機械行業(yè)周報：乘風破浪的碳碳熱場（一）

本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告1?本周核心觀點：當前新能源、汽車行業(yè)景氣度較高，帶動設(shè)備需求旺盛。疫情期間壓制的擴產(chǎn)需求有望批量釋放，設(shè)備廠商有望收獲批量訂單。技術(shù)變革進行時，新技術(shù)、新工藝帶來的設(shè)備需求不容忽視。?“乘”光伏行業(yè)高景氣之風，“破”技術(shù)攻關(guān)之難，碳碳熱場材料未來可期。碳碳熱場作為光伏單晶爐生產(chǎn)中所必需的耗材，同時享受光伏市場增量以及存量紅利，本篇報告將重點解析碳碳熱場替代等靜壓石墨的產(chǎn)業(yè)趨勢、量化分析目前國內(nèi)市場的供需關(guān)系。由于各家供應商所生產(chǎn)的碳碳熱場產(chǎn)品差異不大，核心競爭要素為生產(chǎn)以及制造成本，我們將在未來的專題報告中，深度解析不同供應商之間盈利差異性；同時，也將深度剖析碳碳材料在新技術(shù)領(lǐng)域的延展性應用，關(guān)注行業(yè)未來發(fā)展趨勢。?低成本+高性能的高性能碳碳復合材料成為主要發(fā)展趨勢。通常，由于硅晶體、碳化硅晶體等的生長需要在高于1500℃的高溫條件下進行，碳纖維由于其優(yōu)異的力學性能、耐高溫屬性、容易成型等多項特點被廣泛應用于高溫熱場保溫領(lǐng)域，且扮演著至關(guān)重要的角色。碳碳復合材料制備因致密化工藝不同可以分為化學氣相沉積、液相浸漬法以及兩種方法的綜合使用。其中，化學氣相成績是制備高性能碳碳復合材料的首選方案，但由于技術(shù)工藝時間較長導致制造成本相對較高。目前，為實現(xiàn)高性能碳/碳復合材料的產(chǎn)業(yè)化應用，低成本、高性能成為主要發(fā)展趨勢。?三大成長動能接力，碳碳熱場進入需求上行周期。?短期看，為降低國內(nèi)對于進口石墨材料的高度依賴，疊加光伏產(chǎn)業(yè)鏈降本提效的需求，碳碳熱場材料滲透率短期內(nèi)快速提升。截至2020年，坩堝產(chǎn)品滲透率最高，達到95%以上，導流筒以及保溫筒產(chǎn)品的滲透率突破50%，比2010年均有較大幅度的增長。?中期看，碳碳熱場作為一項耗材，同時受益于硅片行生產(chǎn)的增量以及存量市場。根據(jù)我們的測算，2022-2025年全球單晶爐碳基復合材料需求為0.60/0.84/1.15/1.41萬噸，同比增速分別是58%/41%/37%/23%，繼續(xù)保持高增長。?長期看，碳碳材料性能優(yōu)，延展性更強。碳碳材料具有比重輕、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、導熱導電性能好等優(yōu)良性能，具備應用在半導體熱場、航空航天以及剎車制動等領(lǐng)域的較大潛力，需求邊界或再度衍生。?投資建議：建議關(guān)注天宜上佳、金博股份及中天火箭(西安超碼母公司)。?風險提示：技術(shù)升級迭代風險，下游需求不及預期，測算誤差等。2022年07月24日機械行業(yè)周報20220724乘風破浪的碳碳熱場(一)維持評級師師究助理S110006mszqcomS110010zqcom敏S120025wengjiamin@相關(guān)研究出現(xiàn)+原材料改善+海風招標量起-2022/07/2.機械行業(yè)周報20220710：特斯拉bot再掀機器人熱潮，關(guān)注相關(guān)投資機會-2022/07/103.機械行業(yè)2022年中投資策略—抓住科技07/054.民生機械周報20220703：鈣鈦礦電池的潛力-2022/07/035.機械行業(yè)周報20220625：此時對風電板塊可以更樂觀-2022/06/25行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告2 32碳碳熱場是什么？ 42.1為什么是碳纖維？ 4.2什么是碳纖維？ 42.3如何制備碳碳熱場？ 53為什么碳碳熱場是個好賽道？ 