碳碳复材行业研究报告

碳碳复材行业研究报告一、光伏热场：供需逐步宽松，成本为王1.1碳/碳复材替代石墨作为热场材料已成趋势热场是用在硅片拉晶过程中的耗材，主要包括位于单晶炉内的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等部件。其中坩埚的作用是承载内层的石英坩埚，石英坩埚中放臵熔融硅料；导流筒的作用是引导气流，并阻止外部热量传导至内部，使硅棒生长的速率提升；保温筒的作用是阻止内部热量向外传导，构建热场空间；加热器的作用是提供硅料熔化的热源。早期单晶炉热场系统材料主要使用高纯、高强等静压石墨材料，但石墨材料已不能适应热场系统向安全、高效、大型化发展的趋势。中国晶硅制造热场材料行业起步较晚，光伏行业发展前期，单晶拉制炉、多晶铸锭炉热场系统部件材料主要采用国外进口的高纯、高强等静压石墨。静压石墨材料存在非常明显的缺点：1）石墨在反复高温热震下易产生裂纹，容易导致部件破损，造成安全事故；2）从石墨件中挥发出来的杂质或石墨降解形成的颗粒会污染硅熔体，影响晶体品质；3）在制备大直径的产品时，传统石墨热场材料成型困难，而且纯度要求高，制备成本高昂，生产环节较多，制备周期长，交货周期也长。碳/碳复材性价比高、安全性强，适应大尺寸单晶热场制备，替代石墨作为热场材料已成趋势。碳/碳复合材料是由碳纤维及其织物增强碳基体所形成的高性能复合材料，与传统石墨产品比较具有以下突出优点：1）性价比高，产品使用寿命长，减少更换部件的次数，从而提高设备的利用率，减少维护成本；2）可以做得更薄，从而可以利用现有设备生产直径更大的单晶产品，节约新设备投资费用；3）安全性高，在反复高温热震下不易产生裂纹；4）可设计性强，大型石墨材料成型困难，而先进碳基复合材料可以实现近净成型，在大直径单晶炉热场系统领域具有明显的优势。碳基复材在晶硅热场应用渗透率不断提升。回顾碳基复材对传统石墨原料制造晶硅热场系统的技术路线替代过程，2005年之前，晶硅制造热场系统（单晶拉制炉、多晶铸锭炉）部件主要是以等静压石墨等特种石墨为主，生产企业主要是西格里和东洋碳素等碳素巨头；2005至2010年，碳基复材在晶硅制造热场系统的应用进入探索期，金博股份和西安超码等少数碳基复合材料厂商开始对等静压石墨产品进行进口替代。2011年，受日本福岛大地震影响，进口特种石墨供应紧张，碳碳热场得到批量应用机会窗口；2012至2015年，欧美双反政策冲击使得国内企业开始尝试新材料、新工艺以降低生产成本，碳碳热场产品因使用寿命长、可减少部件跟换次数，且具备热导系数低、有利节能增效的特点，顺应行业降本趋势得以快速应用；2016年后，国内光伏行业快速发展，碳碳热场迎来广阔发展空间，渗透率不断提升。热场系统大型化以及N型硅片渗透率提升，继续推动碳基复材对石墨材料的替代。由于等静压石墨坩埚强度不足以保证产品安全，结构和性能不可调，因此热场系统大型化趋势下，碳碳复材对石墨材料的替代愈加明显。从金博股份主要单晶硅制造热场系统尺寸来看，已由2016年初的26英寸以下发展到目前30-36英寸，且金博股份在40、42英寸产品已实现小批量试制、生产和交付，为未来更大尺寸硅片的应用需求做好了技术和产品储备。热场制备过程中需要碳化硅涂层，石墨材料与碳化硅的热膨胀系数不一样，导致其涂层容易脱落，而碳碳复合材料与碳化硅的热膨胀系数接近，因此灰分更低。N型硅片对热场纯度要求更高，根据金博股份招股说明书，P型电池纯度等级为Ⅰ级＜200ppm，N型电池纯度等级为Ⅱ级＜100ppm。随着N型电池渗透率提升，有望继续推动碳基复材对石墨材料的替代。预制体制备和致密化过程是碳碳复材生产的关键步骤。目前，碳/碳复合材料制备方法因致密化工艺的不同可主要分为化学气相沉积法、液相浸渍法及两种方法的综合使用。