7 復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展趨勢與展望
7.1. 航空航天應(yīng)用市場
市場的發(fā)展趨勢如下圖:2019年對碳纖維的需求量為23,500噸。
航空航天市場的分市場份額(噸)如下圖:
商用飛機(jī)無疑是碳纖維最有力的推動者,2019年三件大事:一是波音737系列停飛停產(chǎn),國際航空器市場形成巨大的不確定性。二是新的單通道飛機(jī)平臺,是否會雙通道飛機(jī)B787、A350一樣,廣泛地使用碳纖維?三是數(shù)量是雙通道飛機(jī)10倍的單通道飛機(jī),會采用怎么的復(fù)合材料工藝?這些問題可多聽航空專家的觀點(diǎn)。從材料角度:新型的碳纖維,以東麗T1100G、赫氏IM10為代表的,如果產(chǎn)能繼續(xù)擴(kuò)大,成本持續(xù)降低,將在主承力結(jié)構(gòu)大量使用;對于熱塑復(fù)材在主結(jié)構(gòu)的應(yīng)用,這是屬于“下一代多功能機(jī)身驗(yàn)證”的性質(zhì),而航空的一代基本是20年時間;成熟的熱固復(fù)合材料依然是飛機(jī)主結(jié)構(gòu)的主力,除了現(xiàn)有的自動鋪放+熱壓罐工藝,RTM工藝在A220與MC-21的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上,最可能成為單通道飛機(jī)的主選工藝。
7.2. 風(fēng)電葉片應(yīng)用市場
2019年,風(fēng)電市場發(fā)展非常迅猛,國內(nèi)預(yù)計(jì)今年內(nèi)取消補(bǔ)貼,所以搶裝依然延續(xù)。
根據(jù)彭博新能源財經(jīng)公布的“2019年全球風(fēng)電整機(jī)制造商市場份額排名”,從市場需求方面:
2019年全球新增陸上及海上風(fēng)電裝機(jī)容量分別為53.2GW及7.5GW,其中中國占據(jù)全球半壁江山,中國市場新增裝機(jī)總?cè)萘繛?8.9GW(包含26.2GW的陸上及2.7GW的海上風(fēng)電裝機(jī)),全球市場占比48%;從市場供給方面:Vestas 2019年風(fēng)機(jī)新增裝機(jī)容量9.6GW,以18%的份額領(lǐng)先全球;全球十強(qiáng)中,有6家是中國企業(yè)。
2019年底與臺塑周中洋高級專員交流,他提供了如下寶貴的咨詢,供大家參考:“SIMENS GAMESA已經(jīng)開始使用拉擠板制作樣機(jī);GE-LM的使用拉擠板的工藝在開發(fā)中;Nordex 在歐洲已經(jīng)開始批量使用拉擠板生產(chǎn)葉片;遠(yuǎn)景風(fēng)電已經(jīng)開始用拉擠板制作樣機(jī)。預(yù)計(jì)2020年全球風(fēng)電對碳纖維的需求將達(dá)到31,272,兩年之后,預(yù)計(jì)碳纖維需求大于44,139噸”。
盡管我們對風(fēng)電的預(yù)測很樂觀,但是,確實(shí)也存在一定風(fēng)險:新冠肺炎疫情及風(fēng)電發(fā)展的階段性規(guī)律,有可能會讓上述的預(yù)測不符或落空。
2019年,VESTAS在中國的動作頻頻,與澳盛擴(kuò)大了碳梁的合作,與光威集團(tuán)合作在內(nèi)蒙擴(kuò)建碳纖維工廠,然后又與吉林化纖集團(tuán)(我國當(dāng)前最重要的原絲基地)簽訂了戰(zhàn)略協(xié)議,之前,與ZOLTEK,臺塑,土耳其DOWAKSA的戰(zhàn)略合作。我們大膽地猜測:VESTAS應(yīng)該非常清楚碳纖維在未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義,他更清楚碳纖維的成本構(gòu)成及未來發(fā)展走向。如此猜想之下,不免有點(diǎn)私心,替我們國內(nèi)的風(fēng)電巨頭暗自擔(dān)憂:不要等著哪一天,我們也認(rèn)識到了碳纖維在未來風(fēng)電的戰(zhàn)略意義之后,突然發(fā)現(xiàn),全球的碳纖維資源已經(jīng)被對手控制了。希望我們的這些想法是“杞人憂天”。作為碳纖維的從業(yè)者,我們首先歡迎各類客戶的光臨。
7.3. 體育休閑應(yīng)用市場
體育休閑市場十年來的需求發(fā)展情況如下,2019年的需求量為15,000噸。
體育市場的分市場份額如下:
