轻量化材料作为重要的轻量化手段之一，促进各领域的可持续性发展
轻量化概念的应用场景不断实现横向拓展
根据《轻量化发展白皮书2022》， “轻量化”概念最先起源于赛车运动，赛车设计师不断追求车辆“轻”的极致，在比赛过程中使赛车发动机输出的动力能够产生更高的加速度，并且获得比其他车辆更优的操控性能。 近年来随着节能减排理念的普及， “轻量化”概念的应用不仅延伸至普通汽车，还广泛适用于航空航天、轨道交通、风力发电、以及机器人等多个领域。
轻量化成为推动多领域可持续发展的必要途径之一
与此同时，轻量化的目的也不再局限于追求性能上的提升，而是同样着眼于降低能耗及环境污染、提升成本优势和安全性能等方面，使其具备经济和环保的双重效益。
轻量化材料的主要类别概述
实现轻量化的途径有轻量化材料、轻量化结构、轻量化制造工艺三种，三者密不可分，但其中轻量化材料的应用是实现轻量化最基础、最核心的手段。 轻量化材料是相对而言，一般指密度小于普通钢（普通碳素钢密度为7.85g/cm³）的材料，其评价指标包括密度、强度-重量比、强度-密度比、成本-重量比等，即不仅考虑单位体积的重量，还得兼顾单位体积/密度/重量的强度、刚度和成本。轻量化材料根据密度指标分为两大类：一类是轻质材料，其密度明显低于普通钢；另一类则是高强度材料，其减重效果相对有限、更注重性能上的提升，如高强度钢板、热冲压成形钢和高强度铸铁等。
轻质材料主要为轻金属、工程塑料、复合材料。 （1）轻金属：通常指密度小于4.5g／cm³ 的金属，低于该密度数值的金属包括铝、铍、镁、钙、钠、钾、锂，另外海外也将钛（密度4.51g／cm³ ）纳入低密度金属范畴，但国内工业界将地壳丰度低于100ppm的铍、锂、钛算作稀有金属；而在剩余轻质金属中，钾、钙、钠具有较强的活泼性，并不像镁、铝能参与合金制备的置换反应，与此同时，铝是地壳含量最高的金属、镁是地壳含量排名第八的金属，能对下游应用领域形成较为稳定的供应。 （2）工程塑料：密度通常在0.9-2.3g／cm³ 的范围区间，可作工程材料和代替金属制造机器零部件等的塑料。根据商业周刊网，全区通用的前五大工程塑料包括聚酰胺(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚苯醚(PPO)和热塑性聚酯(PBT) 。（3）复合材料：玻璃纤维（密度为2.4-2.76g/cm³）和碳纤维（密度为1.5-1.8g/cm³ ）在复合材料拥有主导地位；根据前瞻产业研究院统计，二者合计占据复合材料市场规模的90%，其中玻璃纤维约占 84%、碳纤维约占6%。
铝合金：应用分布最为广泛的轻量化材料之一
铝合金凭借硬度高、防锈耐腐、延展性、导热性及导电性良好等优势，在建筑工程、汽车工业、机械制造、电子通讯等众多领域实现了广泛应用；其中，交通运输和建筑工程领域占据了一半以上的市场份额。据中国国际铝工业展览会测算，2023年全口径国内铝消费量达到4786万吨，创历史新高，较2022年增长7.6%。
交通运输领域是拉动铝合金需求增长的核心，但受制于部分铝制汽车零部件渗透率较高、以及安全性能级别不足等因素，近年来单车用铝量的增长略有放缓。交通运输作为需求提升最快的板块，其用铝量占比由2020年的23%增至2022年的26.5%。截至目前，车用铝合金已在汽车热交换系统、传动系统、动力系统、车身结构件、车身覆盖件及底盘等多领域实现应用。然而实际应用中单车用铝量离理论最大值仍有一定空间，乘用车理论平均最大可用铝量约为360kg，约占整车重量的28%-30%，但根据Ducker Frontier统计，2022年全球平均单车用铝量仅为214kg，且追溯历史来看，单车用铝增加量呈现逐期递减的趋势；究其缘由，主要或系车用铝合金在热交换系统、传动系统、转向系统等部件中进一步增长的潜力有限，叠加奥迪为代表的整车厂商出于对安全性能的考虑、放缓了铝合金应用的推进。