化学气相沉积法中，基体碳与纤维结合紧密、结构可调，该法成为制备高性能碳/碳复合材料的首选方法。以金博股份为例，公司碳碳复材生产流程主要包括预制体的制备、化学气相增密、石墨化和机加工。预制体的制备主要将碳纤维通过织布、成网、复合、烘干等工艺制备成预制体。化学气相沉积则是在CVD炉中进行化学气相沉积，在氮气的保护下，通入天然气，加热温度为300~500℃，气体热解并在碳纤维上沉积碳，填充多孔预制体的空隙，从而得到高密度的先进碳基复合材料。石墨化处理需使用高温热处理对原子重排及结构转变提供能量，使得产品性能达到使用要求。机加工处理则是把半成品加工成符合尺寸要求的产品。1.2预计22-23年行业供需格局逐步偏宽松预计22-23年碳碳热场需求分别为6625、9199吨，YoY+42.6%、38.9%。单晶热场材料需求可分为三类：1）新增需求：硅片产能新增带来的单晶炉热场材料增量需求；2）替换需求：热场部件经过一定周期需要更换所带来的替换需求；3）改造需求：大尺寸硅片渗透率提升趋势下，小尺寸单晶炉需改造成大尺寸单晶炉的增量需求。在替换需求方面，根据金博股份公告，碳基复合材料热场部件为消耗品，坩埚的使用寿命约为6-8个月，导流筒的使用寿命约为2年左右，保温筒的使用寿命为1年半左右，加热器的使用寿命约半年左右。2022-2023年为新增产能释放期，实际产能或一定程度高于规划产能。据金博股份等公司新建项目建设周期情况，一般项目一年内即可建设完成并陆续释放产能，部分项目半年即可完成。根据对各公司产能建设情况的梳理，在建项目基本可在22-23年完成建设并陆续释放产量。随着近年来装备及产品技术的提升，沉积炉及产品的尺寸不断增大。气相沉积炉炉膛空间更大，可摆放的待沉积件数量增加；此外，随着主要碳/碳复合材料产品（坩埚、导流筒、保温筒等）尺寸的不断增大，品类增多，可配搭的不同尺寸产品增多。综上我们认为最终实际投产产能或将一定程度高于规划产能。22-23年行业供需格局逐步宽松。据我们测算，随着行业内各企业积极扩产，我们预计22-23年行业有效供给（产量）将达6958、9917吨，YoY+76.8%、42.5%，总体供需格局将逐步偏宽松。但考虑到部分产能无法满足大尺寸热场产品生产需求，因此我们认为行业仍将有所分化，具备大尺寸热场部件生产能力的公司更具优势。1.3核心竞争力取决于制造费用&原材料成本控制能力龙头企业毛利率处于行业领先地位。根据工艺流程的不同，碳碳热场行业主要公司可分为自制预制体（金博股份、隆基股份）与外购预制体（西安超码）公司。其中金博股份作为行业龙头，预制体自制、单一碳源快速化学气相沉积技术、自制自研沉积炉与高温炉，2021年金博股份热场系统毛利率保持在57%高位水平，在行业中处于领先地位。行业产品性能指标相当，均价接近。根据中天火箭招股书，单晶直拉炉用的坩埚、导流筒、保温筒等产品作为热场系统的结构件，其核心作用为支撑整个高温热场，密度和强度系上述部件的关键指标，而导热系数不属于关键指标。通过金博股份与西安超码的主要产品的抗弯强度、灰分等指标进行对比，两者产品性能指标相当。从产品均价走势来看，2021年金博股份、西安超码产品均价分别为86.1、81.9万元/吨，均价接近。企业间毛利率差异主要来自成本，成本差异主要来自制造费用及直接材料成本。各企业间产品性能指标相当，均价接近，因此在行业走向供过于求阶段，龙头竞争优势主要在于对成本端的控制。2021年金博股份产品单位成本为367.7元/kg，同期西安超码单位成本614.5元/kg。金博股份成本优势主要体现在制造费用和直接材料成本，我们认为金博股份

