航空復材前景廣闊，預浸料需求旺盛
更新時間：2021-08-13 11:12:41
編輯：秘書處
瀏覽：4255
碳纖維復合材料是以碳纖維為增強材料，與其他材料一起經過復合成型制成的結構材料，相較于傳統材料在性能和輕量化兩方面存在優勢。碳纖維是由有機纖維（主要是聚丙烯腈纖維）經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料纖維，但幾乎所有的碳纖維都需進一步加工成復合材料以供終端使用。碳纖維復合材料是很多碳纖維絲束按照一定的方向排布，然后將它們與樹脂、陶瓷、金屬等基體混合連接在一起構成的材料。與傳統的金屬材料相比，碳纖維復合材料具有密度小、比強度／比剛度高、耐腐蝕、抗疲勞、耐高溫、便于設計、易于大面積整體成型加工等優點。
碳纖維及其復合材料在航空航天、工業和體育休閑用品三大領域應用日趨廣泛，市場需求逐年增加。碳纖維以其質輕、高強度、高模量、耐高低溫和耐腐蝕等特點最早應用于航天及國防領域，如大型飛機、軍用飛機、無人機及導彈、火箭和人造衛星等，后伴隨著碳纖維生產成本的降低逐步應用于工業和體育領域。從全球市場看，碳纖維市場需求一直不斷增加。2020年全球碳纖維需求繼2019年之后再次突破10萬噸級，達到10.69萬噸。
碳纖維復材按照基體的不同可以分為五大類，其中樹脂基復合材料（CFRP）下游的應用最為廣泛，超過80%。按基體的不同，碳纖維復材可分為樹脂基復合材料（CFRP）、碳／碳復合材料（C／C）、金屬基復合材料（CFRM）、陶瓷基復合材料（CFRC）及橡膠基復合材料（CFRR）等。其中，樹脂基復合材料（CFRP），由于其比模量、比強度高、抗疲勞性好、以及優良的耐熱性等特點，被廣泛應用于宇宙飛行器外表面防熱層及火箭噴嘴（酚醛樹脂基）、航空航天結構材料（環氧樹脂基）、、建筑補強等領域。
碳纖維預浸料是樹脂基復合材料產業鏈中的重要中間材料。目前大部分先進復合材料產品都是由預浸料鋪迭后固化而成的。完整制造過程包括：從石油、煤炭、天然氣均可以得到丙烯，丙烯經氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈(PAN)原絲，再經過預氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維，并制成碳纖維織物和碳纖維預浸料，最后再將其加工成碳纖維復材。因此，預浸料是增強纖維浸漬樹脂基體后制備復合材料的半成品，是由原料向制品過渡的重要中間產品。
樹脂以及樹脂的配比對碳纖維預浸料的性能影響較大?；w樹脂的作用主要有兩點：第一，將纖維定向、定位黏結成一體；第二，在產品過程中傳遞應力。不同類型樹脂基體的基本性能有差異，例如，酚醛型環氧樹脂可提高樹脂體系的反應活性和耐熱性，雙酚A型環氧樹脂可調節樹脂體系的粘度。一般來說，通過單一的樹脂很難滿足工藝性能要求，通常是采用幾種樹脂組合來實現工藝操作，如采用幾種不同環氧樹脂組合來提高常溫或低溫下樹脂體系的粘度。對于熱固性預浸料，目前主要的預浸料制備方法是干法工藝，是傳統濕法工藝的改進，技術難度高和設備投資大。傳統的工藝是通過濕法制造預浸料，但是存在設備簡單、溶劑揮發、樹脂含量控制精度不高等缺點。后來研發了干法工藝，由于干法制備過程中不需要溶劑溶解樹脂，所以不存在溶劑揮發的問題，且樹脂含量控制精度較濕法高，因而逐漸替代了濕法工藝。干法也稱熱熔法，首先是將樹脂在高溫下熔融，然后通過不同的方式浸漬增強纖維制成預浸料。