碳纤维设备行业专题研究拐点可期兼具确定性与爆发力

碳纤维设备行业专题研究-拐点可期兼具确定性与爆发力一、碳纤维：高性能纤维，多元化应用场景（一）碳纤维产业链：高性能纤维，产品类型多样复合材料（Compositematerial）是对应于单一材料（金属、无机非金属和有机高分子材料）的概念，通过将单一材料复合制造，以弥补单一材料的缺陷。典型的复合材料为纤维增强树脂基体复合材料，高性能纤维增强体很大程度上决定了这类复合材料的力学性能，是复合材料制造的核心。碳纤维（CarbonFiber）是高性能纤维的一种，是由有机纤维经碳化以及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。整个碳纤维产业链包括原料提取、原丝制造、碳纤维制造、碳纤维复材等。首先，产业链上游企业先从石油、煤炭、天然气等化石燃料中制得丙烯，并经氨氧化后得到丙烯腈；丙烯腈经聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈（PAN）原丝；然后，产业链中下游企业再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维；碳纤维可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料；碳纤维或织物与树脂、陶瓷等材料结合，可形成碳纤维复合材料，最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。碳纤维复合材料中最主要的类型为碳纤维树脂增强复合材料（CFRP），其产值占所有CFRP的80%左右。CFRP和其他树脂基复合材料的成型工艺差别不大，主要分为两类：一类为预浸料铺放成型，即生产预浸料后通过压力罐或其他摸具，在一定温度和压力下压挤成型；另一类不需要生产预浸料，直接将碳钎维（或织物）和树脂混杂在一定模具内成型，包括RTM、拉挤板和缠绕成型工艺。各种工艺成本、用途不同，但总体来看对设备投资要求较高，且与下游应用联系深入。碳纤维产品众多，主要通过三类标准进行分类：（1）原料标准：分为聚丙烯腈（PAN）基碳纤维、沥青基、粘胶基碳纤维，后两者生产困难，因此目前主流为PAN基碳纤维；（2）丝数（束）标准：一束碳纤维有多条纤维丝绕合而成，包括1K、3K、6K、12K、24K、48K等，不同丝束制造难度和成本不同；（3）性能标准：力学稳定性是评价承力材料的首要标准，常采用抗拉强度（可理解为承载能力）和抗拉模量（可理解为刚性）衡量，可以认为强度和模量越高则性能更高。据此可将碳纤维分为高强型、高强中模型、高模型（应用较少）、高强高模型四类。不同类型的碳纤维有不同的应用，按照应用可将碳纤维分为三类：（1）航空航天用小丝束：精细化要求下，目前航空航天几乎仅应用3K、12K小丝束产品，性能跨度大，但相比于民用质量要求高；（2）民用/工业用小丝束：一般丝束越大成本越低但性能也越低（后续有解释），该品类兼顾成本与性能，应用范围涵盖工业各领域、规模最大；（3）民用/工业用大丝束：48K以上丝束的碳纤维，成本最低，性能仅覆盖T300-T700级别，主要用于对成本要求高的风电、汽车等工业领域。此外，由于东丽公司在行业内的领先地位，尽管不同公司对其不同性能的产品有不同命名方式，业内多将之对应为东丽公司的产品命名方式，即T系列对应高强型及高强中模产品、MXXJ系列对应高强高模产品，本文亦默认采用此方式进行阐述。（二）历史复盘：新兴应用不断涌现，成本优化是当前矛盾性能优异，增长源于渗透率提高和下游产业规模扩张。CFRP本质是新兴事物，增长代表着对旧有材料的替代。从性能上看，碳纤维及CFRP性能最为优异，这是驱动其增长的直接动力。具体而言，除耐腐蚀耐高温等等优点外，高强度、高模量、小密度是碳纤维及其复合材料的突出特点。采用比强度、比模量（即强度、模量除以密度）衡量衡量不同材料力学性能并对比发现，碳纤维及其复合材料性能明显优于其他增强纤维及材料。例如，T800级碳纤维比强度为和比模量分别为S玻纤的1.5倍和11倍，T700/环氧树脂单向复合材料比强度和比模量分别为S玻纤/环氧树脂单向复合的1.5和3.5倍，是各类合金的8倍和4倍左右。需求牵引下，碳纤维始终保持高增长态势。过去因渗透率提高和下游产业稳步增长，全球碳纤维需求量从2005年的3.3万吨快速增长到2020年的10.7万吨，CAGR为8%且未见放缓态势。我们可以人为将需求结构划分为几个阶段：1960S-1980S主要需求源于航空航天领域，1980S-2010新需求源于体育、建筑等民用市场，2010S高速增长动力源于工业市场。细分下来，汽车领域的稳定渗透、风电和压力容器的快速发展和碳碳复材领域的新需求涌现是工业领域主要动力。性能优化带动渗透率提高难以期待，成本将是未来限制增长的主要瓶颈。渗透率提高的驱动力之一为性能优化，但是仅仅是入门级性能的T300-T800高强型碳纤维及复合材料仅