中国碳纤维行业深度分析报告.docx
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中国碳纤维行业深度分析报告.docx
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中国碳纤维行业深度分析报告
2016中国碳纤维行业深度分析报告
1、碳纤维概况...........................................3
1.1碳纤维材料的发展...................................3
1.2碳纤维的三大种类...................................3
1.3PAN碳纤维的分类....................................6
2、需求高速增长:
航空、工业持续放量.....................8
2.1航空航天领域需求持续增长..........................10
2.2风电叶片需求分析..................................12
2.3汽车行业:
由上而下,工艺革新带动行业需求..........13
3、PAN基碳纤维产业链分析...............................15
3.1利润递增的碳纤维产业链............................15
3.2原丝和碳纤维......................................16
3.3碳纤维织物和预浸料................................19
3.4碳纤维复合材料....................................22
3.5碳纤维的回收再利用................................23
4、中国碳纤维的发展展望................................26
4.1业绩冰火两重天:
国外厂商盈利丰厚,国内厂商连年亏损
4.2国产碳纤维的两大突破路径..........................26
5、重点推荐企业分析....................................29
1、碳纤维概况
1.1碳纤维材料的发展
碳纤维是一种纤维状的碳素材料,含碳量在90%以上,直径一般为5~7微米,大约是成年人头发的十分之一。
19世纪后期,爱迪生用碳丝制作灯泡的灯丝,从而发明了电灯,这是碳纤维最早的应用。
但随后钨丝取代碳丝灯并沿用至今,使得碳丝一度退出了历史舞台。
直到20世纪50年代,在美苏冷战和争霸的时代背景下,为了解决战略武器的耐高温和耐烧蚀材料,碳纤维再次进入人们的关注视角。
并自此以后,在材料科学领域掀起了碳纤维研究与开发热潮,各种有机纤维被用来尝试制备碳纤维。
1.2碳纤维的三大种类
可以用来制取碳纤维的原料有许多种,按它的来源主要分为两大类,一类是人造纤维,如粘胶丝,人造棉,木质素纤维等,另一类是合成纤维,它们是从石油等自然资源中提纯出来的原料,再经过处理后纺成丝的,如腈纶纤维,沥青纤维,聚丙烯腈(PAN)纤维等。
经过多年的发展,目前只有粘胶(纤维素)基纤维、沥青纤维和聚丙烯腈(PAN)纤维三种原料制备碳纤维工艺实现了工业化。
1.2.1粘胶(纤维素)基碳纤维
用粘胶基碳纤维增强的耐烧蚀材料,可以制造火箭、导弹和航天飞机的鼻锥及头部的大面积烧蚀屏蔽材料、固体发动机喷管等,是解决宇航和导弹技术的关键材料。
粘胶基碳纤维还可做飞机刹车片、汽车刹车片、放射性同位素能源盒,也可增强树脂做耐腐蚀泵体、叶片、管道、容器、催化剂骨架材料、导电线材及面发热体、密封材料以及医用吸附材料等。
虽然它是最早用于制取碳纤维的原丝,但由于粘胶纤维的理论总碳量仅445%,实际制造过程热解反应中,往往会因裂解不当,生成左旋葡萄糖等裂解产物而实际碳收率仅为30%以下。
所以粘胶(纤维素)基碳纤维的制备成本比较高,目前其产量已不足世界纤维总量的1%。