73.1順應產(chǎn)業(yè)機遇，進口替代+升級換代，碳碳熱場滲透率快速提升 72生產(chǎn)耗材，同時受益于增量及存量市場 10，延展性更強 114風險提示 12插圖目錄 13表格目錄 13本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告31上周組合上周關(guān)注組合：恒潤股份、捷佳偉創(chuàng)、禾川科技、建設(shè)機械。截至2022年7月22日，周區(qū)間漲跌幅-0.41%，同期機械設(shè)備申萬指數(shù)漲跌幅-1.27%，同比跑贏設(shè)備指數(shù)。從2021年11月21日組合開始至今，累計收益率-20.19%，跑輸滬深300指數(shù)8.27pct，跑輸申萬機械指數(shù)8.47pct。行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告42碳碳熱場是什么？2.1為什么是碳纖維？通常，硅晶體、碳化硅晶體和藍寶石晶體等的生長都需要在高于1500℃的高溫和惰性氣體保護下進行。在如此的高溫條件下，一般金屬材料以及合金材料均會被熔化，而陶瓷材料由于難以加工成為大型零件及高生產(chǎn)成本，不具備量產(chǎn)應用的基礎(chǔ)。而碳纖維，由于其優(yōu)異的力學性能、耐高溫性能、容易成型等多項特點被用于高溫熱場保溫領(lǐng)域，尤其在晶體生長領(lǐng)域，扮演者至關(guān)重要的角色。碳碳熱場材料主要可以作為單晶拉制爐的坩堝、導流筒、保溫筒、加熱器等的原材料，在不同的部件，碳碳熱場扮演者至關(guān)重要的角色：1)碳碳復合材料為熱場大尺寸化提供了可能，大尺寸熱場部件產(chǎn)品對單晶硅棒的直徑大型化發(fā)展起到支撐作用；2)碳基復合材料熱場部件較大程度提高拉晶熱場系統(tǒng)安全性，提升拉晶速率，顯著降低單晶拉制爐的運行功率，對節(jié)能降耗起到較大促進作用。圖1：單晶拉制爐熱場系統(tǒng)的關(guān)鍵部件行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告5部件樣圖優(yōu)勢2流筒加熱器4部件樣圖優(yōu)勢2流筒加熱器4表1：金博股份碳基復合材料部件樣圖及對應優(yōu)勢名稱1承載石英坩堝，保持液面穩(wěn)定，具有安全、經(jīng)濟和可設(shè)計坩堝等特點，能最大限度提高裝料量溫度梯度，具有安全、節(jié)能和高效等特點，能提高單晶硅生長速率3保溫筒度提高使用壽命和節(jié)能3保溫筒5材材662.3如何制備碳碳熱場？先進碳基復合材料是指以碳纖維為增強體，以碳或碳化硅等為基體，以化學氣相沉積或液相浸漬等工藝形成的復合材料，主要包括碳/碳復合材料產(chǎn)品(碳纖維增強基體碳)、碳/陶復合材料產(chǎn)品(碳纖維增強碳化硅)等。目前，碳碳復合材料的制備方法因致密化工藝的不同可以分為化學氣相沉積法、液相浸漬法以及這兩種方法的綜合使用。簡單來說，同樣以碳纖維預制體為起點，化學氣相沉積利用甲烷、丙烯等碳氫化合物在高溫下熱解產(chǎn)生的碳沉積在碳纖維預制體孔隙內(nèi)，實現(xiàn)碳纖維預制體的致密化，從而得到碳碳復合材料；液相浸漬法是將碳纖維預制體浸入液態(tài)浸漬劑中，通過真空、加壓等措施使得浸漬劑滲入預制體的孔隙，再經(jīng)過固化、碳化、石墨化等一系列處理過程，最終得到碳碳復合材料。以金博股份為例，公司核心采用化學氣相成績法完成碳碳復合材料的致密化，具體采用的工作過程原理如下：步驟一：碳纖維經(jīng)過織布、成網(wǎng)、準三維成型、復合針刺等技術(shù)，形成碳纖維預制體(毛坯)；步驟二：甲烷經(jīng)過高溫裂解，分解出碳和氫；步驟三：碳沉積附著于預制體中的碳纖維上，形成碳/碳復合材料，該工藝過程需要重復多個沉積周期；步驟四：把經(jīng)過多次化學氣相沉積的碳/碳復合材料在2200度以上的高溫中鈍化和石墨化，使產(chǎn)品性能達到使用要求。行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告6圖2：碳碳熱場的制備工藝(氣相化學沉積法)當前，碳碳復合材料研究的焦點主要集中在低成本、抗氧化、以及性能和結(jié)構(gòu)的多樣化等方面，其中，又以高性能和低成本的碳碳復合材料制備技術(shù)為研究重點。以金博股份為代表所應用的化學氣相沉積法，是制備高性能碳碳復合材料的首選方案，但是由于技術(shù)工藝時間長等原因?qū)е律a(chǎn)成本相對較高。