按樹脂熔融后的加工狀態，可以將干法分為一步法和兩步法。其中一步法是直接將纖維通過含有熔融樹脂的膠槽浸膠，然后烘干收卷。兩步法是先在制膜機上將熔融后的樹脂均勻涂覆在浸膠紙上制成薄膜，然后與纖維或織物疊合進行高溫處理。但是，干法工藝對設備的要求高，制作工藝繁瑣，對樹脂的熔點有要求。特別是對厚度較大的預浸料，樹脂容易浸透不均勻。對于熱塑性預浸料，目前常用的方法包括熱熔法、粉末法浸漬法、懸浮浸漬法、纖維混雜法、原位聚合法等。熱塑性樹脂的熱熔法與熱固性樹脂的熱熔法相似。粉末法是制備熱塑性預浸料比較典型的方法，是將帶靜電的樹脂粉末沉積到被吹散的纖維上，再經過高溫處理使樹脂熔融嵌入到纖維中。粉末法的特點是能快速連續生產熱塑性預浸料，纖維損傷少，工藝過程歷時少，聚合物不易分解，具有成本低的潛在優勢。這種方法的不足之處在于適于這種技術的樹脂粉末直徑在5～10μm為宜，而制備直徑在10μm以下的樹脂顆粒難度較大。懸浮預浸法主要過程是纖維通過事先配制好的懸浮液，使樹脂粒子均勻分布在纖維上，然后加熱烘干懸浮劑，同時使樹脂熔融浸漬纖維得到預浸料。與熔融法一樣，該法存在技術難度高和設備投資大的缺點。纖維混雜法是先將熱塑性樹脂紡成纖維或纖維膜帶，再根據含膠量的多少將增強纖維與樹脂纖維按一定比例緊密地并合成混合紗，然后將混合紗織制成一定的產品形狀，最后通過高溫作用使樹脂熔融，嵌入纖維中。但制取直徑極細（＜10μm）的熱塑性樹脂纖維較為困難，同時過程中易造成纖維損傷，因而限制了這一技術的應用。
航空航天市場快速發展直接帶動碳纖維復材產業鏈景氣度上升
在航空航天領域，碳纖維復合材料在結構輕量化方面發揮重要作用。與常規材料相比，碳纖維復合材料可使飛機減重20%～40%，可克服金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點，增強飛機耐用性。由于其性能優勢，碳纖維復合材料在軍機、民機的用量比例、范圍逐步提高，從20世紀70年代被用于尾翼級的部件制造逐漸發展到今天被廣泛應用于機翼、口蓋、前機身、中機身、整流罩等更多核心部件的制造中。
軍機領域：先進戰機“數”和單機復材“量”的提升將刺激碳纖維復材需求量增加.
從“數”的角度看，我軍航空裝備正處于需求增長時期，未來幾年先進戰機采購量有望不斷增加。盡管和平與發展是當今世界的主題，但是我國周邊安全形勢仍然嚴峻，積極推進國防和軍隊的現代化建設意義重大。根據Flightglobal發布的《Worldairforces2021》，截至2020年末，全球現役軍用飛機總計53563架，其中，美國擁有軍用飛機13232架，我國擁有的各類軍用飛機3260架，排在俄羅斯之后，位居世界第三。綜合考慮多方面因素，十四五期間，我國新式航空裝備將處于上量階段：在戰斗機方面，雖然先進的殲-10、殲11、殲-16與殲20戰機已經入役，但我軍仍有大批老舊的殲-7、殲-8戰機在役，直升機、轟炸機、運輸機等領域情況也大致相同，隨著十四五規劃對軍機加快更新換代的要求以及我國加速國防建設的需要，我軍對新型航空裝備的需求將不斷增加。相應的，軍用航空市場對碳纖維復合材料的需求也會不斷增加，進而間接帶動預浸料需求增加。
