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“碳”索藍天,迎風而起的碳纖維行業新契機
發布時間:2022-06-10
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2022年5月14日6時52分,中國商飛公司即將交付首家用戶的首架C919大飛機從浦東機場起飛,于9時54分安全降落,首次飛行試驗圓滿完成。目前,C919大飛機還需繼續完成試飛取證和交付準備工作。

 

根據東方航空披露的客機采購公告, C919大飛機單價為0.99億美元,約合人民幣6.53億,同類機型包括空客A320和波音737MAX系列價格均超1億美元,相比之下,國產大飛機在單價實惠,而且C919作為其中立項最晚的機型,設計理念具有后發優勢,市場前景看好。

 

航空制造業被譽為“現代工業之花”,大飛機制造更是“工業皇冠上的明珠”,其制造難度不言而喻。作為我國第一款采用T800級碳纖維材料的民用客機,C919上樹脂級碳纖維材料的使用率達到15%,遠高于傳統飛機的1%。

 

首架交付用國產C919的試飛成功,不僅提振了航空工業的信心,還為處于擴產焦慮中的中國碳纖維行業展示了更大的可能性。

 

1. 中國碳纖維的擴產焦慮

 

由于下游光伏、風電領域的需求激增,加上國外禁售以及疫情原因對碳纖維進口的影響,使得中國碳纖維需求自2017年以來均保持了20%以上的增長,國產碳纖維銷售增速更是遠高于需求增速,預計在2022年,國產碳纖維銷量將超過進口碳纖維。

 

隨著行業熱度不斷提升,行業內的企業紛紛提出擴產計劃,根據賽奧碳纖維預測,截至2021年底,中國碳纖維理論產能達到6.3萬噸,而國產碳纖維需求在2023年僅為5.3萬噸,2022-2023年產能預計將陷入過剩的局面。另外一個問題是大部分擴產產能依然是常規小絲束產品,行業對擴產產能競爭力心存疑慮,大絲束產能以及量身定制小絲束的產能與市場需求之間存在錯配。

 

近幾年中國碳纖維技術有了一定發展,但國內配套的碳纖維復合材料生產技術不成熟,核心復材制造設備限制了行業的發展。碳纖維復合材料的下游應用需要根據客戶需求進行定制化設計,下游客戶痛點依然在于產品性能是否達標。對于目前國內碳纖維行業的發展而言,航空航天領域碳纖維供應能力尚存空間,或者將成為未來中國碳纖維行業破局的契機。

 

2. 碳纖維助力航天航空實現輕質高強

 

與常規材料相比,碳纖維可以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,并且使飛機減重 20%~40%,滿足長續航,降低燃料成本的雙重訴求,碳纖維復合材料在軍機、民機的用量比例、范圍正在逐步提高。

 

美國20世紀60年代就開始應用硼/環氧復合材料作飛機蒙皮、操作面等。由于硼纖維造價太貴,70年代轉向碳/環氧復合材料,目前軍機上復合材料用量已達結構重量的25%左右,占到機體表面積的80%。商用飛機出于燃油經濟性考慮對于通過復合材料實現減重的需求強烈,每減重一公斤,一年就能節約 3000 美元的燃料,目前先進民機復材使用比例正在向50%水平發展??湛虯380上僅碳纖維復材的總用量約23%左右;波音787復材用量達到了50%,遠遠超過了A380;未來國產大飛機C929復材用量預計將達到50%。

 

在無人機應用領域,碳纖維復合材料的應用比例更是達到新高。碳纖維復合材料具有高模高強、輕量化等優質力學性能,同時可設計性強,易于整體成型,無人機復合材料用量一般占機體結構總重的60%-80%。美國在20世紀底研制的“全球鷹”無人偵察機機身65%的材料都是碳纖維復合材料,更為先進的“神經元”、“雷神”無人機上機身碳纖維復合材料比例甚至超過了90%,中國翼龍 I-D 無人機復材使用比例也超過 80%。

 

3. 中國航空碳纖維復合材料應用攻堅戰

 

1992年開始,中國向俄羅斯陸續采購了76架蘇-27SK/UBK戰斗機,實現了三代戰機列裝。但疆域遼闊的中國來說,光買不造無法滿足國防需要。從零開始研制一款雙發重型戰斗機并不現實,只能將外購的蘇-27SK進行國產化,其中復合材料的應用突破是重要一環。

 

航空業內流傳一句話:“一代飛機一代工藝和材料”,每一款戰機誕生的背后,都少不了材料的重大突破,為了增加戰機的電子設備、掛載武器并控制重量,降低成本,研發高強度輕質復合材料非常必要,戰斗機減重已經精確到以克計算。

 