汽车电动化趋势成为当前推动车用铝合金需求增长的核心动力，有望带动铝合金整体需求的抬升。一是纯电动车由于新增加了电池、较同等级内燃机车重100-250kg，二是纯电动车对能耗经济性的需求更高，因此，纯电动汽车的单车用铝需求相对更高，根据Ducker Frontier的数据，纯电动汽车的单车用铝量为292kg，较传统燃油汽车高出42%。根据国际铝业协会（IAI）统计，2022 年我国内燃机车乘用车单车用铝量为154kg、新能源汽车单车用铝量为188kg；结合相关汽车产量预测及单车用铝量预测，我们预计2025年国内汽车用铝量有望达642.6万吨、较2022年增长68.65%，2030年汽车用铝量约为1008万吨、较2022年增长164.55%。
铝作为地壳含量最丰富的金属元素，其用途广泛
铝是一种单质为银白色的轻金属元素，密度为2.7g／cm³ 、远低于普通碳素钢的7.85g/cm³；其在地壳中的含量仅次于氧和硅，是地壳中含量最丰富的金属元素。
铝的发展历程可追溯到19世纪初期，直至19世纪末、受益于发电机的问世，铝生产大大降低了电力成本，逐步进入大规模生产阶段，并于1956年起铝及其合金产量开始超过铜而居有色金属的首位。期初铝作为轻量化材料的使用，是源于战争中对提高战机飞行效率等需求，而目前铝已渗透日常的方方面面。
汽车电动化发展是推动车用铝需求二次增长的核心
根据国际铝业协会（IAI）预测，2022 年我国内燃机车乘用车单车用铝量为154kg、新能源汽车单车用铝量为188kg,结合国家统计局的汽车产量数据，2022年我国平均单车用铝量约为163.3Kg。根据中国电动汽车百人会预测，2025年我国新能源汽车市场年销量有望达到1700万辆、市场占有率将达60%，2030年年销量有望达到3200万辆、市占率将达90%；按上述预测数据倒推年度汽车产量，并结合2025年与2030年的目标单车用铝量计算（根据CM group预测，平均单车用铝量计划在2025年和2030年分别达到226.8kg、283.5kg），预计2025年我国汽车用铝量约为642.6万吨、较2022年增长68.65%，2030年汽车用铝量约为1008万吨、较2022年增长164.55%。
镁合金：目前商用的最轻的金属结构材料
镁合金作为目前商用的最轻的金属结构材料，具有优良的减震性、导电性、导热性、电磁屏蔽性能、可回收性以及较高的比强度等特性。据有色协会数据显示，2023年我国镁合金产量为27.60万吨，同比下降2.47%；从应用分布来看，汽车工业是镁合金最大的应用领域、占比约为70%。
汽车工业是镁合金最为重要的应用领域，但受制于价格因素，过去较长时间内车用镁合金推进缓慢。相较铝合金而言，镁合金更具轻质（在铝的基础上再轻15%-20%）、强减震性和强导热性等特性，适用于壳体类和支架类零部件，已在发动机系统（如缸盖、缸体、发动机托架、发动机支架等）、传动系统（如变速箱壳、离合器壳、后变速箱壳、车轮等）、以及部分非常规部件（如离合器踏板、踏板炳、转向节、方向盘等）领域实现应用。然而，根据WIND数据统计，2007年至2022年镁与铝的价格系数比均值在1.24，价格增幅高于额外的轻量化效率，当时从成本角度来看镁并不具备替代优势；2022年我国车用镁合金总量约为15.96万吨，结合2022年我国汽车产量，预计中国单车用镁量仅为6.84kg，车用镁合金推进程度较为有限。
当前镁价持续下探，车用镁合金规模化应用有望迎来转机。镁价自2023年10月起下行，数据截止2024年3月27日，镁价已下探至19260元/吨、镁铝价格系数比为1.00，镁的性价比优势凸显。根据reports and data网站预测，2022年全球车用镁合金市场规模为33亿美元，预计2032年将实现翻番、达77.8亿美元，2022年至2032年全球车用镁合金的年复合增速约达10%。
镁价面临下跌，车用镁合金规模应用迎来机遇
自2023年10月底，镁铝价格系数比开始从1.2向下探，车用镁合金规模应用的僵局出现转机；数据截止2024年3月27日，镁价已下探至19260元/吨、铝价为19250元/吨，镁铝价格系数比仅为1.00，镁的性价比优势已经显现。
