军用碳纤维行业报告.docx

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军用碳纤维行业报告

军用碳纤维行业报告

一、航空复合材料概述

1、航空复合材料拆分

复合材料是人类运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。

一般定义的复合材料需满足以下条件:

➢复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料;➢复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在;➢它具有结构可设计性，可进行复合结构设计;➢复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联可以获得单一组成材料所不能达到的综合性能。

➢复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。

金属基体常用的有铝、镁、铜、钛等合金。

非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。

增强材料主要由玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属等构成。

而金属跟非金属基体在不同的排列组合后，复合材料可以基本上分为三个大类：

➢金属基vs金属基，其中包含目前航空结构件大量使用的铝锂合金，以及航空发动机领域大量运用的铁、钴、镍基高温合金；➢金属基vs非金属基，这个领域多为特种钢材，如高碳钢；➢非金属基vs非金属基，其可以进一步内分为以无机非金属基体为主的复合材料，如陶瓷材料、石英材料等；另一部分则为以聚合物为基体的复合材料，如本报告所涉及的树脂基碳纤维材料。

根据美国空军对2025年航空技术发展的预测分析，在全部43个系统中，先进材料技术的重要性被列为第二位；而在美国国防部制定的科技优选项目中，先进材料技术也被列于第二位。

以航空发动机为例，业内公认现行航空发动机推重比在近十年中出现迭代上升，其70%以上的贡献来自于高性能新材料及其制备技术。

而对航空结构材料的基本要求包括以下几个方面：

材料高性能，要求轻质、高强度和高刚度，具体而言为要求材料具有极高的比强度（材料的强度除以其表观密度，其中强度为材料断开时单位面积所受的力）和比刚度（弹性模量与其密度的比值，其中弹性模量为单向应力状态下应力除以该方向的应变）；➢优良的高低温性能，其既需要应对数倍音速下的高温，也需要应对同温层亚音速飞行、或高寒地区机场下的严寒环境；➢耐环境性能，即能够应对自然环境对材料的腐蚀及材料自身的老化现象；➢优良的工艺性能，即材料能够接受并适应各种冷、热加工条件的能力；➢低成本化；➢环境相容性。

2、一代材料、一代航空

从20世纪初莱特兄弟的“飞行者一号”冲上云霄至今，航空材料已经经历了从木质结构到复合材料的五个发展阶段，而每伴随一种新材料的拓展使用，航空装备往往伴随着一代质的跨越。

3、航空领域非金属复合材料应用历史

军机应用——材料创新带动飞机迭代最先在航空领域得到应用的是20世纪初出现的玻璃纤维。

20世纪60年代初，玻璃纤维增强复合材料开始用于军用飞机的整流罩、襟副翼等部位。

但由于这个时期复合材料的力学性能相对较低，其所制造的航空制件的受力水平相应较小，制件尺寸也较小，在航空产品的重要部件（尤其是受力结构件）中推广应用的条件尚不成熟。

1960年，以化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）方法制备的钨丝芯硼纤维开始了小批量生产。

CVD方法制备的硼纤维直径约为100μm，拉伸模量400GPa，拉伸强度3800MPa，用其制备的硼纤维增强的环氧树脂基复合材料的拉伸模量达200GPa，比玻璃纤维复合材料拉伸模量（40GPa）高4倍，比铝合金拉伸模量（70GPa）高2倍，因此美国空军材料实验室将硼纤维/环氧树脂复合材料命名为先进复合材料（AdvancedCompositeMaterials，ACM），并与20世纪60年代后期开始了在飞机结构上的应用。

其代表为1971年CVD硼纤维增强的环氧树脂复合材料在F-14的平尾上获得应用，这也被视为航空复材领域的一个里程碑。

然而CVD法制备的硼纤维生产工艺复杂，成本较高，且硼纤维本身粗硬，难以在结构上规模化推广应用。

1959年，日本首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，并与60年代初投入工业化生产，70年代中期诞生了以碳纤维为增强相的高性能复合材料。

