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碳纤维在国际市场的应用情况分析

来源:新材料在线|

发表时间:2018-07-10

点击:4455

1. 应用现状


碳纤维很少直接应用,大多是经过深加工制成中间产物或复合材料使用,碳纤维复合材料作为结构件或功能件现已广泛应用在航空航天、工业和体育休闲用品三大领域。


碳纤维以其质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等特点最早应用于航天及国防领域,如大型飞机、军用飞机、无人机及导弹、火箭、人造卫星和雷达罩等,且航空航天领域用碳纤维的性能等级相对而言是最高的。


在工业领域,碳纤维广泛应用在汽车、电缆、风能发电、压力容器、海洋产业、电子器件、工业器材和土木建筑等。


在体育休闲用品领域,高尔夫球杆和钓鱼竿最早获得应用,近年来,自行车、网球拍、羽毛球拍等体育用品也越来越多的使用碳纤维材料,一般使用T300级碳纤维就可以满足需求,但为了提升产品性能,部分部件也已开始使用T700级甚至更高性能碳纤维。


从国际市场来看,2014年全球碳纤维需求量约5.4万吨,2015年达7.4万吨,2016年8.3万吨。近8年,碳纤维需求量的复合增长率达8.9%,未来年均增长率将超过10%,2020年需求量将超过13万吨。


表:全球碳纤维需求量(万吨)


2015年,碳纤维的主要的下游应用是航空航天1.78万吨/24%、汽车1.11吨/15%、风电叶片1.63万吨/22%、体育休闲0.89万吨/12%,合计5.4万吨,占比73%。未来随着碳纤维复合材料成型技术的不断发展,下游应用领域的不断开拓,尤其是航空、汽车、风电叶片的强劲增长以及其带动作用,


图:国际应用领域



2. 航空航天领域


碳纤维复合材料得以在航空航天工业中大规模应用,不仅因为它能够实现减轻飞行器重量、节约能源、增强巡航能力的目标,还要归功于它拥有较高的强度和耐腐蚀、抗疲劳等理化特性。


2015年航空航天领域对碳纤维的需求量达到1.78万吨,其中仅商用飞机的需求即占68%的比例,是目前航空工业中对碳纤维需求最大的市场。结合全球碳纤维发展情况和航空航天领域对碳纤维的需求情况,2020年需求量可能达到2.7万吨。军用飞机和商用飞机的需求在2011年为7,010吨,到2015年增长至14,100吨,年均复合增长率为16.9%,预计到2020年需求量将增至19,600吨,年均复合增长率为8.4%。


航空航天领域对碳纤维的需求主要来自两大方面,一是不断增加的碳纤维复合材料的应用比例,二是新增的飞机订单,预计2020年,航空航天对碳纤维的需求将达到2.7万吨。


图:2015年航空航天领域需求分布


资料来源:2015年全球碳纤维复合材料市场报告


民用航空方面,碳纤维复合材料自20世纪70年代首次被应用在飞机上的一些二级结构,如整流罩、控制仪表盘和机舱门;近三十年来,碳纤维复合材料的使用逐步进入到机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。


目前世界两个最大的客机——波音和空客,均采用碳纤维结构,平均可实现重量降低20%、燃油成本降低20%。其中,以波音787和空客A350最为抢眼,波音787全机身55%的重量使用碳纤维增强复合材料CFRP。空客A350全机身53%的重量使用碳纤维增强复合材料CFRP。


图:国外大飞机碳纤维复合材料占比


资料来源:波音官网、空客官网


军用航空方面,碳纤维复合材料得到了国内外的充分重视。目前复合材料已经应用在战绩机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显减重作用。根据中国材料研究学会的数据显示,采用复合材料的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%。例如,美国不断在先进战机中提升碳纤维复合材料的使用比例,从F-15E的2%,F-18E的19%,到第四代战斗机F-22中使用24%的碳纤维复合材料。


此外,近年来无人机(UAV)包括无人作战机(UCAV)发展迅速,由于低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点,决定了其对减重的迫切需求,复合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的,美国全球鹰(GlobalHawk)高空长航时无人侦察机共用复合材料达65%,先进无人机复合材料的用量更是不断提升,X-45C、X-47B、“神经元”、“雷神”上都运用了90%的复合材料。近年来无人机除广泛用于军事用途外,在灾情巡逻、环境监控、大地测量空中摄影及气象观察等民用领域的用途越来越广,随着这些飞机逐渐形成批量生产,复合材料在无人机上的用量会继续增加。


在航天领域,碳纤维复合材料不仅符合航天技术对结构材料减轻质量的要求,还符合对结构材料具有高比模量和高比强度的要求,具有性能和功能的可设计性,被大量应用。此外,航天飞行器的重量每减少1公斤,就可使运载火箭减轻500公斤,因此,在航空航天工业中普遍采用先进的碳纤维复合材料。美国、欧洲的卫星结构质量不到总重量的10%,原因就在于广泛使用了高性能复合材料。目前卫星的微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件等已经基本做到了复合材料化。在运载火箭和战略导弹方面,碳纤维复合材料以其优异的性能得到了较好的应用与发展,先后成功用于“飞马座”、“德尔塔”运载火箭、“三叉戟”Ⅱ(D5)、“侏儒”导弹等型号;美国的战略导弹MX洲际导弹,俄罗斯战略导弹“白杨”M导弹均采用先进复合材料发射筒。


