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碳纤维未来发展前景分析

来源:国家市场调研中心 时间:2016-12-19 11:32:00字号:
[提要] 碳纤维已经发展成为重要的现代工业材料之一,应用领域非常广泛。文章阐述了目前国内外碳纤维发展状况和我国碳纤维存在的一些主要问题,重点介绍了碳纤维在工业、土木建筑和交通运输等领域的应用状况及其碳纤维复合材料产品的发展并且讨论了碳纤维的发展趋势。

1、国际碳纤维行业分析

    (1)国际碳纤维行业发展概况

    20世纪中叶,发达国家投入大量人力和物力研究碳纤维,碳纤维复合材料最初由于其在结构轻量化中无可替代的材料性能,首先在军用航空航天领域得到了青睐;1959年,日本大阪工业技术试验所的进藤昭男首先发明了聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,1964年,英国皇家航空研究所(RAE)的瓦特等人打通了生产高性能聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的工艺流程,在纤维的热稳定化过程中施加了张力牵伸,以满足结构的转化,使聚丙烯腈(PAN)基碳纤维成为主流产品,并于20世纪70年代开启民用碳纤维商业化应用;20世纪80年代至90年代,碳纤维在民用航空领域的引领下得以快速发展;进入21世纪,碳纤维生产工艺技术已经成熟,随着碳纤维应用领域的扩大,碳纤维的市场需求急剧增加,碳纤维产业日趋成熟。

    从全球碳纤维市场的份额划分看,国际碳纤维市场依然为日、美企业所垄断。日本是全球最大的碳纤维生产国,世界碳纤维技术主要掌握在日本公司手中,其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位,日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。

    数据显示,在小丝束碳纤维市场上,日本企业所占有的市场份额占到全球产能的 49%;在大丝束碳纤维市场上,日本企业所拥有市场份额占到全球产能的52%,美国企业所拥有的市场份额占全球产能的24%,日美两国合计拥有全球76%的大丝束碳纤维生产能力,处于明显的主导地位。

全球小丝束碳纤维市场份额划分图

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全球大丝束碳纤维市场份额划分图

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    (2)国际碳纤维市场及趋势分析

    A.全球碳纤维市场需求及趋势分析

    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。

    随着碳纤维的不断发展,碳纤维在工业领域和航空航天领域的应用范围不断扩大,占比也呈上升趋势,预计到2020年,碳纤维的需求总量将达到15.73万吨,年均复合增长率达到13.62%;到2024年全世界总体需求有望达到21.92万吨,尽管增速有所放缓,但复合增长率仍达到11.38%。其中增速最快的工业领域,未来十年复合增长率将达到14.52%,而最近5年的复合增长率更是高达17.55%。工业领域碳纤维消费占总消费的比例将从2015年的63.55%逐步提升至81.63%。航空航天领域的需求在未来5年进入快速发展期,而体育休闲领域在世界范围内应用相对成熟,需求量每年稳定增加。

全球碳纤维市场需求预测图(吨)

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    a.航空航天领域需求持续增长

    碳纤维复合材料是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比可使飞机减重20%-40%;复合材料还克服了金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增加了飞机的耐用性;复合材料的良好成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低。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2.21 万吨。

    由于碳纤维复合材料在结构轻量化中无可替代的材料性能,在军用航空的应用领域得到了广泛应用和快速发展,自20 世纪70 年代至今,国外军用飞机从最初将复合材料用于尾翼级的部件制造到今天用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等。从1969 年起,美国F14A 战机碳纤维复合材料用量仅有1%,到美国F-22 和F35 为代表的第四代战斗机上碳纤维复合材料用量达到24%和36%,在美国B-2 隐身战略轰炸机上,碳纤维复合材料占比更是超过了50%,用量与日俱增。采用复合材料构件不仅可实现轻量化和设计自由度大,而且可以整体成型,减少零件数量,降低生产成本并提高生产效率。