因此，為了實現(xiàn)高性能碳碳復合材料的產(chǎn)業(yè)化應用，研制低成本、高性能、大尺寸、復雜結(jié)構(gòu)的碳碳復合材料成為主要發(fā)展趨勢。行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告73為什么碳碳熱場是個好賽道？受益于光伏行業(yè)的高景氣度，碳碳熱場快速進入需求上行周期。碳碳熱場之所以成為光伏產(chǎn)業(yè)鏈核心關(guān)注的細分賽道，我們認為核心原因有三：1)短期看，碳碳復合材料順應產(chǎn)業(yè)發(fā)展機遇，一方面，降低國內(nèi)對于進口石墨材料的高度依賴，同時，也加快光伏產(chǎn)業(yè)鏈降本提效的節(jié)奏，提升光伏電池的相對競爭優(yōu)勢；2)中期看，碳碳熱場作為一項耗材，同時受益于硅片生產(chǎn)的增量以及存量市場；3)長期看，碳碳復合材料本身具備較強的技術(shù)延展性，隨著技術(shù)成熟度不斷提升，可應用在半導體熱場、碳碳&碳陶剎車片、氫能(制氫、儲氫以及氫燃料電池)等多項領(lǐng)域，延展空間大?？焖偬嵘龂鴥?nèi)光伏行業(yè)迅猛發(fā)展，核心圍繞著提高生產(chǎn)效率以及降低成本的方向，光伏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)中的各個企業(yè)不斷開展技術(shù)革新。其中，在單晶硅棒生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，技術(shù)革新的兩項重要內(nèi)容為降低耗材使用以及降低電耗。圍繞著單晶爐中的耐高溫熱場材料，根據(jù)所用原材料以及制備方式的不同，熱場可以分為等靜壓石墨材料以及碳碳熱場材料，對應原材料分別為石墨和碳纖維。3.1.1新材料研發(fā)降低對進口石墨材料的依賴碳碳復合材料最先開始被市場關(guān)注的核心原因在于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈希望通過新材料的研發(fā)以降低中國對于進口新材料的依賴。2005年之前，晶硅制造熱場系統(tǒng)的部件主要采用等靜壓石墨等石墨特種石墨為主，隨后國內(nèi)以西安超碼以及金博股份為代表的企業(yè)開始研發(fā)新材料以實現(xiàn)對等靜壓石墨產(chǎn)品的進口替代。2011年，受到日本福島大地震的影響，導致全球特種石墨供應進展，所以使得碳碳復合材料有了批量驗證及應用的機會窗口。2012-2015年，歐美針對中國的雙反政策迫使國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)鏈率先思變，加快嘗試新技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)成本的降低以及效率的提升，加快光伏產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，同時也加快了碳碳復合材料替代等靜壓石墨的3.1.2硅片大尺寸化+N型硅片滲透率提升，熱場控制及工藝設(shè)計上1)硅片大尺寸化核心目的是為了實現(xiàn)光伏電池單瓦成本的降低，2021年市行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告8場上硅片尺寸種類多樣，其中158.75mm和166mm尺寸占比合計達到50%，156.75mm尺寸占比下降為5%，未來占比將持續(xù)降低；166mm是現(xiàn)有電池產(chǎn)線可升級的最大尺寸方案，2021年182mm和210mm尺寸合計占比由2020年的4.5%迅速增長至45%，未來其占比仍將快速擴大。但是，在硅片大尺寸化的過程中，對于硅棒本身的生產(chǎn)要求以及單晶拉制爐的生產(chǎn)輔材等多方面均提出更高的要求。碳碳熱場率先完成對于等靜壓石墨的替換：在直拉單晶硅生產(chǎn)中，隨著單晶硅棒尺寸變大，熱場尺寸也隨之要求變大，由早期的18英寸(1英寸=0.025m)逐步拓展到24英寸，以及現(xiàn)在的36英寸熱場。