碳纤维复合材料应用发展趋势与展望

来源:广州赛奥碳纤维技术有限公司

发布时间:2019年8月5日下午 07:08:17

任何材料的发展,都有一个规律,就是应用越多,生产规模越大,性能与品质就提升快,成本就降低快,碳纤维复合材料也不例外。本文《2018 全球碳纤维复合材料市场报告》的最后一部分——复合材料应用发展趋势与展望。

任何材料的发展,都有一个规律,就是应用越多,生产规模越大,性能与品质就提升快,成本就降低快,碳纤维复合材料也不例外。应用方,千万不要坐等国产碳纤维的品质提升与成本降低,今天需要去牵引碳纤维的成长,明天碳纤维及复材会助力应用的更大发展。

1航空航天应用市场

市场的发展趋势如下图:2018 年对碳纤维的需求量为 21,000 吨。

商用飞机对碳纤维需求驱动是巨大的,2018 年,根据波音及空客的官网信息,波音的复材飞机B787 交付 145 架,与 2017 年的 136 增长了 6.6%,而空客的复材飞机 A350XWB 交付了 93 架,比2016 年 78 架增加 19.2%。所以,商用飞机碳纤维的用量增加主要来自空客。2018 年,俄罗斯航空出现西方碳纤维复合材料断供的新闻.俄罗斯采用的是干丝铺放预制体+整体 RTM 的工艺。

2体育休闲应用市场

关于碳纤维体育器材的品牌助力工程,我们认为:首先碳纤维是国家重要战略材料,其产业链与 应用是国家相关产业政策支持的重点。而体育器材在碳纤维的成长中发挥着不可替代的作用,却极少得到产业政策的惠顾,今天依然生存的碳纤维体育器材企业是从千军万马中搏杀出来的优秀企业,他们只需要一类特殊的产业政策:就是品牌的助力。

没有任何一个材料在竞技体育器材中,能与碳纤维复合材料所展现的神奇所媲美。如同人类利用碳纤维探索宇宙与深海,人类也在利用碳纤维去探索体能发挥的极限。碳纤维器材是“科技奥运”的 完美展示。所以,国家及优势区域的体育主管部门在助力品牌的过程中,也助力了科技,科技+品牌,一个崇高的国家形象!

3风电叶片应用市场

2018 年,低风速风场和海上风电共同推进了叶片的大型化发展,进一步推动碳纤维在风电领域 持续高速增长。VESTAS 已经成为全球碳纤维产业最大的用户,且增长迅猛。

根据彭博新能源财经公布的“2018 年全球风电整机制造商市场份额排名”: 从市场需求方面:2018 年全球新增陆上及海上风电装机容量分别为 45.4GW 及 4.3GW,其中中国继续领跑全球风电市 场,2018 年中国市场新增装机总容量为 21GW(包含 19.3GW 的陆上及 1.7GW 的海上风电装机),全球市场占比 42%;从市场供给方面:Vestas2018 年陆上风机新增装机容量高达 10.09GW,以 22% 的全球陆上风电新增市场份额遥遥领先。金风科技成为 2018 年全球第二大陆上风电整机制造商,2018 年全球陆上风电市场份额为 15%;前 10 大全球整机制造商中,中国制造商囊括一半席位。

VESTAS 对碳纤维的应用是否会给行业带来示范效应?中国风电同行的回答是:关键看中国碳纤维产业的成本竞争优势。目前,VESTAS 基本掌握了全球最低成本的碳纤维资源 (大约 13-14 美元/ 公斤),然而,这些碳纤维一旦进入中国,需要支付大约 32.7%的关税与增值税。另外加上 VESTAS 专利保护的拉挤板粘接梁帽的低成本复材技术,中国现有的预浸料铺放技术或织物灌注技术,在复材成本上难于与之抗衡。中国风电产业面临因“低成本碳纤维及复材工艺”缺失而失去竞争力的潜在风险。

风险从来与机遇并行,中国现有的碳纤维复合材料产业基础,是具备开创新一代低成本碳纤维梁帽的可行性的。这需要风电行业更大的拥抱创新的胸怀与勇气!