    我国军用飞机的复合材料应用也呈现逐年递增的趋势。随着碳纤维复合材料在国防航空航天上应用比例的增加、装备列装数量增加以及装备换代更新的需要,后期国防事业对碳纤维的需求将逐年增加。

复合材料在航空产品应用比例图

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    从20 世纪80 年代开始,碳纤维复合材料开始应用在客机上的非承力构件, 在早期的A310、B757 和B767 上,碳纤维复合材料的占比仅为5%-6%,随着技术的不断进步,碳纤维复合材料逐渐作为次承力构件和主承力构件应用在客机上, 其质量占比也开始逐步提升,到A380 时,复合材料占比达到23%,具体应用在客机主承力结构部件如主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等,次承力结构部件如辅助翼、方向舵及客机内饰材料等,开创了先进复合材料在大型客机上大规模应用的先河。而最新的B787和A350,复合材料的用量达到了50%以上,有更多部件使用碳纤维,例如机头、尾翼、机翼蒙皮等,使用量大大提升。在飞机订单方面,A350截至2015年10月有783架订单,波音的B787更是超过一千架,中国的C919飞机尽管复合材料使用不足20%,但订单数量也已经超过400架。航空飞机的巨大需求足以支撑未来长期的碳纤维需求。

复合材料在商用飞机应用比例发展趋势图

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    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(Global Hawk)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。

    b.大功率、长叶片需求加速风电叶片碳纤维化

    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。

    出于经济性考虑,当前主流的叶片为玻璃钢材质(GFRP),但随着低速风机和海上风机的不断发展,叶片长度的不断增加,部分结构使用碳纤维或碳纤/玻纤混合材料在综合成本上将更具优势。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。

    c.汽车行业革新带来碳纤维行业需求

    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。碳纤维具有比模量和比强度高、减重潜力大、安全性好等突出优点,是汽车轻量化最佳选择。欧洲铝协研究数据表明,若汽车整车质量降低10%,燃油效率可提高6%~8%;具体从绝对量来说,汽车重量每降低100kg,每百公里可节约0.6L燃油,二氧化碳排放可减少约10g/Km。自1953年世界上第一辆全复合材料车身的汽车—GM Corvette制造成功以后,随着复合材料技术的不断进步,如今碳纤维复合材料在汽车车身、尾翼、汽车底盘、发动机罩、汽车内饰等各个地方。宝马i3大批量应用碳纤维复合材料,减重约250-350公斤,为量产汽车轻量化树立了成功榜样。

宝马i3碳纤维复合材料车体结构图

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    随着汽车工业的不断发展,特别是在新能源汽车大行其道的今天,市场对汽车的轻量、节能、环保等需要提出了更高的要求,在汽车工业轻量化需求推动下,2009年以来全球汽车工业领域对碳纤维的需求量呈上升趋势,碳纤维复合材料在汽车工业领域应用比例的不断提高。据前瞻产业研究院保守估计,未来汽车工业领域的碳纤维需求量将保持7%的规模增速,按照这一增速预测,到2018年全球碳纤维在汽车工业领域的需求量将在8,600吨左右。

    汽车工业领域碳纤维需求预测图(吨)

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    知名咨询调研机构Lux Research在2015年2月发布最新报告称,随着材料技术的飞速发展,到2020年碳纤维复合材料的市场估值预计将达到60亿美元,到2025年,碳纤维复合材料将有望成为全球汽车市场的主流配置。

    B.全球碳纤维供给

    目前全球碳纤维工业化产品仍以PAN基碳纤维为代表,其力学性能最高,应用领域最广,占全球碳纤维总产量的90%以上。

    2014年全球PAN基碳纤维产能约为12.8万吨,其中小丝束碳纤维约为9.2万吨,占72%;大丝束碳纤维约3.6万吨,占28%。按照开工率70%计算,2014年全球碳纤维总产量约为9万吨。根据相关预测,到2020年,全球小丝束碳纤维产能将达到11.5万吨,大丝束产能达到5.4万吨,合计达到16.9万吨,复合增速达到7%。

