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碳碳热场:替代传统石墨热场—技术延展性强打造多个增长极

发布时间:2022-07-06 09:43:34 来源:华体会怎么下载 来源:华体会怎么下载app

  碳碳热场是一种硅片拉棒耗材,其周围温度在1600℃以上,在使用一段时间后就需要更换,行业趋势是逐步替代传统石墨热场。碳碳热场行业短期通过替代石墨实现50%+的增速,中期依托耗材的持续性达到35%的复合增速,长期向外延展性强(制动材料等市场空间超千亿)。

  热场是用在硅片拉晶过程中的耗材,主要包括位于单晶炉内的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等部件。其中坩埚的作用是承载内层的石英坩埚;导流筒的作用是阻止外部热量传导至内部,使硅棒生长的速率提升;保温筒的作用是阻止内部热量向外传导,构建热场空间;加热器的作用是提供硅料熔化的热源。

  为熔化硅料,需要周围温度达到1600℃以上,因此要求热场材料要有较好的耐热性能。同时,由于温度较高,各材料的寿命均有限,使热场产品需要定期更换。

  根据所用原材料及制备方法不同,热场可分为等静压石墨与碳碳热场两种,原材料分别是石墨、碳纤维。

  行业短期高增长:碳基复材替代石墨,渗透率从2010年的10%-提升至2020年的50%+

  2016年以前,等静压石墨产品是热场系统的主流配置,随着金博、超码等企业突破碳基复材的低成本生产技术,碳基复材已开始替代等静压石墨产品,其在光伏热场中渗透率从2010年的不足10%提升至2020年的50%以上,并且未来几年将加速完成替代(包括新增硅片产能里碳碳渗透率提高、存量硅片产能中把石墨热场改造成碳碳热场),主要原因是:碳基复材热场性能好、硅片大尺寸化使碳碳热场相对石墨热场的经济性提升。

  (1)碳基复材抗折强度可达150MPa以上,远大于石墨的38-60MPa。随着拉棒单炉投料量从2016年的300kg提升至2020年的1900kg,坩埚的尺寸也从2011年前后的16-20英寸提高到现在的32-36英寸,坩埚的承载强度要求更高,碳基复材更能胜任。

  (2)碳基复材导热系数低至30W/(m·K)以下,大幅低于石墨的80-140W/(m·K)。这一特性使碳基复材导流筒更能加速硅棒生长,保温筒能降低热量损失,进而降低单晶炉运行功率,节省电费。

  高增原因2:大尺寸趋势下碳碳热场成本增加远小于石墨,碳碳热场相对经济性提升

  碳基复合材料是指以碳纤维为增强体,以C或SiC为基体而制成的复合材料,生产流程是:先将碳纤维丝编织成三维的碳纤维预制体,然后通过化学气相沉积技术将碳原子沉积到预制体上,最后进行机加工。

  等静压石墨的生产流程是从石墨的破碎、磨粉开始,然后利用等静压装置做成石墨圆柱,经过石墨化后进行机加工,从整块石墨中挖出坩埚及各种管道设备,挖去的部分都是损耗。

  因此,在制备大尺寸热场时,石墨材料损耗会按直径平方增加,而碳基复材成本仅线性增加,成本增幅远小于石墨,相对经济性提升。

  高增原因3:高纯等静压石墨依赖进口,而碳基复材国产,更能满足国内N型硅片生产需求

  光伏行业发展早期,国内硅片企业主要采用进口的高纯、高强等静压石墨,生产企业主要是德国西格里、日本东洋炭素等,海外企业虽技术实力强,但光伏热场并非其主业,供货周期长,生产成本高,制约了光伏行业的降本、扩规模进程。

  2011年的福岛地震为碳基复材提供了应用机会,2012年的欧美双反又促使国内企业降本,开始采用大投料量等工艺,进一步拉动了对碳碳热场的需求,2016年后,随着金博、超码等企业解决了碳基复材的低成本规模化生产问题,硅片企业逐步转向使用国内企业供应的碳基复材热场。

  而随着N型电池的发展,N型硅片的需求将增长,关键耗材依赖进口的问题将制约行业发展,因此后续国产碳碳热场将进一步替代进口的等静压石墨产品,碳碳热场渗透率将继续提升。

  行业中期持续性:光伏装机↑——硅片生产↑——热场需求↑,预计5年CAGR=24%

  作为耗材,随着光伏新增装机增长,下游企业对热场产品的需求也将持续增长。从2013年以来的数据看,随容配比提升,全球光伏装机从41GW提升至2020年的130GW,而硅片产量则从39GW提升至168GW。

