机械行业周报：乘风破浪的碳碳热场（一）

本周关注：郑煤机、景业智能、东威科技、伊之密 本周核心观点：当前新能源、汽车行业景气度较高，带动设备需求旺盛。 疫情期间压制的扩产需求有望批量释放，设备厂商有望收获批量订单。技术变革进行时，新技术、新工艺带来的设备需求不容忽视。 “乘”光伏行业高景气之风，“破”技术攻关之难，碳碳热场材料未来可期。碳碳热场作为光伏单晶炉生产中所必需的耗材，同时享受光伏市场增量以及存量红利，本篇报告将重点解析碳碳热场替代等静压石墨的产业趋势、量化分析目前国内市场的供需关系。由于各家供应商所生产的碳碳热场产品差异不大，核心竞争要素为生产以及制造成本，我们将在未来的专题报告中，深度解析不同供应商之间盈利差异性；同时，也将深度剖析碳碳材料在新技术领域的延展性应用，关注行业未来发展趋势。 低成本+高性能的高性能碳碳复合材料成为主要发展趋势。通常，由于硅晶体、碳化硅晶体等的生长需要在高于1500℃的高温条件下进行，碳纤维由于其优异的力学性能、耐高温属性、容易成型等多项特点被广泛应用于高温热场保温领域，且扮演着至关重要的角色。碳碳复合材料制备因致密化工艺不同可以分为化学气相沉积、液相浸渍法以及两种方法的综合使用。其中，化学气相成绩是制备高性能碳碳复合材料的首选方案，但由于技术工艺时间较长导致制造成本相对较高。目前，为实现高性能碳/碳复合材料的产业化应用，低成本、高性能成为主要发展趋势。 三大成长动能接力，碳碳热场进入需求上行周期。 短期看，为降低国内对于进口石墨材料的高度依赖，叠加光伏产业链降本提效的需求，碳碳热场材料渗透率短期内快速提升。截至2020年，坩埚产品渗透率最高，达到95%以上，导流筒以及保温筒产品的渗透率突破50%，比2010年均有较大幅度的增长。 中期看，碳碳热场作为一项耗材，同时受益于硅片行生产的增量以及存量市场。根据我们的测算，2022-2025年全球单晶炉碳基复合材料需求为0.60/0.84/1.15/1.41万吨，同比增速分别是58%/41%/37%/23%，继续保持高增长。 长期看，碳碳材料性能优，延展性更强。碳碳材料具有比重轻、热膨胀系数低、耐高温、耐腐蚀、摩擦系数稳定、导热导电性能好等优良性能，具备应用在半导体热场、航空航天以及刹车制动等领域的较大潜力，需求边界或再度衍生。 投资建议：建议关注天宜上佳、金博股份及中天火箭（西安超码母公司）。 风险提示：技术升级迭代风险，下游需求不及预期，测算误差等。 1上周组合 上周关注组合：恒润股份、捷佳伟创、禾川科技、建设机械。截至2022年7月22日，周区间涨跌幅-0.41%，同期机械设备申万指数涨跌幅-1.27%，同比跑赢设备指数。从2021年11月21日组合开始至今，累计收益率-20.19%，跑输沪深300指数8.27pct，跑输申万机械指数8.47pct。 2碳碳热场是什么？ 2.1为什么是碳纤维？ 通常，硅晶体、碳化硅晶体和蓝宝石晶体等的生长都需要在高于1500℃的高温和惰性气体保护下进行。在如此的高温条件下，一般金属材料以及合金材料均会被熔化，而陶瓷材料由于难以加工成为大型零件及高生产成本，不具备量产应用的基础。而碳纤维，由于其优异的力学性能、耐高温性能、容易成型等多项特点被用于高温热场保温领域，尤其在晶体生长领域，扮演者至关重要的角色。 2.2什么是碳纤维？ 碳碳热场材料主要可以作为单晶拉制炉的坩埚、导流筒、保温筒、加热器等的原材料，在不同的部件，碳碳热场扮演者至关重要的角色：1）碳碳复合材料为热场大尺寸化提供了可能，大尺寸热场部件产品对单晶硅棒的直径大型化发展起到支撑作用；2）碳基复合材料热场部件较大程度提高拉晶热场系统安全性，提升拉晶速率，显著降低单晶拉制炉的运行功率，对节能降耗起到较大促进作用。 图1：单晶拉制炉热场系统的关键部件 表1：金博股份碳基复合材料部件样图及对应优势 2.3如何制备碳碳热场？ 