中國在國產二代機做過復合材料的應用嘗試,但升級到三代機時,工業部門還無法制造出適合三代機的復合材料。性能優異的碳纖維復合材料的制造工藝集多學科,精細化、高尖端技術于一體,十分復雜。系統工程包含溫度、濕度、濃度、粘度、流量等上千個參數的高精度控制,稍有不慎,就會嚴重影響碳纖維性能和質量穩定性。在牽頭單位帶領全國一百多家單位集體攻關近10年后,終于在2003年,第三代重型制空戰斗機殲-11B首飛成功,殲-11B在機翼、垂直尾翼和水平尾翼等部件采用了復合材料,占飛機結構總重量的 9%,中國航空新材料應用實現重大突破。

 

中國航空用碳纖維產業的特殊攻堅歷程,使得航空央企集團體系內對應復合材料研發與制造的子公司較為齊全,下游存在一批技術成熟、實力雄厚的航空類央企下屬復合材料公司,但這種產業布局客觀上也壓縮了上游民營碳纖維企業延伸至航空用復合材料的發展空間。

 

4. 航空航天碳纖維復合材料市場空間廣闊

 

2020年,航空航天用碳纖維復材的產值按結構件估算大約為183億元,首次超越了體育器材成為價值量最大的下游應用市場,在2021年,航空航天碳纖維復合材料銷售收入依然同比實現了近17.5%增長,達到215億元。

 

受疫情影響,近2年商用航空市場依然低迷,但是軍機、無人機市場增長迅猛,而疫情好轉后,商用航空預計將迎來報復性增長??偟膩碚f航空航天將會是碳纖維復材應用實現高增長、高端化、高盈利的重要契機。

 

商用飛機在碳纖維復合材料應用需求中占比最大,達到35%。根據波音發布的《民用航空市場展望》報告,未來20年,中國將購買約8700架新飛機,碳纖維應用空間將進一步打開,隨著已經有超過1000架在手訂單的C919項目取得進展,中國商用飛機的產業化落地預計將進一步加快。

 

另一方面,中國的軍用航空應用領域對碳纖維復合材料的需求將隨著十四五期間國防建設加速而不斷提升。

 

根據 Flight global 發布的《World air forces 2022》,截至 2021 年末,2021年全球軍機總計53271架,其中美國保有13246架,占了全球的四分之一,中國軍機保有量僅為3285架,只占美國的四分之一。另外中國現役戰斗機 1571 架,其中二代機占比 50.22%,五代機殲-20 僅 19 架,占比 1.21%,而美軍四代機和五代機占比分別為 81.06%和 16.31%,中國軍機放量列裝提速迫在眉睫。

 

無人機裝備快速發展是帶動碳纖維復材需求量上升的重要變量。自第二次世界大戰期間美國空軍將無人機作為靶機使用算起,無人機在軍事中的應用已有 70 多年的歷史。21世紀以來,軍用無人機裝備在世界范圍內迅速擴散,頻繁出現在阿富汗、敘利亞、利比亞等局部地區戰場,應用潛力不斷提升。軍用無人機具有超高機動性、載彈量大、作戰成本低、沒有人員傷亡風險等優點,未來戰場上,無人機參與程度將持續加深,軍用無人機正在成為實現國家安全戰略與軍事戰略的重要工具。

 

2022年我國軍費預算達到14504.5億元,同比增長7.1%。按照無人機采購費用在軍費預算占比中如果達到美國2019年的0.6%水平,測算2022年中國軍用無人機裝備采購規模約為87億元。軍貿方面,據Fortune business insights預測,2021-2028年間全球無人機軍貿市場復合增長率為12.78%,至2024年其規??蛇_161.4億美元,其中我國無人機的軍貿份額占比或可達25%。以無人機等航空航天器將在碳纖維行業需求中扮演重要作用,將成為推動中國碳纖維的高端需求增長重要領域。

 

5. 碳纖維產業高質量發展破局

 

在碳纖維領域,我國曾飽受壟斷之苦,“斷供”的威脅猶如達摩克利斯之劍,懸在碳纖維產業的頭上,如今我國已成為碳纖維行業的“第三極”,撕破海外封鎖,正撬動著碳纖維產業格局的變化。

 

過去,國內碳纖維有效產能錯配、產線技術不穩定等原因,導致低端碳纖維市場飽和,高端產能建設不足。如今,航空航天作為一個技術密集及高附加值的應用市場,加之光伏、風電等下游的快速延伸,碳纖維應用市場潛力巨大,可以實現盈利增長以及技術突破的雙重效應,給中國碳纖維長期高質量發展帶來信心和實際動能。

 

碳纖維產業的發展與工業的進步和升級換代相輔相成,我國從工業大國轉型工業強國,正是材料和技術的不斷研發和突破,給產業的升級和資本的流入刻上了民族魂。(來源:信公咨詢;作者:艾化臣) 

 

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