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行业分析

2016全球碳纤维复合材料市场报告(四)
来源:赛奥碳纤维技术  2017-05-19 17:19:15
本文阅读次数:1301

原文:http://www.chinacompositesexpo.com/cn/news.php?news_id=4834       7.复合材料应用发展趋势与展望

       7.1.航空航天应用市场


       市场的发展趋势如下图:2016年对碳纤维的需求量为17,600吨。


 
       航空航天市场的分市场份额(吨)如下图:


 
       商用飞机对碳纤维需求驱动是巨大的,前两年受益于波音787为代表机群,2015年开始,空客A350又成为碳纤维需求的重要引擎。我们期盼中国商飞在国产碳纤维及复合材料研发上加大投入力度,为未来新机型的批量应用打下扎实基础。


       7.2.体育休闲应用市场

       体育休闲市场十年来的需求发展情况如下:


 
       体育市场的分市场份额如下:


       2016年的主要增量在自行车上。体育休闲市场的特点是:国际品牌,大中华地区(以台资为主)加工制造。制造工艺相对传统,劳动力密集,生产过程小革新不断,但重大工艺创新能力不足。欧美企业主要从事产品设计与品牌运营,这可能是创新不足的重要原因。


       7.3.风电叶片应用市场


       低风速风场和海上风电共同推进了叶片的大型化发展,碳纤维成本的持续降低,叶片复合材料工艺的创新,使得2016的风电对碳纤维的需求迅猛增长。

       国际主要采用碳纤维制造风电叶片的企业是:VESTAS、GEMESA-SIEMENS、Nortex和GE,这几家公司均是使用碳纤维的重要推动者。重要的碳纤维叶片制造商还有LM、TPI和巴西的Tecsis。

       我国主要的叶片制造商:洛阳双瑞科技、中材科技、重通叶片、明阳风电、中复连众、时代新材等均在积极推进碳纤维应用,今年可以批量推出大叶片。主机厂中,金风科技、海装风电、上海电气、明阳风电均在大力推进碳纤维梁帽的大直径风机,应用形势一片大好!

       目前国际流行的梁帽工艺主要是:高渗透多轴织物的真空灌注、拉挤板材的真空灌注。广州博汇携欧洲多年验证的灌注树脂体系服务中国客户。光威复材等企业在积极推进拉挤工艺的发展。最大的瓶颈是低成本大丝束碳纤维及低成本高渗透多轴织物的供应。这对国产低成本碳纤维是一个绝佳的机遇,希望我们的碳纤维企业能够把握。


       7.4.汽车应用市场


       在2015年报告中,由于宝马公司的全碳纤维车身I3、I8,我们对这个行业充满信心,以为碳汽车时代即将来临,短短一年,对于汽车碳纤维,我们是五味杂陈的:

       首先是I3昂贵的价格,销售情况不如预期。据说宝马内部对全碳车身的战略有所争议与调整。似乎碳纤维在汽车的前途一下子变得暗淡。接着,宝马的“Carbon Core 7”系车推出,全车16个多形态与工艺的零件,对碳纤维的需求有一定的弥补。国际复材与汽车界开始热捧“混合材料”思想。燃料电池汽车开始成为热门,高压(35&70MPA)氢气瓶又成为热点。日系碳纤维厂家并购汽车复合材料零部件的热情高涨,又为市场注入了信心。国内汽车厂家对碳纤维的态度,也是冷热不均,让碳纤维行业无所适从。

       面对这个一个复杂的议题,首先复合材料与汽车行业就需要求同存异,逐步达成共识,我们提出如下的意见,抛砖引玉,激发大家的思维:

       1. 汽车需要量身定制的低成本碳纤维;碳纤维低成本技术需大幅度革新,甚者重新发明。
       2. 汽车需要创新的复合材料供应链,每公斤的复合材料的成本需要接近、等同、甚至低于每公斤碳纤维成本;
       3. 汽车界必须有正向的设计能力,才能发挥出复合材料的优势;
       4. 用复合材料的思维去设计汽车,用金属汽车的思维不可能发挥复材的综合优势;
       5. 碳纤复材综合成本具有替代铝合金的潜力,轻量化空间更大;
       6. 以复合材料为主材料的综合成本体系需要重新建设,用金属成本体系很难算出碳纤维复合材料的优势。


