交通运输行业eVTOL材料篇：低空+航天双重驱动，碳纤维复材顺势“起飞”

低空+航天双重驱动，碳纤维复材顺势“起飞” 行业评级：增持 目录 一、碳纤维复合材料：eVTOL中的筋与骨 二、政策支持：碳纤材料与低空飞行，我国新质生产力典型代表 三、产业链与工艺流程：黑色黄金里的精益求精 四、量增价减结构分化，主要厂商积极布局高端产线 五、空天产业爆发，碳纤维顺势起飞 六、相关上市公司 风险提示：市场竞争与产能过剩风险，技术壁垒与研发投入风险，原材料价格波动风险，下游新兴应用市场商业化不及预期 一、碳纤维复合材料：eVTOL中的筋与骨 1.1 eVTOL对于使用材料要求严格 1.2复合材料在eVTOL中得到大量应用 •为满足飞行器对轻量化等一系列需求，eVTOL机身及结构件主要采用复合材料，尤其在推进系统及内饰和结构中使用；其中，大多eVTOL厂商采用碳纤维复合材料作为主要材料作用于机体结构（占比超90%）；另外采用玻璃纤维复合材料作用于保护膜（占比近10%）。 •据Stratview研究报告显示，在飞行汽车项目中，复合材料的使用主要集中在结构部件和推进系统，占比约75%-80%，其次是内部应用，如横梁和座椅结构，占12%-14%，而电池系统、航空电子设备等占剩余的8-12%。 •而根据Lilium披露，在eVTOL的成本组成中推进系统+结构和内饰在整体BOM中占比约65%，也是复合材料大量应用的地方，因此复材在eVTOL整体中的价值量较高。据我们推算，复合材料的整体成本（原料成本+加工/辅材/检测成本）占比在20%-30%，主要为碳纤维复合材料。 1.3碳纤维复合材料——eVTOL的理想材料 碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)：通常指以碳纤维作为增强体,以聚合物树脂作为基体，通过固化等工艺形成的纤维增强复合材料。它的强度主要来自碳纤维，而“韧性、成型、环境适应性”等更多由树脂体系与界面设计决定。 •碳纤维复合材料高度适配eVTOL：碳纤维复合材料可较好满足eVTOL对于轻量化、高强度与高可靠性、耐环境与耐服役性能以及结构设计性与制造产业化的要求，其具备“轻量、两高、两耐”的优良特性，可作为eVTOL机身结构的理想材料，被称为“黑色黄金”，材料使用价值较⾼。 •例如，小鹏旅行者X2全机身采用兼顾安全性与轻量化的碳纤维材料打造，从而提升了结构刚度与轻量化水平；峰飞航空V2000CG也采用了高强度碳纤维复材核心技术，实现大型机身轻量化。另外，无人机的机身和桨叶中也经常使用碳纤维材料。 1.4“轻量、两高、两耐”，碳纤复材诸多性能优势突出 相对其他常见材料而言，碳纤维材料具备轻量化、高强度、高模量的核心优势： 1.轻量化：在复合材料形态下，常见密度可在1.6 g/cm³量级，因树脂与孔隙率/纤维体积分数而变化；轻量化可使eVTOL在同等能量约束下实现更高有效载荷或更长续航。 2.高拉伸强度：以典型商用航空级碳纤维为例，Toray的T300、T700S等纤维牌号在数据表中给出拉伸强度可达约3.5 GPa(T300)到4.9 GPa(T700S)量级（纤维本体指标），从而形成“高比强度优势，适合应用于eVTOL中的重量敏感部件（如旋翼桨叶、机体主承力构件）。 3.高弹性模量：碳纤维纤维本体的拉伸模量常见可在230GPa量级，对应“高比模量”落到复合材料层面（碳纤维+环氧树脂体系），典型层合板的拉伸模量会随铺层与纤维体积分数变化，可用于支撑“形变控制”的现象。 4.耐高温：能够在-180°C至2000°C的温度范围内保持稳定的力学性能，物理变化小，不会产生蠕变或疲劳现象。这一特性确保了eVTOL在连续工作温度范围内保持性能稳定，确保外部结构的完整性和稳定性，显著延长设备使用寿命。耐受电机/电池舱的短时温升，极限工况（如电池热失控）下，阻燃型树脂基CFRP可延缓火势蔓延。 5.