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碳纖維在國際市場的應(yīng)用情況分析

2018-07-06 08:42:51 中塑在線

1. 應(yīng)用現(xiàn)狀
碳纖維很少直接應(yīng)用，大多是經(jīng)過深加工制成中間產(chǎn)物或復(fù)合材料使用，碳纖維復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件或功能件現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在航空航天、工業(yè)和體育休閑用品三大領(lǐng)域。
碳纖維以其質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、耐高低溫和耐腐蝕等特點(diǎn)最早應(yīng)用于航天及國防領(lǐng)域，如大型飛機(jī)、軍用飛機(jī)、無人機(jī)及導(dǎo)彈、火箭、人造衛(wèi)星和雷達(dá)罩等，且航空航天領(lǐng)域用碳纖維的性能等級相對而言是最高的。
在工業(yè)領(lǐng)域，碳纖維廣泛應(yīng)用在汽車、電纜、風(fēng)能發(fā)電、壓力容器、海洋產(chǎn)業(yè)、電子器件、工業(yè)器材和土木建筑等。
在體育休閑用品領(lǐng)域，高爾夫球桿和釣魚竿最早獲得應(yīng)用，近年來，自行車、網(wǎng)球拍、羽毛球拍等體育用品也越來越多的使用碳纖維材料，一般使用T300級碳纖維就可以滿足需求，但為了提升產(chǎn)品性能，部分部件也已開始使用T700級甚至更高性能碳纖維。
從國際市場來看，2014年全球碳纖維需求量約5.4萬噸，2015年達(dá)7.4萬噸，2016年8.3萬噸。近8年，碳纖維需求量的復(fù)合增長率達(dá)8.9%，未來年均增長率將超過10%，2020年需求量將超過13萬噸。
2015年，碳纖維的主要的下游應(yīng)用是航空航天1.78萬噸/24%、汽車1.11噸/15%、風(fēng)電葉片1.63萬噸/22%、體育休閑0.89萬噸/12%，合計(jì)5.4萬噸，占比73%。未來隨著碳纖維復(fù)合材料成型技術(shù)的不斷發(fā)展，下游應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓，尤其是航空、汽車、風(fēng)電葉片的強(qiáng)勁增長以及其帶動作用，
2. 航空航天領(lǐng)域
碳纖維復(fù)合材料得以在航空航天工業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用，不僅因?yàn)樗軌驅(qū)崿F(xiàn)減輕飛行器重量、節(jié)約能源、增強(qiáng)巡航能力的目標(biāo)，還要?dú)w功于它擁有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕、抗疲勞等理化特性。
2015年航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量達(dá)到1.78萬噸，其中僅商用飛機(jī)的需求即占68%的比例，是目前航空工業(yè)中對碳纖維需求最大的市場。結(jié)合全球碳纖維發(fā)展情況和航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求情況，2020年需求量可能達(dá)到2.7萬噸。軍用飛機(jī)和商用飛機(jī)的需求在2011年為7,010噸，到2015年增長至14,100噸，年均復(fù)合增長率為16.9%，預(yù)計(jì)到2020年需求量將增至19,600噸，年均復(fù)合增長率為8.4%。
航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求主要來自兩大方面，一是不斷增加的碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用比例，二是新增的飛機(jī)訂單，預(yù)計(jì)2020年，航空航天對碳纖維的需求將達(dá)到2.7萬噸。
民用航空方面，碳纖維復(fù)合材料自20世紀(jì)70年代首次被應(yīng)用在飛機(jī)上的一些二級結(jié)構(gòu)，如整流罩、控制儀表盤和機(jī)艙門;近三十年來，碳纖維復(fù)合材料的使用逐步進(jìn)入到機(jī)翼、機(jī)身等受力大、尺寸大的主承力結(jié)構(gòu)中。
目前世界兩個最大的客機(jī)——波音和空客，均采用碳纖維結(jié)構(gòu)，平均可實(shí)現(xiàn)重量降低20%、燃油成本降低20%。其中，以波音787和空客A350最為搶眼，波音787全機(jī)身55%的重量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP。空客A350全機(jī)身53%的重量使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CFRP。