4汽车应用市场

碳纤维在汽车中的应用前景,是碳纤维复合材料及汽车界争议最大的。我们有如下的基本看法:

1. 碳纤维在汽车领域的应用,历史已经非常悠久,从 F1 赛车到超豪华轿车,其中,除了轻量化 等先进性指标,成本也是重要考量因素,小批量(数千台以下),复合材料的制造成本小于金属零部件。

2. “节能减排,绿色环保”是人类长期的主题,到现在,这个已经不是一个口号,是一个越来越 重要的成本,绿色是需要支付社会成本的。从“碳排放”到“碳美元”这个已经变成复杂的问题,所以这个绿色的成本是动态的,非经济因素的决定力更大,比如取消燃油汽车的国家政策,并非只从能源及经济角度考量。

3. 任何一个汽车企业,均需要评估全寿命周期的“轻量化效益”,减重所产生的综合效益,是否 可以覆盖减重所需的成本。如果这个账算不过来,做的产品就难以有市场竞争力,汽车企业就不能生 存。轻量化效益与绿色成本关联性极大,这就让轻量化效益的评估难以量化。

4. 碳纤维复合材料本身就处于婴儿期,尤其在汽车领域,更如此。人类在新能源汽车领域,也处于婴儿期。让两个婴儿去展望他的婚姻幸福问题,这几乎是无解的。唯有自由开放的市场,可以去解决碳纤维与汽车的成长与批量结合的问题。

5. 有一点是确定的,碳纤维婴儿与新能源汽车,各自好好强身健体、茁壮成长。才有联姻及幸福婚姻的可能。我们是赞赏 BMW 的前瞻与勇气,但不能否认他们与 SGL 的“童养媳”婚姻的失败。

5压力容器应用市场

压力容器,尤其是燃料电池所需的氢气瓶,是 2018 年及未来的热点。日本企业主要的氢能源、氢经济,极大地刺激了中国与世界。为了推广氢燃料汽车,丰田公司开放了所有相关的专利,供全世界免费使用,其目的是形成一个新的行业标准。

35MPA 及 70MPA 的氢气瓶,在丰田等日资企业的大力推广下,已经有成为世界标准的趋势。在日资碳纤维助力之下,这个推广力度会愈发强烈。

氢气瓶的核心技术,除了金属阀门及各类传感器之外,主要是轻质内胆材料及成型,以及外层高 效、低成本碳纤维及缠绕成型。对于采用塑料内胆,大多数欧洲专家颇有微词,认为在全寿命周期内,塑料内胆不能完成功能,存在安全隐患。我们也没有日本的塑料内胆的测试结论,无法做出判断,但是,相信高分子材料或者高分子内胆做金属镀层处理,应该可以解决这个问题的。

气瓶的外层缠绕,可能会对碳纤维及其复合材料产生一个革命性的影响:首先是用量,一款 50 万台的燃料汽车就需要大约 30,000 吨,3 款汽车就能消耗掉 2018 年全球的碳纤维需求。其次是成本,如此大的数量必然会让汽车公司对碳纤维及复合材料工艺的成本严苛控制,同样,如此大的数量也会促进碳纤维产业的科技进步,尤其是低成本制备技术;再者是成型效率问题,现有的湿法缠绕设备,需要在材料形态与效率上进行革命性的创新,才能满足批量氢气瓶的需求。

6混配模成型应用市场

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。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。

玻纤 D-LFT 在汽车领域的广泛应用证明了这种复合材料形态的优势。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。由于回收碳纤维的加入,让这些非连续形态的,已经非连续形态加连续形 态的混合结构,展现出一定的发展空间。 不同于玻璃纤维非连续复合材料(这已经是应用非常广泛的品种)。碳纤维非连续复合材料形态,尤其是 SMC,要想获取更大的应用,需要在工艺上做出重大创新,大幅度提升性能,才有可能与玻 纤的同类产品有性价比,或者满足玻纤同类产品基本难以实现的承力结构件。这才有碳纤维 SMC 的 更广阔的应用空间。