制造费用低的原因主要在于减少工艺步骤的同时，利用快速化学气相沉积大幅缩短沉积时间以摊薄折旧成本等；而直接材料成本优势在于金博股份自制预制体，直接材料主要碳纤维，而同行企业则通过外购预制体制备成品，直接材料主要是预制体。制造费用差异主要来自辅料及折旧等成本。在辅料环节，金博股份采用气相沉积工艺仅需使用天然气作为辅料，单位辅料成本仅为16元/kg；

而西安超码在生产过程需要使用到丙烯、树脂及氮气等作为辅料，单位辅料成本达70元/kg。在折旧等成本方面，金博股份为73元/kg，较西安超码185元/kg低112元/kg。电力耗用方面，金博单位电力耗用成本为90元/kg，高于西安超码的54元/kg，我们判断主要由于二者所用工艺的不同，化学气相沉积法在耗电量上相对液相浸渍法（西安超码采用的工艺）更高。工艺流程差异带来设备折旧成本的节省。金博股份采用生产工艺流程较同行减少浸渍、固化、碳化三个环节，对应减少相关浸渍炉、固化炉和碳化炉设备，可节省一定折旧成本。为排除规模效应影响，我们对比2018年金博股份和西安超码碳纤维预制体到碳基复合材料阶段所使用设备原值情况（2018年金博股份和西安超码产量差异不大，仅20吨）。2018年金博股份单位设备原值产量为43.83千克/万元，西安超码仅为12.91千克/万元，生产流程简化可带来设备投资明显减少，从而降低折旧成本。虽然同业在新建项目上进行优化并逐步追赶，但金博股份单吨设备投资额仍具备优势，通过比较金博股份与西安超码最新产能情况，金博股份单吨设备投资额约38.0万元/吨，较西安超码43.8万元/吨低约13%。快速化学气相沉积，大幅缩短沉积时间从而摊薄人工、折旧成本。在保证材料性能前提下的短周期、低成本复合工艺是先进碳基复合材料制备领域的重要核心技术和发展趋势。金博股份采用的致密化方法为化学气相沉积法，衡量其先进性的主要指标为致密化周期，目前国内外大尺寸批量制备碳基复合材料工艺的最高水平为300小时以内，主流水平为约800-1000小时，部分优秀企业可以做到约600小时。未来发展方向是进一步缩短致密化周期，从而进一步降低碳基复合材料制备成本。龙头企业掌控核心工艺，关键设备自研。在热场制备所需设备方面，金博股份作为早期进行热场产品研发的企业，具备沉积炉的设计能力以及高温炉的生产能力，为产品批量化、工程化生产奠定关键装备基础的同时也降低来了设备的投资折旧成本。此外，凭借自产的高温炉，金博股份无需氯气或氟利昂等纯化辅助气体，通过高温处理即可满足生产需求，除降低材料成本外，也可避免了氯气受环保管控导致供应问题的风险。自制预制体制备具有技术壁垒，带来直接材料成本绝对优势。预制体是碳/碳复材制作流程的中间材料，是将碳纤维利用编织、梭织、针织等方式成型。预制体行业龙头江苏天鸟预制体业务毛利率达50%左右（20H1数据）。金博股份自2006年起持续优化迭代预制体制备工艺，具有先发优势。根据金博股份招股说明书测算，金博股份自制预制体模拟毛利率与江苏天鸟相当，表明金博在预制体制备成本上具有优势。预制体技术工艺难点在于需要将碳纤维按照一定的构型做成三维结构，由于碳纤维丝易发生损伤，造成碳纤维耗量增加，因此在低损伤的同时低成本制备预制体是行业主要竞争点。二、半导体热场渗透率提升加速，航空航天领域需求高景气2.1半导体热场：国产碳基材料有望加速替代进口石墨材料相较于光伏热场材料，半导体热场材料对灰分要求更高。根据金博股份

招股说明书，光伏单晶制造工艺是由半导体硅单晶演变而来，两者在设备、工艺、热场系统方面框架一致，主要差异体现在硅单晶产品的纯度和对热场材料纯度要求不一样。半导体用硅单晶要求纯度高于99.999999999%（11个9），太阳能光伏单晶纯度高于99.9999999%（9个9）即可；对热场材料灰分的要求方面，太阳能光伏P型单晶：<200ppm；