3. 汽车领域


随着排放标准趋严及低碳生活被人们普遍接受,节能减排已成为汽车工业的重要研究课题,在能源革新有限的情况下,轻量化是解决问题的关键之一。


2015年全球汽车总销量为8,910万辆,相比2014年的8,717万辆增幅为2.2%,预计2020年产能将达到1亿辆。2015年全球碳纤维汽车市场需求量达到了1万多吨,预计到2020年将超过2万吨,未来五年年均增速高达21%,将成为增长最快和需求最大的领域之一。


图:汽车领域碳纤维需求量


资料来源:2015年全球碳纤维复合材料市场报告


1) 超跑——最先引入碳纤维


汽车行业引入碳纤维复合材料的原因主要是相比传统钢材和铝材,碳纤维的刚度更强,但重量更轻。但碳纤维材料因为高成本、生产周期长,以及供应链不稳定等,汽车行业最先是在低产量、价格昂贵的超级跑车上使用。


1981年麦克拉伦公司最先在其F1赛车MP4/1上使用了一体式碳纤维车架。2000年后法拉利、兰博基尼等超级跑车制造商也开始在使用碳纤维复合材料造车。其他汽车厂商使用碳纤维材料也大多是在部分车身配件和内饰上使用,其目的更多是为了减轻重量、突出高端运动车性能。


2) 减重——碳纤维需求增长驱动力


政府制定严格的车辆燃料经济性标准和二氧化碳排放法规,是汽车选择碳纤维复合材料的重要推手。车身整体重量的减轻是非常有效的控制尾气排放的手段。汽车重量每降低100公斤,排放量可下降20g/km,普通车需减重245kg才能达到要求的排放标准,电动车需减重50%以上。在所有轻量化材料中,碳纤维复合材料是唯一能将钢质零部件减重50~60%,并保持同等强度的先进材料。


各国近几年均发布了二氧化碳的排放标准。美国于2010年4月和2012年8月分别发布了针对2012-2016(第一阶段)和2017-2025(第二阶段)的轻型汽车燃料经济性及温室气体排放规定,要求2025年美国轻型汽车的平均燃料经济性达到54.5mpg。《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》(简称“国六标准”)于2016年12月23日正式发布,将从2020年起正式实施。标准要求,我国2015年CO2排放为155g/km,2020年需降至112g/km;2015年平均油耗为6.9L/(100km),2020年需减至5.0L/(100km)。


表:主要国家地区燃料消耗目标对比


资料来源:ICCT


图:相同功能的材料质量相对钢材轻的比例


资料来源:SGL


3) 规模化、产业一体化整合——宝马引入碳纤维结构件


目前,世界各主要汽车厂商,包括宝马、奔驰、奥迪、通用、福特等,都纷纷布局碳纤维产业,并逐步推出导入碳纤维技术的车型。其中,以宝马公司最为突出。德国宝马公司积极购入上游碳纤维工厂股份,与西格里(SGL)成立碳纤维合资公司,联合开发碳纤维增强复合材料,将碳纤维科技大量运用在宝马量产车款上,不仅保证了供应商的稳定,缩短生产周期,同时也将成本降低了30%。


截至2015年,宝马集团车用碳纤维的年产能达到9000吨。宝马汽车在中游三十多种零部件使用了碳纤维复合材料,其中隔音板、前端支架和座椅结构占比最高。


2014年宝马i3全碳纤维车身电动车量产,成为第一个大批量使用碳纤维作为车身材料的整车厂商。宝马i3整车重量仅为1195公斤,相比传统电动车减轻250-350公斤,同时具备最高性能的碰撞安全保护,电池容量仅20kwh,续航里程达160公里,比传统电动车续航里程提高52%。此外,宝马i8将碳纤维应用到车身和内饰中,使车身总重控制在1,540公斤。2015年7月1日,全新第六代BMW7系汽车在丁格芬工厂正式投产,这是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。


图:国外主要汽车厂商与碳纤维供应商合作现状


资料来源:中国产业信息网


4) 总结—碳纤维应用在汽车领域


1) 轻量化。碳纤维应用于汽车后,给汽车制造带来最明显的好处就是汽车轻量化,最直接影响的就是节能、加速、制动性能的提升。一般而言,车重减小10%,油耗降低6%~8%,排放降低5~6%,0-100km/h加速性提升8-10%,制动距离缩短2~7m。


2) 安全性。车身轻量化可以使整车的重心下移,提升了汽车操纵稳定性,车辆的运行将更加安全、稳定。碳纤维复合材料具有极佳的能量吸收率,碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍,这进一步保证了汽车的安全性。


