碳陶制动新材料行业研究
2024-06-26
高性能刹车材料发展史
碳陶复合刹车材料是20世纪90年代由行业头部企业Brembo发展起来的一种以高强度碳纤维为增强体，以热解碳、碳化硅(SiC)等为基体的多相复合刹车材料。它在碳/碳复合刹车材料的基础上，引入具有优异抗氧化性能的碳化硅(SiC)陶瓷硬质材料作为基体，既保持了碳/碳复合刹车材料密度低、耐高温的优点，又克服了碳/碳刹车材料静摩擦系数低、湿态衰减大、摩擦寿命不足及环境适应性差等缺点。作为新一代刹车材料，碳陶复合刹车材料在现代交通工具的刹车制动领域具有广阔前景。
刹车材料经历了从石棉材料、半金属材料、粉末冶金材料到碳/碳和碳陶复合材料的发展，碳陶处于起步阶段。在各类刹车材料中，优良导热性、稳定摩擦系数、耐高温抗冲击、耐磨减磨、质量轻便是制动闸片的重要发展方向，是抢占未来发展制高点的重点。
图1:高性能刹车材料发展史
资料来源：顶立科技公众号、《碳陶刹车盘—制动材料的新时代》、天宜上佳招股书、招商证券
碳陶和传统刹车盘参数对比
目前广泛使用的制动盘材料主要有普通铸铁、低合金铸铁、普通铸钢、特殊合金铸钢、低合金锻钢及铸铁一铸钢(锻钢)复合材料等。铸铁材料存在着制造周期长、导热性差和易产生热裂纹等不足。相对于钢制刹车，碳陶刹车的优势明显：更长的使用寿命（长达30W公里）、更强的制动性能（耐高温）、更轻的重量（同等尺寸下重量比传统刹车要轻一半以上）等。制约碳陶刹车大规模应用的主要原因是高昂的成本。进口碳陶刹车系统单车成本在5-10万元/辆，相较铸铁制动盘1000-2000元/辆的成本，应用车型范围较小。
图2:碳陶刹车盘与传统刹车盘主要参数对比
资料来源：招商证券，恒旭资本整理
碳陶刹车盘作为一项新兴技术，与电动智能汽车的发展趋势紧密相连，是实现从无到有的创新突破。考虑到汽车安全的重要性，一旦这项技术取得突破，它将成为提升汽车安全性能的关键卖点，其发展速度可能会超出我们的预期。预计未来，碳陶刹车盘的整体市场销售收入有望达到2000至3000亿元人民币。同时，汽车零部件制造是中国汽车分工环节中的优势所在，国内企业有望在这一市场中占据更大的份额，进一步巩固其竞争优势。
图3：碳陶刹车盘市场规模测算
资料来源：中汽协、招商证券，恒旭资本整理
行业驱动力
1 轻量化技术是未来汽车的重点发展方向
实验证明，汽车整车重量每降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整车质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升。此外，伴随着新能源汽车的迅速普及，电动汽车对于续航里程的要求也更加迫切，在智能化网联化的趋势下，电动车配备了大量的智能设备，例如芯片、雷达、高清摄像头以及数据传输线束等，这些都显著增加了电动车的重量。因此，采用轻量化材料可以降低自身车重，在提升电动汽车性能的同时，实现节能减排。
图4：汽车轻量化发展技术路线
资料来源：中国汽车工程学会，恒旭资本整理
2 碳陶刹车片是线控制动的最佳执行器件
当驾驶员将车辆的驾驶操控完全移交给自动驾驶车辆的车载计算机系统后，方向盘、油门和刹车都将完全由电子信号控制(之前是通过机械液压的方式)，这就是所谓的“线控执行”。
由于电信号传递快于机械连接，线控可为自动驾驶提供更高级别的安全守护；如常规制动系统响应时间为300-500毫秒，博世ibooster的响应时间为120-150毫秒，布雷博的线控制动系统响应时间只有90毫秒，线控制动距离相应缩短。在30km/h时启动行人保护时，MKC1刹车距离能从6.8米减少为4.1米。使用碳陶刹车能够更显著提升智能汽车制动效率，提高智能驾驶安全性。
图5：碳陶刹车片是线控制动的最佳执行器件
图片来源：汽车之家，恒旭资本整理
未来降本路径
碳陶刹车盘目前最核心的限制条件是高昂的成本，需要攻克的技术瓶颈主要是碳陶刹车盘的低成本制备问题。各企业实现碳陶刹车盘低成本制备的路径相对趋同，主要通过以下5个维度降低碳陶刹车盘的制备成本，其中技术驱动的路径主要是制备工艺、智能化和新工艺和新方法。
图6：未来主要降本路径
图片来源：汽车之家，恒旭资本整理
以金博股份为例（公司全部产品系碳/碳复合材料，成本结构代表性较强）。2021年公司热场系列产品成本为37万元/吨，较2017年的46万元/吨下降了20%，2021年单吨制造费用为11.40万元，较2017年的24.68万元下降了53.8%，技术降本显著。2021年原材料成本占比为52%，随着规模扩大、技术升级、自动化水平提升和碳纤维价格下降，产品的降本空间巨大。
竞争格局简介
目前该行业属于蓝海市场，国外龙头主要供给跑车制造商，国产替代空间和发展空间都比较大。碳陶复合材料刹车盘供应商主要包括意大利Brembo、英国Surface Transforms Plc、美国Fusion brakes等，这些海外头部碳陶制动盘生产企业的主要客户为高端跑车生产商，其产品单价更高，以海外头部企业布雷博为例，单个碳陶盘的产品价格超过10万元人民币。
图7：行业主要生产商介绍
图片来源：恒旭资本整理
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