對于石墨材料：從本身的生產(chǎn)成本看，大尺寸石墨均采用等靜壓成型，尺寸越大成本越高；倘若需要加工成配件，需要將等靜壓石墨先制備成實心棒料或塊料，再按圖紙尺寸加工成配件，在加工過程中材料浪費嚴重；但是對于碳碳復合材料而言，可以根據(jù)產(chǎn)品需要將碳纖維編織出任意尺寸和形狀的預制件，再通過一定的增密工藝(浸漬或氣相沉積)制造出對應的產(chǎn)品，因此尺寸越大單位生產(chǎn)成本就越低。因此在單晶爐尺寸不斷加大的背景下，碳碳熱場材料將具備更為顯著的競爭優(yōu)勢。此外，在同等使用條件下，碳碳復合材料的使用壽命比石墨材料延長1倍，因此也更大程度地提升了材料應用的性價比，光伏電池的非硅成本。在硅片技術(shù)變革的驅(qū)動下，碳碳熱場材料本身的控制及工藝要求對應提升：首先，大直徑單晶硅棒的拉制需要具備大尺寸的熱場以及更大規(guī)格的裝料系統(tǒng)，因此要求設(shè)備部件，包括坩堝、導流筒等的直徑增大，同時對于設(shè)備部件的安全要求縱向溫度梯度增加，這是單晶生長的驅(qū)動力，因此對于影響單晶生長速率的關(guān)鍵部分導流筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計和導熱系數(shù)提出更高的要求。導流筒、保溫筒產(chǎn)品的導熱系數(shù)最高水平為10W/(m·K)以下，主流水平為20-30W/(m·K)，其發(fā)展趨勢為導熱系數(shù)逐漸降低，以滿足制造熱場系統(tǒng)營造溫度梯度、節(jié)能降耗等要求。2)N型電池技術(shù)市場占比逐漸提升，熱場灰分要求對應提升。2021年，新建量產(chǎn)產(chǎn)線仍以PERC為主，PERC電池市占比進一步提升至91.2%。隨著國內(nèi)戶用項目的產(chǎn)品需求向高效產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，同時原本對常規(guī)多晶產(chǎn)品需求較高的海外市場也轉(zhuǎn)向高效產(chǎn)品，2021年BSF電池市占比下降至5%(同比下降3.8pct)。目前來看，N型電池(包含TOPCon以及HJT電池)相比較而言在成本和效率方面不具備明顯優(yōu)勢，2021年市占比僅為3%。但我們認為，隨著技術(shù)工藝的不斷成熟疊加產(chǎn)業(yè)配套的不斷完善，N型電池的單W成本將進入快速下行通道，預計2022年底，HJT電池單瓦成本或與PERC電池基本持平。對于熱場材料而言，N型電池技術(shù)滲透率的不斷提升，生產(chǎn)N型硅棒的單晶爐中所使用的熱場灰分要求更高，由此提升了N型單晶爐下熱場材料的生產(chǎn)技術(shù)難度。行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告9 圖3：硅片大尺寸化趨勢明顯圖4：N型電池技術(shù)市場占比逐漸提升除了受到外部產(chǎn)業(yè)趨勢的發(fā)展趨勢的推動影響外，從材料自身屬性看，碳碳熱場材料相比較石墨材料的確具備顯著的工藝優(yōu)勢。原有的單晶爐普遍采用等靜壓石墨材料制造耐高溫熱場，但石墨材料的使用壽命有限，并且受限于機械強度很難做薄或加工成異型結(jié)構(gòu)，新型的碳碳復合材料具有使用壽命長、穩(wěn)定性高、節(jié)能效果好、易于超薄加工及可加工成異型結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，并且隨著其生產(chǎn)規(guī)模的擴大，價格仍有下降的趨勢，可在單晶爐熱場中廣泛使用。具體從表1中可見，由于碳碳復合材料的強度遠大于石墨材料，因此穩(wěn)定性、耐沖擊性、抗震性以及綜合機械性能等均要好于石墨材料。較好的材料物理屬性，也使得碳碳復合材料能做得更薄，同時能加工成異型工件。表2：碳碳復合材料與石墨材料物理特性對比特性復合材料密度/(g·cm-3)孔孔隙度/%-15熱導率/W(m·K)-1130強度/Pa11-33.2-22彎強度/Mpa16-42基于產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢以及碳碳熱場材料性能優(yōu)勢，滲透率有望持續(xù)提升。