從“量”的角度看，碳纖維復材伴隨著軍機的升級換代，用量比例逐步提升。從國外來看，自20世紀70年代開始，國外軍機開始使用復合材料，之后用量逐步提升：以美國F系列戰機為例，從美國F15戰機開始，其碳纖維復合材料用量僅有1.5%，到美國F-22和F35戰機上碳纖維復合材料用量分別達到26%和31%。在B-2隱身戰略轟炸機上，碳纖維復合材料占比更是超過50%。從我國來看，我軍先進戰機碳纖維復合材料用量比例也在不斷提高：我軍最初殲5、殲-6戰機并無復合材料使用，到殲-8系列戰機碳纖維復材用量也僅有1-5%，經過幾十年的發展，在我軍新一代主力機型上碳纖維復材用量已經有大幅度提升，在最新的殲-20戰機上復合材料占比已經達到20%。客機領域：國產客機快速發展帶動碳纖維復材需求量增加
碳纖維復材主要用在客機的承力構件中，并伴隨著客機的升級換代用量逐步提升。從20世紀80年代開始，碳纖維復合材料開始應用在客機上的非承力構件，在早期的B757,B767上，碳纖維復合材料的占比僅為4%，隨著碳纖維相關技術的不斷突破，碳纖維復合材料逐漸作為次承力構件和主承力構件應用在民航客機上，其質量占比也開始逐步提升，到A380時，復材占比已達到25%，具體應用在客機主承力結構部件如主翼、尾翼、機體、中央翼盒、壓力隔壁等，次承力結構部件如輔助翼、方向舵及客機內飾材料等。在最新的B787以及A350上，復材用料占比都達到50%以上。我國國產客機市場潛力大，未來C919、CR929的批量交付將帶動碳纖維復材需求量提升。我國國產大客機項目正在不斷推進中，根據中國商飛官網披露的數據，C919大型客機已于2015年11月2日完成總裝下線，在2017年5月5日成功首飛，累計收獲28家客戶、815架訂單。2021年，中國東方航空與中國商飛正式簽署購機合同，首批引進5架，預計將在今年交付。在2019年4月27日在杭州云棲小鎮舉行的2050大會上，中國商飛披露了幾個國產客機（按重量占比）統計的復合材料比例：ARJ-21的復材含量占比為2%，C919的復材含量占比為11.5%，CR929的復材含量占比超過50%。綜合來看，伴隨著國產大飛機的批量交付，碳纖維復材的市場需求有望提升，進而帶動預浸料的需求增加。無人機以及航天領域：減重需求迫切，刺激碳纖維需求提升
無人機對復合材料的用量比例高，其快速發展將直接帶動碳纖維復材需求量上升。無人機由于具備低成本、輕結構、高機動、大過載、高隱身、長航程的技術特點，對減重的需求較為迫切。故而，其復合材料的使用比例基本是所有航空最高的。美國全球鷹(GlobalHawk)高空長航時無人偵察機共用復合材料達65%，先進無人機復合材料的用量更是不斷提升，X-45C、X-47B、“神經元”、“雷神”上都運用了90%的復合材料。我國方面，以翼龍I-D無人機為例，其復材使用量也已超過80%。此外，無人機在民用領域的應用也較為廣泛，其在災情巡邏、環境監控、大地測量、空中攝影及氣象觀察等民用領域的用途越來越廣。在2021年7月的河南災情來看，翼龍無人機對災情探測發揮了重要作用。展望未來，在無人機應用日益廣泛、數量提升的背景下，碳纖維復材需求量有望增加。航天領域碳纖維復材用量較高，伴隨航天的快速發展，碳纖維復材需求量有望增加。一般而言，航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤，因此，在航空航天工業中普遍采用先進的碳纖維復合材料。以美國、歐洲的衛星為例，得益于高性能復合材料的應用，其結構質量不到總重量的10%。目前來看，衛星的微波通信系統、能源系統和各種支撐結構件等已經基本做到了復合材料化。在運載火箭和戰略導彈方面，碳纖維復合材料以其優異的性能得到了較好的應用與發展，先后成功用于“飛馬座”、“德爾塔”運載火箭、“三叉戟”II(D5)、“侏儒”導彈等型號;美國的戰略導彈MX洲際導彈，俄羅斯戰略導彈“白楊”M導彈均采用先進復合材料發射筒。展望未來，伴隨著航天領域的快速發展，碳纖維復材需求量有望提升。民用客機領域：預浸料市場需求超4000-5000噸