耐腐蚀：具备极高的化学稳定性，可有效抵御酸、碱等腐蚀性环境的侵蚀。在复杂环境中能保持稳定性和安全性，当eVTOL在各种腐蚀环境下仍能保持其稳定性和安全性，从而提高了eVTOL的使用寿命并减少了维护及更换成本。 1.5（1）碳纤维材料分类：力学性能 按力学性能分类——根据拉伸强度和拉伸模量的不同，碳纤维可分为以下几类： 1.高强型（HS）：以较高拉伸强度为主要特征，兼顾一定模量,通常以T系列命名，以拉伸强度为主要指标，数字越大代表强度越高，广泛应用于航空航天、eVTOL结构件及高端工业领域。 2.高模量型（HM）：以高弹性模量为主要特征，刚度突出，通常以M系列命名，以拉伸模量为主要指标，数字越大代表模量越高,常用于对结构变形控制要求极高的航空航天和精密结构部件。 4.高强中模型（HS-IM）：在强度与模量之间实现平衡，是当前航空航天和高端复合材料应用中的主流类型之一。 ➢在eVTOL领域，结构件通常更偏好高强型与高强中模型碳纤维，以在轻量化与结构安全之间取得平衡。 1.5（2）碳纤维的材料分类：原丝基体 按原丝基体分类——从制造工艺和原料来源看，碳纤维主要可分为以下三类： 1.PAN基碳纤维：以聚丙烯腈（PAN）为前驱体，是当前全球碳纤维市场的绝对主流路线，占比约90%。其特点是综合性能优异、工艺成熟、强度与模量区间覆盖广，广泛应用于航空航天、eVTOL、新能源及高端工业领域。 2.沥青基碳纤维：以石油沥青或煤沥青为前驱体，突出特点是超高模量与高导热性，但强度相对有限，主要用于航天、热管理和特殊功能材料领域。 3.黏胶基碳纤维：以黏胶纤维为前驱体，属于早期技术路线，当前应用规模较小，主要用于特定耐烧蚀和功能性场景。 ➢目前eVTOL及航空结构复合材料基本采用PAN基碳纤维。 1.5（3）碳纤维的材料分类：丝束规格 按丝束规格及应用领域分类——根据单束碳纤维中单丝数量(tow size)，行业通常以48K作为重要分界点：小丝束碳纤维：单丝数量较少，性能一致性高、力学性能优异，主要应用于航空航天，军用装备和eVTOL等高性能飞行器结构；大丝束碳纤维：单丝数量多，生产效率高、成本优势明显，主要应用于工业结构件，风电叶片和汽车轻量化等对成本敏感领域。 ➢eVTOL对结构安全和可靠性要求较高，目前更偏向采用小丝束PAN基高强/中模碳纤维。 关键差异和应用总结 性能与成本权衡： •小丝束碳纤维（如T700、T800等）在力学性能上更具优势，但由于对原丝纯度要求高、聚合和预氧化过程耗时长、以及产品认证复杂，导致其制造成本显著高于大丝束。 制造工艺： •小丝束工艺复杂且精细，常采用一步法聚合和湿纺/干喷湿纺工艺，是衡量一个国家碳纤维工业技术水平的核心标准。•大丝束的难点则在于如何在大通量生产中保证纤维束内部的均匀性和浸润性。 市场定位： •大丝束碳纤维主要通过规模化生产实现低成本，因此主要针对对成本敏感、但对绝对性能要求相对较低的工业和民用领域（如风电叶片和汽车零部件）。•小丝束碳纤维则专注于高附加值、高性能的高端应用（如军工和航空航天）。例如，目前正在快速发展的eVTOL和商业航天领域，主要使用的就是小丝束碳纤维。 二、政策支持：碳纤材料与低空飞行，我国新质生产力典型代表 2.1政策频出支持碳纤维材料发展 截至目前，中国在碳纤维材料领域已构建起较为系统的政策支持体系，已从“鼓励发展”走向“系统布局”，形成“国家战略—产业调控—技术攻关—市场应用—金融支持—地方布局”的全链条政策体系，实现碳纤维的自主可控与广泛应用。 2.2政策鼓励下eVTOL生产制造如火如荼 我国的eVTOL政策已从“试点运行”目标阶段进入“法规-空域-基建-金融”全链条支持阶段。形成了“中央顶层设计+行业专项方案+地方配套政策”三位一体的eVTOL政策体系，有力地拉动了对eVTOL整机的需求，而eVTOL对于轻量化和安全性的极致追求使得碳纤维复合材料成为生产制造过程中的关键材料。 