先进碳基复合材料是指以碳纤维为增强体，以碳或碳化硅等为基体，以化学气相沉积或液相浸渍等工艺形成的复合材料，主要包括碳/碳复合材料产品（碳纤维增强基体碳）、碳/陶复合材料产品（碳纤维增强碳化硅）等。目前，碳碳复合材料的制备方法因致密化工艺的不同可以分为化学气相沉积法、液相浸渍法以及这两种方法的综合使用。简单来说，同样以碳纤维预制体为起点，化学气相沉积利用甲烷、丙烯等碳氢化合物在高温下热解产生的碳沉积在碳纤维预制体孔隙内，实现碳纤维预制体的致密化，从而得到碳碳复合材料；液相浸渍法是将碳纤维预制体浸入液态浸渍剂中，通过真空、加压等措施使得浸渍剂渗入预制体的孔隙，再经过固化、碳化、石墨化等一系列处理过程，最终得到碳碳复合材料。以金博股份为例，公司核心采用化学气相成绩法完成碳碳复合材料的致密化，具体采用的工作过程原理如下： 步骤一：碳纤维经过织布、成网、准三维成型、复合针刺等技术，形成碳纤维预制体（毛坯）；步骤二：甲烷经过高温裂解，分解出碳和氢；步骤三：碳沉积附着于预制体中的碳纤维上，形成碳/碳复合材料，该工艺过程需要重复多个沉积周期；步骤四：把经过多次化学气相沉积的碳/碳复合材料在2200度以上的高温中钝化和石墨化，使产品性能达到使用要求。 图2：碳碳热场的制备工艺（气相化学沉积法） 当前，碳碳复合材料研究的焦点主要集中在低成本、抗氧化、以及性能和结构的多样化等方面，其中，又以高性能和低成本的碳碳复合材料制备技术为研究重点。以金博股份为代表所应用的化学气相沉积法，是制备高性能碳碳复合材料的首选方案，但是由于技术工艺时间长等原因导致生产成本相对较高。因此，为了实现高性能碳碳复合材料的产业化应用，研制低成本、高性能、大尺寸、复杂结构的碳碳复合材料成为主要发展趋势。 3为什么碳碳热场是个好赛道？ 受益于光伏行业的高景气度，碳碳热场快速进入需求上行周期。碳碳热场之所以成为光伏产业链核心关注的细分赛道，我们认为核心原因有三：1）短期看，碳碳复合材料顺应产业发展机遇，一方面，降低国内对于进口石墨材料的高度依赖，同时，也加快光伏产业链降本提效的节奏，提升光伏电池的相对竞争优势； 2）中期看，碳碳热场作为一项耗材，同时受益于硅片生产的增量以及存量市场； 3）长期看，碳碳复合材料本身具备较强的技术延展性，随着技术成熟度不断提升，可应用在半导体热场、碳碳&碳陶刹车片、氢能（制氢、储氢以及氢燃料电池）等多项领域，延展空间大。 3.1顺应产业机遇，进口替代+升级换代，碳碳热场渗透率快速提升 国内光伏行业迅猛发展，核心围绕着提高生产效率以及降低成本的方向，光伏产业链环节中的各个企业不断开展技术革新。其中，在单晶硅棒生产环节中，技术革新的两项重要内容为降低耗材使用以及降低电耗。围绕着单晶炉中的耐高温热场材料，根据所用原材料以及制备方式的不同，热场可以分为等静压石墨材料以及碳碳热场材料，对应原材料分别为石墨和碳纤维。 3.1.1新材料研发降低对进口石墨材料的依赖 碳碳复合材料最先开始被市场关注的核心原因在于国内产业链希望通过新材料的研发以降低中国对于进口新材料的依赖。2005年之前，晶硅制造热场系统的部件主要采用等静压石墨等石墨特种石墨为主，随后国内以西安超码以及金博股份为代表的企业开始研发新材料以实现对等静压石墨产品的进口替代。2011年，受到日本福岛大地震的影响，导致全球特种石墨供应进展，所以使得碳碳复合材料有了批量验证及应用的机会窗口。2012-2015年，欧美针对中国的双反政策迫使国内光伏产业链率先思变，加快尝试新技术实现生产成本的降低以及效率的提升，加快光伏产业链的发展，同时也加快了碳碳复合材料替代等静压石墨的节奏。 3.1.2硅片大尺寸化+N型硅片渗透率提升，热场控制及工艺设计迎难而上 1）硅片大尺寸化核心目的是为了实现光伏电池单瓦成本的降低，2021年市场上硅片尺寸种类多样，其中158.75mm和166mm尺寸占比合计达到50%，156.75mm尺寸占比下降为5%，未来占比将持续降低；166mm是现有电池产线可升级的最大尺寸方案，2021年182mm和210mm尺寸合计占比由2020年的4.5%迅速增长至45%，未来其占比仍将快速扩大。