       7.5.压力容器应用市场


       对于压力容器市场,我们保留了2015年报告中的评价。

       压力容器,尽管眼前的市场需求并不很大,却有着蓬勃发展空间。

       A:燃料电池的低成本突破,将会对新能源汽车的技术路线图,做出根本的改变, 出现电动汽车与燃料电池汽车并行的市场局面。2015年下半年,丰田推出的燃 料电池车MIRAI,得到市场的热捧。其他公司燃料电池汽车也将在2016-17陆续 推出。这对高压氢气瓶将带来强劲需求,对高品级碳纤维将有巨大的拉动。

        B:CNG拖车大气瓶的需求,在Hexagon Lincoln的推动下,其最新款TITAN XL(40 尺柜,15000标准立方米)2015年在拉美试运行,2016年7月获得美国交通部上 路许可。国内中材科技也在积极推动这个项目。

       压力容器对碳纤维的性能稳定性要求极高,这源于压力容器非常严格的安全要求。碳纤维企业需要向客户证明:从第1天到第365天,生产的碳纤维的品质是稳定的。“维稳”无疑是碳纤维产业最为核心的因素。而压力容器的进入,无疑是对碳纤维企业的一枚荣耀的“勋章”。


       7.6.混配模成型应用市场


       前面提到:混配模成型(Molding& compound)严格讲,不是一个应用市场,而是对工艺的描述,但由于这些工艺横跨的应用多,所以,把它归类成一个应用,便于说明。

       混配(compound)是指非连续碳纤维增强塑料,主要包括短切增强和LFT,这个材料形态是可以成为一个重要的低成本复合材料的方向。目前的主要问题是:经过双螺杆及后续的注塑机单螺杆的两次剪切,在制件中,纤维的平均存留长度只有0.1-0.2毫米,这严重地影响到复合材料的力学性能。如果,纤维存留长度达到1-2毫米,力学性能可以提高30%,碳纤维LFT是一个可以保留更长存留长度的工艺,但是纤维均匀分散不容易,对塑料的粘度影响大。如果能实现直接混配与注塑,降低加工成本,这个产品就有望替代部分非连续玻纤增强塑料,甚至成为结构件材料。

       模成型(Molding)主要是指片状模塑料Sheet Molding Compound-SMC,团状模塑料Bulk Molding Compound-BMC,这类材料是纤维与热固性基体混配后形成的,这些经典的玻纤的工艺,正在为碳纤维所采用与改进,玻纤的SMC更多是外饰件,而碳纤维SMC完全可以成为结构件。同时良好的随形性,可为结构人员提供较广阔的设计空间。与SMC,、BMC类似的材料形态与工艺,也是低成本复合材料重大的发展方向。

       非连续碳纤维复合材料,以对纤维性能的牺牲换取了低成本和高产能及设计的便利性,更好地满足了工业领域对性价比的需求,这是人类在技术进步过程中的一种商业化的折中选择。

       7.7.建筑应用市场


       建筑领域是碳纤复材可以发挥重大作用的领域,主要应用是对老建筑的补强。

       除了建筑补强领域,桥梁的拉索的复合材料化,是日本研发的重点,我国也曾经做过一些研究.

       对于海上建筑(人工岛屿、海上石油平台),碳纤维复合材料不光轻(降低运输、工程费用),而且耐腐蚀(可大大提升使用寿命),在成本降低之后,会有更加广阔的应用空间。
 
       军事上,采用轻质刚强的碳纤维复合材料,可以大大提高部队临时架设桥梁的效率,从而大幅度提升作战速度。

       碳纤维增强水泥,碳纤维格栅增强混凝土,碳纤维格栅除冰公路,在国际上也有较多的研究,某些项目已经产业化。

       影响碳纤维在建筑领域扩大应用的主要障碍有两个:一是施工队偷工减料,施工人员技能良莠不齐,导致昂贵的碳纤维复合材料的补强效果与质量与甲方的期盼不一致,影响了使用的扩大;另一方方面,碳纤维的高昂价格,也让很多工程用不起,低成本碳纤维将极大地推动这个领域的应用。


       7.8.船舶应用市场


       目前,船舶领域对碳纤维的需求主要是:竞赛类船舶及附件,超豪华游艇及军事用途的船舶,以及各类船舶的桅杆。竞赛类船舶如同F1赛车,是先进材料积极应用者。

       各大海军强国加强了对碳纤维复合材料的使用,我国正在大力发展海军先进装备,一些特殊的部件,已经展示出对碳纤维的较大的需求潜力,这充分说明自主创新的对先进材料的欢迎与敢用。对于军舰的推进器及联动轴系统,碳纤维复合材料的降噪与增效效益明显,然而,海水的工作条件与负荷情况,与我们熟悉的空气工作环境与负荷,有较大的区别,敢试敢用,才是解决这些技术难题的正确出路。


