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復合材料應用發展趨勢與展望

 
 

7.1. 航空航天應用市場

 
市場的發展趨勢如下圖:2020年對碳纖維的需求量為16,450噸。
 
航空航天市場的分市場份額(噸)如下圖:
 
航空行業分析機構蒂爾集團(Teal Group)的數據顯示,2020年全球航空客運量較2019年下降了約63%;波音及空客大幅度消減了飛機的產能,其中波音將復合材料飛機B787減少到每月10架,2021可能會減少到每月6架,此外,波音公司于2020年10月初宣布,它將在2021年關閉美國華盛頓州西雅圖市的所有787裝配廠,并將其合并到公司在美國南卡羅來納州北查爾斯頓的工廠;空客公司將復合材料飛機A350減少到每月6架;2020年6月,美國東麗復合材料表示立即中止其在美國南卡羅來納州斯帕坦堡的工廠的運營,并大大減少其塔科馬預浸料工廠的產能。這些行動將導致在美國各工廠的勞動力減少約25%;美國赫氏第一季度凈利潤同比大降逾四成,宣布新一輪裁員減薪計劃;我們綜合判斷,航空航天用碳纖維對比去年同期減少30%。
 
關于航空航天市場的復蘇,基于對疫情及航空航天的體系復雜而緩慢的特點,我們預測在2024年恢復到2019年的需求水平。
 
 

7.2. 風電葉片應用市場

 
2020年,風電市場發展非常迅猛,整個產業鏈賺得缽滿盆滿,皆大歡喜。
 
2020年,從風電對碳纖維的需求看,維斯塔斯依然是主力;其他巨頭,如西門子-歌美颯、GE-LM、Nordex 等均在新的機型中,采用了碳纖維拉擠板制造與測試樣機。國內風電有三種工藝并行:預浸料鋪貼、多軸織物灌注、拉擠板,大多是樣機驗證階段,在2020年還未形成批量需求。三種工藝的對比中,拉擠板工藝基本勝出。
 
去年的報告中,我們曾擔憂“搶裝潮”之後的萎縮,以及疫情對風電的沖擊。結果年中的“碳達峰,碳中和”戰略的確定,導致了風電行業的激情萬丈的《風能北京宣言》:“在“十四五”規劃中,須為風電設定與碳中和國家戰略相適應的發展空間:保證年均新增裝機5000萬千瓦以上。2025年後,中國風電年均新增裝機容量應不低于6000萬千瓦,到2030年至少達到8億千瓦,到2060年至少達到30億千瓦。”基于北京宣言,幾乎每家風電廠及葉片廠均考慮擴大產能。
 
幾年前,足球在國內風電巨頭的腳下,碳纖維行業不停地催“趕緊踢出來啊!”從2021開始,足球是肯定到了碳纖維行業的腳下,風電巨頭會使勁催:“趕緊踢出來”,你們碳纖維不出產能,我們怎么敢規劃數萬噸的葉片需求啊?碳纖維產業準備迎接這幸福的“煩惱”吧!
 
 

7.3. 體育休閑應用市場

 
體育休閑市場十年來的需求發展情況如下,2020年的需求量為15,400噸。
 
體育市場的分市場份額如下:
 
疫情之下,群體運動的碳纖維器材,如曲棍(冰)球桿、滑雪桿等,有較大幅度的下滑;而個人體育休閑的器材反而上升,主要有高爾夫球桿,自行車及釣魚竿。另外,歐美這些年一直流行健康、綠色出行,對電動自行車也有較大的需求增長。
 
 

7.4. 汽車應用市場

 
之前的報告,我們反復提醒了全壽命周期的輕量化價值的概念;碳纖維復材從F1賽車到從超級車、超豪華車逐步擴大應用的規律與趨勢。在輕量化價值的計算中,除了節能降本的常規價值,綠色環保成本是一個因潮流而動的較大變動成本。
 
