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碳纤维未来的机遇(下)

航空航天领域:民航及航空装备是拉动需求的又一重点

碳纤维复材在民航结构件上占比可高达50%

航空航天领域的产品耗资巨大,即使是很小的减重也能对总成本产生巨大影响,据波音公司估算,喷气客机质量每减轻 1 kg,飞机在整个使用期限内可节省 2200 美元。美国 NASA 数据显示,航天器每减重 1 千克,将增加 1kg 有效载荷,可以节约 2 万美元。因此材料的轻量化在航空航天领域至关重要。

全球航空航天领域碳纤维近几年稳定增长,2019 年需求 2.35 万吨,同比增长 12%。Mordorintelligence 预计全球航空碳纤维市场 2019 年-2024 年复合年增长率将超过 11%。中国市场 2018 年需求 0.11 万吨,同比增长 22.2%,高于全球水平。中国市场在全球市场的占比逐年增长,从 2015 年的 3.1%增长到 2019 年的 4.68%,2022 年有望占全球航空航天领域碳纤维需求的 6.3%。2017 年,经过了前几年的技术研究和下游产品的研发准备,随着新航空航天设备研制结束,批产期到来,国内航空航天领域碳纤维需求迎来快速增长,根据赛奥碳纤维预测,随后两年都有望保持 20%以上的高速增长。

1970 年代起碳纤维开始在飞机阻流板、升降陀等二次构造材料上被使用。积累了实际使用经验后,1980 年代后期开始,尾翼和客舱等一次构造材料上也逐渐开始使用碳纤维。美国波音公司和欧洲空中客车公司这两家大型飞机生产企业在各机型上不断增加碳纤维的使用量,飞机零部件使用的碳纤维型号也从早期的 T300 变化成 T700、T800 以及高模高强的 M 系列碳纤维。

2007 年投入运营的空客 A380 以及 2009 年起航的波音 787 单机都使用了超过 30 吨的碳纤维增强复合材料。波音 787 的主翼和舱体全部采用碳纤维增强复合材料制造生产,外板也采用全碳制造,碳纤维增强复合材料占据了其结构重量的约 50%,可以说是一款划时代的飞机,该款机型是 2015 年前拉动碳纤维需求增长的主要驱动力。2016 年开始,空客 A350 成为增加碳纤维需求的重要助力,2017 年空客 A350XWB 交付 78 架,比 2016 年增加 60%。此外,2019 年亮相的波音 777X 对发动机和复合材料机翼则进行了优化设计,革命性地采用整体翼梁设计,机翼长度达 32 米,4 根翼梁需要约 640km 碳纤维丝束,降低了 777X 的空机重量。

商飞及航空装备有望拉动我国碳纤维需求

商用飞机是未来驱动我国碳纤维需求增长的重要引擎。我国的民航飞机企业中国商飞公司研发的国产客机也应用了碳纤维,C919 是碳纤维材料首次在国产客机大规模应用的机型,碳纤维复合材料用量约为 12%,主要采用 T300、T800 级别的碳纤维。应用部位包括水平尾翼、垂直尾翼、翼梢小翼、后机身(分为前段和后段)、雷达罩、副翼、扰流板和翼身整流罩等。此后,C919 系列飞机的复合材料比例有望逐渐提高,复合材料产业链将会朝国产化进一步迈进,推动国内碳纤维企业发展。


      据商飞规划,中国商飞公司与俄罗斯联合航空制造集团联合研制的远程宽体客机 CR929 的碳纤维复合材料用量预计超过 50%,主要运用 T800 级别的碳纤维。据复合材料传媒报道,中航复材受中国商飞委托开展 CR929 用碳纤维复合材料研究工作,光威复材、中简科技、恒神股份等公司也在推动 T800 级别碳纤维的研发开发。