  假设后续容配比保持不变,2025年装机增至380GW,则对硅片的需求也将增长至428GW,5年CAGR=24%。

  行业空间测算:预计2020、2025年市场规模分别16、71亿元,5年CAGR=35%,超行业增速

  (1)单GW所需单晶炉从2019年的约90台,逐年下降5%,至2025年约66台。

  (2)每年耗量:加热器、坩埚2件/年;保温筒2件/年(每套系统需要上、中、下三个保温筒);导流筒0.67件/年。

  (3)渗透率:根据金博股份给出的2019与2020年各产品的测算渗透率,结合对未来各产品需求的判断,预计碳基复合材料坩埚在新增产能中的渗透率将于2021年达到100%,导流筒在新增产能中的渗透率将逐年提升至2025年的91%, 保温筒在新增产能中的渗透率提升至2025年的86%,加热器尚需技术突破,预计2025年碳基复合材料加热器在新增产能中的渗透率在10%。

  根据上述测算假设与逻辑,2020年热场行业市场规模仅16亿元左右,预计2021、2022、2025年分别将达26、39、71亿元,2020-2025年CAGR可达35%,超出光伏行业24%的增速。

  行业长期延展性1:随单炉投料量增加,半导体热场将从传统石墨切换到碳基复材热场

  碳基复合材料应用领域广阔,除光伏热场外,还可应用于半导体热场、刹车制动、密封耐磨、耐腐蚀等领域应用。

  半导体热场:随下游降本需求,半导体硅片的主流尺寸从1975年前后的4英寸增大到目前的12英寸。目前全球约70%的半导体硅片产能可生产12英寸硅片,大尺寸硅片生产需要更大投料量的单晶炉,随着单炉投料量从120kg增加到650kg以上,传统的石墨热场的承重能力不足,后续将切换到抗折强度高的碳基复合材料热场。

  行业长期延展性1:预计2025年半导体热场行业市场空间可达20亿+,其中国内市场近10亿元

  与光伏热场类似,半导体热场也是与单晶炉数量相关,为测算半导体热场空间,我们假设:

  量:未来5年半导体出货量年增速5%,从2019年的1.34亿片/年增长至2025年的1.8亿片/年;每台单晶炉月产能保持在12万片/年,产能利用率60%,则每台单晶炉每年可生产7.2万片,要达到2020、2025年全球半导体硅片出货量所需要的单晶炉数量分别为1960台/2500台,其中25年国内企业产能对应单晶炉为1035台;

  市场空间:2020年半导体单晶炉热场行业市场规模在17.6亿元左右,预计2025年将达22.5亿元,其中国内市场规模将达9.3亿元。

  行业长期延展性2:碳碳/碳陶复材摩擦系数大,相较粉末冶金材料更适用于刹车制动领域

  从材料本身属性看,碳碳复合材料的突出特点是耐高温、导热系数低、高温下摩擦系数稳定,碳陶复合材料的突出特点是耐高温、抗氧化、湿态摩擦系数稳定,二者均适合在摩擦制动领域中使用。1990年代后,碳碳复材首先进入了民用领域,主要用在高温结构部件、摩擦部件和热场部件,近年碳陶的使用量也在增加,主要用于刹车片和热防护系统。

  铸铁、粉末冶金材料是当前应用于汽车、高铁等交通工具的主要制动材料,与铸铁相比,碳碳与碳陶复合材料的摩擦系数是其3倍左右,密度是其1/4,磨损率仅为其1%,且在高温下性能不会衰减,因此在刹车制动领域的性能更优。

  行业长期延展性2:碳基复材将首先切入OEM市场,2025年总市场空间在2500亿元+

  汽车刹车盘&刹车片市场可分为相对高端的OEM市场和价格敏感的AM市场,在OEM市场上,企业为整车厂的制动系统总成商供货,生产的产品规格、型号由客户指定,客户对产品、交货期要求高,而对价格敏感度低;在AM市场上,企业与经销商合作,按经销商需求进行排产,这一市场对价格敏感度较高。

  碳基复材虽产品性能优异,但成本高,未来将先进入高端OEM市场。目前碳碳刹车片样品价格在6000元/套,普通刹车片价格在200元/套,因此未来碳基复材将先进入OEM市场,主要竞争对手是美国辉门、日本日清纺、美国天合、德国泰明顿等海外企业。

  对刹车盘&刹车片的市场空间进行测算:假设2025年全球汽车产量达10000万辆,其中新能源汽车2000万辆,参考博世低金属刹车片和泰明顿高碳刹车盘的产品价格,每辆车上分别需要800、2000元左右,则预计2025年刹车盘&刹车片的OEM市场空间可达2500亿以上。