但是，在硅片大尺寸化的过程中，对于硅棒本身的生产要求以及单晶拉制炉的生产辅材等多方面均提出更高的要求。 碳碳热场率先完成对于等静压石墨的替换：在直拉单晶硅生产中，随着单晶硅棒尺寸变大，热场尺寸也随之要求变大，由早期的18英寸（1英寸= 0.025m ）逐步拓展到24英寸，以及现在的36英寸热场。对于石墨材料：从本身的生产成本看，大尺寸石墨均采用等静压成型，尺寸越大成本越高；倘若需要加工成配件，需要将等静压石墨先制备成实心棒料或块料，再按图纸尺寸加工成配件，在加工过程中材料浪费严重；但是对于碳碳复合材料而言，可以根据产品需要将碳纤维编织出任意尺寸和形状的预制件，再通过一定的增密工艺（浸渍或气相沉积）制造出对应的产品，因此尺寸越大单位生产成本就越低。因此在单晶炉尺寸不断加大的背景下，碳碳热场材料将具备更为显著的竞争优势。此外，在同等使用条件下，碳碳复合材料的使用寿命比石墨材料延长1倍，因此也更大程度地提升了材料应用的性价比，光伏电池的非硅成本。 在硅片技术变革的驱动下，碳碳热场材料本身的控制及工艺要求对应提升：首先，大直径单晶硅棒的拉制需要具备大尺寸的热场以及更大规格的装料系统，因此要求设备部件，包括坩埚、导流筒等的直径增大，同时对于设备部件的安全性也需要对应提高；其次，单晶硅棒的拉制，要求纵向温度梯度增加，这是单晶生长的驱动力，因此对于影响单晶生长速率的关键部分导流筒的结构设计和导热系数提出更高的要求。导流筒、保温筒产品的导热系数最高水平为10W/(m·K)以下，主流水平为20-30W/(m·K)，其发展趋势为导热系数逐渐降低，以满足制造热场系统营造温度梯度、节能降耗等要求。 2）N型电池技术市场占比逐渐提升，热场灰分要求对应提升。2021年，新建量产产线仍以PERC为主，PERC电池市占比进一步提升至91.2%。随着国内户用项目的产品需求向高效产品转移，同时原本对常规多晶产品需求较高的海外市场也转向高效产品，2021年BSF电池市占比下降至5%（同比下降3.8pct）。 目前来看，N型电池（包含TOPCon以及HJT电池）相比较而言在成本和效率方面不具备明显优势，2021年市占比仅为3%。但我们认为，随着技术工艺的不断成熟叠加产业配套的不断完善，N型电池的单W成本将进入快速下行通道，预计2022年底，HJT电池单瓦成本或与PERC电池基本持平。对于热场材料而言，N型电池技术渗透率的不断提升，生产N型硅棒的单晶炉中所使用的热场灰分要求更高，由此提升了N型单晶炉下热场材料的生产技术难度。 图3：硅片大尺寸化趋势明显 图4：N型电池技术市场占比逐渐提升 除了受到外部产业趋势的发展趋势的推动影响外，从材料自身属性看，碳碳热场材料相比较石墨材料的确具备显著的工艺优势。原有的单晶炉普遍采用等静压石墨材料制造耐高温热场，但石墨材料的使用寿命有限，并且受限于机械强度很难做薄或加工成异型结构，新型的碳碳复合材料具有使用寿命长、稳定性高、节能效果好、易于超薄加工及可加工成异型结构等优势，并且随着其生产规模的扩大，价格仍有下降的趋势，可在单晶炉热场中广泛使用。 具体从表1中可见，由于碳碳复合材料的强度远大于石墨材料，因此稳定性、耐冲击性、抗震性以及综合机械性能等均要好于石墨材料。较好的材料物理属性，也使得碳碳复合材料能做得更薄，同时能加工成异型工件。 表2：碳碳复合材料与石墨材料物理特性对比 基于产业发展趋势以及碳碳热场材料性能优势，渗透率有望持续提升。根据下表，坩埚产品中碳碳热场的渗透率从2010年的不到10%，迅速提升到2020年的95%以上，基本趋于饱和，导流筒以及保温筒等的渗透率也均超过50%，但是在加热器领域，渗透率仅不到5%，我们认为随着碳碳热场材料的改进以及生产工艺的优化，渗透率仍存在提升空间。 表3：光伏晶硅生产热场材料中等静压石墨和碳基复合材料产品占比 3.2生