全球碳纤维产能现状及预测图(吨)

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    目前全球碳纤维制造的主导者是日本和他们设立在欧美的工厂,其次是依靠欧美航空航天市场健康发展的美国HEXCEL和CYTEC公司,以及依靠强大工业创新体系的德国SGL公司,随着中国在碳纤维领域投入的不断增大,中国碳纤维产量占世界份额也不断提高。

全球碳纤维各国生产份额图

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    2、国内碳纤维行业分析

    (1)国内碳纤维行业发展概况

    我国从20世纪60年代开始研发聚丙烯腈基碳纤维,最早从事碳纤维研发的机构主要为中科院山西煤化所、长春应用化学研究所、化学研究所(北京)。五十多年来我国碳纤维产业从无到有,从小到大,但发展速度相比发达国家仍然进展缓慢。近十五年来,在国家的大力扶持下,国内碳纤维产业取得了重大突破,碳纤维及应用领域的技术水平和产业化程度出现了加速发展的势头,进入前所未有的发展新阶段,在国内初步形成了以江苏、山东和吉林等地为主的碳纤维产业聚集地。根据数据统计,2010年-2014年期间,我国碳纤维产能从6,445吨增至15,000吨,增长了2倍,年均增长23.5%,目前我国生产的碳纤维全部为小丝束,其中12K占比超过90%,1K、3K、6K各有产量。

    (2)国内碳纤维市场分析

    根据数据统计,2015年国内碳纤维市场需求约为11,000吨,随着我国国民经济的发展以及国防工业战略地位的进一步提升,未来几年我国碳纤维需求量将进入一个快速增长的时期,预计到2020年国内碳纤维的需求将达25,000吨,年均增长速率约15.5%。

国内碳纤维市场需求图(万吨)

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    目前国内碳纤维在航空航天、体育休闲和工业应用三大领域的用量比例是4%、67%和29%。其中,体育休闲占绝大多数,而在民用航空、交通工具、新能源装备、工程建设等方面的应用虽然已经开始起步,但应用水平偏低,碳纤维复合材料的设计水平不足,配套的材料缺乏,相关的应用标准体系不健全,导致应用领域窄。此外,树脂、上浆剂等配套材料品种少、性能不足,复合材料用辅助原料还不能完全实现自主供给,部分品种还依赖进口等,不仅制约了碳纤维复合材料在高端制品上的应用,同时还严重影响着国产碳纤维的市场应用。

    未来随着我国基础工业的进一步发展,碳纤维在工业领域的应用比例将得到提高,预计2020年,国内碳纤维在航空航天、体育休闲和工业应用三大领域的用量比例为6%、44%和50%,需求结构向国外靠拢。

2014年国内碳纤维市场需求份额图

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2020年国内碳纤维市场需求份额图

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    据统计,目前国内碳纤维市场中,国产碳纤维自给率只有20%左右,对外依存率达到80%,国外碳纤维企业通过技术及价格优势打压国内碳纤维企业,使我国的碳纤维市场长期受制于欧美及日本等国家。高性能碳纤维作为敏感的国防战略新材料,其价格不仅仅只遵循市场规律,还与供需两端国家的国防政策有关。随着国产高性能碳纤维技术和产业化的不断发展,为确保国防安全,避免长期受制于人和国外企业垄断国内市场,国家出台相关政策,大力扶持国产高性能碳纤维在航空航天等国防领域的广泛应用。未来我国国防新装备需求的不断增长及国家军民融合政策的不断深化,国产高性能碳纤维将继续保持良好的增长态势。