軍用航空方面，碳纖維復(fù)合材料得到了國內(nèi)外的充分重視。目前復(fù)合材料已經(jīng)應(yīng)用在戰(zhàn)績機(jī)身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位，起到了明顯減重作用。根據(jù)中國材料研究學(xué)會的數(shù)據(jù)顯示，采用復(fù)合材料的前機(jī)身段，可比金屬結(jié)構(gòu)減輕質(zhì)量31.5%，減少零件61.5%，減少緊固件61.3%。例如，美國不斷在先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)中提升碳纖維復(fù)合材料的使用比例，從F-15E的2%，F(xiàn)-18E的19%，到第四代戰(zhàn)斗機(jī)F-22中使用24%的碳纖維復(fù)合材料。
此外，近年來無人機(jī)(UAV)包括無人作戰(zhàn)機(jī)(UCAV)發(fā)展迅速，由于低成本、輕結(jié)構(gòu)、高機(jī)動、大過載、高隱身、長航程的技術(shù)特點(diǎn)，決定了其對減重的迫切需求，復(fù)合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的，美國全球鷹(GlobalHawk)高空長航時無人偵察機(jī)共用復(fù)合材料達(dá)65%，先進(jìn)無人機(jī)復(fù)合材料的用量更是不斷提升，X-45C、X-47B、“神經(jīng)元”、“雷神”上都運(yùn)用了90%的復(fù)合材料。近年來無人機(jī)除廣泛用于軍事用途外，在災(zāi)情巡邏、環(huán)境監(jiān)控、大地測量空中攝影及氣象觀察等民用領(lǐng)域的用途越來越廣，隨著這些飛機(jī)逐漸形成批量生產(chǎn)，復(fù)合材料在無人機(jī)上的用量會繼續(xù)增加。
在航天領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料不僅符合航天技術(shù)對結(jié)構(gòu)材料減輕質(zhì)量的要求，還符合對結(jié)構(gòu)材料具有高比模量和高比強(qiáng)度的要求，具有性能和功能的可設(shè)計(jì)性，被大量應(yīng)用。此外，航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運(yùn)載火箭減輕500公斤，因此，在航空航天工業(yè)中普遍采用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料。美國、歐洲的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)質(zhì)量不到總重量的10%，原因就在于廣泛使用了高性能復(fù)合材料。目前衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和各種支撐結(jié)構(gòu)件等已經(jīng)基本做到了復(fù)合材料化。在運(yùn)載火箭和戰(zhàn)略導(dǎo)彈方面，碳纖維復(fù)合材料以其優(yōu)異的性能得到了較好的應(yīng)用與發(fā)展，先后成功用于“飛馬座”、“德爾塔”運(yùn)載火箭、“三叉戟”Ⅱ(D5)、“侏儒”導(dǎo)彈等型號;美國的戰(zhàn)略導(dǎo)彈MX洲際導(dǎo)彈，俄羅斯戰(zhàn)略導(dǎo)彈“白楊”M導(dǎo)彈均采用先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)射筒。
3. 汽車領(lǐng)域
隨著排放標(biāo)準(zhǔn)趨嚴(yán)及低碳生活被人們普遍接受，節(jié)能減排已成為汽車工業(yè)的重要研究課題，在能源革新有限的情況下，輕量化是解決問題的關(guān)鍵之一。
2015年全球汽車總銷量為8,910萬輛，相比2014年的8,717萬輛增幅為2.2%，預(yù)計(jì)2020年產(chǎn)能將達(dá)到1億輛。2015年全球碳纖維汽車市場需求量達(dá)到了1萬多噸，預(yù)計(jì)到2020年將超過2萬噸，未來五年年均增速高達(dá)21%，將成為增長最快和需求最大的領(lǐng)域之一。
1) 超跑——最先引入碳纖維
汽車行業(yè)引入碳纖維復(fù)合材料的原因主要是相比傳統(tǒng)鋼材和鋁材，碳纖維的剛度更強(qiáng)，但重量更輕。但碳纖維材料因?yàn)楦叱杀?、生產(chǎn)周期長，以及供應(yīng)鏈不穩(wěn)定等，汽車行業(yè)最先是在低產(chǎn)量、價格昂貴的超級跑車上使用。
1981年麥克拉倫公司最先在其F1賽車MP4/1上使用了一體式碳纖維車架。2000年后法拉利、蘭博基尼等超級跑車制造商也開始在使用碳纖維復(fù)合材料造車。其他汽車廠商使用碳纖維材料也大多是在部分車身配件和內(nèi)飾上使用，其目的更多是為了減輕重量、突出高端運(yùn)動車性能。
2) 減重——碳纖維需求增長驅(qū)動力