假設一、數量假設：ARJ21方面，目前已實現量產，2020年實現交付24架次，后面單年交付數量有望增加，預計未來10年交付量為1000架。C919方面，今年預計開始正式交付，到2024年實現50架的交付能力，預計未來10年交付量為800架。CR929方面，預計未來10年交付量較小，同時公開的資料較少，故不做太多分析。假設二、利用率假設：我們預計從預浸料到復材結構件的利用率是50%。基于以上兩點假設，同時考慮可能存在的誤差，我們預計未來10年，國內自產客機帶動的碳纖維預浸料需求量為4000-5000噸。
軍用領域：預浸料需求量約1.7萬噸，市場空間在850億左右
假設一、數量假設：由于先進戰機和無人機對未來戰場的作用日益凸顯，預計未來10年，我國戰機數目有望增加1000架，軍用無人機數目有望增加3000架。其他軍機方面，我們以《Worldairforces2021》披露的美國各機型數目的一半為我國未來10年發展的目標數量。假設二、質量假設：由于相同類型下的不同代次、型號的軍機結構重量不同，我們以該類型下軍機結構重量區間內的中樞值計算其結構質量。假設三、用量假設：戰斗機、無人機、武裝直升機的碳纖維復材用量我們以當前我國主要型號戰機披露的數據進行測算。同時，我們預計其他型號軍機復材用量為10%。假設四、利用率假設：我們預計從預浸料到復材結構件的利用率是50%。基于以上四點假設，我們預計，未來10年，軍用市場碳纖維預浸料需求量為1.7萬噸。目前軍用碳纖維預浸料的市場價格約為每平方米1000元，每平方米約為0.2kg，相當于5000元/kg。因而，我們預計，未來10年軍用碳纖維預浸料的市場空間在850億元左右.
境外高技術產品禁運為國內碳纖維產業鏈廠商提供發展機遇碳纖維及其復合材料行業競爭激烈，國外企業占據優勢。在目前的碳纖維復合材料行業中，國外的企業已經憑借其先進技術、豐富資金和高端人才等優勢在技術含量高、附加值高的復合材料行業中占據主流地位。作為碳纖維領域主要的技術發源地，并得益于其強大的工業基礎和制造業的長期積累，日本和歐美等國家和地區在高性能碳纖維及碳纖維復合材料領域已經形成先發優勢：在碳纖維預浸料、芳綸紙蜂窩、碳纖維構件及構件維修業務領域，美國企業均擁有較強的實力；日本企業在碳纖維預浸料和芳綸領域實力較強；韓國企業在芳綸領域擁有一定的實力；歐洲企業在復合材料構件和構件維修領域實力較強。海外碳纖維及其復材對中國的禁運為國產廠商提供重大發展機遇。自2020年下半年以來，日本、美國加強了對碳纖維出口中國的政策管控，導致國內碳纖維境外供應難度進一步加大。2020年12月22日，因日本東麗子公司出口碳纖維流入了未獲日本《外匯及外國貿易法》許可的中國企業，日本經濟產業省對該公司實施了行政指導警告，要求東麗子公司防止再次發生此類事件，并徹底做好出口管理。2021年2月24日，美國總統拜登簽署了行政令，在聯邦機構間展開為期100審查，以解決四個關鍵產品供應鏈中的漏洞，其中包括碳纖維，主要目標是增強供應鏈的彈性，以保護美國免于未來面臨關鍵產品短缺。海外廠商對中國碳纖維及其復材的禁運，雖在一定程度上打壓了中國碳纖維產業鏈下游的一些企業，但也為產業鏈上、中游的一些企業提供重大發展機遇。
