深度报告-20220803-华安证券-国防军工行业深度报告_高性价比碳纤维_高端制造业换装首选材料_150页_13mb

高性价比碳纤维，高端制造业换装首选材料

核心内容

碳纤维作为一种高性能材料，因其优异的力学、热学和电学性能，成为高端制造业中替代传统材料的重要选择。它具有高比强度、高模量、轻质、耐高温、耐腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、风电、汽车、氢能、建筑、电子电气等多个领域。随着技术的发展，碳纤维的性价比不断提升，成为推动行业发展的关键材料。

主要观点

• 性能优势：碳纤维具有高拉伸强度（>3500MPa）、高弹性模量（>230GPa）、低密度（1.5g/cm³）等性能，相较于金属材料，如铝合金、结构钢等，碳纤维复合材料在比强度和比模量方面具有显著优势。
• 成本控制：碳纤维的制备工艺复杂，成本控制依赖于工艺设备的优化和规模效应。通过工艺革新、设备改进以及回收利用，有望进一步降低成本。
• 市场潜力：全球碳纤维需求持续增长，2021年达到118,000吨，中国需求为62,379吨，预计2030年全球需求将达400,000吨。国内企业如光威复材、中简科技等在产能和技术上逐步追赶，为行业带来新的发展机遇。
• 应用广泛：碳纤维不仅用于航空航天领域，还在风电、汽车、建筑、体育休闲等领域发挥重要作用，满足不同应用场景的需求。

关键信息

• 碳纤维分类：根据丝束规格、状态、力学性能、原丝类型等维度，碳纤维可分为小丝束、大丝束、长丝、短纤维、短切纤维、高性能型、通用型、PAN基、沥青基、粘胶基、酚醛基等。
• PAN基碳纤维：目前市场占比超过90%，是应用最广的一类碳纤维。其制备涉及聚合、纺丝、预氧化、碳化、石墨化等复杂工艺。
• 工艺与设备：碳纤维制备工艺路线复杂，涉及多个学科的交叉融合，精确控制每个工艺环节是确保最终产品质量的关键。设备的优化和改进有助于提升生产效率和降低成本。
• 回收利用：碳纤维回收技术包括物理法、热裂解法等，回收后的碳纤维仍保留优异性能，可用于制备复合材料，有助于环保和成本控制。

投资建议

基于碳纤维在国防军工、汽车、风电、氢能等行业的高景气度，以及海外企业专利到期带来的市场机会，建议关注以下公司：光威复材、中简科技、中航高科、中复神鹰、吉林化纤、精功科技、博云新材等。

风险提示

• 行业需求不及预期
• 企业项目建设进展不及预期
• 技术研发不及预期

市场分析

• 需求端：碳纤维在航空航天、风电、汽车等领域需求旺盛，能有效替代传统材料，实现结构轻量化和性能提升。
• 供给端：中国已成为全球最大的碳纤维产能国，国产供给率提升至58.1%，并有望进一步扩大市场份额。

应用端

• 性能角度：碳纤维与其他材料复合可实现性能互补，如碳纤维+聚合物、碳纤维+金属、碳纤维+陶瓷等，提升材料在极端环境下的应用能力。
• 价格角度：工艺设备的革新和回收利用是降低成本的主要方向，有助于提高碳纤维的市场竞争力。

