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          汽車零部件之蜂窩陶瓷行業深度研究

          發布日期:2020-11-04 瀏覽次數:

          1. 蜂窩陶瓷是汽車尾氣后處理系統常用載體


          1.1.蜂窩陶瓷是汽車尾氣處理催化器重要載體


          1.1.1.汽車尾氣后處理系統結構構成


          汽車尾氣中主要的有害物質包括一氧化碳(CO) 、碳氫化合物(HC) 、氮 氧化物(NOx) 、固體懸浮顆粒、鉛等。通常減少汽車尾氣有害物質排放的途 徑包括:開發清潔能源;提高機內凈化效率,通過改善發動機性能提高燃油 燃燒效率;提高機外凈化效率,改進尾氣后處理系統。


          從尾氣催化處理原理來看,包括氧化催化和還原催化兩類。氧化催化是 指在富氧條件下,使沒有充分燃燒的 CO、HC、SOF(可溶性有機成分)轉化 為CO2和H2O,還原催化是指將尾氣中的NOx還原成N2;诜磻淼牟煌, 衍生出不同的催化技術,包括 TWC(三效催化器)、DOC(催化氧化轉化)、SCR (選擇性催化還原)、DPF(柴油顆粒捕集)、GPF(汽油顆粒捕集)、POC(顆 粒氧化催化)、ASC(氨逃逸催化)、EGR(廢氣再循環)等處理裝置。



          國六標準下,汽油車一般在排氣管處加裝 TWC 同時處理 CO、HC、NOx, 同時加裝單獨的 GPF 控制顆粒物排放。柴油車由于需要高溫高壓富氧條件燃 燒,主要污染物以 NOx、顆粒物居多,通常采用 EGR+DOC+SCR+DPF+ASC 串聯 或 DOC+高效 SCR+DPF+ASC 串聯路線。




          催化器結構構成:蜂窩陶瓷具有孔密度大、比表面積大;熱膨脹系數低、 熱穩定性好;機械性能優異;抗腐蝕性好等優勢,是最為常見的尾氣處理催 化器用催化劑載體,載體占催化器總成本的比例約為 10%。在載體表面涂覆 多孔性物質涂層、助劑以及貴金屬活性組分,涂覆完成的催化劑由封裝廠進 行封裝,供主機廠、整車廠使用。其中,多孔性物質涂層可進一步提高活性 組分負載比表面積,常見的涂層材料包括活性氧化鋁、分子篩等。助劑有助 于促進貴金屬的分散,提高活性成分催化活性,增強催化劑抗毒能力,稀土 金屬氧化物是最常見的一類催化劑助劑,氧化鈰或鈰鋯固溶體在催化劑中應 用廣泛。


          具體來看,TWC 催化劑:采用鉑銠鈀三種活性組分同時處理 HC、CO、NOx, 以氧化鋁作為分散載體,以鈰鋯固溶體作為助劑提高活性組分活性、增強抗 毒能力。DOC 催化劑:用于柴油車氧化催化,活性組分僅需鉑、鈀單獨或配合使用。SCR 催化劑:用于柴油車 NOx 還原處理,目前應用較多的催化劑包 括包括 V2O5-WO3/TiO2催化劑,以及負載 Cu 或 Fe 的分子篩催化劑。ASC 催化 劑:用于氧化 SCR 處理過程中逸出的 NH3,典型的 ASC 催化劑包括頂部催化 劑層(包含常規 SCR 催化劑)和底部催化劑層(氨氧化催化劑,例如鉑/鈀氧化鋁)。GPF、DPF 催化劑:用于汽油車、柴油車懸浮顆粒物捕集,一般選 用壁流式蜂窩陶瓷作為載體,尾氣通過蜂窩陶瓷壁毛細孔道實現顆粒物過濾。 多數 GPF、DPF 仍需要涂覆鉑/鈀-氧化鋁涂層,以實現碳煙顆粒氧化,延長 清洗再升周期。



          1.1.2.蜂窩陶瓷企業是主機廠/整車廠二級供應商


          我國催化材料發展歷程較短,部分產品性能較國外廠商仍有較大差距。 全球蜂窩陶瓷90%市場份額仍為康寧和NGK占據;比利時Solvay、日本DKKK、 加拿大 AMR 等占據了鈰鋯固溶體 70%以上市場份額;我國氧化鋁企業雖然眾 多,但能夠供應蜂窩陶瓷用高純超細氧化鋁的僅國瓷等少數企業;分子篩是 國產化相對較快的催化材料,目前萬潤股份已成為全球車用沸石分子篩龍頭 企業。