2020年在汽車復材領域,主要有如下大事:一是代表美國汽車復材應用水平的、通用汽車的雪佛蘭C8汽車的推出,其中最醒目的是車架部分材料弧形拉擠的碳纖維復合材料型材,另外還有部分玻碳混合的復合材料零件。2020年德國西格里分別與寶馬集團,中國蔚來汽車及北美一汽車公司批量制造電動汽車電池盒。2021年3月,廊坊的飛澤復材為蔚來ES6碳纖維(中國第一款批量采用碳纖維的車款)後地板5萬套下線。
 
關于燃料電池的氣態擴散層GDL, 國內目前有武漢理工、大化所、上海河森、江蘇氫電、濟平新能源、深圳南科、沈陽華天鑫等單位在從事研發。而國際上的主流廠家是東麗、西格里,以及燃料電氣巨頭巴拉德旗下公司。從GDL的工藝流程看,其中的不少技術與裝備與碳纖維及復合材料制備類似,僅從碳纖維紙的專用碳絲供應,國內就無碳纖維公司涉及。所以,碳纖維產業要盡快意識到這個責任,投入研發,不能讓這個GDL成為氫能源的卡脖子材料。
 
 

7.5. 壓力容器應用市場

 
2020年,氫能發展迅速,正在迅速成為各類交通運載工具的新的能源方式:歐盟宣布了650億歐元的刺激氫能產業鏈發展的“A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe”。美國加州的Universal Hydrogen正在建設氫能飛機的整個基礎設施,國際壓力容器傳統巨頭動作頻繁:
  • 2021年2月,佛吉亞與雷諾集團達成汽車的氫氣儲存的合作協議。
  • 2021年3月中集安瑞科控股有限公司欣然宣布旗下全資附屬公司CIMC Hydrogen Energy與Hexagon Purus HK簽署合資協議,成立合資公司為中國及東南亞快速增長的高壓氫氣儲運市場提供安全、經濟、高效的儲運解決方案。
  • 2021年2月份,佛吉亞宣布對中國高壓氣瓶公司斯林達大部分股權的收購。
 
2020年,國內的碳纖維壓力容器發展紅火,相關的碳纖維供不應求。7月份,氣瓶安全標準化與信息工作委員會發布了車用四型氣瓶的團體標準的征求意見稿,這是行業發展的重要事件,希望這個四型氣瓶標準盡快完成。2020年12月,斯林達車用IV型儲氫瓶通過“三新”評審,成為國內首家通過“三新”評審的車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶制造廠家。
 
高壓氫氣瓶的核心技術在于塑料內襯及碳纖維纏繞,其主要成本取決于碳纖維的成本。目前,很多氫氣瓶企業對碳纖維的戰略意義認識嚴重不足。以為這個是個市場化的產品,有錢就可以買到,今天各家需求就是個數百噸的小量,這個確實沒有問題。但是,當您需要萬噸時(這是完全可能在今後10年內實現的),這個時候,碳纖維的性價比及規模保障能力,就可能成為氣瓶企業最核心的競爭力。所以,提醒各家氣瓶廠,要以戰略合作伙伴的態度,與碳纖維企業深度、長期合作,盡早培養堅實的核心競爭力。
 
 

7.6. 混配模成型應用市場

 
混配模成型(Molding&compound)嚴格講,不是一個應用市場,而是對工藝的描述,但由于這些工藝橫跨的應用多,所以,把它歸類成一個應用,便于說明。混配(compound)是指非連續碳纖維增強塑料,主要包括短切增強和LFT。玻纖D-LFT在汽車領域的廣泛應用證明了這種復合材料形態的優勢。模成型(Molding)主要是指片狀模塑料Sheet Molding Compound-SMC,團狀模塑料Bulk Molding Compound-BMC。由于回收碳纖維的加入,讓這些非連續形態的,以及非連續形態加連續形態的混合結構,展現出一定的發展空間。
 
從事短切碳纖維增強塑料的,通常是改性塑料企業,比如SABIC、RTP、POLYONE、COMPTEX、POLYNT和廣東金發科技等。他們通常是從碳纖維企業采購短切碳纖維,采用雙螺桿混配造粒,然後在銷售給應用單位做注塑成型。
 