三、产业链与工艺流程：黑色黄金里的精益求精 3.1我国碳纤维复合材料产业链全景 工艺概览：碳纤维材料号称“黑色黄金”具备高价质量的同时也拥有非常高的技术门槛。首先由原油经过聚合、纺丝工艺制成聚丙烯腈（PAN）原丝→再通过预氧化、碳化、石墨化（可选，主要用于高模量产品）工艺制成碳纤维/碳丝→再经表面处理、上浆并经过涂膜、热压、冷却、覆膜、卷取等工艺与基体材料（如树脂）结合制成预浸料→最后通过固化成型工艺制成碳纤维复合材料成品。 3.1（1）中上游企业价值链：中复神鹰为代表 以中复神鹰为例，在生产碳纤维过程中，制造费用占到整个价值量的44%，是最大的成本环节，其次为原材料，占到价值量24%；二者对毛利空间受到压缩，导致毛利率仅为13.59%。 3.1（2）一体化企业价值链：光威复材为代表 以光威复材为例，其采用产业链一体化模式——从聚丙烯腈(PAN)原丝等原材料经过预氧化、碳化等工艺制成碳纤维，再通过增强复合等工艺制成预浸料，并最后加工成型碳纤维复材制品。通过上下游延伸打通全产业链，企业能捕获碳纤维、中间体及产成品制作环节的全部毛利润，最后增厚整体毛利率。因此，产业一体化也是目前行业内打破内卷，在激烈竞争中破局的主要发展方向。 3.2碳纤维复材制备工艺总览 流程总览 1.原丝制备：聚合+纺丝2.碳丝制备：预氧化+碳化+石墨化（可选）+表面处理/上浆3.中间材料制备：预浸料4.复合材料成型加工阶段：热压罐成型，RTM成型，模压成型 碳纤维从原丝到复合材料的全工艺流程是一个集化学合成、高分子加工、高温热处理于一体的复杂过程，每个环节的工艺控制都直接影响最终产品的性能。随着技术进步，碳纤维生产工艺正向高效节能、低成本化方向发展，应用领域不断拓展。整个工艺流程涉及3000-5000个技术参数控制点，主要包括： •温度控制：预氧化、碳化、石墨化各阶段的温度梯度•张力控制：牵伸、预氧化、碳化过程中的纤维张力•气氛控制：惰性气体纯度、流量控制•时间控制：各工序的停留时间•树脂含量控制：预浸料中树脂与纤维的比例 3.2（1）碳纤维复材生产工艺流程——原丝制备 1.原丝制备 （1）聚合工艺 •关键工序和作用：丙烯腈（AN）单体在引发剂的作用下，通过溶液聚合或悬浮聚合工艺进行自由基聚合反应，生成聚丙烯腈（PAN）高分子。该工序分为一步法（直接制备纺丝原液，适用于小丝束）和两步法（先制得固体粉料再溶解，适用于大丝束规模化生产。 •技术难点：需精确控制反应温度（60-80℃）、引发剂用量及单体比例，以确保聚合物的分子量及其分布达到理想状态（聚合度通常控制在1000-1500）。 （2）纺丝工艺 •关键工序和作用：将PAN树脂溶解形成纺丝液，通过计量泵从喷丝头挤出进入凝固浴。主流技术包括湿法纺丝（纺速较慢但成本低）和干喷湿纺（纺速快、纤维表面光滑致密，是制备高性能碳纤维的关键技术）。 •技术难点：均匀性控制，对于大丝束（如50K），要求喷丝板上数万个孔喷出的单丝均匀度完全一致，难度极高；干喷湿纺工艺虽纺速快但极难掌握，需精确控制纺丝液通过空气层时的状态，防止粘稠的原液在进入凝固浴前相互粘连。 3.2（2）碳纤维复材生产工艺流程——预氧化 2.预氧化（Pre-oxidation/Stabilization） •关键工序和作用：这是碳纤维制备过程中承上启下的关键一步。将PAN原丝在200-300℃的空气气氛中进行热处理。此过程使线性的PAN大分子链转化为耐热的含氮梯形结构。这一结构可防止原丝在后续碳化中熔融或燃烧，并保持纤维形态，以获得高质量的碳纤维。 •技术难点：预氧化是碳纤维制备过程中能耗最高、耗时最长的关键工序，直接制约了PAN基碳纤维的生产效率。在处理过程中，必须对原丝施加一定的张力，以阻止大分子链段的解取向运动并减少纤维收缩。 3.2（3）碳纤维复材生成工艺流程——碳化 3.碳化（Carbonization） •关键工序和作用：将预氧丝在惰性气体（如氩气）保护下，通过低温碳化（300-800℃）和高温碳化（1