          催化材料的下游直接使用方為催化劑涂覆廠商,目前汽車尾氣催化器領 域形成了較為成熟的寡頭壟斷格局,巴斯夫(BASF)、莊信萬豐(Johnson Matthey)、優美科(Umicore)占據了全球超過 70%的市場份額。國內廠商有 威孚環保、中自環保、重汽橡塑等廠家。涂覆、封裝完成的催化器終端客戶 為主機廠商或整車廠商(部分 DPF、GPF 無需涂覆,直接送至封裝廠商進行 封裝),在產業供應鏈中,針對核心的蜂窩陶瓷等催化材料,主機廠商或整 車廠商一般會指定到專門的材料供應商。



          1.2.蜂窩陶瓷生產材料、工藝壁壘較高


          1.2.1.蜂窩陶瓷制備工藝以擠壓成型為主


          催化劑載體的主要作用是提供有效的比表面積和孔徑結構,使催化劑獲 得較好的機械強度和熱穩定性。要求載體應具備機械性能好,熱膨脹系數低, 比表面積大,與傕化劑不反應的特點。尾氣處理催化劑載體包括球狀氧化鋁、 金屬合金、蜂窩陶瓷載體等類別,目前球狀氧化鋁已趨于淘汰。蜂窩陶瓷性 能、成本優勢均相對明顯,是目前應用最為廣泛的車用尾氣處理催化劑載體。


          制備蜂窩陶瓷的材質有堇青石、鈦酸鋁、鋰輝石、鋯英石、碳化硅、氮 化硅、莫來石等。其中堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2)質蜂窩陶瓷具備與各 種催化劑活性組分匹配性較好、孔壁薄、比 表面積大、熱膨脹系數小等特點, 應用最為廣泛。工業上一般選擇高品質的高嶺土(主要成分:SiO2、Al2O3)、 滑石(主要成分:SiO2、MgO)、 氧化鋁等合成堇青石蜂窩陶瓷。


          蜂窩陶瓷制備工藝主要以擠壓成型為主,將原料高嶺土、滑石、氧化鋁、 有機助劑等按照嚴格配比進行配料——混合練泥——陳腐——通過特制模 具連續擠出成型——干燥切割——燒制——磨邊打孔。


          蜂窩陶瓷制備核心技術主要體現在控制熱膨脹系數、壁厚、孔密度。對 原料的純度和配比、成型模具和擠出工藝、燒結工藝均有非常高的要求。


          1.2.2.蜂窩陶瓷載體可分為直通式和壁流式


          根據尾氣后處理過濾原理,蜂窩陶瓷載體主要分為直通式載體和壁流式 載體,壁流式載體在直通式基礎上交替堵孔,強制尾氣通過蜂窩陶瓷壁進一 步實現顆粒物攔截功能。TWC、DOC、SCR、ASC 采用直通式載體,GPF、DPF 顆粒捕集器采用壁流式載體。壁流式較直通式需增加打孔、堵孔、回燒工序; 壁厚相對較厚,但對孔徑、孔分布一致性要求更高;模具制造難度更高,毛 利率較直通式更高。



          根據應用車型,蜂窩陶瓷可分為柴油車用載體(DOC、SCR、ASC、DPF) 和汽油車用載體(TWC、GPF)。柴油車較汽油車用載體規格尺寸更大,大尺 寸模具制造難度大加工時間長,載體成型和燒結工藝均勻性較難保證、控制 難度高。因而同等孔密度和壁厚條件下,DPF 毛利率一般高于 GPF;同等規 格的 DOC、SCR、ASC 載體毛利率較為接近;一般高于尺寸較小的 TWC 載體。



          2.國六標準實施推動國內蜂窩陶瓷需求大幅增長


          2.1.蜂窩陶瓷國六產品預計將于 2020 年放量發貨


          國內輕型汽車國六標準第一階段 2020 年 7 月起全面實施,第二階段標準 2023 年 7 月全面實施。重型柴油車國六標準第一階段燃氣車輛在 2019 年 7 月實施,城市車輛將于 2020 年實施。