根据新材料在线报道,我国首次使用航空复合材料要追溯到 1970 年代中期,歼 12 飞机的进气道壁板使用吉化的高强一号碳纤维制造。其他机型在不同部位也应用了碳纤维复合材料,占比 0~20%不等。军用碳纤维的应用涉及国防安全问题,由于日本和美国对我国禁运,所以碳纤维国产化十分迫切。中国对国防军工碳纤维的研究始于 1962 年。 20 世纪 80 年代,通过从国外引进碳纤维技术和设备,我国碳纤维行业才开始发展。本世纪初,我国开发出了 CCF300 和 HF10A 型号碳纤维,与东丽 T300 性能相当。根据公告,光威复材在攻克 T300 级技术后,在 T800 级高强中模碳纤维生产技术的攻克也取得突破性进展,其 T800 产品已被选用验证。


根据飞行国际的数据,我国约 60%的军用飞机面临退役,将换成新一代空战力量,这将在很大程度上拉动高端碳纤维复合材料的需求。在常规武器装备领域,我国武器的更新换代也迫切需要采用轻质高强、耐腐蚀的碳纤维复合材料来替代以往的金属材料,可见碳纤维市场需求将不断增长。


国产航天级碳纤维突破技术封锁

航天方面,向宇宙发射搭载了卫星等设施的火箭和太空梭需要消耗大量的财力和能量。因此,减轻材料的重量至关重要。碳纤维对于人造卫星和火箭等的大型化上做出了重要贡献,如国产人造卫星的结构体、太阳能电池板和天线中使用了碳纤维复合材料。高真空环境中,在强烈宇宙射线和紫外线的暴晒下,碳纤维材料的热膨胀系数仅为金属材料的 1/10 左右,具备对抗温度变化的稳定性。碳纤维还具备优异的比强度、比拉伸模量和各向异性,是最适合宇宙用途的材料。今后随着通讯卫星等设备发射数量的增加,碳纤维的市场将不断扩大。


      我国航天级碳纤维制造技术在不断突破美日的技术封锁,根据公告,现在国内光威复材、中简科技、中复神鹰已经有能力生产 MJ 级别的高强高模碳纤维。


汽车船舶领域:优化制造成本将有望打开市场


      碳纤维在汽车、船舶等交通工具的制作上都有不小的贡献。赛车首先使用了碳纤维增强复合材料,不仅实现了轻量化,高强度和高刚性的车架还具备高冲击力吸收的能力,为驾驶员的安全提供了必要保障。碳纤维增强复合材料的优越性能被赛车证实后,在高级车上也开始普及,在构造部件和外部部件都有所应用。碳纤维同样活跃于小船,游艇,大型船艇等船舶上,其轻量化的特性能提高船舶的航行速度,还能节省燃料。碳纤维增强复合材料和以往使用的玻璃纤维复合材料有近似的中间基材形态和成型法,能较容易地进行材料替换。


2019 年汽车领域碳纤维需求 11800 吨,增速为 9.26%。预计未来两年仍有望保持 10%左右的增速。


节能减排政策推动汽车轻量化

汽车产业是国民经济和社会发展的重要因素,是国民经济的重要支柱产业。随着我国经济快速发展,城镇化进程持续推进,汽车需求量在长时间内仍将保持增长势头。但汽车大量增加会带来能源紧张和环境污染问题。为了缓解能源紧张和环境污染带来的压力,实现汽车产业可持续发展,亟需发展节能汽车与新能源汽车。


      我国于 2005 年开始实施乘用车单车油耗限值标准,现已经历了三个阶段,2016 年进入第四阶段。国务院于 2012 年发布了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012—2020 年)》,提出了第四阶段国家乘用车产品平均燃料消耗量是 2020 年降至 5.0L/100km 的目标。在工业与信息化部 2015 年发布的《中国制造 2025》中又提出 2025 年降至 4L/100km 左右的目标。