    (3)国内碳纤维产业发展存在的问题

    A.多数碳纤维企业技术装备、生产工艺与国际先进企业存在较大差距,产能实现率低

    1949年11月,以美国为首的17个发达国家成立了“巴黎统筹委员会”,其主要宗旨是限制成员国向社会主义国家出口战略物资和高技术,列入禁运清单的有军事武器装备、尖端技术产品和稀有物资等三大类上万种产品。1994年4月1日,“巴黎统筹委员会”宣告解散,但它所制订的禁运物品列表被后来的《瓦森纳协定》所继承,其中包含两份控制清单:一份是军民两用商品和技术清单,涵盖了先进材料、材料处理、电子器件、计算机、电信与信息安全、传感与激光、导航与航空电子仪器、船舶与海事设备、推进系统等9大类;另一份是军品清单,涵盖了各类武器弹药、设备及作战平台等共22类,中国依然在被禁运国家之列。截至目前,航空航天装备所需的高端碳纤维作为战略物资,长期无法进口,生产碳纤维的核心技术和先进的设施设备无法引进,严重制约了我国国防工业和碳纤维产业的发展。

    目前,国外碳纤维龙头企业使用的设备基本上都是根据自身技术特点进行的自主设计,在专有设备的基础上改进升级,形成了具有自主知识产权的专有碳纤维生产装备;而国内引进的国外生产设备是非禁运通用型碳纤维生产装备,且价格较高。虽然国内碳纤维生产企业中设计产能千吨级以上的有3-4家,但由于缺乏核心技术团队,大多数碳纤维生产企业对进口生产装备的技术参数和性能指标缺乏消化和吸收能力,生产线自动化程度和对自身碳纤维生产技术的匹配性远远落后于国外同行,导致生产工艺的稳定性和过程控制的一致性较差,影响了碳纤维产品质量和稳定性,且生产成本很高,造成设备闲置、经营亏损,无法与国际先进企业竞争。2014年国内碳纤维实际产量仅3,200吨,2007-2014年碳纤维累计产量也仅仅只有1.23万吨,远远低于设计产能。

国内碳纤维实际产量图(吨)

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    B.多数碳纤维企业产品处于低端领域,且行业集中度不高

    从全球碳纤维产业的发展可以看出,航空航天和国防工业是碳纤维最重要的应用领域,消费量约占世界总消费量30%,但却贡献了全球50%的碳纤维产值;与国外的发展相比,我国碳纤维市场主要围绕体育休闲产业发展,占比超过65%,然而该细分市场属于低端领域,面临非常大的价格竞争压力。目前我国从事碳纤维复合材料研制及生产的单位近百家,但能够生产符合航空航天标准的高性能碳纤维企业屈指可数,大量企业集中在体育休闲领域,绝大多数碳纤维厂家仍处在亏损状态。随着市场经济的优胜劣汰,碳纤维行业将面临洗牌,拥有自主知识产权和持续创新能力的企业必将在未来竞争中占得先机。

    C.国内碳纤维厂家缺乏核心技术和人才积累,难以满足航空航天和高端民用领域对高性能碳纤维的需求

    高性能碳纤维的生产技术复杂,工艺流程长、环节多,涉及的学科较多,与设备制造能力息息相关。与国外碳纤维巨头几十年的连续技术积累相比,我国多数碳纤维生产企业缺乏掌握核心技术的研发及生产人员,研发产业化团队不稳定,前期技术和数据的积累不足,缺少从实验室技术研发、中试技术放大、工程产业化建设的全技术历练,因此在质量、成本和设备等制备技术方面与国外还有较大差距。缺乏长期稳定的科研技术团队成为碳纤维产业核心竞争力和可持续发展能力的重要制约。

    D.我国碳纤维的产业链需要进一步完善

    目前,国外已经形成设计、制造、分析及验证、应用牵引系统化的碳纤维复合材料体系。如日本东丽和美国赫克塞尔都有预浸料、织物、短切纤维、夹层材料等中间成型物,同时,直接为客户提供量身定制的复合材料解决方案和产品,方便了客户的使用,也解决了碳纤维产品与树脂匹配性问题。

