航空复材前景广阔，预浸料需求旺盛
更新时间：2021-08-13 11:12:41
编辑：秘书处
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碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，与其他材料一起经过复合成型制成的结构材料，相较于传统材料在性能和轻量化两方面存在优势。碳纤维是由有机纤维（主要是聚丙烯腈纤维）经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维，但几乎所有的碳纤维都需进一步加工成复合材料以供终端使用。碳纤维复合材料是很多碳纤维丝束按照一定的方向排布，然后将它们与树脂、陶瓷、金属等基体混合连接在一起构成的材料。与传统的金属材料相比，碳纤维复合材料具有密度小、比强度／比刚度高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高温、便于设计、易于大面积整体成型加工等优点。
碳纤维及其复合材料在航空航天、工业和体育休闲用品三大领域应用日趋广泛，市场需求逐年增加。碳纤维以其质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域，如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭和人造卫星等，后伴随着碳纤维生产成本的降低逐步应用于工业和体育领域。从全球市场看，碳纤维市场需求一直不断增加。2020年全球碳纤维需求继2019年之后再次突破10万吨级，达到10.69万吨。
碳纤维复材按照基体的不同可以分为五大类，其中树脂基复合材料（CFRP）下游的应用最为广泛，超过80%。按基体的不同，碳纤维复材可分为树脂基复合材料（CFRP）、碳／碳复合材料（C／C）、金属基复合材料（CFRM）、陶瓷基复合材料（CFRC）及橡胶基复合材料（CFRR）等。其中，树脂基复合材料（CFRP），由于其比模量、比强度高、抗疲劳性好、以及优良的耐热性等特点，被广泛应用于宇宙飞行器外表面防热层及火箭喷嘴（酚醛树脂基）、航空航天结构材料（环氧树脂基）、、建筑补强等领域。
碳纤维预浸料是树脂基复合材料产业链中的重要中间材料。目前大部分先进复合材料产品都是由预浸料铺迭后固化而成的。完整制造过程包括：从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯，丙烯经氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝，再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维，并制成碳纤维织物和碳纤维预浸料，最后再将其加工成碳纤维复材。因此，预浸料是增强纤维浸渍树脂基体后制备复合材料的半成品，是由原料向制品过渡的重要中间产品。
树脂以及树脂的配比对碳纤维预浸料的性能影响较大。基体树脂的作用主要有两点：第一，将纤维定向、定位黏结成一体；第二，在产品过程中传递应力。不同类型树脂基体的基本性能有差异，例如，酚醛型环氧树脂可提高树脂体系的反应活性和耐热性，双酚A型环氧树脂可调节树脂体系的粘度。一般来说，通过单一的树脂很难满足工艺性能要求，通常是采用几种树脂组合来实现工艺操作，如采用几种不同环氧树脂组合来提高常温或低温下树脂体系的粘度。对于热固性预浸料，目前主要的预浸料制备方法是干法工艺，是传统湿法工艺的改进，技术难度高和设备投资大。传统的工艺是通过湿法制造预浸料，但是存在设备简单、溶剂挥发、树脂含量控制精度不高等缺点。后来研发了干法工艺，由于干法制备过程中不需要溶剂溶解树脂，所以不存在溶剂挥发的问题，且树脂含量控制精度较湿法高，因而逐渐替代了湿法工艺。干法也称热熔法，首先是将树脂在高温下熔融，然后通过不同的方式浸渍增强纤维制成预浸料。按树脂熔融后的加工状态，可以将干法分为一步法和两步法。其中一步法是直接将纤维通过含有熔融树脂的胶槽浸胶，然后烘干收卷。两步法是先在制膜机上将熔融后的树脂均匀涂覆在浸胶纸上制成薄膜，然后与纤维或织物叠合进行高温处理。但是，干法工艺对设备的要求高，制作工艺繁琐，对树脂的熔点有要求。特别是对厚度较大的预浸料，树脂容易浸透不均匀。对于热塑性预浸料，目前常用的方法包括热熔法、粉末法浸渍法、悬浮浸渍法、纤维混杂法、原位聚合法等。热塑性树脂的热熔法与热固性树脂的热熔法相似。粉末法是制备热塑性预浸料比较典型的方法，是将带静电的树脂粉末沉积到被吹散的纤维上，再经过高温处理使树脂熔融嵌入到纤维中。粉末法的特点是能快速连续生产热塑性预浸料，纤维损伤少，工艺过程历时少，聚合物不易分解，具有成本低的潜在优势。这种方法的不足之处在于适于这种技术的树脂粉末直径在5～10μm为宜，而制备直径在10μm以下的树脂颗粒难度较大。悬浮预浸法主要过程是纤维通过事先配制好的悬浮液，使树脂粒子均匀分布在纤维上，然后加热烘干悬浮剂，同时使树脂熔融浸渍纤维得到预浸料。与熔融法一样，该法存在技术难度高和设备投资大的缺点。纤维混杂法是先将热塑性树脂纺成纤维或纤维膜带，再根据含胶量的多少将增强纤维与树脂纤维按一定比例紧密地并合成混合纱，然后将混合纱织制成一定的产品形状，最后通过高温作用使树脂熔融，嵌入纤维中。但制取直径极细（＜10μm）的热塑性树脂纤维较为困难，同时过程中易造成纤维损伤，因而限制了这一技术的应用。
航空航天市场快速发展直接带动碳纤维复材产业链景气度上升
在航空航天领域，碳纤维复合材料在结构轻量化方面发挥重要作用。与常规材料相比，碳纤维复合材料可使飞机减重20%～40%，可克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点，增强飞机耐用性。由于其性能优势，碳纤维复合材料在军机、民机的用量比例、范围逐步提高，从20世纪70年代被用于尾翼级的部件制造逐渐发展到今天被广泛应用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等更多核心部件的制造中。
军机领域：先进战机“数”和单机复材“量”的提升将刺激碳纤维复材需求量增加.