          從國六標準排放限值來看,輕型柴油車要求達到同汽油車相同的標準, 尤其氮氧化物排放量 6a 階段要求減少到國五階段 1/3,6b 階段更是接近 6a 階段的一半。重型柴油車氮氧化物和顆粒物排放量要求在國五基礎上分別減 少 77%和 67%。汽油車 6a 階段 CO 排放量要求減少 30%。國六標準可謂史上最 嚴排放標準,對于催化器性能提出了更嚴苛的要求。


          國六標準蜂窩陶瓷載體新產品需要與催化劑、發動機、整車廠商進行大 量匹配性測試,通過國家檢測中心測試通過,并取得公告認證,發動機或整 車方可進入市場銷售。2020 年 7 月起,全部輕型汽油車以及柴油車城市車輛 國六標準開始全面執行,我們認為 2019 年對蜂窩陶瓷企業而言,是集中與 發動機、整車廠商匹配測試獲得公告認證的一年,預計 2020 年將進入蜂窩 陶瓷放量發貨的新階段。


          國五期間,汽油車常用尾氣處理路線為 TWC 三效催化器,柴油車一般采 用 DOC+SCR 或 DOC+DPF。為應對國六更為嚴苛的標準,汽油車需要使用更為 高效的 TWC,并同時加裝單獨的 GPF。柴油車對氮氧化物的控制更為嚴苛, 通常需采用 EGR+DOC+SCR+DPF+ASC 或 DOC+高效 SCR+DPF+ASC 路線。


          國六標準實施后,相比國五階段,GPF 需求將實現從無到有,SCR、DPF、 ASC 加裝率將大幅提升。同時由于國六產品對孔密度、壁厚、熱穩定性等性 能要求更高,預計單價將有所提升。


          2.2.國六標準實施后國內蜂窩陶瓷市場空間將超過百億


          2.2.1.測算邏輯


          蜂窩陶瓷的結構和體積與汽車發動機排量、轉速、催化器安裝位置等因 素密切相關,尤其與排量呈正相關關系。


          汽油車:在行業實踐中,乘用車基本以汽油車為主,汽油車排量主要集 中在 1.0-2.0L,我們取 1.5L 為汽油車平均排量。根據調研數據,汽油車 TWC 蜂窩陶瓷體積與排量比值約為 1.2 倍,國六標準下要求汽油車全部加裝 GPF, 體積排量比約為 1.3 倍。測算得到國六階段 TWC 單車使用體積為 1.8 升。GPF 單車體積為 1.95 升,較國五階段完全是新增需求。



          柴油車:柴油車普遍排量較大,商用卡車、客車主要以柴油車為主。根 據調研信息,輕型柴油車(輕微型貨車、客車)平均排量約在 3L 左右,重 型柴油車(重中型貨車、大中型客車)平均排量約為 13L。國六標準下 DOC、 DPF、SCR(含 ASC)系統體積-排量比分別約為 0.7/1.5/2。測算得到輕型柴 油車 DOC、DPF、SCR(含 ASC)單車使用體積分別為 2.1/4.5/6L,重型柴油 車 DOC、DPF、SCR(含 ASC)單車使用體積分別為 9.1/19.5/26L。


          2.2.2.蜂窩陶瓷市場空間測算


          目前全球蜂窩陶瓷 90%市場份額仍為美國康寧和日本 NGK 占據,中國蜂 窩陶瓷企業起步較晚,部分性能指標及生產穩定性較國外企業仍存在一定差 距。近年來國內企業發展迅速,國內蜂窩陶瓷市場國產化率有望快速提升, 但短時間內仍較難進入外資車企供應鏈。另外在歐美等發達國家,DPF 更換 市場對 DPF 性價比更為看重,業已成為國內蜂窩陶瓷企業重要銷售市場。故 本文僅考慮國內新車市場及歐美 DPF 更換市場,測算蜂窩陶瓷市場空間。


          新車市場蜂窩陶瓷需求空間測算-汽車產量測算:


          2018 年我國汽油車產量為 2326.18 萬輛,其中乘用車 2218.35 萬輛,商 用車 107.83 萬輛。柴油車產量 300.39 萬輛,商用柴油車中,中、重型貨車 及大中型客車占比為 43.4%,由此估算,2018 年國內重型柴油車產量約為 128 萬輛,輕型柴油車產量約為 172 萬輛。