先進(jìn)復(fù)合材料體育器材強(qiáng)國計(jì)劃
2019年,中國復(fù)合材料學(xué)會與國家體育總局裝備中心牽頭,匯集體育界及復(fù)合材料屆專家學(xué)者及企業(yè)家,籌備“中國復(fù)合材料體育器材聯(lián)合專業(yè)委員會”。這個“專委會”的工作任務(wù)是“集成國際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、增強(qiáng)技術(shù)研發(fā)能力、國家助力品牌運(yùn)營、競技產(chǎn)業(yè)共同進(jìn)步”。
在2019年11月28日,由中國復(fù)合材料學(xué)會主辦的第四屆中國國際復(fù)合材料科技大會(CCCM-4)在珠海隆重舉辦,期間,“專委會”籌委會舉辦了體育器材分會場,分會場包括了碳纖維體育器材的現(xiàn)場展示與體驗(yàn)和精彩紛呈的報告。
2020年的新冠病毒疫情為全球的體育運(yùn)動蒙上了一層陰影:各類文體活動大幅度減少,相關(guān)的體育器材企業(yè)由于訂單的減少,加上之前中美貿(mào)易戰(zhàn)的關(guān)稅,眾多企業(yè)正備受煎熬。我們希望:中國復(fù)合材料學(xué)會及國家體育主管部門,在這個艱難時刻,依然砥礪前行,全力推動這個“強(qiáng)國計(jì)劃”落實(shí)。
碳纖維復(fù)合材料一直是國家產(chǎn)業(yè)政策的熱點(diǎn),然而,我們一些主管部門,對航空航天復(fù)材應(yīng)用青睞有加,對體育器材應(yīng)用重視不夠,甚至是輕視。我們已經(jīng)多次上書:表達(dá)了“體育器材不僅是全球碳纖維產(chǎn)業(yè)的催生婆,更是中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的壓艙石”的客觀歷史與現(xiàn)實(shí)。
7.4. 汽車應(yīng)用市場
對于汽車是否可能大批量應(yīng)用碳纖維,這是目前行業(yè)最具爭議的話題。我們也多次表達(dá)了全壽命周期的“輕量化價值”的觀點(diǎn)。我們認(rèn)為:這也是工業(yè)級碳纖維的大批量應(yīng)用的“普世原則”,如果這個與其他現(xiàn)有材料的對比經(jīng)濟(jì)賬算不明白,就沒有批量應(yīng)用的前提。
另外一個思維角度:碳纖維從來就在汽車領(lǐng)域存在,而且一直在發(fā)展,超級車(5000臺)、超豪華車(50萬臺),豪華車(500萬臺),大眾型汽車(大約1億臺)。目前,碳纖維在超級車及超豪華車用途很廣,豪華車上也有一些碳纖維零部件。大眾型汽車的應(yīng)用的先驅(qū)是BMW I3 (盡管I3的銷量只能算為豪華車類別)。我們認(rèn)為:從目前綠色環(huán)保要求及碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展水平綜合考慮,碳纖維的主要市場是豪華車及以上市場。
對于新能源汽車,盡管電池昂貴,輕量化需求迫切,但是,只要是面向大眾的,都很難支付碳纖維復(fù)合材料的高昂的成本,除非是功能性的必須需求,比如燃料電池的氣態(tài)擴(kuò)散層(GDL)及高壓氫氣瓶。
7.5. 壓力容器應(yīng)用市場
2019年,燃料電池汽車依然是世界的熱點(diǎn),對于碳纖維產(chǎn)業(yè),主要的機(jī)遇是氣態(tài)擴(kuò)散層及高壓氫氣瓶。
氣態(tài)擴(kuò)散層(GDL):目前的主流工藝是碳纖維紙與織物作為基體材料,與高碳基體材料結(jié)合碳化,形成碳碳復(fù)材,進(jìn)行疏水性處理之后,涂覆微孔碳微粉涂層。世界上主要的GDL廠家為東麗,西格里以及加拿大Ballard旗下材料廠。東麗與SGL這幾天都在大幅度擴(kuò)產(chǎn),價格依然高企與供不應(yīng)求。我國也有一些企業(yè)從事GDL的研發(fā)與小批量制造,但是,缺乏碳纖維材料的基礎(chǔ)與支撐,這些企業(yè)是走不遠(yuǎn)的,希望我們的碳纖維企業(yè)要重視這個材料的研發(fā),否則這個材料會成為我國燃料電池“卡脖子”環(huán)節(jié),影響氫能源產(chǎn)業(yè)安全。