依照日本东丽公司牌号，高强度级别碳纤维以T开头，高模量级别碳纤维以M开头，高强高模碳纤维则用M开头、J为后缀表示（如M50J）。

在此基础上，连续碳纤维增强的复合材料开始用于军机尾翼（垂尾）、水平尾翼（平尾）等受力较大、尺寸较大的部件上，如F-15、F-16等。

自20世纪70年代至今，国外军机尾翼级的部件均已用复合材料制造。

一般来讲，如果一架军机的垂尾、平尾全采用复合材料，则这些部位重量可达到总结构重量的5%。

1976年，美国麦道飞机公司率先研制了F/A-18飞机的复合材料机翼，该机型于1982年进入服役，复合材料用量提高到了10%以上（13%），成为航空复合材料应用的又一大里程碑。

此后，复合材料逐步进入了军机的机翼、机身等主要承力结构上的应用，这些结构受力大，尺寸大，目前在整机结构重量上的占比已达到了20%-50%。

民机应用——由小到大，循序渐进20世纪70年代后，复合材料开始在大型民机上进行应用，以美国为例，其应用大致经历了4个阶段，整体呈现循序渐进的原则：

第一阶段，20世纪70年代中期，复合材料在受力较小的前缘、口盖、整流罩、扰流板等构件上展开应用；第二阶段：

20世纪80年代，复合材料进入受力较小，但相对重要的航空构件，如升降舵、方向舵、襟副翼等；第三阶段：

复合材料进入受力较大的部件上，主要是垂尾和平尾，其中波音777共用复合材料9.9吨，占结构总重的11%。

同时，空客在A300系列飞机的尾翼一级部件均采用复合材料，整体复材用量占比达到15%以上，超过了波音公司；第四阶段：

复合材料进入飞机的主承力部件，如机翼、机身。

其中波音787飞机复合材料用量为总重的50%，超过了其他材料的总和，空客方面的A380中央翼、外翼、垂尾、平尾、机身地板及后承压框等部位采用复合材料，复材用量占总重量比约为25%。

二、碳纤维行业概览

在目前的航空结构材料技术领域中，连续碳纤维增强的树脂基复合材料是重中之重，其目前在所有复合材料结构件中占比约为70%-90%。

碳纤维是一种连续细丝碳材料，直径范围6-8um，为头发丝的1/3左右。

其制造工艺是由有机高分子纤维，即聚丙烯腈纤维（又名PAN原丝或PAN先驱体）或是由沥青或煤沥青纤维经专门的碳化处理而制得的纤维材料。

由于其含碳量高达99%，因此弹性模量大大提高，用其制造的复合材料轻质高强，且具有超出其他工程材料的比强度和比刚度。

用碳纤维复合材料代替钢或铝，减重效率可达20%到40%，根据《大国之翼》对C919副总设计师章骏的采访，在蒙皮部位使用铝锂合金能够减重2%，型材部分使用铝锂合金能够减重5%，而碳纤维复合材料的减重潜力则在15%-20%区间。

而根据《碳纤维及石墨纤维》介绍，战斗机或干线飞机自重每减少1kg，相当于增加450美元的经济效益。

1、碳纤维种类划分

小丝束与大丝束碳纤维碳纤维按用途可分为宇航级和工业级两类，亦称为小丝束和大丝束。

通常把48K（一丝束中包含48000根碳丝）及以上碳纤维称为大丝束碳纤维，包括60K、120K、360K和480K等。

宇航级碳纤维初期以1K、3K、6K为主，逐渐发展为12K和24K，主要应用于国防工业和高技术及体育休闲用品（如：

飞机、导弹、火箭、卫星和钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍等）。

工业级碳纤维应用于不同民用工业，包括：

纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。

与大丝束相比，由于缺少碳丝规模的集束量级，小丝束碳纤维往往需要更高的制造工艺（同样的3根筷子的结构强度小于12根筷子），进而导致成本较高，但由于其重量更轻（3根筷子重量小于12根筷子），所以广泛应用于航空航天领域。