政府制定嚴(yán)格的車輛燃料經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)和二氧化碳排放法規(guī)，是汽車選擇碳纖維復(fù)合材料的重要推手。車身整體重量的減輕是非常有效的控制尾氣排放的手段。汽車重量每降低100公斤，排放量可下降20g/km，普通車需減重245kg才能達(dá)到要求的排放標(biāo)準(zhǔn)，電動車需減重50%以上。在所有輕量化材料中，碳纖維復(fù)合材料是唯一能將鋼質(zhì)零部件減重50~60%，并保持同等強(qiáng)度的先進(jìn)材料。
各國近幾年均發(fā)布了二氧化碳的排放標(biāo)準(zhǔn)。美國于2010年4月和2012年8月分別發(fā)布了針對2012-2016(第一階段)和2017-2025(第二階段)的輕型汽車燃料經(jīng)濟(jì)性及溫室氣體排放規(guī)定，要求2025年美國輕型汽車的平均燃料經(jīng)濟(jì)性達(dá)到54.5mpg?！遁p型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》(簡稱“國六標(biāo)準(zhǔn)”)于2016年12月23日正式發(fā)布，將從2020年起正式實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)要求，我國2015年CO2排放為155g/km，2020年需降至112g/km;2015年平均油耗為6.9L/(100km)，2020年需減至5.0L/(100km)。
3) 規(guī)?；a(chǎn)業(yè)一體化整合——寶馬引入碳纖維結(jié)構(gòu)件
目前，世界各主要汽車廠商，包括寶馬、奔馳、奧迪、通用、福特等，都紛紛布局碳纖維產(chǎn)業(yè)，并逐步推出導(dǎo)入碳纖維技術(shù)的車型。其中，以寶馬公司最為突出。德國寶馬公司積極購入上游碳纖維工廠股份，與西格里(SGL)成立碳纖維合資公司，聯(lián)合開發(fā)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，將碳纖維科技大量運(yùn)用在寶馬量產(chǎn)車款上，不僅保證了供應(yīng)商的穩(wěn)定，縮短生產(chǎn)周期，同時也將成本降低了30%。
截至2015年，寶馬集團(tuán)車用碳纖維的年產(chǎn)能達(dá)到9000噸。寶馬汽車在中游三十多種零部件使用了碳纖維復(fù)合材料，其中隔音板、前端支架和座椅結(jié)構(gòu)占比最高。
2014年寶馬i3全碳纖維車身電動車量產(chǎn)，成為第一個大批量使用碳纖維作為車身材料的整車廠商。寶馬i3整車重量僅為1195公斤，相比傳統(tǒng)電動車減輕250-350公斤，同時具備最高性能的碰撞安全保護(hù)，電池容量僅20kwh，續(xù)航里程達(dá)160公里，比傳統(tǒng)電動車?yán)m(xù)航里程提高52%。此外，寶馬i8將碳纖維應(yīng)用到車身和內(nèi)飾中，使車身總重控制在1,540公斤。2015年7月1日，全新第六代BMW7系汽車在丁格芬工廠正式投產(chǎn)，這是寶馬核心產(chǎn)品中第一款實(shí)現(xiàn)將工業(yè)制造的碳纖維材料、高強(qiáng)度鋼材和鋁材完美組合應(yīng)用到車身的車型。
4) 總結(jié)—碳纖維應(yīng)用在汽車領(lǐng)域
1) 輕量化。碳纖維應(yīng)用于汽車后，給汽車制造帶來最明顯的好處就是汽車輕量化，最直接影響的就是節(jié)能、加速、制動性能的提升。一般而言，車重減小10%，油耗降低6%～8%，排放降低5～6%,0-100km/h加速性提升8-10%，制動距離縮短2～7m。
2) 安全性。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運(yùn)行將更加安全、穩(wěn)定。碳纖維復(fù)合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進(jìn)一步保證了汽車的安全性。
3) 可靠性。碳纖維復(fù)合材料具有更高的疲勞強(qiáng)度，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的30-50%，而碳纖維復(fù)合材料可達(dá)70-80%，因此汽車上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料對于材料疲勞可靠性有較大提升。
4) 減少研發(fā)周期。由于碳纖維復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性比金屬強(qiáng)，因此更易于車身開發(fā)的平臺化、模塊化、集成化。這樣碳纖維車身及金屬平臺的混合車身結(jié)構(gòu)對于傳統(tǒng)汽車車身結(jié)構(gòu)而言，可以做到模塊化、集成化，大大減少零件種類，減少工裝投入，縮短開發(fā)周期。
4. 風(fēng)電葉片領(lǐng)域