高壓氫氣瓶:首先有別于其他氣瓶,燃料電池的氣瓶,比如要實(shí)現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟(jì)的成本,美國能源部的技術(shù)路線圖:碳纖維成本需要從現(xiàn)在的15美元/(kW?h),降低到8美元/(kW?h),換算成碳纖維成本,大約是需要實(shí)現(xiàn)T700或之上的性能,價格大約12.6美元/公斤(目前這個檔次的纖維國際價格是18-22美元/公斤)。這對現(xiàn)有的碳纖維產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力,會形成了一個巨大的挑戰(zhàn)。
7.6. 混配模成型應(yīng)用市場
混配模成型(Molding& compound)嚴(yán)格講,不是一個應(yīng)用市場,而是對工藝的描述,但由于這些工藝橫跨的應(yīng)用多,所以,把它歸類成一個應(yīng)用,便于說明?;炫洌╟ompound)是指非連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料,主要包括短切增強(qiáng)和LFT。玻纖D-LFT在汽車領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用證明了這種復(fù)合材料形態(tài)的優(yōu)勢。模成型(Molding)主要是指片狀模塑料Sheet Molding Compound-SMC,團(tuán)狀模塑料Bulk Molding Compound-BMC。由于回收碳纖維的加入,讓這些非連續(xù)形態(tài)的,已經(jīng)非連續(xù)形態(tài)加連續(xù)形態(tài)的混合結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出一定的發(fā)展空間。
從事短切碳纖維增強(qiáng)塑料的,通常是改性塑料企業(yè),比如SABI、RTP、POLYONE、COMPTEX、 POLYNT、廣東金發(fā)科技等。他們通常是從碳纖維企業(yè)采購短切碳纖維,采用雙螺桿混配造粒,然后在銷售給應(yīng)用單位做注塑成型。這其中有較多的問題:首要就是一個界面問題,碳纖維生產(chǎn)廠家通常是將B等品,通過二次上漿,加工成短切纖維,原始的環(huán)氧漿料通常還包裹在二次漿料之內(nèi),在后續(xù)的高溫工藝中,環(huán)氧漿料會分解,對產(chǎn)品構(gòu)成界面缺陷。另外一個重要問題,從碳纖維生產(chǎn)線到最終的注塑零件,中間環(huán)節(jié)太多,層層加碼,導(dǎo)致最終用戶的使用成本太高,這些都局限了短切碳纖維更廣闊的應(yīng)用空間,如對這個產(chǎn)業(yè)及生態(tài)鏈一定程度的重整,可以迅速擴(kuò)大應(yīng)用面及用量。
7.7. 建筑應(yīng)用市場
本領(lǐng)域是一個廣泛意義的建筑,不僅包括我們通常意義的建筑,也包括了建筑機(jī)械、橋梁、隧道及工業(yè)管道等,復(fù)合材料的應(yīng)用主要有如下幾個領(lǐng)域:1.建筑橋梁的補(bǔ)強(qiáng):2.藝術(shù)型建筑的主體結(jié)構(gòu);3.建筑機(jī)械;4.橋梁:5.抗震防震建筑:6.管道補(bǔ)強(qiáng)。
上述應(yīng)用市場中,有80-90%的碳纖維用于建筑橋梁的補(bǔ)強(qiáng)。早期的加固用碳纖維產(chǎn)品完全依賴于從以日本東麗為代表的歐美日等發(fā)達(dá)國家廠商進(jìn)口,直至21世紀(jì)初隨著我國工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展,逐漸出現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維布、碳纖維板等加固材料?,F(xiàn)階段基礎(chǔ)設(shè)施加固材料領(lǐng)域除福瑞斯、西卡、東麗等國外品牌。以上海悍馬為代表國產(chǎn)品牌正在快速崛起并逐步被國內(nèi)外市場廣泛認(rèn)可,這些行業(yè)優(yōu)質(zhì)企業(yè)的崛起,也對曾經(jīng)混亂的國內(nèi)市場做了一場洗牌,“魚龍混雜”的狀況有了根本性的改變,市場集中度加強(qiáng),更利于這個行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展。
7.8. 碳碳復(fù)材應(yīng)用市場