N型单晶：<100ppm；半导体硅单晶要求<30ppm。对于芯片级单晶，要求在部分热场部件（导流筒）表面制备灰分小于5ppm的高纯涂层。半导体热场材料仍以高纯等静压石墨产品为主，国产化程度低。从全球来看，半导体硅材料行业具有高度垄断性，根据中晶科技招股说明书，2018年全球半导体硅片供应商CR5高达93%。中国半导体相关产业起步较晚，技术水平与发达国家相比还有一定差距，尤其是大尺寸半导体硅片进口依赖度高。热场系统作为晶体生产的关键部件，其品质直接影响晶体质量，因此下游客户会对供应商执行严格的考察和全面认证程序，认证周期较长，认证时间成本较高，且为了保证产品质量的持续性、控制供应商开发与维护成本，客户一般不会轻易改变已定型的产品供应结构，新进入者面临极高的认证壁垒。因此目前半导体热场材料中，碳碳复材替代率较低，主要以高纯等静压石墨产品为主，且供应商主要为西格里、东洋碳素等企业，半导体热场材料国产化程度低。硅片大型化推动半导体热场中碳碳材料渗透率提升。传统热场中的坩埚、导流筒、加热器、保温筒等部件主要使用等静压石墨材料制成，大部分石墨材料制成的部件都可使用碳基复材替代，且碳基复材性能更优：1）碳基复材制成的坩埚强度更大，更适合大尺寸硅片生产；2）碳基复材导热系数更低，用以制造导流筒，晶体生长速度更高，制成的保温筒则可实现整套热场系统约5%-10%的节能效果；3）碳基复材制成的导流筒灰分更低，可实现更高的纯度要求。目前全球半导体硅片市场的主流产品规格为12英寸和8英寸硅片，2020年，12英寸硅片市场份额（按出货面积计算）达67.2%，随着半导体制程的不断缩小，芯片生产的工艺愈加复杂，生产成本不断提高，成本因素驱动硅片向着大尺寸的方向发展，从而推动热场材料向碳基复材升级。国内切入半导体热场领域的企业多采用碳基复材，因此国产替代过程也是产品升级替代过程。半导体国产化趋势下，加速半导体热场国产化进程。2020年上半年以来，全球“缺芯潮”爆发，在汽车、消费电子等行业引发了一系列连锁反应，中国高端芯片供应端面临巨大压力。针对这种状况，国家大力鼓励半导体行业发展，进一步健全半导体产业链。中国半导体销售额不断提升，从2015年850.9亿美元提升至2021年1892.7亿美元；占全球比例也持续提高，从2015年23.7%提升至2021年34.7%。中国半导体制造增长强劲，根据SEMI统计，中国连续两年位列全球半导体设备销售额第一名，2021年同比增速58%，明显高于44%的全球平均增速。随着半导体国产化率的不断提升，有望带动半导体热场材料的国产化率加速提升。2.2航空航天：航天+军事强国建设下，C/C复材需求高景气C/C复合材料被应用于火箭热构件，被普遍认为是目前喉衬的最佳材料。火箭发动机是火箭的心脏，其中固体火箭发动机（SRM）应用最广泛。喷管是固体火箭发动机的关键部位，位于燃烧室的尾部，主要通过控制喷管喉部面积的大小来保证燃烧室具有一定的工作压强，使药柱正常燃烧，保证发动机正常工作。喉衬位于发动机的喉径部位，也是喷管中直径最小的一段，喉径的变化直接影响火箭发动机的射程和精确度。喉衬除了经历高温高速燃气的冲蚀外，还要承受强烈的力学冲击和热应力，服役环境最为严酷。火箭发动机喷管将燃烧产物的热能转换为高速射流的动能从而产生推力，需要承受高达3500℃的燃气温度、5~15MPa的压力、高温燃气的化学腐蚀和液、固体粒子的冲刷。C/C复合材料既保留了石墨材料耐烧蚀、热膨胀小、密度小的优点，又克服石墨材料强度低、抗热震性能较低的不足，用C/C复材制成的喷管内型面烧蚀比较均匀、光滑，没有前后烧蚀台阶或凹坑，有利于提高喷管效率。目前，中国航天领域火箭发动机喷管均采用C/C复合材料。