從事碳纖維片狀模塑料的企業主要有:美國QUANTUM、MAGANA、Ashland、Continental Structural Plastics和德國MENZOLIT等企業。對比與傳統的玻纖SMC、碳纖維SMC的浸潤性受絲束大小的影響較大,而浸潤性的好壞與力學性能相關聯,目前的碳纖維SMC還沒有實現其該有的力學性能優勢。
 
總體上講,這個領域的技術主要借鑒于玻璃纖維復合材料,其重大優點是高效低成本的成型工藝(主要是注塑與模壓)。碳纖維與玻璃纖維有較多的不同,還需要研發更新的技術,去充分展現碳纖維的更優的力學性能,否則很難在性價比上與同類的玻纖復材競爭。這個領域,存在著產業鏈重整的重大機遇與挑戰。
 
 

7.7. 建筑應用市場

 
建筑市場包含廣義上的工業民用建筑、道路橋梁、水庫大壩、圍堰碼頭等結構設施。碳纖維復合材料在基礎設施的應用中包含:既有建筑及橋梁結構的加固補強、管廊設施的維修養護、新建建筑的部分構件、橋梁纜索、橋面板等。上述應用市場中,有80-90%的碳纖維用于建筑橋梁的補強。加固類碳纖維制品主要包括碳纖維布、碳纖維網格、碳纖維板以及碳纖維筋。
 
現階段基礎設施加固材料領域除福瑞斯、西卡、東麗等國外品牌,以上海悍馬為代表的國產品牌正在快速崛起并已被國內外市場廣泛認可。此外,一些老牌工程材料生產企業也從傳統的鋼制品、混凝土行業逐漸向碳纖維制品行業轉型。這些新老企業向碳纖維行業的匯聚,極大地推動了碳纖維在此領域的發展和應用。
 
除作為加固材料出現在土木工程領域,在新建工程中碳纖維制品也逐漸嶄露頭角:
  • 2020開始建設的常泰長江大橋,將采用“最大尺度碳纖維復合材料拉索”作為六個“橋梁之最”; 
  • 2020年3月,由法爾勝泓昇集團提供碳纖維拉索的三垛西橋整體吊裝;
  • 2020年8月,三亞國際體育產業園體育場項目索結構張拉提升工程施工全部完成,上下環索間、內環的交叉索均采用了碳纖維索,這是碳纖維材料在國內外首次應用于大跨度空間結構,實現了新材料應用的突破;
  • 2020年10月,采用碳纖維拉索的興華路跨徒駭河橋開始搭建;
  • 2021年1月, 日本東京制鋼株式會社旗下東京制綱國際公司(Tokyo Rope International)宣布,該公司自主研發的碳纖維復合材料纜繩(CFCC)被成功用于美國漢普頓港口公路橋隧道擴建工程。
 
 

7.8. 碳碳復材應用市場

 
2020 年,碳碳復材的三大市場發展如下:
 
剎車盤市場:國際的主要企業是:法國的Messier-Bugatti 公司、美國的Honeywell 公司、B.F. Goodrich公司、Goodyer公司和英國的Dunlop公司。中國的飛機剎車盤主要有中航飛機股份有限公司西安制動分公司、博云新材、西安超碼等廠商。該市場發展平穩。
 
航天部件:主要企業是國內航天的相關院所,碳碳復合材料以其優異的性能成為大型固體火箭喉襯、發動機的噴管、擴散段、端頭帽等的首選材料。該市場發展平穩。
 
熱場部件:受“碳達峰、碳中和”政策刺激,單晶硅爐訂單暴漲,單晶硅爐內,主要有碳氈功能材料和坩堝、保溫桶、護盤等碳碳復材結構材料:國際企業是德國的SGL公司,日本的東海碳素公司等;國內從事碳碳復合熱場材料的單位包括湖南金博碳素、中天火箭、西安超碼、航天睿特、博云新材、中南大學、南方搏云等。預制體是碳碳復材重要的制造環節,國內的主要企業是:中材科技南京玻璃纖維研究院、江蘇天鳥高新技術有限公司、天津工業大學復合材料研究所、宜興市飛舟高新科技材料有限公司。
 