       为了满足规定的油耗指标,汽车制造商可选择两条路,一是提高发动机效能,二是车身减重。我国由于技术积累等原因,短期内难以在提高发动机效能方面取得进展。传统发动机的油耗改进措施有限,很难满足平均油耗降到 5.0L/100km 的目标。2016 年国产传统车平均燃料消耗 6.83L/100km,离 5.0L/100km 甚至 4L/100km 的目标仍有一定差距。但是轻量化的道路无疑前景广阔。实验证明,一般整车重量每减少 10%,油耗可以降低约 6%-8%;汽车整备质量每减少 100 公斤,每百公里油耗可降低 0.3-0.6 升,因此为了满足平均燃料消耗量 2020年降至 5.0L/100km、2025 年降至 4L/100km 的目标,传统内燃机汽车轻量化是降低油耗的必然选择。


不仅是中国,全球汽车厂商同样面临严峻挑战。美国奥巴马政府于 2012 年出台的方针,要求 2025 年前美国汽车每加仑汽油行驶 87.7 公里,即每 100 公里耗油大约 4.32 升。2018 年 8 月 2 日,特朗普公布计划下调奥巴马时代制定的新车燃效标准的提案,2020 年联邦政府将不再出台新的燃效标准,建议未来燃效标准停留在 2020 年每加仑汽油行驶 56.3 公里,约每 100 公里耗油 6.72L 的水平,但此举遭到包括加州在内的美国 19 个州以及华盛顿特区的反对。欧盟委员会于 2015 年出台新的减排法规,规定到 2021 年欧盟境内销售的新乘用车二氧化碳排放量上限为 95g/km。严格的排放法规使各大汽车厂商纷纷采取行动,将节能减排纳入未来发展战略的重要组成部分,与此同时,作为节能减排的重要措施,汽车轻量化受到各大厂商的重视。

碳纤复合材料有望成为汽车结构件轻量化材料首选

汽车轻量化的主要手段包括选用轻质材料、优化结构设计和改进制造工艺等。相比于前者,优化结构设计和改进制造工艺带来的减重效果较小,因此目前实现汽车轻量化主要方向是选用轻质材料。


      现阶段应用最广的汽车轻量化材料是铝合金,在轮毂、发动机、散热器、 油管等方面有着应用广泛。铝的密度仅为钢铁的 1/3,导热性和耐腐蚀性好,且铝合金强度高、吸能性好。但铝合金工艺复杂且后续维修费用高,普通车企还需要攻克焊接等一系列技术难题才能将此材料应用到汽车生产中。



      镁合金也很适合用于制造汽车零件。镁是实际应用的金属中最轻的金属,其密度约为铝的2/3。镁铸件最早应用于车轮轮辋,现也应用于离合器壳体及踏板、座椅、转向柱部件、转向盘轮芯、变速箱壳体、发动机悬臵、气缸盖及罩盖等零部件。但镁合金车身板件的制造加工成本要比铝制板件高出 3 至 4 倍,因此并没有被广泛使用。



      相比之下,碳纤维密度小、耐腐蚀、比强度和比模量高、易成型、还能节能抗震,是优异的汽车轻量化材料,目前主要应用于车身、底盘、保险杠等零部件。车身和底盘是汽车零部件中重量最大的部分,占了总重的约 60%,最具轻量化潜力。材料的强度和模量是选择车身底盘材料时最重要的力学指标,碳纤维在这两方面远优于其它材料,此外,碳纤维在碰撞中的能量吸收能力是钢或铝的 4-5 倍,用于车身结构部件时能提供良好的安全保障,因此碳纤维有望成为汽车结构件首选材料。若用碳纤维复合材料结构制造车身,可比钢体车身减重 60%,提高 30%以上的燃油效率。根据 Tetsuyuki Kyono 的模拟测算,当汽车整车的 17%由碳纤维增强复合材料制造时,整体车重可减少 30%,减重效果显著。