航天强国+军事强国建设，为火箭喉衬提供了广阔的市场空间。1）航空航天：中国航天事业快速发展，尤其近年来，中国航天发射次数大幅增加，截止2021年12月10日，长征系列运载火箭累计实现400次发射，从1970年长征一号火箭第一次发射成功以来，长征系列运载火箭实现4个100次发射分别花费了37年、7年半、4年多、33个月；2021年中国航天发射次数达到55次，位居世界第一；根据国家航天局公布的信息显示，2022年全年计划安排发射任务60余次。“十四五”期间，中国航天锚定航天强国建设目标，航天发射任务有望进一步增多，火箭喉衬的需求也将随之快速增长。2）军事：现代化军事体系下，导弹的作用不断提高。2015年，第二炮兵由战略性独立兵种上升为独立军种，正式命名为“中国人民解放军火箭军”，近年来火箭军常态开展部队战备拉动和作战流程检验演练，发射导弹数百发。高强度的训练消耗和新装备批量列装部队为军用航天防务装备产业带来了更多发展空间，喉衬作为关键部件，预计未来市场规模将稳健增长。喉衬市场壁垒高，玩家较少。目前国内碳碳材料航天部件生产厂商较少，主要集中在少数大型国有企业。航天体系内的生产厂商主要有西安航天复合材料研究所、航天材料及工艺研究所（703所）等，非航天体系内的企业/高校主要有博云新材、西北工业大学、上海大学等。博云新材由粉末冶金技术扩展到C/C复合材料的制造，生产的C/C复材产品应用于航天飞机的机翼前缘、火箭发动机尾喷管等超高温部位，2011年数个型号航天用C/C喉衬材料成功研制并交付使用，其承担的长沙市科技重大专项“大型固体运载火箭发动机喷管用碳/碳喉衬材料制备关键技术”项目进展顺利。2022年，天宜上佳拟募集资金3.50亿元，投资碳碳材料制品预制体自动化智能编织产线建设项目，该项目主要产品包括火箭发动机喉衬预制体等。2.3其他领域：碳基复材替代金属及石墨材料趋势明显C/C复材因其强度大、耐高温特性被用于真空热处理领域，市场规模小但产品毛利水平较高。C/C复材密度小、强度大、弹性高，可以减轻结构件重量，增加装载量；在高温下强度更优异，产品不变形，可以极大地提高成品率，热处理炉中的碳素材料基本都可以使用C/C复材代替。2017-2019年，金博股份生产真空热处理领域产品单价稳定在0.16-0.17万元/kg，毛利率则维持在70%以上。先进碳基复合材料制备的密封环与金属及合金密封环相比具有明显的性能优势，已经在机械密封耐磨领域得到了较大程度的推广。碳基复合材料制备的密封环耐磨性好、耐高温、有自润滑功能、密封性能好、使用寿命长，可以节省润滑油，并避免润滑油的污染，如橡胶密炼机采用碳基复材制成的密封环不仅节省了润滑油的使用，还降低了润滑油对橡胶的污染，提高了橡胶的品质。未来随着碳基复材制造成本下降，碳基复材制备的密封环将进一步替代合金密封环，渗透率有望得到提高。三、龙头企业快速扩张，竞争优势持续领先3.1

金博股份：碳碳复材平台型公司，打造第二增长曲线聚焦碳基复合材料业务，产品性能卓越。公司主要从事先进碳基复合材料及产品的研发、生产和销售，产品主要应用于光伏行业的晶硅制造热场系统，是一家具有自主研发能力和持续创新能力的高新技术企业。公司致力于为客户提供性能卓越、性价比高的先进碳基复合材料产品和全套解决方案，是唯一一家入选工信部第一批专精特新“小巨人”企业名单的先进碳基复合材料制造企业，公司主营业务产品碳基复合材料热场部件被工信部、中国工业经济联合会评为“第六批制造业单项冠军产品”。持续技术突破+产业化，逐渐成长为平台型企业。金博股份前身系2005年创立的“博云高科”，开启碳基复合材料民用探索，次年在碳纤维预制体制备上取得关键技术突破，并于2007年实现碳纤维预制体技术产业化。