    由于国内大部分碳纤维复合材料企业技术尚不成熟,缺乏相应的研发及工艺支持,未能形成体系化、系列化的碳纤维产业链发展模式。

    (4)国内碳纤维行业发展的趋势

    碳纤维行业发展空间巨大,不仅体现在国防工业对碳纤维战略新兴产业的迫切需求,而且体现在迅速扩展国民经济各个领域的应用。

    A.航空航天产业快速发展及军民深度融合政策的不断深入实施,为以碳纤维为代表的新材料行业提供了发展良机

   长期以来,我国国防建设落后于经济建设,与我国日益提升的大国地位不匹配,不利于稳定周边复杂环境。当前,建设同我国国际地位相称的国防力量,将国防和军队改革融入国家全面深化改革的大局已经上升为国家层面的战略举措。近年来,军民融合已成为统筹经济建设和国防建设的大战略、是今后一段时期内实现强国梦、强军梦的重要战略部署。

    作为新一代国防装备的物质基础,加速发展新材料技术是保持军事领先地位的重要前提,碳纤维复合材料近年来应用领域不断拓宽,发展极为迅猛,其用量已经成为衡量军用装备先进性的重要标志。未来随着我国国防新装备的列装及现有装备的更新,碳纤维材料服务国防建设的领域将不断拓宽。

    在航空领域,我军战斗机以三、四代机为主体,五代机尚未服役,老式战机占比较高。根据飞行国际的数据,我国约60%的军用飞机面临退役,换成以第四、五代战斗机为标志的新一代空战力量,这将在很大程度上推动军用飞机的需求,为我国军用飞机制造业提供了难得的发展机遇,将拉动对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,已受到相关客户的关注,未来市场空间巨大。

    B.与发达国家相比,我国民用碳纤维领域需求巨大,发展结构将进一步优化

    目前国内民用碳纤维领域体育休闲类应用占绝大多数,而在民用航空、轨道交通、新能源装备、工程建设等方面的应用虽然已经开始起步,但应用水平偏低。

    随着国民经济持续高速增长,航空运输需求旺盛,中央和地方政府不断加大对民用机场建设的投入,民用机场建设掀起新一轮发展高潮,极大促进了国内民用航空产业的高速发展,客机需求数量激增。据波音公司披露,到2020年中国需要1764架商用飞机,是美国本土以外最大的市场;同时,以C919为代表的国产大型客机商业化,为碳纤维在民用航空领域提供了更大的发展机遇。

    未来随着我国基础工业的进一步发展,碳纤维在工业领域的应用比例将得到提高,重要潜在市场如风电设备、汽车制造、轨道交通等领域的未来发展前景广阔。

    C.在国家的大力扶持下,以中简科技为代表的碳纤维企业,正加快研发和产业化的步伐,产品和企业的竞争力不断提高 
我国政府从70年代即开始大力支持国产碳纤维的发展,由张爱萍将军组织召开的“7511”会议,奠定了国家扶持国产碳纤维发展的基础,国家通过“十五”、“十一五”、“十二五”三个五年计划,强力支持了国产碳纤维的技术攻关、工程产业化和应用牵引,使得国产碳纤维的发展取得了长足的进步。目前,已经有4-5家碳纤维企业生产的T300级碳纤维应用到了航空航天领域,说明T300的工程产业化技术已经基本过关;而中简科技更是通过多年技术积累,突破了高于T700级碳纤维的工程产业化技术,生产的ZT7系列高性能碳纤维已批量应用到航空航天领域,打破了国外对航空航天领域高端碳纤维的封锁。中简科技正引领国内碳纤维企业实现更高性能的碳纤维产业化步伐,通过技术提升和设备革新降低生产成本,提高企业核心竞争力。

国家市场调研中心编辑

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