風(fēng)力作為清潔能源的代表之一，先于光伏發(fā)電受到全球各國的青睞。自20世紀(jì)80年代商業(yè)化發(fā)展以來，經(jīng)歷了全球化的高速增長。截至2015年底，全球累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到432.42GW，累計(jì)年增長率17%，根據(jù)GWEC的預(yù)測，全球風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量將從2014年的369.6GW增加至2019年的666.1GW，復(fù)合增速高達(dá)12.5%。風(fēng)電未來的發(fā)展方向，除了向新興地區(qū)，如拉美、非洲等地開拓市場之外，低速風(fēng)機(jī)和海上風(fēng)機(jī)將逐漸成為行業(yè)熱點(diǎn)。
2015年碳纖維在風(fēng)能上的應(yīng)用為16300噸，預(yù)計(jì)2020年達(dá)到30000噸，年均復(fù)合增長率為8.1%。
風(fēng)力發(fā)電是世界可再生能源增長最快的領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電葉片被普遍認(rèn)為是高性能碳纖維最重要的增長市場，特別是制造超大型風(fēng)電機(jī)組所需葉片(2.5MW風(fēng)電機(jī)組葉片長度達(dá)到40m，5MW的風(fēng)電機(jī)組的葉片長度在60m以上)，必須使用輕而強(qiáng)、剛而硬的高性能碳纖維復(fù)合材料，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時避免葉片在風(fēng)載作用下發(fā)生大變形甚至撞擊風(fēng)車支柱。
出于經(jīng)濟(jì)性考慮，當(dāng)前主流的葉片為玻璃鋼材質(zhì)(GFRP)。風(fēng)電機(jī)組的大型化和海上化都將極大地拉動對碳纖維葉片的需求增長。海上化的風(fēng)力發(fā)電在要求葉片長度增加的同時，還要求葉片具有良好的抗腐蝕性與抗疲勞性，這些都是碳纖維葉片的獨(dú)特優(yōu)勢。由此觀之，高速擴(kuò)張的大型風(fēng)機(jī)市場將為碳纖維風(fēng)力葉片的發(fā)展提供廣闊的增長空間。根據(jù)測算，40米以上的風(fēng)電葉片中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如梁帽、主梁使用碳纖維復(fù)合材料一方面可使葉片自重減少38%，成本降低14%;另一方面提高葉片抗疲勞性能，提高輸出功率，以碳纖維為材質(zhì)可更容易生產(chǎn)出大直徑和自適應(yīng)的風(fēng)電葉片。
5. 體育休閑領(lǐng)域
2015年年底，全球體育休閑市場碳纖維的用量為0.89萬噸，約占總需求的12%，預(yù)計(jì)到2020年將到達(dá)1.7萬噸，到2024年將超過1.9萬噸，年均復(fù)合增長率為2.3%，整體來看產(chǎn)業(yè)規(guī)模較為穩(wěn)定，市場趨于飽和，暫時不會具有拉動碳纖維產(chǎn)業(yè)規(guī)模爆發(fā)式增長的動力。
碳纖維在體育休閑市場中，主要使用在高爾夫球桿、曲棍球棍、網(wǎng)球拍、釣魚竿、自行車架、滑雪板、賽艇等高端休閑體育市場。
6. 壓力容器領(lǐng)域
采用碳纖維復(fù)合材料纏繞而成的氣瓶，有質(zhì)量輕、承載能力強(qiáng)、抗爆性能好、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前，大多數(shù)常用的壓力容器為鋼制，在力學(xué)性能方面有較大局限性;對于高壓容器來說，只能靠增加壁厚來提高承載性能。而新型碳纖維復(fù)合材料壓力容器，采用很薄的金屬或非金屬內(nèi)膽，采用比強(qiáng)度較高的碳纖維纏繞而成，在提高壓力氣瓶承載能力的同時，重量可比同容積的金屬氣瓶減輕50%。在安全性能上，由多層纖維纏繞而成的壓力氣瓶即使在內(nèi)膽出現(xiàn)泄露的情況下，纖維層仍可保證氣瓶的安全運(yùn)行，有足夠的時間進(jìn)行應(yīng)急處理。在制作程序上，相對鋼制容器的復(fù)雜工藝，碳纖維氣瓶制造工藝要簡單得多，通常采用專用數(shù)控纏繞機(jī)在鋁內(nèi)膽外層纏繞碳纖維，精度很高，節(jié)約成本。
碳纖維纏繞氣瓶的應(yīng)用主要包括車用壓縮天然氣氣瓶、航空航天動力系統(tǒng)用輕量化壓力容器和氣體運(yùn)輸用高壓容器。近年來，市場對壓力容器需求量的增長愈發(fā)樂觀。原因之一是燃料電池的低成本突破，如豐田公司燃料電池車MIRAI的量產(chǎn)，會帶來對高壓氫氣瓶的強(qiáng)勁需求。其二是歐美興起的頁巖氣收集產(chǎn)業(yè)，頁巖氣的運(yùn)輸、貯藏都需要安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的高壓氣瓶，由此對碳纖維壓力容器的需求產(chǎn)生推動作用。盡管目前壓力容器的市場不大，但卻有著較大的增長空間。
資料來源：中塑在線

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