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碳纤维及复合材料的发展和应用将迎来爆发性增长

碳纤维及复合材料的发展和应用将迎来爆发性增长

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发布时间:
2018/09/21
【摘要】:
一、碳纤维简介 碳纤维(carbonfiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构,在沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维具有强度高、重量轻等特点,是一种力学性能优异且具有诸多特殊功能的新材料。由于碳纤维及其复合材料优异的综合性能及高附加值,被人们称作是二十一世纪的“黑色黄金”,被列入国家“十三五”规划,作为国家重点

一、碳纤维简介

 

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构,在沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维具有强度高、重量轻等特点,是一种力学性能优异且具有诸多特殊功能的新材料。由于碳纤维及其复合材料优异的综合性能及高附加值,被人们称作是二十一世纪的“黑色黄金”,被列入国家“十三五”规划,作为国家重点发展的战略新兴产业。

 

我国的碳纤维产业发展和国外存在着较大差距,无论是碳纤维的生产和下游的应用。以碳纤维为例,2017年,全球碳纤维理论产能为147,100吨,而中国为2,6000吨。差距已经较大,但在实际产量上,差距就更明显。2016年全球碳纤维产量在84000吨左右,约为产能的60%,但中国的实际产量7400吨(有说5400),不到产能的30%(中国碳纤维2017年需求约24800吨,自给率30%)。同时国外如东丽可以批量生产T300、T700、T800、T1000、M40、M55、M60等级别的碳纤维,而国内T300、T700可以满足一定的需求,其他级别产品在市场上还没形成规模化供应。

 

同时碳纤维的应用方面还存在较大差距,以碳纤维应用量较大的领域为例:

 

 

目前全球碳纤维用量排名前三的是风电、航空航天、体育休闲用品、汽车等领域。

 

 

国内应用较多的是体育用品、风电、建筑加固、压力容器等,处于应用的相对低端。最典型的就是体育用品,全球13200吨,中国大陆和台湾量差不多,总量在12000吨,接近全球用量的近九成,但是在碳纤维体育休闲样品的品牌上,竟然找不出几家拿得出手的品牌。而这几年量增长较快的风电、气瓶领域,最主要是给国外厂家提供产品。以风电为例,虽然国内企业今年碳纤维复合材料增长较快,但都是为维斯塔斯提供。维斯塔斯数年以前遇经营危机,差点要卖给中国企业,但他们坚持技术开始,创新碳纤维在风电中的应用设计,改变传统的预浸料和碳布工艺,利用拉挤板材制造叶片大梁工艺,当取得突破后,很快就成为全球风电老大。气瓶也是如此,前些天总理访问日本去丰田看的新能源汽车Mirai,就是氢燃料电池轿车,其技术碾压了众多国内新能源车企,和宝马的i系列和7系,共同是碳纤维在汽车应用的典范!

 

正如沈真老师在其系列文章中所说的,国内碳纤维应用的差距,也影响了碳纤维行业的进步,而这种差距,最主要体现在设计上。

 

二、中国碳纤维行业取得了长足的进步

 

以中复神鹰首先宣布国内碳纤维企业实现盈利为起始,国内众多碳纤维相关企业也逐渐走过行业发展的低谷期,开始找到适合自身发展的模式。

 

2017年是国内碳纤维行业发展重要的一年,碳纤维行业的大动作频频,标志性事件不断涌现。

 

 

而碳纤维发展重要标志的两端工业级大丝束和高强高模,也宣布取得突破性进展,如精功碳谷和金山石化宣布大丝束碳纤维试车成功,中科院宁波所和光威先后宣布M55取得了突破。

 

三、碳纤维及复合材料的发展和应用将迎来爆发性增长

 

碳纤维复合材料(CFRP)是国务院政府工作报告部署的“中国制造2025”发展规划中需着重解决的“量大面广的先进基础材料”和“制约制造业发展的关键战略材料”,其上下游产业链对重构我国新材料产业体系极为重要。在航空航天、轨道交通、船舶车辆、桥梁建筑、电动工具、体育运动器材、风力发电机以及计算机(Computer)、通信(Communication)、消费电子产品(Consumer Electronics)等“3C信息家电”诸多领域受到极大关注,对国民经济的发展壮大产生举足轻重的影响。碳纤维是新材料皇冠上的一刻明珠,是国家定性的先进战略性材料!

 

但碳纤维本身是一种结构性材料,这个特性就类似于钢铁,无论天上飞的、地上跑的、水里游的,各行各业,都可以用到碳纤维,所以随着碳纤维成本的下降,以及应用水平的进一步成熟,碳纤维将又王谢堂前燕,飞入寻常百姓家,而迎来其应用的爆发性增长。

 

 

 

近些年来无论国际还是国内,碳纤维的用量都在稳定增长,而且如果在某个领域获得突破,就会大幅度增加。以风电为例,最初碳纤维应用的方式是预浸料和碳布真空灌注工艺,成本高、工艺周期长、效率低,影响了其使用,但维斯塔斯坚持了多年的研究,终于在本世纪初期取得了突破,采取了全新的设计,利用复材中成本最低、效率最高的拉挤工艺做风机叶片大梁,不仅把自己从濒临破产的境地拯救出来,成为世界第一,而且碳纤维在风电行业的使用迅速提升,2010年达到一万吨,2016年风电用碳纤维的量超过航空航天成为第一大领域,2017年已经达到2万4千吨,而这个量的90%仅仅是维斯塔斯一家企业贡献的!如果能够普遍能够推广起来,光风电一个领域碳纤维的用量就非常可观。

 

 

世界上碳纤维的格局还是以日本为主,特别是小丝束占据很大的优势,欧美大丝束的能力比较强些。东丽为了弥补大丝束的不足,以5.84亿美元收购卓尔泰克。而因为碳纤维的特殊性,中国必须主要依靠自身的力量来开发,在这一过程中,以光威、神鹰、恒神等民营企业担当起民族大任,为中国的碳纤维产业的发展取得了关键性的突破做出了关键性的贡献!目前中国的碳纤维企业在世界的碳纤维产业版图上已经有了一些之地(上图划线企业为中国的)。而其中最具代表性的就是中复神鹰(即CCGC),多年产销量稳定在千吨以上,产品品质收到市场检验和客户认可,2017年产销量达2500吨,占国产碳纤维销量一半以上。最重要的是他们的千吨线很多关键设备都是自己做的,当然有仿的也有自主研发的,所以他们产线的设备成本是可控的。如果市场合适,最基本的,他们很容易复制多条千吨级的产线,实现万吨的突破(所以当地领导才有宣布适时启动5-10万吨碳纤维生产基地的底气)。

 

当然,碳纤维产业的发展还需要应用端的支持。而目前国内碳纤维应用已经形成了几大聚集群。其中以山东、广东、江苏、福建(上海是港口,需要进口走此,自身应用不多)等主,广东和福建早年承接许多台湾企业的转移,有较强的制品加工能力,但多集中于体育用品,重复度较高。而山东、江苏的碳纤维整个的产业链比较好,从上游的石化制品,到碳纤维生产,到下游应用,整个产业生态链比较齐备,有机会首先发展起来。