目前，各国对高性能的小丝束碳纤维（宇航级）均采取严格的出口管制措施。

通用级与高性能碳纤维如果按照材料强度及模量进行划分，碳纤维可以划分为通用级碳纤维（强度小于1400Mpa，模量小于140Gpa）和高性能碳纤维（强度大于2000Mpa，模量大于250Gpa），而按照材料的具体性能，后者可以进一步拆分为各种细分量级。

从上表中可以看出，在下游需求提升和生产工艺改良的双重推动下，东丽公司继1971年推出T300后，历经T700、T800、T1000三个主要牌号，碳纤维材料的拉伸强度已提高了接近一倍。

2、应用领域及全球市场格局

碳纤维复合材料主要应用于航空航天、汽车、风力发电等制造业板块，根据《2019年全球碳纤维复合材料市场报告》统计，2019年全球碳纤维总需求为10.37万吨，对应28.70亿美元。

其中用量端风电叶片、航空航天、休闲体育、汽车为主要需求点，分别占比24.59%、22.66%、14.46%、11.38%，但金额端呈现航空航天一家独大的情况，整体占比49.13%（总金额28.7亿美元）。

全球树脂基复合材料需求结构基本上与碳纤维需求结构相同，总用量为15.97万吨，其中风电叶片、航空航天、体育休闲、汽车各占22.67%、24.55%、14.46%、11.40%；金额端总额为173.9亿美元，其中航空航天金额占比62.39%。

3、航空航天领域细分——机型迭代升级带来渗透率持续提升

航空航天领域是小丝束碳纤维的主要应用领域，目前西方各国的主要军用飞机和干线客机均为高性能复合材料的需要需求方。

根据《2019年全球碳纤维复合材料市场报告》统计，商用飞机占碳纤维航空航天总用量需求的69.11%（总需求为2.1万吨），而这一领域则是国产高性能碳纤维在长期的核心增长点。

军机层面，伴随着上世纪70、80年代后飞机的升级迭代，降低单位重量提升机体性能成为发展趋势，复合材料在军用飞机上的使用比例也逐步提升，应用位置也从最初的尾翼级部件到今天的机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等部位。

其中，在美国V-22鱼鹰直升机上，碳纤维复合材料占比达到了接近50%。

民机层面，碳纤维复合材料于上世纪80年代开始进入客机领域，在早期的A310、B757、B767上，碳纤维复材主要用于非承力构件，占比也仅为5-6%。

伴随技术的不断进步，A380时，复合材料占比已超过20%，应用位置也增加了如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等的飞机的主承力结构部件，以及辅助翼、方向舵和内饰材料等次承力结构。

而在最新的B787和A350中，复材使用量已达到了50%以上，如机头、机翼蒙皮等部位也开始大量使用碳纤维复合材料。

除去军民大型飞机外，近年来快速发展的无人小型飞行器也大量采用复合材料，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。

市场份额上，全球无人机市场呈现美国一家独大的情况。

美国NorthropGrumman和GeneralAtomics分别占比39%和25%，美国2007-2018年出口无人机数量也为全球榜首。

根据GlobalMarkertInsights研究，2018年全球军用无人机市场价值已超过50亿美元，预计2024年将增至130亿美元，CAGR17.26%。

4、产业链及制造工艺

目前PAN基碳纤维约占所有碳纤维先驱体份额的90%左右，其产业链可以大体拆解为四段：

首先是由原油经过炼制、裂解、氨氧化过程后得到丙烯腈；其后将丙烯腈纺丝后形成聚丙烯腈丝（PAN原丝），再经历预氧化、碳化过程形成碳纤维丝，这一环节目前航空领域中为光威复材（300699.SZ）、中简科技（300777.SZ）等上市公司的主体产业链位置；