       7.9.其他值得关注的应用市场

       电子电气市场

       随着便携式消费电子产品的发展,轻薄化已经成为一种流行趋势,笔记本电脑普遍降到1公斤以下,IPAD从900克向700克发展,后续会降低到500克,手机的轻薄无疑体现了高科技,碳纤维成为替代镁铝合金的重要材料,同时,碳纤维与航空航天的关联,让其充满科技性感。成为各大消费电子关注的重点材料。

       索尼、联想是碳纤维用于笔记本电脑的主要推动着。中国大陆与台湾,是世界最集中的消费电子代工基地,如果中国把这个领域做起来,可以形成独特的竞争优势。

       目前主要使用的材料形态有:短切增强碳纤维塑料、连续碳纤维薄板。曾经电子行业对复材提出连续碳纤热塑复材的需求,业界做了大量的努力,目前还没有看到成功的案例。电子行业对碳纤维复材要求类似汽车,批量大,品质稳定,成本有竞争力。

       高速铁路

       我们在2014,2015年的报告中均提到高速铁路的轻量化及碳纤维复合材料的巨大应用潜力。国际上各大高铁技术公司,都在紧锣密鼓地开发高铁用碳纤维复合材料,比如日本采用碳纤维与芳纶的混杂材料做车体下部的裙边,韩国借鉴整体机身的缠绕工艺,开发出碳纤维复合材料整体车身。转向架,车头,地板等等部件,国外均有碳纤维复合材料的研发。

       钢铁侠马斯克旗下的HyperloopTransportation Technologies (HTT)宣布了与Carbures Europe SA合作开发全尺寸的、纯碳纤复材的胶囊机车。


       碳纤维毡与纸

       碳纤维除了是结构材料,也是非常优秀的功能材料。碳纤维纸被应用到燃料电池的气体扩散层,随着燃料电池的兴起,碳纤维纸的市场一定会有大的发展;薄毡(2毫米左右)已经被应用大型液流电池的极板,需求潜力巨大;传统的铅酸电池依然是目前性价比较高,用量最大的电池。使用特殊处理过的碳毡替代现有的铅正负极,可以提升电池的充放电性能与寿命。100万只电池需要160吨碳毡,潜在市场巨大。


       8.观察、思考与建议

       对于2016年的中国碳纤维发展,我们的综合判断是“整体黯淡,部分亮点”,所谓“整体黯淡”是指:我们现有的具有工程生产能力的24家企业中,真正活跃生产并有市场影响力销售的厂家(不含航空航天),大约只有5家公司。部分亮点是指:已经有企业可以突破盈亏平衡,有企业正在储备低成本碳纤维原丝能力。从2003年至今,国家与社会不可谓不重视碳纤维,总体投入不可谓不大,然而效果平平。航空航天用碳纤维,基本满足了需要,但是,我们不得不承认:我们仅仅是非市场经济下的低层次的满足水平;整体科研水平乏力,离开东丽的产品指引就基本找不到北;工业级低成本碳纤维基本还没有起步,蓬勃发展的风电叶片、汽车等工业需求带来的市场良机,很可能又让我们失之交臂;整个行业弥漫着悲观情绪,鼓足勇气、挺直腰板吼几嗓子中,还时常掺杂着忽悠的杂音,“这代人搞碳纤维不灵?”这已经成为一个严肃的话题了。

       国家层面上,也看到上述的问题,2016年年底至今,国家新材料发展产业领导小组活动频繁,出台的四条基本指导原则:“需求牵引、战略导向”,“创新驱动、重点突破”,“产用结合、军民融合”,“市场主导、政府推动”。我尝试用碳纤维的现状去解读上述原则,为寻找中国发展之路抛砖引玉。

       需求牵引与战略导向:
       每一个碳纤维企业,都有一个航空航天军工的强国梦,都有家国情怀,这值得尊敬。但当大家都拥挤在同样需求的独木桥上,必然发生恶性踩踏,我们需深刻反省导致这个结果的原因。美国有强大的航空航天军工产业,“以军撬民”玩得熟练与成功。我们能否模仿这个思路呢?两点重要差异:需求规模的巨大差异,需求企业能力与所有制差异。我国的碳纤维需求结构与国际市场有显著的差别:我国是体育器材、建筑补强为主。而国际市场的主要需求是:航空航天军工、风电叶片、汽车及压力容器。而我国在这四方面均有基础,但创新能力不足,需要强有力的“战略导向”去引导与培育市场,让市场需求结构与国际市场接轨。