2020最大的熱點是光伏熱場部件的超高速增長,光伏龍頭企業有隆基、晶科、中環、晶勝機電、晶澳等,對單晶硅爐均有海量的需求。據國內預制體龍頭企業,江蘇天鳥繆云良總經理介紹:國內市場2020年增長了100%以上,整個行業處于嚴重供不應求狀態。
 
 

7.9. 電子電氣應用市場

 
2020年,電子電氣領域,市場在平穩增長。
 
首先是功能性應用領域:短切碳纖維增強塑料具有防靜電、電磁屏蔽等功能在復印機、打印機、數碼相機、數據傳輸電纜接頭等產品早已經有成熟應用,對比其他的如炭黑、金屬等類似材料,碳纖維增強塑料的成本降低,會帶來這個市場的穩定擴展。
 
力學增強方面:主要的產品形態有長碳纖維增強塑料(LFT)和連續碳纖維增強材料。LFT其實是一個介于短切與連續之間、兼顧了成本與性能的一個很有前景的產品形態,然後,熱塑界面的問題,如何在塑料中保持較長的長度及均勻分散問題,這些技術障礙阻礙了這個產品的更廣闊的應用。連續碳纖維增強材料,主要是用于輕薄筆記本的殼體,其中有經典工藝的熱固殼體,也有熱塑殼體。
 
2020年,行業主要新聞是:“聯想正式發布了YOGA Pro 13s Carbon 2021輕薄筆記本,機身采用了碳纖維和鎂鋁合金材質打造,重量僅966克”:“VAIO 與東麗合作打造世界首款立體成型碳纖維機身筆記本電腦,重量低至約958g,還能承受127cm的高度跌落,兼顧剛性及輕量化”。消費電子的輕薄化是長期的追求。
 
2020年,液晶平板顯示器生產過程的機器人的輕量化在繼續深化,越來越多的機器人部件批量使用碳纖維。
 
對于幾乎所有電子電氣行業(包括電池)來說,熱管理是個頭疼的事,其中主要是芯片與高功率器件的散熱問題,這其中的傳統解決方式鋁合金、銅箔、石墨板、熱管效應、冷水板等;新型的熱管理主要是人工石墨化紙,比如PI膜的石墨化。2020年,美國KULR Technology Group宣稱:他們將碳纖維制備成絨(微纖維平行排列),借助微纖維的較大的散熱面積,成為新型的熱管理技術,據稱:這是他們與NASA成熟應用于航天的熱管理技術,現在正在電池與電子電氣推廣應用。
 
 

7.10. 船舶應用市場

 
目前,船舶領域對碳纖維的需求主要是:競賽類船舶、超豪華游艇、高速客船及軍事用途的船舶。多年來,除了競賽類船舶,不斷追求復合材料新工藝及新技術,其他船舶的發展缺乏熱點。
 
2020年的新冠疫情非但沒有影響船舶市場,反而船舶市場的增長創造了新高(美國國家船舶制造商協會報告統計數據)。其中,水翼船是個發展熱點,而其中的水翼通常是碳纖維復合材料制成的。
 
除了上述典型的船舶,我們再次強調“漂浮式風電”中所涉及的海工裝備及材料的創新。深海油田非常受國際石油價格的影響。而海上風電的前景是明確的,也必然會走向深海,這需要借鑒深海油田的現有技術,去大力開發碳纖維復合材料在其中的應用技術。
 
 

7.11. 電纜芯應用市場

 
2020年,我們統計的全球需求是1,000噸,對比2019有所下滑。
 
2020年,CTC Global推出了CTC Global宣布ACCC InfoCore™系統和首次商業部署。該系統可快速、準確地確保ACCC® Conductor的正確安裝。
 