根據(jù)下表，坩堝產(chǎn)品中碳碳熱場的滲透率從2010年的不到10%，迅速提升到2020年的95%以上，基本趨于飽和，導流筒以及保溫筒等的滲透率也均超過50%，但是在加熱器領(lǐng)域，滲透率僅不到5%，我們認為隨著碳碳熱場材料的改進以及生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，滲透率仍存在提升空間。行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告10表3：光伏晶硅生產(chǎn)熱場材料中等靜壓石墨和碳基復合材料產(chǎn)品占比22010201620192020碳基復合材料碳基復合材料等靜壓石墨0%5%5%0%堝碳基復合材料等靜壓石墨碳基復合材料等靜壓石墨碳基復合材料等靜壓石墨碳基復合材料等靜壓石墨碳基復合材料等靜壓石墨碳基復合材料等靜壓石墨0%0%5%5%5%0%0%0%導流筒<40%>55%保溫筒<45%<5%加熱器>95%>40%其他<60%單晶爐碳基復合材料部件主要包括坩堝、導流筒、保溫桶、加熱器等四大部70/25/35/48kg，因此年化單臺單晶爐消耗碳基復合材料重量約為0.32噸，根據(jù)單臺單晶爐的容量變化趨勢以及全球單晶爐產(chǎn)量需求，估算出2022-2025年全球單晶爐碳基復合材料需求為0.60/0.84/1.15/1.41萬噸，同比增速分別是58%/41%/37%/23%，而全球碳碳復合材料年需求2021年為1.31萬噸，意味著單晶爐熱場材料占比僅為29%，更大的市場在剎車盤、航天部件等市場，但單晶爐熱場材料的增速較快。表4：光伏熱場材料需求測算情況標位2019A2020A2021A2022E2023E2024E2025E全球光伏新增裝機yoy%容配比光伏硅片需求66晶硅片滲透率%晶硅片需求57產(chǎn)銷率%晶硅片產(chǎn)量81晶硅片新增產(chǎn)量碳基復合材料滲透率%晶爐單臺產(chǎn)能晶爐臺數(shù)臺,233臺單晶爐碳基復合材料年使用量晶爐碳基復合材料年需求噸1,0572,3023,7976,0038,43611,54214,147yoy%1%行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告11碳碳復合材料是由碳纖維及其織物增強碳基體所形成的高性能復合材料。該材料具有比重輕、熱膨脹系數(shù)低、耐高溫、耐腐蝕、摩擦系數(shù)穩(wěn)定、導熱導電性能好等優(yōu)良性能，是制造高溫熱場部件和摩擦部件的最佳候選材料，具有被廣泛應用于半導體、航空航天以及剎車制動等領(lǐng)域。我們將在后續(xù)的系列報告中，就碳基復合材料在新領(lǐng)域的應用展開更為全面的分析。圖5：碳基復合材料產(chǎn)業(yè)鏈情況行業(yè)定期報告/機械本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告124風險提示1)技術(shù)升級迭代風險。碳碳復合材料及產(chǎn)品主要應用于光伏行業(yè)的晶硅制造熱場系統(tǒng)，但是光伏產(chǎn)品的產(chǎn)品存在更新?lián)Q代或技術(shù)工藝升級優(yōu)化的可能。如果市場上出現(xiàn)成本、質(zhì)量等方面具備更加有優(yōu)勢的其他新型材料，可能會降低碳碳熱場應用的滲透率。2)下游需求不及預期。碳碳復合材料主要應用于光伏晶硅制造領(lǐng)域，受到光伏領(lǐng)域政策和景氣度影響較大，倘若光伏領(lǐng)域政策或者景氣度發(fā)生不利變化，可能會影響碳碳復合材料的整體需求。3)測算誤差。在碳碳熱場市場需求測算表格中，我們就相關(guān)參數(shù)建立假設(shè)，倘若實際與假設(shè)條件存在偏差，則會產(chǎn)生測算誤差的風險。本公司具備證券投資咨詢業(yè)務(wù)資格，請務(wù)必閱讀最后一頁免責聲明證券研究報告13插圖目錄圖1：單晶拉制爐熱場系統(tǒng)的關(guān)鍵部件 4圖2：碳碳熱場的制備工藝(氣相化學沉積法) 6 N型電池技術(shù)市場占比逐漸提升 9 表格目錄表1：金博股份碳基復合材料部件樣圖及對應優(yōu)勢 5表2：碳碳復合材料與石墨材料物理特性對比 9表3：光伏晶硅生產(chǎn)熱場材料中等靜壓石墨和碳基復合材料產(chǎn)品占比 10 行業(yè)定期報告/機械本公司具備證