宝马 i3 成首款全碳纤维车架的量产车

宝马作为汽车制造行业的风向标,是率先将碳纤维应用到车体制造中的品牌之一。在 2013 年宝马 i3 全球发布会上,公司指出碳纤维材料首次大量引入宝马 i3,并专门采用了新的设计理念,由 Life 和 rive 两个模块拼合来打造 i3。具体来说:Life 模块是乘员舱结构,采用的是碳纤维增强复合材料,大幅降低了整车重量;Drive 模块是底盘,采用的是铝合金材质,电池和发电机臵于 Drive 模块中。i3 整车重量为 1248kg,约使用了 200-300kg 碳纤维复合材料,占比约为 16%-24%。车身重量比传统电动车减轻了 250-350kg。

为了解决碳纤维的原材料供应问题,降低碳纤维成本,宝马曾收购德国西格里(SGL)的部分股权,并和西格里成立了合资公司 SGL ACF 专门生产碳纤维。除了宝马外,其他汽车厂商也逐步扩大碳纤维在汽车上的应用。国际上主要大型汽车厂商和碳纤维生产商正在形成合作伙伴关系,通过合资、入股、联合开发的方式共同开展碳纤维研究。

成本问题限制碳纤维汽车大范围推广

自从 1981 年碳纤维复合材料被运用于迈凯伦 Mclaren MP4-1 车型,亮相 F1 赛车场之后,便进入了汽车制造的应用中。但到目前为止,碳纤维复合材料仍主要应用在高端跑车上,没有得到大规模应用,原因主要来自于高昂的成本。


      碳纤维的材料加工成本过高。正如上文提到的,目前 90%以上的碳纤维生产采用的是 PAN 基碳纤维。PAN 基碳纤维的生产流程需要精细的制造工艺、原材料预处理,对设备提出很高的要求,比传统的金属加工流程复杂得多。PAN 基碳纤维的生产流程最重要的一环便是对工艺的把控,有时一条同样的生产线,采用的设备、原材料和设臵的生产参数完全相同,生产出的碳纤维质量却很可能有很大差异,需要大量的生产经验积累才能把控好制造工艺。此外,PAN 基碳纤维的生产前驱体(Precursor)是化工产品,价格直接与国际油价挂钩,前驱体的成本占据了碳纤维材料成本的 43%,油价波动极大影响了碳纤维的材料加工成本。因此,碳纤维车身的价格要远高于传统的钢铁车身,钢铁车身加工成本每磅只要 4 美元,而碳纤维车身每磅 16 美元,是钢铁车身成本的四倍,尚达不到可大规模生产的竞争力。



       此外,碳纤维车身的修复成本也是阻碍碳纤维汽车大范围推广的一大难题。碳纤维车身通常一体成型,如果受到撞击造成损坏只能将整体结构全部更换,无法像传统钢铁车身那样修复,用碳纤维布和环氧树脂填补的方法无法修复已被破坏的车身整体结构,修补后的车身结构强度无法恢复到原来的指标,车辆的使用风险增加。对此,宝马采用不加热的胶粘铆接工艺对新型材料车身结构进行修复,通过胶粘使车身具有牢固的连接效果,胶粘部分还会再用铆接进行强化,恢复车身的安全性能。
      体育休闲领域:市场规模稳定