2019 年,碳纖維在碳碳復(fù)材領(lǐng)域是平穩(wěn)增長,主要市場是:剎車盤市場:國際的主要企業(yè)是:法國的Messier-Bugatti 公司、美國的Honeywell 公司、B.F. Goodrich 公司、Goodyer 公司和英國的Dunlop 公司。中國的飛機(jī)剎車盤主要有中航飛機(jī)股份有限公司西安制動分公司、博云新材、西安超碼等廠商。航天部件:主要企業(yè)是國內(nèi)航天的相關(guān)院所,碳碳復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能成為大型固體火箭喉襯、發(fā)動機(jī)的噴管、擴(kuò)散段,端頭帽等的首選材料;熱場部件:國際企業(yè)是德國的SGL公司,日本的東海碳素公司等;國內(nèi)從事碳碳復(fù)合熱場材料的單位包括西安超碼、航天睿特、博云新材、中南大學(xué)、南方搏云等。預(yù)制體是碳碳復(fù)材重要的制造環(huán)節(jié),國內(nèi)的主要企業(yè)是:中材科技南京玻璃纖維研究院、江蘇天鳥高新技術(shù)有限公司、天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所、江蘇飛舟高新科技材料有限公司。
上述市場中,最大的熱點(diǎn)是熱場部件的高速增長,據(jù)國內(nèi)預(yù)制體龍頭企業(yè),江蘇天鳥繆云良總經(jīng)理介紹:國內(nèi)市場2019年增長了25%。
7.9. 電子電氣應(yīng)用市場
2019年,電子電氣領(lǐng)域,市場在平穩(wěn)增長。
首先是功能性應(yīng)用領(lǐng)域:短切碳纖維增強(qiáng)塑料具有防靜電、電磁屏蔽等功能在復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸電纜接頭等產(chǎn)品早已經(jīng)有成熟應(yīng)用,對比其他的如炭黑、金屬等類似材料,碳纖維增強(qiáng)塑料的成本降低,會帶來這個市場的穩(wěn)定擴(kuò)展。
力學(xué)增強(qiáng)方面:主要的產(chǎn)品形態(tài)有長碳纖維增強(qiáng)塑料(LFT)和連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料。LFT其實(shí)是一個介于短切與連續(xù)之間、兼顧了成本與性能的一個很有前景的產(chǎn)品形態(tài),然后,熱塑界面的問題,如何在塑料中保持較長的長度及均勻分散問題,這些技術(shù)障礙阻礙了這個產(chǎn)品的更廣闊的應(yīng)用。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)材料,主要是用于輕薄筆記本的殼體,其中有經(jīng)典工藝的熱固殼體,也有熱塑殼體。
2019年,電子電氣領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求重大增長是:液晶平板顯示器生產(chǎn)過程的機(jī)器人的輕量化。大面積平板玻璃在生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)運(yùn)及儲存一直采用碳纖維牙叉,這是高模量瀝青碳纖維的天下,就是要防止移動平板玻璃過程中的振動,目前這個思路已經(jīng)延展到支撐牙叉的結(jié)構(gòu)上,利用碳纖維復(fù)材的輕質(zhì)高強(qiáng),更好地服務(wù)于平板玻璃搬運(yùn)的平順。
5G基站對材料的需求也是行業(yè)的熱點(diǎn),對于碳纖維材料,除了有特殊輕質(zhì)高強(qiáng)要求的通訊塔建設(shè)和局部的需要電磁屏蔽的部件,對碳纖維復(fù)合材料有需求可能,我們還沒有看到其他的機(jī)遇。
7.10. 船舶應(yīng)用市場
目前,船舶領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求主要是:競賽類船舶、超豪華游艇、高速客船及軍事用途的船舶。多年來,除了競賽類船舶,不斷追求復(fù)合材料新工藝及新技術(shù),其他船舶的發(fā)展缺乏熱點(diǎn)。
人類在探索海洋資源時,有一個從近海到深海到超深海的過程,比如海上石油的開采,近海還可以采用陸上固定井的思維,到深海及超深海,就不得不發(fā)明各類特殊的船舶,以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性。同時,深海的特點(diǎn),對傳統(tǒng)陸上采用的金屬材料會有很大的挑戰(zhàn),這就為碳纖維復(fù)合材料提供了巨大的機(jī)遇。