之后则是将碳纤维丝在严格控制的条件（环境温度、胶液黏度、辊间缝隙、纤维前进速度、烘干温度及时间等）下与多种树脂等有机聚合物（目前主流是树脂）进行浸胶、挤胶、烘干、垫铺隔离纸（或膜）、压实等步骤，制成预浸料，这一环节为目前上市公司中航高科（600862.SH）产业链位置；此外碳丝在经过穿刺编织后成为碳纤维预制体，之后经历化学气相沉积（CVD）、石墨化等处理后加工成碳/碳复材，这一环节为目前上市公司楚江新材（002171.SZ）子公司江苏天鸟（3D编织+碳纤维预制件）及顶立科技（热处理）产业链位置。

最后则是通过传统手工/热压罐/模压成型/纤维缠绕/拉挤等成形方式将预浸料制成树脂基复材结构件；之后经进一步加工、组装成为最终产品，航空领域这两个产业链节点的核心公司为中航复材中心及各大主机厂，如中直股份（600038.SH）、中航沈飞（600760.SH）、中航飞机（000768.SZ）。

整条产业链中几大难点在于原丝制备、上浆剂、氧化碳化、树脂调配、固化成型，其中上浆剂、树脂调配对下游客户粘性具有较大要求，而原丝制备、氧化碳化、固化成型三大工艺更要求人员与机械的磨合程度。

5、产业链财务简述

由于拉丝、预氧化、碳化等生产环节受到良率、研发等因素限制，叠加公司前期的大量固定资产投入，产业链毛利率整体呈现上游高、下游低的特性，但全行业毛利率处于上升趋势中。

考虑到目前行业主要为需求端主导，毛利率指标一定程度上体现了碳纤维复材行业景气上升的情况。

而从应收占营收比这一指标来分析，我们可以看到，行业上游该指标变动约滞后下游1年左右。

而受到“军改”等政策因素扰动，2015-2016年全产业链应收占营收比处于高位。

这一指标于2015-2018年呈现上游下降、下游上升的情况，2019年呈现整体下降趋势（中简科技上升主要系2019年订单完成率65.15%），我们认为，造成这一状态的核心原因在于产业链传导大约需要1年左右时间。

目前，“十三五”处于收官之际，产业链押款情况逐步改善，同时在手订单量出现上升，全产业链进入交付阶段。

本质上，碳纤维产业链符合军工板块特性：

产业链议价权“下强上弱”。

三、中国航空航天市场——从“望其项背”到“并驾齐驱”

2019年中国市场碳纤维总需求量约为3.78万吨，其中体育器材占比最高，达37.00%，其次为风电叶片，占比36.47%，与全球碳纤维应用格局最大的不同是，我国航空航天所需碳纤维占比仅为2.91%，需求端结构中高性能战机与商用飞机占比较低是导致这一结果的主要原因。

在树脂基碳纤维复合材料领域，我国的格局与全球格局相近，但值得关注的是，我国航空航天部分用量仅占总用量的3.17%，但金额却占比35.72%（用量全球占比5.95%%，金额全球占比19.85%）。

造成这一结果的核心原因在于我国碳纤维产业目前刚刚迈过起步阶段，前期投入的大量沉没成本叠加缺乏商用飞机带来的规模效应导致产品价格相较国际市场较高。

对此我们认为，考虑到合格宇航级碳纤维产业目前的供给稀缺性，以及军品市场渠道的高壁垒特性（市场新入者需要在产品预研阶段进入产业链），短期行业难以大幅降价；“量升价跌”带来的价格下降可能需要等到产业完成规模化、实现供需平衡后才会全面出现。

从供给端结构看，行业国产化率呈现不断提升的态势，国产/进口比例已从2008年的约2.5%增长到目前的约50%左右，其背后则体现了我国碳纤维行业从无到有的变化历程。

1、军机领域

军机层面，相较西方先进国家，我国军用航空装备正处于从“望其项背”到“并驾齐驱”的关键时期，但目前尚存在质与量的双重提升空间。

依据WorldAirForces2018统计，我国目前战斗机数量仅为美国的50%左右，且其中相当占比为J-7、J-8为主的第二代战斗机，余下各大机种与美国差距依然明显。