理论上:碳纤维的取向及富树脂缺陷,是决定碳纤维 SMC 性能的主要因素。如果简单借用玻璃 纤维 SMC 的现有制备工艺,都很难解决上述两个问题。尤其是树脂很难像预浸料一样可控、均匀地 浸润微纤维,纤维与树脂的分布的不均匀,就会导致材料在某些区域存在为数不多的纤维及太多的树脂。这类缺陷就阻止了复合材料性能的提升。

7建筑应用市场

本领域是一个广泛意义的建筑,不仅包括我们通常意义的建筑,也包括了建筑机械、桥梁、隧道及工业管道等,复合材料的应用主要有如下几个领域:

1.建筑桥梁的补强:这是碳纤维应用的经典市场,由来已久,目前主要是通过用织物及树脂,对老危建筑进行现场粘贴的方式,或者用拉挤板材现场夹固的方式来实施。这个领域的顽疾是行业管理的不规范,鱼龙混杂,以次充好。

2.艺术型建筑的主体结构:“建筑是一种凝固的艺术”,追求艺术效果,通常需要先进轻质结构材料的支撑。

3.建筑机械:建筑机械的“手臂”随着摩天大楼的发展而伸长,到一定长度,金属材料的比刚性 问题就出来,就只能用比刚性超高的碳纤维复合材料。

4.桥梁:桥梁的拉索的复合材料化,全球绝大部分大型桥梁建设在中国,但中国的创新研发能力又比较弱,欧美日本研发能力强,又鲜有施展机会。

5.抗震防震建筑:国外经验证明:利用碳纤维复合材料加固后的房屋具有良好的抗震防震效果。日本这方面做得很好,而且效果显著(强烈地震后的人员伤亡率极低)。这方面,我国还有巨大的差距。

6.管道:油气管道、市政管道,经过多年的运营,已经多次产生严重事故,而碳纤维复合材料是 管道修补的最佳材料之一。我国还无相关标准与广泛应用。

8碳碳复材应用市场

2018 年,碳纤维在碳碳复材领域是平稳增长的:

刹车盘市场:国际的主要企业是:法国的 Messier-Bugatti 公司、美国的 Honeywell 公司、B.F. Goodrich 公司、Goodyer 公司和英国的 Dunlop 公司。中国的飞机刹车盘主要有中航飞机股份有限 公司西安制动分公司、博云新材、西安超码等厂商。飞机刹车盘市场平稳增长,同时,国内高铁的刹车盘市场开始启动。

航天部件:主要企业是国内航天的相关院所,碳碳复合材料以其优异的性能成为大型固体火箭喉 衬、发动机的喷管、扩散段,端头帽等的首选材料。

热场部件:国际企业是德国的 SGL 公司,日本的东海碳素公司等;国内从事碳碳复合热场材料 的单位包括西安超码、航天睿特、博云新材、中南大学、南方搏云等。这个领域在 2018 年,以及 2019 年市场情况均很好。

预制体是碳碳复材重要的制造环节,国内的主要企业是:中材科技南京玻璃纤维研究院、江苏 天鸟高新技术有限公司、天津工业大学复合材料研究所、江苏飞舟高新科技材料有限公司。由于上述 三大应用市场的增长,预制体企业的生意均很好。

9电子电气应用市场

1.短切碳纤维增强塑料:主要利用了其防静电,电磁屏蔽及力学增强的特点。主要应用产品有复 印机、打印机、数码相机、数据传输电缆接头等。江苏澳盛严兵总认为大约有 3000 吨的需求。

2.长碳纤维增强塑料(LFT):对比短纤维增强塑料,LFT 的力学性能更佳,所以,主要用于力学 性能要求高的结构,或对力学性能和电性能均有要求的部件上,日本东丽的 LFT 在电子电气领域长期 处于垄断地位。

3.连续碳纤维增强复合材料:主要用于轻薄笔记本的壳体。目前,如联想 X1 显示器外壳,戴尔 XPS13 碳纤维惠普 SPECTRE 的底板,均是碳纤维复合材料制成。轻薄型笔记本每年大约有 5000-6000 万台的销量,目前主要采用的材料是铝合金和镁铝合金,碳纤维复合材料只占据较小的市场份额,大约有 600-700 万片。该领域一直有热塑与热固之争,联想采用了热固预浸料织物,而惠普采用了热塑预浸织物。

