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      碳陶剎車材料,打開碳基復合材料的第二個百億市場

      發布時間:2022-12-23發布人:瀏覽:
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      當下碳陶剎車組件已廣泛用于高鐵,飛機和跑車等交通工具的制動系統中,有望在乘用車中快速放量,成為碳基復材企業的第二增長曲線。工藝上,碳陶復材只需在碳碳工藝最后一步進行硅化即可。性能方面,相比碳碳復材,碳陶摩擦性能、抗磨損性能、耐高溫性和強度顯著提升。碳陶剎車盤可大幅減重+提升車輛制動性能。

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      隨碳陶剎車片工藝成熟度提升,生產良率提高,碳陶復材有望實現量產。從生產工藝看,預計量產后碳陶剎車盤成本將略高于碳基復材(以30%的成本增幅測算,對應成本約450元)。企業可通過出讓部分利潤&將碳陶剎車片價格下調至與碳基復材價格基本一致,提升碳陶市場滲透率。假設近五年碳陶剎車逐漸普及,未來中高端車型及重卡中碳陶剎車盤滲透率20%。以單車價值量下降至1萬元測算,預計2025年國內碳陶剎車盤市場規模約100億元。

      高速制動場景催生碳碳/碳陶剎車材料需求

      制動器是使運動中的機構改變速度或迅速減速進而停止并保持停止狀態的機械裝臵,其原理為通過摩擦將動能轉換為熱量吸收或者散發掉,制動器中所使用的摩擦材料被稱為剎車材料,根據所使用的機構,剎車材料可以分為汽車剎車材料、火車剎車材料和航空剎車材料等,根據材料類型,則可以被分為樹脂基剎車材料、粉末冶金剎車材料、碳/碳復合剎車材料以及陶瓷基剎車材料。

      高速制動場景催生碳基剎車材料需求,碳陶為終極升級方向。要滿足制動需求,剎車材料需具備足夠而穩定的摩擦系數、抗氧化磨損性能優異,環境適應性強等,除此之外,剎車材料還要兼顧舒適度和性價比,需要具備摩擦噪音小、工作中不粘結和咬合以及原料來源充裕,性價比高等特點。

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      最開始的剎車材料為棉線增強的樹脂基材料,后續發展了石棉材料、熔鑄金屬材料、粉末冶金材料、碳碳復合材料以及纖維增強陶瓷基復合材料。石棉材料因為致癌性,熔鑄金屬材料因為摩擦系數不穩定、磨損大和易粘結等缺點不能滿足飛機、高鐵以及高性能汽車等高速制動場景的制動要求。

      粉末冶金材料、碳碳復合材料以及纖維增強陶瓷基復合材料目前已成為高速制動場景的主流剎車材料。其中碳陶復合材料基于其在干濕態摩擦因數、磨損損失、火花、質量等方面的全面領先,是未來剎車材料的終極升級方向。

      汽車電動化、智能化、高端化和成本下降共驅碳陶剎車滲透率提升

      政策與市場共驅新能源車銷量和滲透率持續快速提升。雙碳背景下,政府持續加大對新能源汽車產業的支持力度,2011-2021年新能源汽車銷量CAGR達83.44%,2021年新能源車銷量352.05萬輛,占汽車銷量的比例由0.04%提高到13.4%,新能源車滲透率在2021年首次超過10%,意味著市場需求的真正打開,疊加規模效應帶來的成本下降以及燃油價格的大幅上漲,將進入政策與市場共驅銷量快速增長的階段,預計滲透率還將快速提升。

      汽車電動化帶來輕量化需求提升,碳陶剎車減重事半功倍。相較于燃油車,電動車沒有了內燃機和變速箱等傳統結構,但所攜帶的電池導致同級別的電動車普遍要比燃油車重。

      電動車較高的自重帶來兩方面問題,一是安全問題,自重越大的車行駛慣性會越大,也就意味著需要配備更強的剎車。二是續航里程問題,自重大會減少續航里程,對電動車而言會加重“里程焦慮”。結合以上來看,不論是在行車安全方面還是減重以增加續航里程方面,碳陶剎車制動距離短、使用壽命長以及重量輕的優勢在汽車電動化趨勢之下都將愈發凸顯。

      汽車電動化和智能化趨勢帶動線控制系統裝配率提升,碳陶剎車是理想的線控剎車系統剎車材料。電動車滲透率的不斷提升將在兩方面帶來線控剎車系統需求量的提升:

      一方面,電動車本身對延長續航里程的訴求很強,由于線控剎車系統的各部件只是通過電信號來交流,這樣就能通過剎車控制單元在動能回收與機械制動之間進行選擇,將二者完美融合從而最大限度回收能量,增加電動車續航里程。

      另一方面,電驅動為實現自動駕駛打下基礎,根據StrategyAnalytics預測,2020-2035年全球L2及以上的智能車滲透率將由7%大幅提升至79%。根據華為發布的《智能世界2030》,中國自動駕駛新車滲透率將超過20%,自動駕駛滲透率和自動駕駛級別的不斷提升意味著駕駛員會逐漸將更多的控制權限下放給車載計算系統,線控制系統的裝配率隨之將不斷提升。相較傳統的機械控制,線控系統的最大優勢是響應精準迅速,可以為智能駕駛提供更高的制動響應速度。

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      從以上兩方面來看,線控剎車系統是未來剎車系統發展的大勢所趨。而碳陶剎車系統基于自身制動距離短的優勢,與線控制系統配合,不僅能為自動駕駛提供更高級別的剎車安全保護,也有助于更好回收能量、減輕車重,從而延長續航里程。

      碳陶剎車具備剎車距離短、輕量化、制動噪音小等優勢,安裝碳陶剎車相當于在懸掛系統以下減重,這樣會使方向盤操控更為靈巧,車身振動減小,舒適度更高,碳陶剎車卓越的性能表現可匹配C級車以及汽車改裝市場對車輛性能的較高追求。

      產業鏈探索降本路徑,五維降本路徑清晰。雖然目前由于生產工藝不成熟和生產周期長等方面的問題而生產成本較高,但從碳碳復材的成本結構和降本經驗來看,碳陶復材有著不小的降本空間。根據世鑫新材在“2021中國汽車供應鏈大會”上的發言,碳陶復材剎車盤的降本路徑有5個方面:

      降低原材料價格:通過優化碳纖維的牌號和含量來實現原材料成本的降低;

      優化制備工藝:長纖盤制備周期長主要受限于熱工藝,熱工藝包含CVI增碳工藝和反應熔滲陶瓷化工藝,可以通過開發多料柱限域CVI工藝和快速熔融工藝來實現生產周期的大幅度降低,預計可降低至一個月以內;

      生產智能化:碳陶剎車盤的加工不同于傳統金屬盤,陶瓷組分的存在使其加工難度大和加工效率低。目前國內碳陶盤的機械加工多為非智能化生產,通過智能化在線檢測和生產可以大幅度提高生產效率,進一步降低成本;

      開發近尺寸預制體成型工藝:目前長纖盤預制體是從方板上面切割而來,這樣會形成中間和四個角五塊余料,導致原材料的利用率非常低。如果能開發出近尺寸預制體成型工藝,可以直接制備出環形坯體和通風散熱結構,從而大大提高原材料的利用率,同時還可以減少制動盤的機械加工量,大幅度降低制備成本;

      能源價格:制備碳陶剎車盤熱工藝所需的溫度高且時間長,用電量非常大,所以如果能夠爭取到優惠的能源專項價格,可有效降低碳陶剎車盤制備成本。

      市場空間有多大?

      乘用車方面,汽車輕量化和智能化需求疊加成本下降將推動碳陶剎車在C級車中的滲透率加速提升,預計2023-2025年間分別提升2個、4個和6個百分點。假設目前主流市場價格為12萬元/套,隨著國產產品市場份額逐漸提高和碳陶制造工藝優化,假設之后碳陶剎車盤均價每年下降30%,預計2025年C級車新車裝配碳陶剎車盤的市場為規模為37.04億元。

      商用車方面,新能源商用車的減重需求更為突出,2021年,碳陶剎車在新能源商用車中的滲透率設為0%,假設之后每年加速提升,預計2025年新能源商用車新車裝配碳陶剎車盤的市場規模為21.61億元。

      汽車改裝方面,我國目前汽車改裝率僅有3%左右,隨著人均可支配收入提升帶來消費者個性化需求提升,以及汽車改裝相關法規的不斷完善,假設未來我國汽車改裝率將穩步提升,2025年達到5%。假設2025年改裝車輛中更換碳陶剎車的比例為1%,成本下降下2025年碳陶剎車單車價值量為3萬元,預計到2025年汽車改裝市場中碳陶剎車盤需求達57.2億元。

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