公司2011年在大尺寸碳/碳复合材料制备关键技术上取得突破，两年后推出光伏高性能碳/碳整套热场解决方案，2015年整体变更为湖南金博碳素股份有限公司。2020年5月，公司成功登陆科创板上市。下游产业需求旺盛，产能扩张带动业绩高增长。受益下游光伏产业市场需求旺盛，以及公司持续扩大产能，公司营业收入、净利润持续高速增长。2021/2022Q1公司实现营收13.4/4.5亿，同比+214%/+126%；实现归母净利润5.0/2.0亿，同比+197%/+163%。公司主营业务单晶拉制炉热场系列产品，2017-2021年主营业务收入占比保持在93%以上。2021年单晶拉制炉热场系列业务收入占比达99.5%，毛利率为57%。2021年光伏市场持续增长，公司单晶拉制炉热场系列业务迎来爆发，2017-2021年公司单晶拉制炉热场系列产品营收CAGR+78%。毛利率保持相对稳定、费用率快速下降，净利率稳步提升。得益于公司持续的降本增效，2016-2021年公司毛利率始终保持在55%以上。公司费用管控持续加强，期间费用率持续下降，从2017年39.7%下降至2021年15.4%，带动净利率稳步提升，从2017年20%提升至22Q1的45%。迎合国家绿色产业发展，新兴业务或成第二曲线。公司依托现有技术拓展新业务，新兴业务产品有望接力碳碳复材热场部件，成为公司第二增长曲线。随着国家光伏产业与新能源汽车产业的发展，第三代光伏半导体核心材料碳化硅、轻量化碳陶刹车盘、Ⅳ型储氢瓶以及燃料氢气等市场需求有望持续增长。公司依托现有制备碳/碳复合材料的自研技术，开发新兴业务产品具备先发优势和成本优势。碳陶刹车盘：具有密度低、摩擦系数稳定、磨损量小的特点，符合新能源汽车轻量化的发展趋势，未来随着成本下降，碳陶刹车盘有望替代铸铁刹车盘。碳陶刹车盘的制备依旧可以依托现有产线，碳/陶刹车盘的制备需要在沉积时添加陶瓷粉体，经过后续的高温处理和成型即可。目前公司已具备年产10万套碳陶刹车盘的产能，且可根据市场需求快速扩大生产能力。高压储氢瓶：市场空间大，公司有望逐步实现追赶。高压气态储氢瓶是燃料电池车的必要部件。目前国内商用的高压气态储氢瓶以III型为主，但III型储氢瓶内胆为金属材料有着重量大的问题，国内储氢瓶正向着IV储氢瓶商业化应用发展。储氢瓶的制备需要在内胆上进行碳纤维缠绕形成预制体，之后进行高温成型和加工。目前公司已经掌握Ⅲ型储氢瓶的制备工艺并进行IV型储氢瓶的技术探索。碳纸：碳纸是燃料电池气体扩散层的关键基地材料。碳纸制备技术难度较高，主要技术参数包括可控厚度、孔隙率、密度、垂直向透气率、弯曲强度、拉伸强度等。随着车用燃料电池市场的扩张，国内市场对作为上游原材料的碳纸需求也会持续上升。目前碳纸市场基本被海外龙头垄断，国产厂商目前较弱，需要研发具有自主知识产权的质子交换膜燃料电池关键材料技术，实现自主可控。金博股份具备相应技术积累，碳纸的制备工艺主要为碳纤维处理分散、抄纸、固化、石墨化后再进行烧结，金博股份具有碳纤维编织技术、化学气相沉积、碳化、石墨化等全套碳基复合材料制备技术和关键装备的能力，可为氢燃料电池用碳纸等相关产品的研发提供技术支持，需补充的工艺是抄纸和树脂浸渍，公司与湖南当地造纸企业进行了深入合作，掌握了抄纸工艺后进展较快。碳化硅：碳化硅是第三代半导体材料核心，应用前景广阔。公司在生产碳/碳复合材料的制备过程中需要将甲烷高温裂化以获得碳粉沉积在预制体表面。制备碳化硅粉末的原材料碳粉是高温裂化副产物，公司可以利用成熟的高微热处理工艺，利用碳粉和硅粉合成碳化硅粉末。公司目前已掌握高纯碳粉和高纯碳化硅粉的制备技术，并已进行试制。氢气：氢气与碳粉一样都是甲烷高温裂化的副产物，据公司1500吨高纯大尺寸先进碳基复合材料产能扩建项目环评数据显示，该项目氢气排放