从“数”的角度看，我军航空装备正处于需求增长时期，未来几年先进战机采购量有望不断增加。尽管和平与发展是当今世界的主题，但是我国周边安全形势仍然严峻，积极推进国防和军队的现代化建设意义重大。根据Flightglobal发布的《Worldairforces2021》，截至2020年末，全球现役军用飞机总计53563架，其中，美国拥有军用飞机13232架，我国拥有的各类军用飞机3260架，排在俄罗斯之后，位居世界第三。综合考虑多方面因素，十四五期间，我国新式航空装备将处于上量阶段：在战斗机方面，虽然先进的歼-10、歼11、歼-16与歼20战机已经入役，但我军仍有大批老旧的歼-7、歼-8战机在役，直升机、轰炸机、运输机等领域情况也大致相同，随着十四五规划对军机加快更新换代的要求以及我国加速国防建设的需要，我军对新型航空装备的需求将不断增加。相应的，军用航空市场对碳纤维复合材料的需求也会不断增加，进而间接带动预浸料需求增加。
从“量”的角度看，碳纤维复材伴随着军机的升级换代，用量比例逐步提升。从国外来看，自20世纪70年代开始，国外军机开始使用复合材料，之后用量逐步提升：以美国F系列战机为例，从美国F15战机开始，其碳纤维复合材料用量仅有1.5%，到美国F-22和F35战机上碳纤维复合材料用量分别达到26%和31%。在B-2隐身战略轰炸机上，碳纤维复合材料占比更是超过50%。从我国来看，我军先进战机碳纤维复合材料用量比例也在不断提高：我军最初歼5、歼-6战机并无复合材料使用，到歼-8系列战机碳纤维复材用量也仅有1-5%，经过几十年的发展，在我军新一代主力机型上碳纤维复材用量已经有大幅度提升，在最新的歼-20战机上复合材料占比已经达到20%。客机领域：国产客机快速发展带动碳纤维复材需求量增加
碳纤维复材主要用在客机的承力构件中，并伴随着客机的升级换代用量逐步提升。从20世纪80年代开始，碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件，在早期的B757,B767上，碳纤维复合材料的占比仅为4%，随着碳纤维相关技术的不断突破，碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在民航客机上，其质量占比也开始逐步提升，到A380时，复材占比已达到25%，具体应用在客机主承力结构部件如主翼、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。在最新的B787以及A350上，复材用料占比都达到50%以上。我国国产客机市场潜力大，未来C919、CR929的批量交付将带动碳纤维复材需求量提升。我国国产大客机项目正在不断推进中，根据中国商飞官网披露的数据，C919大型客机已于2015年11月2日完成总装下线，在2017年5月5日成功首飞，累计收获28家客户、815架订单。2021年，中国东方航空与中国商飞正式签署购机合同，首批引进5架，预计将在今年交付。在2019年4月27日在杭州云栖小镇举行的2050大会上，中国商飞披露了几个国产客机（按重量占比）统计的复合材料比例：ARJ-21的复材含量占比为2%，C919的复材含量占比为11.5%，CR929的复材含量占比超过50%。综合来看，伴随着国产大飞机的批量交付，碳纤维复材的市场需求有望提升，进而带动预浸料的需求增加。无人机以及航天领域：减重需求迫切，刺激碳纤维需求提升
无人机对复合材料的用量比例高，其快速发展将直接带动碳纤维复材需求量上升。无人机由于具备低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点，对减重的需求较为迫切。故而，其复合材料的使用比例基本是所有航空最高的。美国全球鹰(GlobalHawk)高空长航时无人侦察机共用复合材料达65%，先进无人机复合材料的用量更是不断提升，X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”上都运用了90%的复合材料。我国方面，以翼龙I-D无人机为例，其复材使用量也已超过80%。此外，无人机在民用领域的应用也较为广泛，其在灾情巡逻、环境监控、大地测量、空中摄影及气象观察等民用领域的用途越来越广。在2021年7月的河南灾情来看，翼龙无人机对灾情探测发挥了重要作用。