          近兩年車企產銷整體承壓,汽油車、柴油車產量均不同程度下滑。但我 們預計促進汽車消費政策的出臺以及國五切換國六的影響減弱后,汽車產銷 預計將企穩回升。謹慎起見,我們保守假設 2019-2021 年汽車產量零增長, 以 2018 年產量數據進行未來三年需求測算。




          新車市場蜂窩陶瓷需求空間測算-蜂窩陶瓷需求量及市場空間測算:


          汽油車:以 2018 年汽油車產量為基數,假設國五階段僅安裝 TWC,國六 階段需全部加裝 GPF,測算得出汽油車國六階段蜂窩陶瓷需求量為 8723 萬 升,較國五提升 108.3%。根據調研信息,國五 TWC 載體銷售均價約 20 元/ 升?紤]到國六產品較國五性能要求更為嚴格,單價有所提升。我們假設國 五、國六階段 TWC 均價分別為 20、30 元/升,國六 GPF 均價分別為 85 元/升, 測算得出汽油車國六階段蜂窩陶瓷市場空間為 51 億元,為國五期間的 6.4 倍。


          柴油車:假設國五階段輕型柴油車采用 DOC+DPF 路線(DOC、DPF 裝配率 100%) ,重型柴油車采用 DOC+SCR 路線(DOC、SCR 裝配率 100%)。假設國六 階段柴油車全部采用 DOC+DPF+SCR 路線,DOC、DPF、SCR 裝配率均為 100%。 以 2018 年輕型、重型柴油車產量為基數,測算得出柴油車國六階段蜂窩陶 瓷需求量為 9156 萬升,較國五階段提升 62.7%。假設國五、國六階段 SCR (DOC 價格基本相同)均價分別為 30、40 元/升,DPF 均價分別為 80、90 元 /升,測算得出柴油車國六階段蜂窩陶瓷市場空間為 53 億元,為國五期間的 2.6 倍。


          綜上,不考慮汽車產量增長帶來的增量影響,僅考慮國六尾氣處理路線 升級的影響,以 2018 年汽車產量為基數,蜂窩陶瓷新車市場年求量約為 1.8 億升,較國五期間提升 82%。市場空間為 104 億,為國五階段的 3.6 倍。


          后市場蜂窩陶瓷更換需求空間測算:


          為保證催化器的催化效率及發動機動力性能,汽車尾氣處理催化器需定 期進行清洗。柴油車由于顆粒物排放量較高,DPF 容易積塵,在定期清洗基 礎上,基本每 4 年需更換一次。目前 DPF 更換后市場主要集中在北美地區, 美國自 2010 年起執行 EPA2010 法規,已經形成了穩定的 DPF 更換市場。北 美市場 2018 年重柴產量為 65 萬輛,以此作為近幾年重柴 DPF 更換基數,我 們測算北美更換市場DPF蜂窩陶瓷需求量為1268萬升,對應市場空間為11.4 億元。另外,歐洲更換市場需求已經開始逐漸啟動,同時隨著中國和印度排 放標準升級,更換市場也將隨之有序打開。


          3.國內蜂窩陶瓷進口替代逐漸加速


          3.1.蜂窩陶瓷產業為康寧、NGK 壟斷,進口替代空間廣闊


          1972 年美國尾氣凈化條例開始實施,美國康寧公司率先通過擠壓成型技 術制備出高性能堇青石蜂窩陶瓷,NGK 在取得康寧的授權之后也開始生產蜂 窩陶瓷。目前康寧和 NGK 占到全球蜂窩陶瓷近 90%市場份額,形成了寡頭壟 斷格局,壁厚可做到 2mil,目前量產產品壁厚為 2.5mil,孔數可做到 900 孔/ 平方英寸以上,先發優勢明顯。


          國內蜂窩陶瓷行業起步較晚,落后國外近 30 年時間。國產廠商一方面在 優質原料、專利等方面受到制約,車用蜂窩陶瓷原抖主要為高嶺土,長期由 外資壟斷優質原料;另一方面因起步較晩,工藝差距明顯,高密度精密模具 開發仍為掣肘。目前國內量產產品主要為 3mil 以上產品,在部分核心性能 指標上與國外產品仍存在一定差距。但達到同等標準的產品,國產蜂窩陶瓷 的價格接近國外產品價格的一半,性價比突出,價格優勢預計將助力蜂窩陶 瓷國產化率逐步提升。