2019年12月10日上午“內蒙古錫盟—山東”特高壓配套工程-大唐錫林浩特電廠1000千伏送出線路,正式并網投運。這也是目前世界上首條全線路應用碳纖維復合導線的特高壓工程。這是中復碳芯電纜科技公司制作的。
 
2020年國內外電纜芯市場比較平靜,國際上只有少數幾條新建電網線路采用了復合材料電纜芯,而國內電網只是給出了幾個省級電網的改造訂單。
 
采用類似工藝的碳纖維復合材料拉索,2020年有巨大的進步。除了上述建筑應用市場的介紹,本章也希望多一些介紹拉索。
 
除了上述的常泰長江大橋、海南三亞體育館,國內還有數個大橋的設計規劃中,安排了碳纖維復合材料拉索,比如山東聊城興華路徒駭河大橋等。早在2005年,東南大學呂志濤院士等主持設計和修建了國內第一座碳纖維復材索斜拉橋,中冶建筑研究總院岳清瑞院士團隊及清華大學馮鵬教授課題組對這個領域有多年的研究與工程實踐。總體而言,無論是比強度、疲勞壽命及耐腐蝕性,碳纖維復合材料拉索比鋼索均有巨大的優勢,但碳纖維復合材料的橫向性能較弱,導致了錨固的難題。利用碳纖維本身的高強度來形成錨固,索錨一體化碳纖維復材應該是解決這個問題的好思路。中復碳芯也是索錨積極開發者。
 
 

7.12. 其他應用市場

 
 

軌道交通

 
2020年9月,川崎重工向日本四國旅客鐵道公司(以下稱JR四國)交付了4臺采用碳纖維增強樹脂基復合材料彈簧的鐵道車輛轉向架;2021年1月,首臺具有完全自主知識產權的高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在西南交通大學九里校區正式啟用,樣車采用全碳纖維輕量化車體、低阻力頭型,整體重量達12噸左右,懸浮高度10毫米左右。
 
在發展軌道交通復合材料方面,中國有著世界其他國家不可比擬的綜合優勢,主要的短板還是產業鏈中低成本碳纖維的供給以及系統研發能力。這其中,既有軌交體系的應用技術的問題,也有復合材料領域的創新工藝的問題。可喜的是,2020年,軌交體系與復合材料體系的聯合研發越來越密切,這個研發聯合體的力量會越來越強大,軌交體系也正在醞釀自身的復合材料科研體系。
 
從碳纖維產業的發展來講,今後3-5年,是低成本大絲束碳纖維發展的黃金年份,數萬噸的碳纖維的產能將供應市場,軌道交通與相關的碳纖維及復合材料企業如在此基礎上加大研發與工程實踐的力度,我想這會給上述兩個行業構建一個無比美好的前景。
 
 

碳纖維功能材料

 
碳纖維的主要功能性應用,除了傳統的阻燃材料:預氧絲、預氧氈,還有傳統的熱場材料:碳氈、石墨硬軟氈、電熱毯;還有傳統的防靜電、電磁屏蔽材料:短切碳纖維、磨粉增強塑料等等。
 
新型的碳纖維功能材料,主要有:
 
  1. 燃料電池的氣態擴散層(GDL);
  2. 液流電池的電極材料的碳氈(石墨氈);
  3. 替代鉛酸電池的鉛板電極的碳氈板;
  4. 替代鋰離子電池的能量密度的多微孔碳纖維材料;
  5. 預氧氈 二氧化硅氣凝膠制備的阻燃、靜音、疏水、保溫的多功能材料,可用于電動車電池之間的隔離、可用于各類技能或功能建筑、也可用于潛艇、坦克等的靜音……
 
碳纖維功能化的主要趨勢是:在碳纖維這個微米尺度上的納米化,這包括了碳纖維單絲上生長碳納米管,碳納米纖維,在碳纖維的單絲中形成納米孔隙等。這是一個納米物質宏觀化的優良途徑!碳纖維的功能應用前景極其廣闊,理應引起國內各種研究機構的高度重視。

 

透過上述文章的介紹

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