重点关注公司

• 光威复材
• 中简科技
• 中航高科
• 中复神鹰
• 吉林化纤
• 精功科技
• 博云新材

图表目录

• 图表1：理想与真实的碳纤维结构
• 图表2：碳纤维的主要性能特点
• 图表3：碳纤维复合材料与金属材料的性能对比
• 图表4：碳纤维性能优异可应用于诸多领域
• 图表5：碳纤维分类指标及应用场景
• 图表6：碳纤维按丝束规格分类
• 图表7：碳纤维按力学性能分类
• 图表8：连续长纤维、短纤维及短切纤维示意图及简介
• 图表9：碳纤维按原丝类型分类
• 图表10：沥青基、聚丙烯腈基和粘胶基碳纤维热处理中结构转化示意图
• 图表11：碳纤维生产过程示意图
• 图表12：典型PAN基碳纤维产品及性能
• 图表13：东丽碳纤维部分产品性能指标
• 图表14：东丽碳纤维建议应用领域
• 图表15：PAN基碳纤维制备工艺示意图
• 图表16：丙烯腈分子式
• 图表17：PAN基础纤维常用的共聚单体
• 图表18：相同共聚条件下不同共聚单体对聚合、聚合液及预氧化反应的影响
• 图表19：部分链转移剂的链转移常数
• 图表20：六种溶剂的相关物理参数
• 图表21：PAN基碳纤维常用的共聚反应类型特点
• 图表22：不同聚合方法的对比
• 图表23：单体浓度对聚合转化率和粘均分子量影响
• 图表24：单体配比对聚合转化率的影响
• 图表25：聚合时间对聚合转化率的影响
• 图表26：引发剂AIBN浓度对聚合物粘均分子量的影响
• 图表27：聚合反应温度对聚合转化率的影响
• 图表28：聚合体系内部温度的变化图
• 图表29：反应时间对聚合转化率的影响
• 图表30：水相沉淀聚合（非均相溶液聚合）的影响因素
• 图表31：各工艺因素对溶液聚合（均相溶液聚合）聚合反应的影响
• 图表32：脱单塔结构示意图
• 图表33：脱泡塔示意图
• 图表34：AN溶液聚合反应釜和传热装置
• 图表35：溶液反应中原液混合流程图
• 图表36：过滤器结构示意图
• 图表37：PAN原丝的各级结构单元特点及其对性能的影响
• 图表38：碳纤维原丝生产流程工艺示意
• 图表39：各国PAN基碳纤维原丝技术及所用溶剂
• 图表40：常用的沉淀剂处理得到的PAN聚合物的洁净度
• 图表41：沉淀剂对PAN纤维结晶度及晶粒尺寸的影响
• 图表42：不同类型改性硅油结构示意图
• 图表43：湿法、干喷湿纺（干湿）法对比
• 图表44：湿法PAN基碳纤维原丝生产工艺流程示意图
• 图表45：湿法纺丝PAN基碳纤维质量影响因素
• 图表46：干喷湿纺法PAN基碳纤维原丝生产工艺流程示意图
• 图表47：干喷湿纺法PAN基碳纤维质量影响因素
• 图表48：不同形式纺丝机结构示意图
• 图表49：凝固浴槽结构示意图
• 图表50：U形水洗机
• 图表51：多层水洗机
• 图表52：喷淋与漂洗组合水洗流程工艺示意图
• 图表53：加压饱和蒸汽拉伸机及相关部件
• 图表54：上油装置示意图
• 图表55：干燥机的结构形式和传动方式
• 图表56：预氧化过程的主要化学反应
• 图表57：预氧化方式及工艺
• 图表58：PAN基础纤维预氧化工艺流程示意图
• 图表59：固定长度间歇法预氧化装置示意图
• 图表60：多温区连续式预氧化装置示意图
• 图表61：典型PAN原丝在氮气和空气气氛下的DSC曲线
• 图表62：PAN环化指数随着时间变化
• 图表63：PAN纤维张力随温度的变化
• 图表64：大型预氧化设备结构示意图
• 图表65：固定长度间歇法预氧化装置示意图
• 图表66：多温区连续式预氧化装置示意图
• 图表67：PAN基碳纤维碳化及石墨化工艺流程
• 图表68：碳化及石墨化过程中关键工艺参数及其影响
• 图表69：碳化过程纤维组成的变化
• 图表70：碳化时间对纤维组成的影响
• 图表71：碳化过程中不同温度下组成主要变化
• 图表72：碳纤维密度与温度的关系
• 图表73：碳纤维性能与温度的关系
• 图表74：碳化及石墨化过程中关键工艺参数及其影响
• 图表75：石墨化阶段碳纤维中形成更加有序的石墨结构
• 图表76：碳纤维密度与石墨化温度的关系
• 图表77：碳纤维密度与石墨化处理时间的关系
• 图表78：碳纤维表面处理方法和影响因素
• 图表79：阳极氧化法工艺流程示意图
• 图表80：射线处理碳纤维装置示意图
• 图表81：碳纤维经过阳极氧化后的单丝强度及质量变化