但它作为航空飞行器中耐烧蚀材料有其独特的优点,由于含碱金属、碱土金属离子少,飞行过程中燃烧时产生的钠光弱,雷达不易发现,所以在军事工业方面还保留少量的生产。
1.2.2沥青基碳纤维
1965年,日本群马大学的大谷杉郎研制成功了沥青基碳纤维。
从此,沥青成为生产碳纤维的新原料,是目前碳纤维领域中仅次于PAN基的第二大原料路线。
大谷杉郎开始用聚氯乙稀(PVC)在惰性气体保护下加热到400℃,然后将所制PVC沥青进行熔融纺丝,之后在空气中加热到260℃进行不熔化处理,即预氧化,再经炭化等一系列后处理得到沥青基碳纤维。
目前,熔纺沥青多用煤焦油沥青、石油沥青或合成沥青。
1970年,日本吴羽化学工业公司生产的通用级沥青基碳纤维上市,至今该公司仍在规模化生产。
1975年,美国联合碳化物公司(UnionCarbideCorporation)开始生产高性能中间相沥青基碳纤维“Thornel-P”,年产量237t。
我国鞍山东亚精细化工有限公司于20世纪90年代初从美国阿石兰石油公司引进年产200t通用级沥青基碳纤维生产线,1995年已投产,同时还引进了年产45t活性碳纤维的生产装置。
1.2.3聚丙烯腈(PAN)基碳纤维
PAN基碳纤维的炭化收率比粘胶纤维高,可达45%以上,而且因为生产流程,溶剂回收,三废处理等方面都比粘胶纤维简单,成本低,原料来源丰富,加上聚丙烯腈基碳纤维的力学性能,尤其是抗拉强度,抗拉模量等为三种碳纤维之首。
所以是目前应用领域最广,产量也最大的一种碳纤维。
世界主要碳纤维生产企业有日本的东丽、东邦、三菱,美国的Cytec、Hexcel,德国的SGL,土耳其的AKSA,中国台塑等企业。
总体来说小丝束产能主要集中在日本企业,而大丝束产能则在欧美。
2013年,东丽通过收购美国第一大大丝束生产商Zoltek,成功进入廉价碳纤维领域,而其产能占世界全部产能的比例则提高到3433%,成为当之无愧的碳纤维巨无霸。
随着商业飞机、风力发电、汽车领域等工业需求量的不断增加,世界主要厂商都针对性的开发了扩产计划,东丽计划在美国南卡新建碳纤维产线以满足民航飞机等需求;三菱计划增加美国加州子公司的产能以满足风电、汽车和储气罐的增长需求;此外Hexcel、Cytec和SGL也都纷纷发布或完成了扩产计划。
中国大部分企业产出均为小丝束,1K~12K产品均有产出,12K占比超过90%。
当前原丝产能近四万吨,CR8集中度超过80%,其中产能最大的是中复神鹰,达到12000吨/年。
恒神、威海拓展和吉林碳谷分别以7500吨/年、5500吨/年和5000吨/年位列2到4位。
碳丝产能集中度更高,CR8集中度超过93%。
中复神鹰、恒神和威海拓展分别以5000吨/年、5000吨/年和2600吨/年高居前三,占据国内总产能的84%。
未来随着碳纤维应用的逐步扩大,原丝和碳丝的产能有望继续增加,预计到2020年中国碳纤维产能增至30000吨。
1.3PAN碳纤维的分类
1.3.1按单丝数量分类
按照碳纤维丝束中的单丝数量多少,可以把聚丙烯腈基碳纤维又可分为小丝束和大丝束两种。
相比小丝束,大丝束生产成本低,但在制作板材等结构时,丝束不宜展开,导致单层厚度增加,不利于结构设计。
此外,大丝束碳纤维粘连、断丝等现象更多,这样会使强度、刚度受影响,性能有所降低,性能的分散性也会较大。
飞机、航天器一般只用小丝束碳纤维,因此小丝束碳纤维又被称为"宇航级"碳纤维,大丝束碳纤维被称为"工业级"碳纤维。
在区分界限上,早期以12K(单丝数量12,000根)为分界线,目前常规分类把单丝数量在1K~24K的碳纤维定义为小丝束,48K及以上的划为大丝束。
大小丝束的界限并不是一成不变的,随着技术的进步,其分界线可能会进一步向上推移。
2014年,PAN基碳纤维产能约为143万吨,其中小丝束105万吨,大丝束38万吨,预计到
2020年总产能将达到169万吨,小丝束和大丝束产能分别保持370%和700%的复合增长率。
1.3.2按性能分类
碳纤维最主要的特点是质量轻,强度大;其关键的性能指标有拉伸强度,拉伸模量和断裂伸长率等。
当前主流的分类方式是按拉伸强度或拉伸模量分类的高强度碳纤维和高刚度碳纤维。