       创新驱动,重点突破:
       东丽是值得尊敬与学习的,东丽有其自身的市场及相对应的产品,这不是国际标准。学习东丽,主要是学习他开拓创新、精益求精的文化。碳纤维的重要魅力就是可根据应用量身定制,飞机主结构用碳纤维、汽车用碳纤维、风电叶片用碳纤维…….这可能应该是我们研究与谈论的,而非动辄“T800,T1000”。我们要发出质疑:“提高强度要依靠消除微缺陷”就是唯一途径?“要做到中模量碳纤维就只有细旦化一条路”?习惯了模仿,我们窃喜于走了捷径,但我们失去了基本的思维能力,吃了大亏。碳纤维行业必须发出“拒绝模仿、以基本科学原理为指导、开拓创新”的强音。我们认为目前碳纤维产业的突破方向有二:根据特定应用要求,研发超高性能碳纤维;认真反省现有服务于航空航天军工碳纤维技术及产业链,革新碳纤维制备技术以适应工业应用的低成本的要求。

       产用结合,军民融合:
       产业就是要服务与当期和预期的应用的,学术与实验室可关注前瞻性。把应用前景忽悠成市场潜在订单,产业界吃亏上当的案例不枚胜举。波音787,空客350,商飞C919的之间的联想,让不少碳纤维人士激动,这个应用前景变成了一克国产碳纤维的订单了吗?波音也花费了数十年的海量投入,才让碳纤维成为飞机的主要材料。前文的国际价格分析,我们现实可触及的“用”,就是12-16美元/公斤的市场,或者是10美元以下的巨大市场。“产”如何与“用”结合?今天的绝大部分“产”的成本高于“用”,如何去发展低成本技术?中国碳纤维军民融合的思路不能照搬美国的“以军撬民”的模式,军民各自发展,各自强身健体,以生产稳定、品质稳定为共同发展之目标。“军”重点在高性能,“民”重点在低成本,低成本并非意味“低性能与低品质”。当“高性能、高品质、低成本”的纤维在市场大量存在时,军民融合就会水到渠成。

       市场主导、政府推动:
       任何绝对依靠于市场之手或政府之手的观点,均于解决现实问题无益。在全球碳纤维领域,基本是以市场为主导的:日本东丽公司成为波音公司的最大碳纤维供应商,美国HEXCEL成为欧洲空客公司的最大供应商。各生产国家或地区对碳纤维的出口均有一定程度的“出口许可与管制”的法律,这个政府干预之手也客观存在。我国碳纤维发展中,市场的盲动表现得淋漓尽致;我们脑子中小农经济或简单制造业烙印明显,缺乏对高科技与工业文明的敬畏和规律的把握,加上有各类政绩驱动,乱象由此产生;碳纤维作为新兴战略材料,西方自由市场经济的发达国家,也通过产业政策在引导与推动市场,力度与精准度超过中国。中国发布强有力、精准的碳纤维复合材料产业战略势在必行。

       提出中国碳纤维产业的现有问题,并非是否定这个行业,只是希望从这些问题,去激发行业去探索解决问题的思路。行业遇到再大的困难是不可怕的,行业失去了思想才是最可怕的。针对上述提到的问题与中国产业现状,我们提出如下的建议,期盼激发行业的更深思考:

       国家级行业发展战略

       碳纤维市场的发展,已经明显分出两个不同特性的市场及价值链:以航空航天需求为驱动的高性能碳纤维,已经以汽车风电等工业需求的低成本碳纤。我们应该根据这两大类市场的规律,去制定国家展战略。在发展高性能碳纤维方面,一定要根据我国航空航天军工的具体应用要求,从科学原理出发,既要借鉴国际先进的技术,又要敢于质疑国际权威,去开创与探索我们的创新发展之路。对于低成本工业级碳纤维,从原丝方面,强大的腈纶工业的潜力还没有有效挖掘,原丝新的技术与腈纶的嫁接技术还没有有效开展,从丙烯(石化VS生物基)到聚丙烯腈的价值链还未有效整合,这些均可以较大幅度降低原丝成本。从碳化方面,今天的碳化工艺与装备是为航空航天级别碳纤维而发明的,是一个典型的“慢火煲汤”的高能耗、高投资的设施,工业级碳纤维就没有更节能与更低投资的技术?我们可以通过理论计算,从单位公斤碳纤维的全产业链投资成本及能耗水平,设定低成本碳纤维的技术路线图。技术是今天中国碳纤维发展的核心障碍,我们的发展战略要多一些技术创新方向指引。