      体育休闲领域是碳纤维最早应用的领域之一。早在 1970 年代,碳纤维就被应用于钓竿的制作。现在,在体育休闲领域,碳纤维主要用于钓竿、高尔夫球杆、网球拍等产品的制作。传统的钓竿由竹子制成,又长又重,操作起来很麻烦。工业化生产的现代合成材料钓竿的第一代产品是玻璃钢制成的钓竿。但现在上等的钓竿需要达到尺寸便携,质量轻,硬度高的性能,以便垂钓者可以精确投掷鱼饵,及时捕捉鱼上钩的信号以及快速收线,在这方面玻璃钢杆已经无法满足消费者需求了。奥林匹克钓具公司于 1972 年首次推出了用东丽的碳纤维制成的“世纪鱼竿”,这根鱼竿的重量约为玻璃钢杆一半,真正实现了钓竿的轻量化。现在低端的钓竿采用玻璃钢或密度较差的碳纤维制成,而高端的钓竿则由碳纤维或纳米硼纤维制成,后者的主要材质仍是碳纤维,但在碳纤维素材中加入了 10%-20%的纳米硼纤维。
       高尔夫球杆同样需要高强度、轻量化的性能,因其要求能准确地将高尔夫球朝指定方向打向击打并能够达到足够远的地方。最早的高尔夫球杆由山核桃木材等天然材料制成,自 1920 年代起出现了钢铁杆,1970 年代以后碳纤维杆成为了主流球杆。现在几乎全部木制高尔夫球杆以及 65%的铁制高尔夫球杆都已经被碳纤维球杆所取代,碳纤维已成为推动高尔夫球运动发展的重要材料。



      网球拍的材料也同样经过木制、钢铁、铝合金到碳纤维的演变。碳纤维复合材料制成球拍拥有击球速度快、耐久性好、设计灵活性高等特性。美国于 1974 年首次推出碳纤维制球拍,中国台湾更是通过制造碳纤维球拍奠定了自己在全球复合材料加工技术上重要的地位,成为网球拍王国。1978 年光男公司从国外引进碳纤维复合材料制造碳纤维拍,在这之后短短的几年间,碳纤维拍不但淘汰了传统的木制球拍,还改变了世界网球拍的产销结构,职业比赛的球拍碳纤维含量可达 66%。



       自行车是近年来碳纤维在交通工具/体育休闲领域中得到很大发展的一项应用。目前铝制车架成型车的重量约为 9.5kg,而碳纤维车架成型车的重量被控制在 7kg 以下,碳纤维框架实现了相比铝框架近 30%的轻量化,在山地车和公路自行车上十分适用。此外,撑杆、弓箭、滑雪板、皮划艇等运动器材也有碳纤维的应用。
       2019 年体育休闲领域碳纤维需求为 15000 吨,同比增长 5%。体育休闲碳纤维市场产业规模稳定,市场趋于饱和,短期内不会出现快速增长或明显下滑。


其他领域:有望成为新的快速增长点


       ●高压容器


美国和欧洲国家的天然煤气罐以及用于消防及医疗用途的空气呼吸机等高压容器的制作都已经开始广泛采用碳纤维材料,日本和其他的亚洲国家也对这项应用抱有兴趣。以往的铁制气瓶重量大且重心高、安全性偏低,采用碳纤维制造的气瓶能比铁质气瓶减少约 1/3 的重量。此外,高压容器的对破裂特性要求很高,碳纤维的高比强度性能在这方面能有效发挥优势。东丽、帝人、三菱丽阳、西格里等企业都有能应用于压力容器的碳纤维产品。


      随着燃料电池突破低成本,高压氢气瓶迎来强劲需求。此外,欧美兴起的页岩气收集、运输、贮藏产业需要高压气瓶,由此推动碳纤维压力容器的需求。虽然目前碳纤维压力容器的市场不大,但却有着较大的增长空间。


燃料电池汽车的发展推动储氢罐碳纤维需求增长

各国政府大力扶持燃料电池汽车的发展,推动了用于制造燃料电池汽车储氢罐的碳纤维需求迅速增长。


美、日、韩、法将推广氢燃料电池汽车提升到了战略层面:2018 年美国起草中西部各州替代燃料运输走廊行动计划,建立电动、燃料电池和 CNG 动力乘用车、卡车和公共汽车均可补充动力的运输路线;日本政府 2017 年 12 月 26 日正式发布了“氢能源基本战略”,主要目标包括到 2030 年左右实现氢能源发电商用化,以削减碳排放并提高能源自给率;据《韩国先驱报》2019 年 1 月报道,韩国政府发布了一份提高国内氢燃料电池电动汽车(FCEV)使用的发展路线图,目标是到 2040 年生产 620 万辆氢燃料电池电动汽车,并在全国建立 1200 座加氢站;法国发布国家氢能计划,2019 年投入 1 亿欧元用于氢能工业、交通及储能等领域。