日本东丽公司1974年就研制出了最初的T300系列碳纤维,1980年公司的T300系列拉伸强度达到3530MPa,这一标准沿用至今。
随后东丽陆续开发出了一系列的产品,从T400到T1200的高强度碳纤维和从M30到M70的高刚度碳纤维。
这些编号原本只是东丽公司的产品编号,数字并不直接代表性能指标,而只是有一定的对应关系,例如T700对应4900MPa,T800对应5490Mpa拉伸模量。
但因为东丽公司在碳纤维行业的龙头地位和研发实力,其产品编号被直接用作行业标杆,其它公司的产品都以此作为分类标准。
由于高强度和高刚度难以两全,只能在相应的产品基础上对另一性能做优化,因而每个产品都会有子系列,例如T300J表示增强了拉伸强度而T300H表示提高了拉伸强度和拉伸模量。
理论上碳纤维的拉伸强度可以达到180GPa,拉伸模量可以达到1000GPa左右,而目前已研制出拉伸强度9GPa的高强碳纤维以及690GPa的高模碳纤维,距离理论值仍有相当大的提高空间。
断裂伸长率从早期的15%增加到目前最高的24%,更好的韧性进一步扩大了应用范围,如制造大型客机的机体。
2、需求高速增长:
航空、工业持续放量
碳纤维的终端应用主要有三大领域,即航空航天,工业应用和体育休闲。
碳纤维以其低密度、高强度和耐高低温等特点最早应用于航天及国防领域,如大型飞机、军用飞机、无人战斗机及导弹、火箭、人造卫星等。
所需的碳纤维等级标准相对而言都是最高的;碳纤维及其复合材料作为结构件或功能件,在工业领域广泛应用在汽车、电缆、风能发电、海洋产业、电子器件、工业器材和土木建筑等;在体育休闲用品方面,高尔夫球杆和钓鱼竿最早获得应用,近年来自行车、网球拍、羽毛球拍等体育用品也越来越多的使用碳纤维材料,一般使用T300级别的碳纤维就可以满足需求。
随着对碳纤维材料的不断深入研究,工业领域和航空航天的应用范围不断扩大,占比也呈上升趋势,预计到2020年,碳纤维的需求总量将达到1573万吨,年均复合增长率达到1362%;到2024年全世界总体需求有望达到2192万吨,尽管增速有所放缓,但增提复合增长率仍达到1138%。
其中增速最快的工业领域,未来十年复合增长率将达到1452%,而最近5年的复合增长率更是高达1755%。
工业领域碳纤维消费占总消费的比例将从2015年的6355%逐步提升至8163%。
航空航天领域的需求在未来5年进入快速发展期后增速将逐步放缓,而体育休闲领域在世界范围内应用相对成熟,需求量每年稳定增加。
按照碳纤维复合材料平均5000元/公斤的单价计算,2020年市场规模将达到13万亿元左右。
2.1航空航天领域需求持续增长
航空航天领域对碳纤维的需求主要来自两大方面,一是不断增加的碳纤维复合材料的应用比例,二是新增的飞机订单。
从20实际80年代开始,碳纤维复合材料就开始应用在客机上的非承力构件,在早期的A310、B757和B767上,碳纤维复合材料的占比仅为5%~6%,随着技术的不断进步,碳纤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,到A380时,复合材料占比达到23%。
而最新的B787和A350,复合材料的用量达到了50%以上。
轻量化极大的提升了燃油经济性,以A380为例,每位乘客的百公里油耗不到3L/人,整体上已经与满载的汽车相差无几。
而A350的百公里油耗预计只有25L/人,轻量化带来的燃油经济性提升效果显著。
具体到应用结构上,A380客机主承力结构部件,例如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等。
次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料等都有使用碳纤维复合材料。
而A350和B787则有更多部件使用碳纤维,例如机头、尾翼、机翼蒙皮等,使用量也大大提升。
在飞机订单方面,A350截止2015年10月有783架订单,波音的B78
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