  由于新能源汽车的重量约为传统燃油车的2倍,对刹车性能的要求更高,因此预计碳基复材产品在新能源汽车上将有更高的渗透率。

  假设2025年碳基复材刹车件在传统车、新能源车上的渗透率分别在1%、5%,则其市场空间将分别在22、28亿元,合计50亿元。

  原因2:制造费用占比50%+,主要靠缩短致密周期降本;直接材料占比35%,主要靠自制预制体降本,但自制技术壁垒高

  原因1:碳碳热场在硅片非硅成本中占近20%,且产品差异不大,成本是主要竞争要素

  由于碳碳热场在硅片非硅成本中占比较高,达18%,且各企业产品差异不大,因此这一行业的主要竞争要素为成本。

  据2020年数据测算,M6硅片价格在2.6元/片,毛利率30%左右,按6.1W/片折算,对应硅片生产成本在0.26元/W。而每台单晶炉每年对应的碳碳热场需求为30万元,假设每GW硅片需要80台单晶炉,则单W硅片的热场成本在0.024元,在硅片生产成本中占9%,在非硅成本中占比18%,相对较高。

  而不同企业所生产的碳碳热场差异不大,如金博与中天火箭的产品抗折强度均在150MPa以上,灰分均在200ppm以下。

  从碳碳热场的成本构成来看,制造费用占比高达54%,主要包括反应辅材、电力、折旧等。2019年龙头公司金博制造费用仅179元/kg,远低于同业的337元/kg,差异明显。

  在制造费用中,折旧是最大的部分,占比约60%,龙头公司与其他公司的主要差异来自折旧,降低折旧的方式是提高单位时间设备产出、自主研发与生产设备,而这些主要依托各公司的技术研发实力。

  电力在制造费用中占比16%(不同工艺有所差别),主要降低方式是在低电价地区建厂。

  技术1:定制预制体、调节温度与气流、降杂与添加催化剂,可将致密周期缩短50%+

  首先,通过调整预制体各位置的密度与孔隙大小,可使不同的热场部件具有不同的强度、导热系数,缩短沉积周期;

  其次,通过调节温度与气流,使天然气的扩散运动匹配其热解反应的速度,从而在特定位置按照从内层孔隙到外层孔隙的顺序实现沉积,减少闭孔现象;

  最后,通过降低杂质气体密度(抽真空、单一碳源等)、添加催化剂加速天然气热解反应。

  技术2:自研沉积设备&自制高温炉,叠加快速沉积技术,可提升毛利率16pct

  自主研发、生产设备方面,由于碳基复材的生产技术含量较高,没有现成的设备可用,也很难从国外引进,大部分是企业根据自身的生产需求设计,多数生产企业使用的设备是高耗能、低产出的设备,而技术、研发实力强的金博自研了沉积设备,并自制了真空度良好的高温炉,不仅降低了设备初始投资,还提高了沉积、高温处理效率。

  正是得益于自研沉积设备并自制高温炉,以及前述快速沉积技术,使金博的折旧与其他成本仅64元/kg,相较同业的215元/kg优势明显,可提升毛利率16pct。

  原因2:直接材料占比35%,自制可带来9pct+的毛利率提升,但制备预制体技术壁垒高

  在材料成本中,碳纤维预制体是最大的部分,占比达80%+,据中天火箭招股书,其外购预制体的价格为351元/kg,而金博自制成本是191元/kg,按每kg碳碳材料消耗0.51kg预制体来计算,自制预制体可降低成本约82元/kg,对应毛利率提升约9pct。

  预制体的制备技术壁垒较高,且主要用在航空航天领域,国外对这一技术进行封锁,目前国内具有预制体制备技术的除科研院所、航空航天单位外,主要有金博股份、江苏天鸟与龙头。

  当前碳碳热场厂商扩产较多,预计23年前后将产能过剩,但具有成本优势的龙头可在价格战时保持高盈利,价格战后市占率迅速提升。

  金博是行业龙头,客户至少涵盖了行业前六家硅片厂,2018年坩埚市占率达33%,2020年热场销量达448吨。得益于碳纤维预制体自制+定向气流快速化学气相沉积技术+沉积与高温炉自制三大优势,金博的毛利率保持在60%+的高位,遥遥领先于同业的30%左右。

  中天火箭子公司西安超码,客户至少涵盖了行业前四家硅片厂,原来主要面向航天场景,产品强度、密度要求较高,因此用同种技术制备光伏产品时,产品密度高于同业,但生产成本更高,2020年公司热场销量265吨,测算市占率约17%。

