复材生产工艺比较 2.1. 纺丝工艺比较 原丝生产是碳纤维的核心技术，原丝的质量好坏直接决定了碳纤维产品的质量、产量、生产成本和市场竞争能力。质量低劣、均匀性差的丝在后续过程中会产生毛丝缠结、断丝的情况，导致原丝损耗。原丝成本是整个碳纤维生产成本比例最大的一部分，占 50以上，所以控制好原丝质量至关重要。 原丝按纺丝方法可分为湿法、干法、干湿法等。 2.1.1. 湿法纺丝工艺 湿法纺丝是将聚合物溶于溶剂中，通过喷丝孔喷出细流，进入凝固浴形成纤维的纺丝方法，其工艺流程包括制备纺丝原液、原液从喷丝孔出形成细流、原液细流凝固成初生纤维、最后再将初生纤维卷装或直接进行后处理。湿法纺丝的速度较低，且工艺流程复杂，生产成本较高。 行业深度分析 /合成纤维及树脂 9 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 图 7： 湿法纺丝制作流程 资料来源：互动百科湿法纺丝、安信证券研究中心 2.1.2. 干法纺丝工艺 干法纺丝和湿法纺丝一样，都是采用成纤高聚物的浓溶液来形成纤维，但与湿法纺丝不同的是，干法纺丝时原液从喷丝孔压出形成的细流是进入凝固浴液，而是进入纺丝甬道中。甬道中的热空气流会使原液细流中的溶剂快速挥发 ,并将挥发出来的溶剂蒸汽带走。在逐渐脱去溶剂的同时原液发生固化，经拉伸定型洗涤干燥等后处理过程便可得到成品纤维。干法纺丝可以进行连续生产，且纺丝速度高、产量大、对环境污染少，并且纤维质量及耐化学性和染色性能比湿纺纤维好。干法纺丝的缺点在于生产的纤维耐氯性较差、工艺技术难度较大，生产成本比干湿法高，比湿法低。 图 8： 干法纺丝制作流程 资料来源：百度百科干法纺丝、安信证券研究中心 行业深度分析 /合成纤维及树脂 10 本报告版权属于安信证券股份有限公司。 各项声明请参见报告尾页。 2.1.3. 干喷湿纺纺丝工艺 干湿法，也称干喷湿纺法，是将干法与湿法纺丝相结合的纺丝方法。干湿法纺丝是将纺丝原液从喷丝头压出后，先经过一段空气层，再进凝固浴，初生纤维从凝固浴液中导出后处理过程与湿法纺丝相同。纺丝原液流出喷丝头后通过空气层时形成的纤维能在空气层中经受喷丝头拉伸，并且液流胀大区形变不大，这样可进行高倍的喷丝头拉伸。 根据高分子材料加工工艺学书中提到， 丝条进入凝固浴时已有一定取向度，且脱溶剂化程度较高，能快速固化，因此纺丝速度比一般湿法纺丝快 5 10 倍，可达到 200 400m/min，纺丝机的生产率能极大提高。 干湿法纺丝溶液黏度可达 50 100Pa s 及以上，可提高纺丝原液的浓度，减少溶剂的回收及单耗。此外，相比于湿法纺丝，干湿法能比较有效地调节纤维的结构形成过程。干喷湿纺工艺生产效率高、生产出的碳纤维品质好、生产成本低。 美国日本的碳纤维龙头公司掌握干湿法技术，使用干湿法生产的碳纤维成为主流，但同时干湿法也是碳纤维行业公认的难以突破的纺丝技术。国内中复神 鹰于 2013 年率先突破技术难关，其干喷湿纺高性能碳纤维工程化项目顺利通过国家级鉴定。江苏恒神于 2012 年启动 T800S 碳纤维干喷湿纺制造技术的开发，于 2014 年 9 月建成干喷湿纺专用原丝生产线和碳化生产线。中简科技也正在研发干湿法工艺碳纤维。光威复材 2019 年 4 月发布公告，其 T700S 级碳纤维干湿法产业化制备项目已通过鉴定，国产替代再获突破进展。 图 9： 干湿法纺丝制作流程 资料来源：材料专业知识百科网、安信证券研究中心 2.2. 碳纤维增强复合材料（ CFRP）成型工艺 将原材料转化成结构件还需要成型这一关键步骤。碳纤维增强复合材料的加工成型工艺有很多种，包括预浸料热压罐、树脂传递模塑（ RM）、拉挤成型、缠绕成型等。目前航空航天领域常用预浸料热压罐工艺和树脂传递模塑（ RTM）工艺，汽车零部件的生产则主要采用 RTM工艺等模压成型工艺。 2.2.1. 预浸料热压罐工艺 预浸料热压罐工艺主要运用于制造高端复合材料，常常在航空航天领域被使用。其工艺流程包括浸润纤维预用树脂将其制成半固化态材料再在模具上手工逐层干法铺贴，然后将其制袋密封，使内部处于真空，产生 负压，最后将其送入热压罐内固化成型。预浸料热压罐工艺制造的部件品质高、性能稳定、机械强度好，但由于采用手工积层，人工工时费用高、生产效率低且存在一定人工管理难度。