4.连续碳纤维缠绕复合材料:在高速永磁电机转子的护套,通常是碳纤维缠绕而成,这需要精密 的大张力缠绕与固化后的维持张力。

10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、超豪华游艇、高速客船及军事用途的船舶。

1.竞赛类船舶:由于有超高的轻量化效益,据说是每减重 1 公斤,相当与 1 万美元,所以,把碳 纤维复合材料用到了极致。除了传统的船体、桅杆、帆布采用了超薄碳纤维预浸料与超薄芳纶预浸料结合,以提升空气动力。固定桅杆与帆布的绳缆也变成了碳纤维拉挤棒,以提升整体空气动力结构的 刚性。

2.超豪华游艇:超豪华游艇是顶级富豪的海上玩具,为了打造独特性,也大量采用了碳纤维复合 材料,以体现其科技含量与价值。

3.高速客船:在经济发达区域的海上交通,人们需要有高速船只,以提高交通效率。如同陆上的 绿皮火车过渡到高铁。对于传统的钢铁船体,要实现高速的动力成本就很大,所以,对轻质复合材料 的选择就是必然,而玻纤复合材料的结构刚性,不能满足高速的需求,所以,碳纤维船体结构成为选择。

4.军事船舶:军事船舶有很多种类,只是对于一些特殊的功能需求的地方,需要碳纤维复合材料。军事船舶的关键是性能,而不太关注运行成本。所以,在军事船舶中的结构件中,还只有极小的特殊 船只需要碳纤维复合材料。

11电缆芯应用市场

2018 年,全球需求是 1000 吨:国际上,主要是美国 CTC 公司及其国际的授权生产的合作伙伴,该公司从 2001 年开始研发,2005 年开始推广 ACCC 的商业化应用。目前该公司在全球有四个主要的战略合作伙伴:北美的 General Cable ,中东巴林的 Midal,欧洲比利时的 Lamifil 以及中国的远东电缆(上述信息来自 CTC 官网)。

除了 CTC 体系在华厂家,中国的主要厂家是中国电力科学研究院,中复碳芯电缆科技有限公司,华北电力科学研究院与河北硅谷的合作,辽宁省电力公司与哈玻院的合作。

中复集团前董事长张定金先生认为:“我们中国的碳纤维电缆大概有 5 万公里的水平,中复碳芯公司 2018 年铺设的碳纤维电缆就超过 5000 多公里。全球碳纤维增强复合材料芯材铝导线带来的碳纤维应用量 2016 年约 100 吨,2017 年上涨到 350 吨,目前国产碳纤维已基本实现了批量挂网应用。据我们了解到的信息:CTC 在非洲和亚洲做了很多布局,未来五年碳纤维电缆有比较大的爆发。”

12轨道交通应用市场

在 2017 年初,应当时唐车一位领导要求,我们对全球的轨道交通的复合材料应用做了一份报告,主要有两个结论:350 公里的高铁的单位乘客的能源消耗,已经与飞机类似;一辆四轮驱动的宝马汽 车的重量是 297 公斤/乘客,商用飞机是 446 公斤/乘客,而 TGV 是 752 公斤/乘客。高速列车的减重 空间巨大。如果广泛采用碳纤复材,有望在高速列车实现 180 公斤/乘客。另外,轨道交通的减重, 对于路轨的建设成本,也会有大幅度减少。由于轨道交通的轻量化经济效益显著,所以,碳纤维复合材料有巨大的发展空间。

资料来源:中车青岛四方股份公司副总工程师丁叁叁 PPT

丁叁叁总工认为:轨道交通复合材料的前景巨大,会有几十万吨的规模。这对于碳纤维产业, 当然是个喜讯。 如同碳纤维在其他应用行业面临的难题:首要是应用方自主设计能力建设问题。是否吃透了结 构的各类情况下的负荷,是否对安全系数的把控有足够经验。在航空复材应用之初,我们设计的碳纤维复合材料结构比铝合金还重。所有,设计是龙头。

 

中车集团具有集中力量办大事的优势,如能建设一个面对复合材料公开竞争的平台,吸引更多资源参与轨道交通复材的研发,这会加速应用过程。

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