       燃料电池汽车所用的氢燃料在常温常压下为气态,密度仅为空气的 7.14%,车载储氢技术的改进是氢燃料电池车发展的关键。将气瓶作为储存容器,通过高压压缩方式储存气态氢是应用最广泛的储氢方式。高压气态储氢容器共有四个型号,I 型为纯钢制金属瓶,II 型为钢制内胆纤维缠绕瓶,III 型为铝内胆纤维缠绕瓶,IV 型为塑料内胆纤维缠绕瓶。其中 I 型、II 型储氢容器因重量过重、储氢密度低、容易发生脆断,难以用于车载储氢;III 型、IV 型瓶由于制作内胆和保护层的材料密度低、气瓶质量轻、单位质量储氢密度增加。因此,燃料电池汽车储氢罐大多使用 III 型、IV 型这两种型号。




       欧美和日本的多家汽车公司如通用、丰田、本田已经开始使用质量更轻、成本更低、储氢密度更高的Ⅳ型储氢瓶。我国的技术水平距国外还有一定差距,现阶段用于乘用车储氢罐的成熟产品为 III 型储氢罐,Ⅳ 型储氢瓶仍处于研发阶段。
2014 年上市的丰田 MIRAI 是世界上第一款实现商业化的燃料电池汽车。MIRAI 共有一大(117L)一小(24L)两个 Ⅳ 型高压氢气罐,外壳中层采用碳纤维复合材料。



我国储氢罐碳纤维需求测算

我国 2017 年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提出我国燃料电池汽车规模目标为:2020 年要达到 5000 辆,2025 年要达到 5 万辆,2030 年要达到百万辆。

现阶段我国氢燃料电池汽车还局限于客车和专用车。GGII 数据显示,2019 年我国共生产氢燃料电池汽车 3018 辆,同比增长 86.41%。其中客车共 1335 辆,占 44%;专用车共 1683 辆,占 56%。预计我国氢燃料电池客车和专用车 2020-2025 年将进入区域成熟阶段,2025-2030 年将进入快速增长阶段;而燃料电池乘用车预计 2020-2025 年将会进入阶段量产阶段,2025 年后将进入商业化应用阶段。假设每辆氢燃料电池客车和专车消耗 320kg 碳纤维,2025 年氢燃料电池汽车产量达到 5 万辆,则碳纤维需求量将会达到 16000 吨,2020 年至 2025 年复合增长率达 58%。


土木建筑

碳纤维是建筑补强的最佳材料,因其轻便且强度高,不需要用到重型机械就可以贴合金属板,只要在施工现场经树脂浸渍强化后就能进行施工。除了高比强、高比拉伸模量的特性外,碳纤维还具不生锈的特性,在海岸潮湿环境下,相比于易生锈的金属有不易被腐蚀的优势。日籍建筑师隈研吾与建筑材料生产商小松精练合作,利用碳纤维建造了全球首幢碳纤抗震建筑,该大楼主体以混凝土建成,以碳纤维作地基,使用了小松精练的热塑性碳纤维制成包围整幢建筑的碳纤维杆。我国南昌的生米大桥的主桥跨中桥面板及引桥梁体、匝道、桥墩桥台部位在 2017 年修复时采用了粘贴碳纤维布的施工工艺,增强了桥梁结构强度。

欧美和日本的研究经验表明,碳纤维复合材料加固后的房屋具有良好的抗震防震效果。我国的建筑质量和震区的危房加固成效与欧美和日本相比尚有一定差距,也正因为如此,碳纤维在我国土木建筑领域的研发及应用大有可为。

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