根据《2019年全球碳纤维复合材料市场报告》数据，2018年我国军机碳纤维用量大约为西方总需求量的1/5，按照行业7%-10%的复合增速计算，假设我国2050年完成“建设世界一流军队”时已追平西方整体用量，则预期CAGR在13%-16%区间。

而伴随着我国新一代固定翼飞机和直升机逐步列装升级，以及军用宇航级碳纤维行业渠道的高壁垒，我们认为以碳纤维为首的复材行业能够维持近1-3年的中高速增长期，预计CAGR在20%-30%区间。

2、民机领域

民航方面，2018年，我国民航全行业运输飞机期末在册架数为3639架，比上年增加343架，其中C919所属的窄体飞机2883架，比上年增加273架，占总机队比重79.2%；CR929所属的宽体飞机409架，比上年增加47架，占总机队比重11.2%，目前全部为外资厂商产品（国产ARJ21属于支线飞机），国产替代空间巨大。

《中国商飞公司2017-2036年民用飞机市场预测年报》对此预计，未来20年我国民用飞机市场需求约为8万亿人民币；而波音公司则预测，未来20年，中国将是全球最大的航空市场，客机需求约6800架，价值约为9293亿美元，其中以C919为代表的单通道客机需求约为3500架。

目前，C919已获得815架意向性订单，从目前订单结构拆分来看，绝大多数订单来自于国内国营航空公司、央企或央企旗下的租赁公司，订单稳定程度及确定性很高。

2019年，中航商飞计划完成6架C919试飞工作（101、102、103、104进行试飞，105、106总装后试飞），相较波音、空客月产量超过50架的产能，国产大飞机还存有较大的提升潜力，我们预计，2021年后，C919生产交付将逐步步入正轨，但整体产能大幅扩张尚需时日。

2018年C919用国产预浸料完成首批交付，实现了我国此领域国产材料零的突破，考虑到民航中机体价值量占比约在40%左右，我们认为C919带来的航空复合材料市场空间至少为1200亿人民币。

此外，考虑到C919设计时，曾有复合材料占比20%的设计方案，未来民机领域航空复材市场空间有望进一步提升。

3、无人机领域

无人机层面，根据SIPRI统计，2008-2017年，中国以88架无人机出口量位列全球第三，仅次于美国（351架）和以色列（186架），订单结构上，主要以彩虹跟翼龙两系列型号为主：

依据前瞻产业研究院整理数据显示，我国2017年军用无人机规模达到88.48亿元，而预计2020年，国内军用无人机规模将达到191.11亿元，CAGR29.26%。

四、成本端拆分及产业降本方式

尽管碳纤维复合材料相较传统材料具有诸多优势，但其也存在诸多限制其需求端进一步拓展应用的障碍。

我们认为，其中急需解决的痛点为生产成本、无损检测、损伤修复及环境兼容问题。

我们认为，这些问题的解决与否将直接影响碳纤维产业在民用化领域的推广应用程度，而其中更以生产成本为重中之重。

1、生产成本拆分

航空复合材料结构成本中，材料成本约占15%、铺层占25%、装配占45%、固化占10%、紧固件占5%。

目前世界进行成本端控制的主流方式为大丝束及自动化技术、干喷湿纺技术、整体成形技术和能源成本控制。

2、大丝束及自动化技术

如前文所述，大丝束技术的核心在于增加拉丝环节中的规模效应，以达到平均成本下降的目的。

截止今日，宇航级碳纤维已经从最初的1K逐渐发展为12K和24K，日本东丽T300级碳纤维成本也成功控制住100-300元/公斤水平。

而工业级碳纤维部分国际企业已达到480K水平。

此外，自动化制造技术也是广泛被生产企业所采用的技术之一，相较手工铺层40%左右的材料利用率，自动铺带及丝束铺放的材料利用率可达80%-97%。

3、干喷湿纺技术

干喷湿纺与传统湿法纺丝的差别在于聚丙烯腈从喷丝头中喷出后先接触空气，再进入凝固液凝固，由于聚丙烯腈在粘稠状态比凝固状态牵伸更加顺畅，所以生产速度得以提升，带来规模效应：