与此同时，新能源汽车的较快发展也将助推车用镁合金需求的增长。正如前面提到的，新增电池系统的电动汽车比同级别的内燃机车的装备重100~250kg，具备更强烈的轻量化需求；新增的三电系统也为新能源汽车用镁提供了新的应用场景，如电机端盖、电驱动系统壳体等。由于镁合金正处于市场导入期，目前研究数据相对较少、缺乏用于比较燃油机车和新能源汽车用镁的具体数据；但宝武镁业（原名为云海金属）曾在2023年7月31日投资者关系活动记录中表示，新能源汽车的快速发展将使镁、铝合金单车用量进一步提升。
玻璃纤维：具有性价比优势的无机非金属材料
玻璃纤维凭借其轻质高强、结构稳定、绝缘性能好、节能保温、减震、抗疲劳、抗腐蚀等优势，在建筑建材、交通运输、电子电器、能源环保等领域广泛应用；其中，建筑材料是玻璃纤维最大的应用领域，占比约为35%。经中国玻璃纤维工业协会统计，2023年我国玻璃纤维纱总产量达到723万吨，同比增长5.2%。
高模量风电玻纤及电子纱属于玻璃纤维的中高端产品；随着风电叶片大型化、轻量化趋势，以及汽车电子、5G通信等领域发展，玻璃纤维的中高端产品占比有望提升，带动玻璃纤维行业实现一定程度的需求结构升级。玻璃纤维在建筑建材等传统领域的价格基本在4000-6000元/吨，提升产品价值量已成为玻纤行业转型升级的重要一环。（1）在风电领域，由高模量玻纤制成的高模量风电纱较普通模量风电纱更契合叶片大型化、轻量化发展，如中国巨石生产的高模量风电纱产品可用于叶轮直径长度超过200米的超大型风力叶片制造；从价值量上看，普通模量风电纱的价格中枢在4000元7000元/吨，高模量风电纱价格在10000元-12000元/吨，高模量风电纱较普通模量风电纱的价值量明显提升。（2）电子纱是电子电器领域重要的电路基材原料，属于玻纤中的高端产品；根据中国玻璃纤维工业协会统计，2023年G75电子纱均价基本稳定在每吨8000元上下，而应用于其他领域的普通纱均价则在每吨4000-6000元左右。2024年3月，中国巨石在2023年度业绩说明会上表示，展望2024年，风电、电子信息产业仍将是需求的主要增长点，对应中高端产品占比提升或有助于玻璃纤维行业的需求结构升级。
碳纤维：力学性能突出的新型纤维材料
碳纤维较钢类金属件的减重效果可达60%-80%、较铝合金结构件的减重效果可达20%-40%，且强度是钢的7-9倍，具有良好的耐腐蚀性，耐高温低压、以及耐疲劳等特性，在风电、航空航天、汽车工业、建筑行业等领域已实现较为广泛的应用；其中，风电叶片是目前碳纤维最为主要的应用场景。根据华经情报网数据，2022年全球碳纤维需求量为13.5万吨，2015-2022年间需求量CAGR达14.3%。
凭借显著的性能优势，碳纤维有望受益于新能源领域及其他新兴领域的需求增长。碳纤维在风电叶片、光伏热场、以及氢能储运等领域加速渗透；① 风电叶片方面，碳纤维主梁可在同级别高模玻璃纤维主梁的基础上再轻20%-30%，预期大型化海上风电装机的持续推进将利好碳纤维的加速导入，预计2021-2025年风电领域碳纤维需求量的年复合增速约为25.0%；②压力容器方面，碳纤维可以作为增强材料，提高储氢瓶的承载能力和耐久性，同时还能提高储氢瓶的能量密度、增加储氢量，从而降低储运成本，预计2021-2025年压力容器碳纤维需求量的年复合增速约达20%；③碳碳复材方面，碳碳复合材料相比石墨材料具有更优异的保温性、强度、韧性，且不易破碎，可有效降低生产能耗等，具备较强的替换优势；预期2021年至2025年全球碳碳复材碳纤维需求量的年复合增速将达30%。而在其他新兴领域，人形机器人和低空经济的兴起有望为碳纤维带来新的应用方向；人形机器人方面，相较镁铝合金等，碳纤维重量减轻、刚度提升，能够使机械臂的承载能力更高、操作速度更快、使用寿命更长，2035年人形机器人机械臂碳纤维需求量或将达到11200吨，约占当前全球碳纤维需求量的8.30%；低空经济方面，碳纤维的轻质特性能够使得飞行汽车大幅减轻车身重量，提高飞行效率、降低能源消耗，其高强度特性则可为飞行汽车的安全飞行提供有力保障，有望成为引领飞行汽车轻量化革命的核心引擎。
报告节选：
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
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