• 图表82：几种不同碳纤维经过等离子体表面处理后碳纤维拉伸性能
• 图表83：东丽公司上浆剂类型与不同树脂的相容性
• 图表84：上浆剂浓度对上浆量的影响
• 图表85：上浆量对碳纤维使用工艺性能的影响
• 图表86：上浆剂对碳纤维耐磨性能和IFSS的影响
• 图表87：表面上浆剂对复合材料性能的影响
• 图表88：不同上浆剂对碳纤维剪切强度保持率的影响
• 图表89：不同上浆剂对碳纤维抗弯强度保持率的影响
• 图表90：低温碳化炉结构示意图
• 图表91：高温碳化炉结构示意图
• 图表92：石墨化炉结构示意图
• 图表93：直接加热感应炉结构示意图
• 图表94：直流电弧等离子体石墨化炉结构示意图
• 图表95：采用等离子技术进行碳化和石墨化
• 图表96：气相氧化法流程示意图
• 图表97：液相氧化法流程示意图
• 图表98：扩幅上浆装置示意图（东丽）
• 图表99：具有空气流动场的上浆装置
• 图表100：具有吹气狭缝的上浆装置示意图
• 图表101：具有循环系统的上浆装置
• 图表102：沥青基碳纤维图片
• 图表103：沥青基碳纤维的分类
• 图表104：各向异性沥青基碳纤维与PAN基碳纤维的性能比较
• 图表105：沥青基碳纤维的性能
• 图表106：中间相沥青纤维连续熔融纺丝及毛细管效应示意图
• 图表107：沥青纤维氧化过程中的化学反应模型
• 图表108：沥青纤维热处理过程中内部碳层的变化趋势
• 图表109：美国生产的高性能粘胶基碳纤维性能参数
• 图表110：粘胶基碳纤维
• 图表111：粘胶纤维转化为碳纤维的反应
• 图表112：纤维素I、纤维素II和石墨的晶体结构及相关参数
• 图表113：各向异性沥青基碳纤维与PAN基碳纤维的性能比较
• 图表114：未处理粘胶纤维和经催化脱水剂处理后的热行为
• 图表115：粘胶基碳纤维生产工艺
• 图表116：纤维素在碳化过程中某些性质的变化
• 图表117：碳纤维在热处理过程中D002与牵伸率的关系
• 图表118：碳纤维在热处理过程中的取向度Q与牵伸率关系
• 图表119：纤维素在热处理过程中某些性质的变化
• 图表120：碳纤维复合材料分类
• 图表121：碳纤维与其他材料的比强度和比模量
• 图表122：热固性预浸料制造方法
• 图表123：溶液浸渍法卧式预浸工艺示意图
• 图表124：溶液浸渍法立式预浸工艺示意图
• 图表125：直接热熔法工艺示意图
• 图表126：直接热熔法制膜工艺示意图
• 图表127：直接热熔法预浸过程示意图
• 图表128：热塑性预浸料制造方法
• 图表129：熔融浸渍法工艺示意图
• 图表130：热塑性预浸料制造方法
• 图表131：美国雷神公司用热压罐成型的复合材料机身段
• 图表132：树脂传递成型（RTM）使用到的高精度注胶机
• 图表133：树脂传递成型（RTM）使用到的合模机
• 图表134：树脂基碳纤维激光切割机床及功率计
• 图表135：碳纤维金属基复合材料应用
• 图表136：按增强相形态分类的金属基复合材料示意
• 图表137：碳纤维增强金属基复合材料成型工艺图
• 图表138：碳纤维浓硝酸氧化过程示意图
• 图表139：制备碳纤维/金属基复合材料的主要固态法方式
• 图表140：制备碳纤维/金属基复合材料的主要液态法方式
• 图表141：纤维与基体结合示意图
• 图表142：复合材料界面反应扩散层形成示意图
• 图表143：碳陶复合材料刹车片
• 图表144：单向长纤维阻碍陶瓷内裂纹扩展
• 图表145：碳纤维体积分数对复合材料断裂功的影响
• 图表146：连续纤维增强陶瓷基复合材料的主要制造方法
• 图表147：一体烧结法制备改性碳纤维陶瓷基复合材料的工艺流程
• 图表148：碳碳复合材料
• 图表149：碳纤维/碳基复合材料的工艺流程
• 图表150：碳纤维选择要求
• 图表151：不同结构C/C复合材料典型力学性能数据
• 图表152：化学气相沉积法中热梯度法沉积炉示意图
• 图表153：化学气相沉积法中脉冲法积碳示意图
• 图表154：高压液相浸渍装置示意图
• 图表155：基体改性前后C/C复合材料耐烧蚀对比
• 图表156：基体改性后C/C复合材料耐烧蚀提高原理
• 图表157：碳纤维/碳基复合材料表面陶瓷基涂层制备流程
• 图表158：碳纤维/碳基复合材料表面陶瓷基涂层抗氧化性能对比
• 图表159：碳纤维/碳基复合材料不同条件下超高温涂层抗氧化模型示意图
• 图表160：碳纤维的回收利用