  隆基2019年突破了碳纤维预制体自制技术,但目前制备成本仍较高,主要为保障内部供应稳定,规划年产能为20GW(约占其总产能的20%)。

  复盘同为硅片耗材的金刚线盈利、格局变化趋势,可对后续热场行业格局变化提供参考。

  2017-2018年上半年,金刚线渗透率快速提升,对金刚线的需求也大幅增加,多个企业大幅扩张产能,如美畅、高测产能分别从2016年的130、11km大幅扩张至2018年的2136、280km,行业毛利率均处在40%+的高位,美畅则在70%。

  但是“531”后国内需求受到较大影响,供需关系反转,金刚线元/km,部分企业毛利率下探至个位数,并开始退出这一行业,而具有成本优势的美畅、高测等企业的市占率则快速从21%提升至49%。

  未来:随行业产能过剩,热场价格将下行,但头部企业仍可保持高盈利且市占率提升

  与金刚线年格局类似,当前碳碳热场处于供不应求状态,行业盈利均较高,但2021年1-7月仅金博、超码两家产能增幅就达到88%,分别从50、35台沉积炉增长至60、100台沉积炉,再加上各类中小企业以及正进入热场行业的原军工企业,预计行业总产能将在2023年前后出现过剩并引发价格战。

  但由于热场行业不同企业的毛利率差距较大,龙头金博毛利率常年保持60%+,而中天火箭仅30%左右,因此即使价格快速下行,预计龙头依旧可保持较高盈利水平,价格战后成本较高的公司将逐步出局,此后行业格局将快速集中到龙头。

  目前公司高管大多具有专业技术背景,重视技术研发,研发费用率常年在10%左右,持续高于可比公司,2020年公司研发投入0.35亿元,同增20%,研发人员薪酬较同业高出50%,且2020年上市后2次对核心技术人员进行股权激励,并设有员工持股平台,保障了技术人员的稳定性,进而得以持续积累工艺优势。

  受益于前述预制体自制技术、快速化学气相沉积技术以及自制或自研设备,公司2020年毛利率相较同业高出31pct,除前述预制体自制带来的9pct、快速沉积&自制设备带来的16pct外,公司采用单一天然气沉积路线,中天火箭采用传统丙烯+氮气再浸渍、固化、炭化的路线,沉积路线pct的差距。

  其他盈利指标方面,公司ROE也逐年提升至近30%(2020年下降主要是上市融资后资产规模大增导致周转率下降所致)。

  公司创立之初,主要专利方向在预制体的制作工艺与设备,如针刺机的自动送料装置,随着预制体制备技术的成熟,逐步转向下游热场应用,并在逐步改进之后降低成本,打开了光伏用碳碳热场这一市场,并逐步替代传统等静压石墨热场。

  同时,公司先是开发了适用于半导体应用场景的热场,主要是增加了碳化硅层的碳碳热场,目前已成为神工半导体、有研半导体的供应商,再通过改进碳陶预制体的制备方法,做出了适用于汽车刹车用的碳陶刹车盘产品,后续有望从高端整车厂开始突破,逐步扩大市场份额。两块市场目前主流产品均不是碳基复材,但经过技术改进降本后,有望成为公司新的增长极。

  公司是高铁粉末冶金闸片龙头供应商,近年粉末冶金闸片在收入中占比均在95%+,毛利率70%+,净利率40%+,均领先同业。

  目前公司持有CRCC(中铁检验认证中心有限公司)证书10个,覆盖33款高铁车型,在取得证书的所有企业中位居第一。

  2017年,公司开始向碳碳、碳陶产品方向拓展,并逐步建成了中试线年成立天力九陶、天力新陶,专门负责在航空航天、轨道交通、汽车及光伏等领域碳碳、碳陶产品的研发、生产与销售。

  公司创始人吴佩芳从事材料行业工作40年,积累了丰富的研究与产业经验;碳基复材技术带头人周绍建,为中国航天科技集团材料专家组成员,从事碳基复材研究与生产管理26年,与航天研究所、超码、中南大学等机构进行多次合作。

  公司碳基复材研发团队有16人(硕士以上12人),成员来自西北工大、北航、哈工大、北科等材料名校。

  凭借在摩擦制动领域的积淀,公司自2018年以来已申请了5项碳陶材料的发明专利,并且碳陶刹车盘已与顶尖车企合作,首款产品性能验证结果优良,预计年内完成实车考核;而在光伏热场领域,公司在四川江油建设的100吨热场产能已于8月初投产,后续或将继续扩产。

  看好碳碳热场行业,一方面碳碳热场对等静压石墨热场会加速替代,行业本身相较光伏具有更高增速,另一方面龙头公司技术领先,阿尔法属性明显,且工艺的可迁移性好,后续可向半导体、汽车刹车件、耐腐蚀等领域拓展,这方面有两个头部企业:碳碳热场行业龙头金博股份、轨交制动龙头天宜上佳。



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