          據 Marklines 數據,2018 年全球蜂窩陶瓷載體市場規模約 234 億元, 根據各公司2018年年報數據,我們測算目前NGK及康寧合計市占率約為86%。 另外 Denso、Ibiden 公司銷售規模也相對較大。國內較大的蜂窩陶瓷企業包 括奧福環保、國瓷材料、宜興非金屬,市場規模仍然較小。


          3.2.龍頭康寧、NGK 業績穩步回升,蜂窩陶瓷行業迎來快速發展


          康寧、NGK 等龍頭企業先發優勢明顯,享受了汽車產業高速發展的先發 紅利,17 年以來歐洲、亞洲尤其是中國的市場需求增長業已給龍頭企業帶來 明顯的利潤增厚,18 年康寧、NGK 業績均有大幅增長。我們認為國六推進初 期大部分增量市場份額仍將為龍頭企業占據,但隨著國內企業與龍頭企業技 術差異不斷縮小,以及滲透率的快速提升,預計國內企業在中低端產品領域 仍有較大發展空間。


          康寧公司于 2001 年開始在上海建廠,2018 年在合肥投資設立新工廠用 于生產國六 GPF 產品。公司下設顯示技術、光通信、環境技術、特種材料和 生命科學五個業務板塊。2018 年,環境技術板塊實現收入 12.89 億美元,同 比+16.55%;凈利率 16.14%,同比+1.22pct。17/18 年康寧蜂窩陶瓷業務均 保持穩健增長,主要得益于歐洲、亞洲尤其是中國的市場需求增長,以及 GPF 的穩步放量,汽油車產品收入 18 年同比+14.7%;北美、亞洲重柴產品需求 增長較快,柴油車蜂窩陶瓷收入同比+19.0%。


          NGK 是目前全球最大的電力絕緣陶瓷和工業陶瓷產品供應商。目前蜂窩 陶瓷業務規模已躍居全球首位,為豐田、日產等主要的整車廠配套。NGK 公 司于 2001年12月設立NGK蘇州,并于2005 年開始批量生產蜂窩陶瓷產品。 2019 財年(2018Q2-2019Q1), NGK 陶瓷產品業務實現營收 22.68 億美元, 同比+4.4%,其中蜂窩陶瓷載體營收為 17.62 億美元。2019 年,NGK GPF 產 品首次實現銷售,實現收入 0.86 億美元。


          3.3.國產材料替代空間廣闊,柴油車用載體+汽油車 GPF 機會較大


          基于歷史原因,我國柴油機國產化程度較高,濰柴、玉柴、江鈴、云內 動力、錫柴等自主品牌占據了大部分市場,也為汽車催化材料國產化提供了 良好環境。柴油車用 SCR、DOC、DPF 蜂窩陶瓷體積較大,壁厚相對較厚,對 薄壁化要求相對較低,但對擠出成型和燒結工藝均勻性要求較高,國內蜂窩 陶瓷企業在柴油車蜂窩陶瓷領域與國外企業技術差異較小。主要的蜂窩陶瓷 企業一般已與下游一家或多家主機廠商形成長期穩定合作,在柴油車蜂窩陶 瓷領域滲透率相對較高。預計隨著國六標準推行,國產材料廠商有望憑借成 本優勢和客戶優勢在柴油車用蜂窩陶瓷領域獲得快速增長。




          國內汽油車領域,蜂窩陶瓷市場仍以國外企業為主,國外廠商市占率約 70%,國產蜂窩陶瓷僅在自主品牌車企中有所應用。蜂窩陶瓷生產企業主要 通過威孚環保、中自環保等催化器廠商導入下游國產車企,同時積極切入巴 斯夫、莊信萬豐、優美科等巨頭催化器廠商供應鏈。目前國內乘用車自主品 牌銷量占比維持在 40%左右,仍然保持一定韌性,預計隨著國六標準對 GPF 的需求激增,國內材料企業在汽油車用蜂窩陶瓷領域也將迎來重磅機遇。


          (報告來源:東方財富)

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