• 图表161：回收纤维的应用与开发情况
• 图表162：长纤维取向回收再利用工艺
• 图表163：全球碳纤维需求量（千吨）
• 图表164：2021年全球各领域碳纤维需求（千吨，%）
• 图表165：2021年全球各领域碳纤维需求（百万美元，%）
• 图表166：2021年全球碳纤维单价
• 图表167：中国碳纤维需求量（吨）
• 图表168：中国各领域碳纤维需求（%）
• 图表169：主要军用材料密度及比强度、比模量对比
• 图表170：飞机机体减重1磅的经济效益（万美元）
• 图表171：先进复合材料在飞机设计中使用情况
• 图表172：国内外民用客机先进复合材料应用情况
• 图表173：先进复合材料在军机上的应用
• 图表174：国外直升机先进复合材料应用情况
• 图表175：部分无人机复合材料应用概况
• 图表176：大力神运载火箭运用的碳纤维
• 图表177：碳纤维在导弹天线罩的应用
• 图表178：碳纤维在卫星中的应用
• 图表179：航空发动机选材趋势（重量占比）
• 图表180：商用飞机发动机中复合材料的用量
• 图表181：固体火箭发动机复合材料壳体计划
• 图表182：全球航空航天领域对碳纤维的需求（吨）
• 图表183：2012-2021年全球风电装机容量
• 图表184：风经过风力机的压力和风速的变化
• 图表185：世界先进风电机组的风轮直径及额定功率发展趋势
• 图表186：风电叶片结构
• 图表187：风电叶片复合材料主梁的三种生产工艺
• 图表188：全球风电领域对碳纤维的需求（吨）
• 图表189：全球平均地表温度的演变
• 图表190：印度拉贾斯坦邦日最高气温极值历年变化（1980年至2022年）
• 图表191：2019年及2020年世界部分地区能源需求量
• 图表192：部分可再生能源所需的原材料
• 图表193：燃料电池车用储氢瓶参数比较
• 图表194：典型IV型高压储氢气瓶结构示意图
• 图表195：典型的燃料电池结构
• 图表196：燃料电池碳纤维气体扩散层
• 图表197：全碳纤维车身PRODRIVE P25官图
• 图表198：2021年碳纤维在汽车领域的最新进展
• 图表199：奥迪车厢后部和地板中央采用了碳纤维材料
• 图表200：保时捷发布全碳纤维复合轮毂
• 图表201：博实碳纤维轴
• 图表202：ROTORA推出的碳陶制动系统
• 图表203：复合材料与传统材料汽车生产工艺对比
• 图表204：主要车用碳纤维部件成型工艺及适用的回收技术
• 图表205：2021年全球碳纤维在汽车领域的最新进展
• 图表206：碳纤维钓鱼竿
• 图表207：碳纤维自行车
• 图表208：碳纤维船桨
• 图表209：碳纤维滑雪板
• 图表210：房屋碳纤维加固
• 图表211：上海西岸人工智能峰会B馆碳纤维亭
• 图表212：碳纤维机械臂
• 图表213：碳纤维布补强管道
• 图表214：碳纤维防静电毛刷
• 图表215：碳纤维笔记本外壳
• 图表216：时速200公里磁浮碳纤维车体及高温超导磁浮碳纤维车体
• 图表217：可用于硅单晶热系统中的碳碳复合材料制品
• 图表218：碳纤维气凝胶
• 图表219：全球碳纤维历史
• 图表220：碳纤维技术领域专利申请趋势图（截至2020年3月28日）
• 图表221：碳纤维技术领域专利数量排名前十的专利权人（截至2020年3月28日）
• 图表222：1962—2018年中国及海外国家碳纤维产业发展情况对比
• 图表223：2021年全球碳纤维运行产能
• 图表224：近四年中国碳纤维运行产能占全球总产能比例
• 图表225：1962—2018年全球原丝及碳纤维运行产能（千吨）
• 图表226：2021年中国碳纤维来源
• 图表227：近四年中国国产碳纤维市场份额
• 图表228：2021年中国部分碳纤维原丝及碳纤维运行产能（吨）
• 图表229：1962—2018年中日碳纤维产业发展情况对比
• 图表230：美日欧碳纤维产业链构成
• 图表231：北京市碳纤维产业链发展模式

总结

碳纤维因其卓越的性能和不断优化的性价比，成为高端制造业的重要材料。随着技术进步和产业链完善，其在航空航天、风电、汽车、氢能等多个领域展现出广阔的应用前景。同时，国内企业在产能和技术上持续发力，有望在全球市场中占据更大份额。投资建议关注具备技术优势和市场潜力的企业，但需注意行业需求、技术研发和项目建设等风险。