3) 可靠性。碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度,钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%,而碳纤维复合材料可达70-80%,因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。


4) 减少研发周期。由于碳纤维复合材料可设计性比金属强,因此更易于车身开发的平台化、模块化、集成化。这样碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言,可以做到模块化、集成化,大大减少零件种类,减少工装投入,缩短开发周期。


4. 风电叶片领域


风力作为清洁能源的代表之一,先于光伏发电受到全球各国的青睐。自20世纪80年代商业化发展以来,经历了全球化的高速增长。截至2015年底,全球累计装机容量达到432.42GW,累计年增长率17%,根据GWEC的预测,全球风电累计装机容量将从2014年的369.6GW增加至2019年的666.1GW,复合增速高达12.5%。风电未来的发展方向,除了向新兴地区,如拉美、非洲等地开拓市场之外,低速风机和海上风机将逐渐成为行业热点。


2015年碳纤维在风能上的应用为16300吨,预计2020年达到30000吨,年均复合增长率为8.1%。


图:风电叶片领域碳纤维需求量


资料来源:2015年全球碳纤维复合材料市场报告


风力发电是世界可再生能源增长最快的领域,风力发电叶片被普遍认为是高性能碳纤维最重要的增长市场,特别是制造超大型风电机组所需叶片(2.5MW风电机组叶片长度达到40m,5MW的风电机组的叶片长度在60m以上),必须使用轻而强、刚而硬的高性能碳纤维复合材料,保证结构强度的同时避免叶片在风载作用下发生大变形甚至撞击风车支柱。


出于经济性考虑,当前主流的叶片为玻璃钢材质(GFRP)。风电机组的大型化和海上化都将极大地拉动对碳纤维叶片的需求增长。海上化的风力发电在要求叶片长度增加的同时,还要求叶片具有良好的抗腐蚀性与抗疲劳性,这些都是碳纤维叶片的独特优势。由此观之,高速扩张的大型风机市场将为碳纤维风力叶片的发展提供广阔的增长空间。根据测算,40米以上的风电叶片中关键结构如梁帽、主梁使用碳纤维复合材料一方面可使叶片自重减少38%,成本降低14%;另一方面提高叶片抗疲劳性能,提高输出功率,以碳纤维为材质可更容易生产出大直径和自适应的风电叶片。


5. 体育休闲领域


2015年年底,全球体育休闲市场碳纤维的用量为0.89万吨,约占总需求的12%,预计到2020年将到达1.7万吨,到2024年将超过1.9万吨,年均复合增长率为2.3%,整体来看产业规模较为稳定,市场趋于饱和,暂时不会具有拉动碳纤维产业规模爆发式增长的动力。


碳纤维在体育休闲市场中,主要使用在高尔夫球杆、曲棍球棍、网球拍、钓鱼竿、自行车架、滑雪板、赛艇等高端休闲体育市场。


图:体育休闲领域碳纤维需求分布


资料来源:2015年全球碳纤维复合材料市场报告


6. 压力容器领域


采用碳纤维复合材料缠绕而成的气瓶,有质量轻、承载能力强、抗爆性能好、制造成本低等优点。目前,大多数常用的压力容器为钢制,在力学性能方面有较大局限性;对于高压容器来说,只能靠增加壁厚来提高承载性能。而新型碳纤维复合材料压力容器,采用很薄的金属或非金属内胆,采用比强度较高的碳纤维缠绕而成,在提高压力气瓶承载能力的同时,重量可比同容积的金属气瓶减轻50%。在安全性能上,由多层纤维缠绕而成的压力气瓶即使在内胆出现泄露的情况下,纤维层仍可保证气瓶的安全运行,有足够的时间进行应急处理。在制作程序上,相对钢制容器的复杂工艺,碳纤维气瓶制造工艺要简单得多,通常采用专用数控缠绕机在铝内胆外层缠绕碳纤维,精度很高,节约成本。


图:压力容器领域碳纤维需求量


资料来源:2015年全球碳纤维复合材料市场报告


碳纤维缠绕气瓶的应用主要包括车用压缩天然气气瓶、航空航天动力系统用轻量化压力容器和气体运输用高压容器。近年来,市场对压力容器需求量的增长愈发乐观。原因之一是燃料电池的低成本突破,如丰田公司燃料电池车MIRAI的量产,会带来对高压氢气瓶的强劲需求。其二是欧美兴起的页岩气收集产业,页岩气的运输、贮藏都需要安全、稳定、经济的高压气瓶,由此对碳纤维压力容器的需求产生推动作用。尽管目前压力容器的市场不大,但却有着较大的增长空间。


作者简介:


孟庆丽,资深碳纤维领域投资人士,专注于碳纤维已经有3年多了,具备宏观和微观视角,也和多家优质的企业及行业专家进行交流,并投资过碳纤维产业链公司。目前就职于一家投资管理公司,关注领域包括:消费升级、新材料、医药健康、TMT。


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