相较湿法纺织，干喷湿纺纺丝速度快（约每分钟300米以上，湿法纺织约为每分钟40-200米），但弹丝表面光滑无沟槽，界面性能不够稳定，多用于缠绕、编织等工艺，目前广泛用于民用领域，部分产品涉足航天领域。

据业内人士推测，日本东丽（不是国内的）T300及T800可能采用湿法纺丝工艺，而T700和T1000则可能使用干喷湿纺工艺。

4、整体成形技术

整体成形技术能够大量减少零件和紧固件的数量，美国F-22（联合攻击战斗机JSF项目）的复材用量达28%，包括机翼和尾翼等处。

应用整体化技术后，金属零部件用量减少了95%，各种紧固件用量减少了96%（从11000多个减少为450个），而复合材料结构件则从600个零部件减少到200个，整体减少66%。

而在Do-328J型军用运输机改装项目上（由传统金属结构改装为部分复合材料结构），整体成形技术削减了其90%的零部件数量，大大节省了成形、装配、钻孔和安装紧固件的工序与时间。

5、能源成本控制

宝马i3碳纤维供应商SGLACF为这一方式的典型代表，其在美国MosesLake区域用有自己的发电厂及其所产生的较为廉价的能源成本，由此带来碳纤维成本较大幅度的下降。

五、碳纤维军转民障碍及潜在民用市场展望

1、军转民障碍（成本因素外）

无损检测与损伤修复由于碳纤维复合材料的核心在于纤维束具有较高的比强度和比刚度，当纤维束发生断裂时，其受力属性将发生变化，影响产品整体安全性能。

与传统金属材料相比，碳纤维束延展性较差，而对其进行无损检测（具体断裂点位置）成本较高，局部损伤修复也存在较大障碍，往往只能通过整体更换的方式。

我们认为，这一领域存在的问题将直接决定碳纤维复合材料能否在除高端车型外的汽车产业中进行推广。

环境兼容碳纤维复合材料另一大民用化障碍在于其难降解性，如果运用在低用量或少更换的设备上，该特性表现为抗腐蚀的优势。

但如果大量使用（尤其在民用化端），这一特性将给环境带来巨大压力。

2、非航领域民用化展望——轨道交通

综上，我们认为碳纤维复合材料在非高端汽车领域未来应用障碍较大，行业应用拓展有待进一步观察。

相较汽车领域，轨道交通行业对无损检测，尤其是损伤修复环节需求量较小（无损检测类似于航空），由于设备用量及更换率相较汽车行业也较低，所以其对环境压力也整体可控，轨交行业需要解决的核心矛盾在于材料成本这一环节。

我们认为，伴随着碳纤维行业产能扩张带来的规模效应，这一问题有望得到缓解，高速铁路和城际铁路有望成为小丝束及大丝束碳纤维的产业新增点。

2019年7月26日，中车四方公司首次展出更加轻盈节能的“下一代地铁”列车CETROVO。

其车体采用碳纤维复合材料，并采用构架等轻量化技术，同时，还具备无人驾驶、智能空调、主动运维等多项功能。

目前，这一型号的列车正在广州进行厂内测试。

伴随近十几年地铁列车的轻量化趋势，车重已从最初的二十余吨压缩到现在的七八吨。

与采用钢、铝合金等传统金属材料的列车相比，采用碳纤维复合材料的CETROVO地铁列车整车减重13%。

经测算，在多项节能新技术的配合下，平均能耗降低15%。

根据交通部《2018年铁道统计公报》数据，2018年底我国拥有动车组3256标准组，共26048辆，货车拥有83万辆。

而根据中国产业信息网预测，20