展望未来，在无人机应用日益广泛、数量提升的背景下，碳纤维复材需求量有望增加。航天领域碳纤维复材用量较高，伴随航天的快速发展，碳纤维复材需求量有望增加。一般而言，航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤，因此，在航空航天工业中普遍采用先进的碳纤维复合材料。以美国、欧洲的卫星为例，得益于高性能复合材料的应用，其结构质量不到总重量的10%。目前来看，卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件等已经基本做到了复合材料化。在运载火箭和战略导弹方面，碳纤维复合材料以其优异的性能得到了较好的应用与发展，先后成功用于“飞马座”、“德尔塔”运载火箭、“三叉戟”II(D5)、“侏儒”导弹等型号;美国的战略导弹MX洲际导弹，俄罗斯战略导弹“白杨”M导弹均采用先进复合材料发射筒。展望未来，伴随着航天领域的快速发展，碳纤维复材需求量有望提升。民用客机领域：预浸料市场需求超4000-5000吨
假设一、数量假设：ARJ21方面，目前已实现量产，2020年实现交付24架次，后面单年交付数量有望增加，预计未来10年交付量为1000架。C919方面，今年预计开始正式交付，到2024年实现50架的交付能力，预计未来10年交付量为800架。CR929方面，预计未来10年交付量较小，同时公开的资料较少，故不做太多分析。假设二、利用率假设：我们预计从预浸料到复材结构件的利用率是50%。基于以上两点假设，同时考虑可能存在的误差，我们预计未来10年，国内自产客机带动的碳纤维预浸料需求量为4000-5000吨。
军用领域：预浸料需求量约1.7万吨，市场空间在850亿左右
假设一、数量假设：由于先进战机和无人机对未来战场的作用日益凸显，预计未来10年，我国战机数目有望增加1000架，军用无人机数目有望增加3000架。其他军机方面，我们以《Worldairforces2021》披露的美国各机型数目的一半为我国未来10年发展的目标数量。假设二、质量假设：由于相同类型下的不同代次、型号的军机结构重量不同，我们以该类型下军机结构重量区间内的中枢值计算其结构质量。假设三、用量假设：战斗机、无人机、武装直升机的碳纤维复材用量我们以当前我国主要型号战机披露的数据进行测算。同时，我们预计其他型号军机复材用量为10%。假设四、利用率假设：我们预计从预浸料到复材结构件的利用率是50%。基于以上四点假设，我们预计，未来10年，军用市场碳纤维预浸料需求量为1.7万吨。目前军用碳纤维预浸料的市场价格约为每平方米1000元，每平方米约为0.2kg，相当于5000元/kg。因而，我们预计，未来10年军用碳纤维预浸料的市场空间在850亿元左右.
境外高技术产品禁运为国内碳纤维产业链厂商提供发展机遇碳纤维及其复合材料行业竞争激烈，国外企业占据优势。在目前的碳纤维复合材料行业中，国外的企业已经凭借其先进技术、丰富资金和高端人才等优势在技术含量高、附加值高的复合材料行业中占据主流地位。作为碳纤维领域主要的技术发源地，并得益于其强大的工业基础和制造业的长期积累，日本和欧美等国家和地区在高性能碳纤维及碳纤维复合材料领域已经形成先发优势：在碳纤维预浸料、芳纶纸蜂窝、碳纤维构件及构件维修业务领域，美国企业均拥有较强的实力；日本企业在碳纤维预浸料和芳纶领域实力较强；韩国企业在芳纶领域拥有一定的实力；欧洲企业在复合材料构件和构件维修领域实力较强。海外碳纤维及其复材对中国的禁运为国产厂商提供重大发展机遇。自2020年下半年以来，日本、美国加强了对碳纤维出口中国的政策管控，导致国内碳纤维境外供应难度进一步加大。2020年12月22日，因日本东丽子公司出口碳纤维流入了未获日本《外汇及外国贸易法》许可的中国企业，日本经济产业省对该公司实施了行政指导警告，要求东丽子公司防止再次发生此类事件，并彻底做好出口管理。2021年2月24日，美国总统拜登签署了行政令，在联邦机构间展开为期100审查，以解决四个关键产品供应链中的漏洞，其中包括碳纤维，主要目标是增强供应链的弹性，以保护美国免于未来面临关键产品短缺。海外厂商对中国碳纤维及其复材的禁运，虽在一定程度上打压了中国碳纤维产业链下游的一些企业，但也为产业链上、中游的一些企业提供重大发展机遇。