       面向产业的碳纤维及复合材料创新能力

       中国几乎是与世界同步开始研究碳纤维的,我们的科研队伍并不小;我们的科研专家也非常能干,既要搞科研,还要兼顾工艺、装备、工程、生产指导、销售、甚至还要管理整个企业;但每家企业的科技人员力量都不够强大,也养不起强大的科研人员;国家有限的科研经费基本成为补贴性质,不得不撒胡椒面。队伍分散,重复建设,鲜见对世界有影响力的成果出现。这个创新能力建设要面向全球、提供工业解决方案;所有的设施与装置要按照工业化研究的需要来建设;与国内外专家合作研究,提供硬软件和经费支持,建立成果转让共享机制;以企业的方式管理中心,科研人员,测试表征,工艺人员,装备人员、工程人员以数据为纽带,协同工作;打通产业链,包括纤维、树脂、复合材料及重点应用联合创新;坚持服务行业,转让技术成果的原则;不自己创办企业,保持持续创新能力;行业信赖且保持相对独立,与现有的碳纤维企业与科研院校保持紧密的合作关系;面向全球、具有国际有影响力和竞争优势。

       加强行业自律与自我管理能力

       加强行业自律与自我管理能力,才能实现行业的“舍小利,保大利,舍眼前,保长远”:行业屡屡出现“过度宣传”或“不实宣传”,严重影响了行业声誉;把技术偷窃当本事,恶意挖角,缺乏依靠技术与管理进行良性竞争的氛围;尽管行业整体亏损、缺乏突破思路,依然是投资热门,盲目投资不断涌入;每年行业会议不少,但流于形式与浮于表面,缺乏行业之间的深度沟通与交流;考虑各自企业的私利太多,兼顾行业之大义缺乏;到目前为止,中国还没有任何一家碳纤维企业,能代表中国,成为具有国际竞争优势的领头羊企业。“覆巢之下,安有完卵”,只有将行业推向一个良性发展之路,我们各家企业遵循行业发展规律,才有兴旺发达的机会。

       对碳纤维复材的应用采用激励机制

       中国碳纤维的需求市场结构与国际上有较大差异,主要表现在汽车、风电等工业领域。而新能源汽车、大直径风电本身也是国家鼓励发展的战略新兴产业。依靠材料创新是这些产业的重大创新举措。这些产业的进步反之也会带动材料产业的兴旺。新材料从来都是在批量应用的牵引下,不断完成质优价廉的过程,这个启动需要政府的手来推动;采用激励机制,需要注意两点:一是材料的发展与应用的发展是否看到了交叉点。如果两者的发展在10-20年后才交叉,这个激励就可能变成扶贫;二是激励机制要鼓励技术进步,“扶上马,送一程”被激励者本身要会骑马,并具备骑术提升的空间。对于激励对象,一是激励现有应用领域对国产碳纤维的使用,二是激励对碳纤维在新的应用领域的开拓。

       采用新技术新装备的激励机制

       碳纤维复合材料是一个高科技产业,处处需创新,处处有风险。曾经有国外专家在感叹:“中国碳纤维都已经沦落到这个局面了,为何还惧怕创新?创新后,你还可能比现状失去更多吗?”任何高度工业文明的经济体与企业总是热烈地“拥抱创新”,而“不创新等死,创新找死”的谬论却在中国大行其道。十几年的中国碳纤维产业发展史也证明:没有技术创新,才是等死或找死!由于企业机制问题,尤其是国有企业领导,对创新的决策确实承担了巨大的责任。我们需要建立国家层面激励机制,去鼓励我们的企业领导人大胆采用新技术、新装备建设工业示范工程,形成技术驱动的竞争优势。

       启动对跨界复合型人才的培养

       在推广碳纤维复合材料中,大家均面临一个头疼的问题,复合材料人员不懂应用专业,而应用人员不懂复合材料。让一个头脑中全是金属数据与工艺的结构设计师,让他去设计复合材料结构,这确实是勉为其难。不同于传统材料,复合材料设计:不光设计结构,还在设计材料,也要设计工艺,更要设计成本。尤其对于新的应用领域,没有成熟的材料形态与制造工艺可借鉴,就更需要一个产品设计师去思考上述的所有因素,本质上是“多要素的优化组合”,甚至是重大的系统性的发明与创造。这种既懂特定应用、又懂复合材料、还具备创新思维的人才,是复合材料开拓新应用的领导者。没有这类人才,我国不可能做出影响世界的重大科技与产业成果。建议国家选拔国内有培养潜质的复合材料专业及应用单位的青年结构设计师,调动国内外优质教师资源,创新教学方式,尝试培养跨界产品设计师。


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