除了海洋石油,近幾年,海上風(fēng)電蓬勃發(fā)展,盡管目前主要在近海的淺水,借用陸上風(fēng)電的思路,做固定塔筒,我們相信,隨著近海資源的消耗,或者技術(shù)的變革,漂浮式風(fēng)電一定會成為必然。漂浮式風(fēng)電與漂浮式石油平臺還是有一定的區(qū)別,這就需要船舶系統(tǒng)開發(fā)新型的風(fēng)電漂浮平臺,如何固定這些平臺,可能會為碳纖維復(fù)合材料帶來新的應(yīng)用機(jī)遇。
7.11. 電纜芯應(yīng)用市場
2019年,我們統(tǒng)計(jì)的全球需求是1,100噸。
2019年,美國CTC公司授權(quán)了巴基斯坦的特許制造商,繼續(xù)擴(kuò)大其市場應(yīng)用。據(jù)CTC網(wǎng)站消息,到2019年,他們總共在全球建設(shè)了750個ACCC導(dǎo)線項(xiàng)目,總共完成的電纜里程接近10萬公里。2020年初,該公司宣布ACCC InfoCore?系統(tǒng)和首次商業(yè)部署,該系統(tǒng)可快速、準(zhǔn)確地確保ACCC? Conductor的正確安裝。
國內(nèi)電纜芯方面,2019年國家電網(wǎng)的一條電纜發(fā)生斷裂事件后,整個國電網(wǎng)的建設(shè)計(jì)劃暫停,這對行業(yè)產(chǎn)生了一些不良影響,2020年有望恢復(fù)重新建設(shè)。中復(fù)集團(tuán)前董事長張定金先生介紹:針對電纜芯品質(zhì)問題,中復(fù)集團(tuán)采取了兩個創(chuàng)新工作,一是在電纜芯預(yù)埋光纖,可以實(shí)時監(jiān)控電纜芯的品質(zhì)情況,另一方面,對于CTC推崇的大直徑、單根芯材,變成多根、小直徑芯材的組合體,這樣可以增強(qiáng)柔性,同時減少可能破化的擴(kuò)展,組合體依然可以保持設(shè)計(jì)強(qiáng)度,正常服役。他們正在驗(yàn)證上述的技術(shù)創(chuàng)新,一旦達(dá)成,將促進(jìn)中國電纜芯市場的發(fā)展。另外,同樣的思路,也為碳纖維橋梁纜提供新的機(jī)會?!?br/>
7.12. 其他應(yīng)用市場
軌道交通
這幾年,在中車的牽引之下,利用碳纖維復(fù)合材料對軌道交通做輕量化的研發(fā)工作進(jìn)展很快并卓有成效。在德國舉行的柏林國際軌道交通技術(shù)展(InnoTrans 2018)上,中國中車正式發(fā)布新一代碳纖維地鐵車輛“CETROVO”,同期,中車長春軌道客車研制的復(fù)合材料輕軌車-武漢東湖“光谷量子號”在長春軌道交通展上首次向公眾展出。2019年底,新一代碳纖維地鐵在廣州試跑。中車青島四方與國內(nèi)多家碳纖維復(fù)合材料企業(yè)合作,共同開發(fā)車頭罩,設(shè)備艙裙板等構(gòu)件。軌道交通,尤其是高鐵的的工況是非常復(fù)雜的,所以,需要長時間積累相關(guān)的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)。短期內(nèi),很難對碳纖維的需求帶來較大增量。這是一個具有中國特色、重大意義的碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài),社會各界應(yīng)充分重視這個應(yīng)用生態(tài)的開拓,長期堅(jiān)持,必有巨大回報。
碳纖維功能材料
如上面說提及的燃料電池的氣態(tài)擴(kuò)散層(GDL),碳纖維的功能性應(yīng)用將會有巨大的發(fā)展,尤其在儲能電池領(lǐng)域,碳?xì)郑ㄊ珰郑┳鳛橐毫麟姵氐碾姌O材料,已經(jīng)在廣泛使用;在碳?xì)值幕A(chǔ)上生長碳納米管,替代鉛酸電池的鉛板電極,煥發(fā)了古老鉛酸電池的青春,正在快步工業(yè)化與商業(yè)化;鋰離子電池中,已經(jīng)有很好的多微孔碳纖維材料的實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品,可以提升鋰離子電池的能量密度。
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