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【市場】碳纖維在國際市場的應用情況分析

時間:2018-09-03 分享到:

碳纖維很少直接應用,大多是經過深加工製成中間產物或複合材料使用,碳纖維複合材料作為結構件或功能件現已廣泛應用在航空航天、工業和體育休閑用品三大領域。


根據新材料在線的數據,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7.4萬噸,2016年8.3萬噸。近8年,碳纖維需求量的複合增長率達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,碳纖維的主要的下遊應用是航空航天1.78萬噸/24%、汽車1.11噸/15%、風電葉片1.63萬噸/22%、體育休閑0.89萬噸/12%,合計5.4萬噸,占比73%。未來隨著碳纖維複合材料成型技術的不斷發展,下遊應用領域的不斷開拓,尤其是航空、汽車、風電葉片的強勁增長以及其帶動作用。


碳纖維在各應用市場上的表現如何,請看以下分析:


1.航空航天領域

碳纖維複合材料得以在航空航天工業中大規模應用,不僅因為它能夠實現減輕飛行器重量、節約能源、增強巡航能力的目標,還要歸功於它擁有較高的強度和耐腐蝕、抗疲勞等理化特性。


航空航天領域對碳纖維的需求主要來自兩大方麵,一是不斷增加的碳纖維複合材料的應用比例,二是新增的飛機訂單,預計2020年,航空航天對碳纖維的需求將達到2.7萬噸。


民用航空方麵,碳纖維複合材料自20世紀70年代首次被應用在飛機上的一些二級結構,如整流罩、控製儀表盤和機艙門;近三十年來,碳纖維複合材料的使用逐步進入到機翼、機身等受力大、尺寸大的主承力結構中。


軍用航空方麵,碳纖維複合材料得到了國內外的充分重視。目前複合材料已經應用在戰績機身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明顯減重作用。根據中國材料研究學會的數據顯示,采用複合材料的前機身段,可比金屬結構減輕質量31.5%,減少零件61.5%,減少緊固件61.3%。例如,美國不斷在先進戰機中提升碳纖維複合材料的使用比例,從F-15E的2%,F-18E的19%,到第四代戰鬥機F-22中使用24%的碳纖維複合材料。


此外,近年來無人機(UAV)包括無人作戰機(UCAV)發展迅速,由於低成本、輕結構、高機動、大過載、高隱身、長航程的技術特點,決定了其對減重的迫切需求,複合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的。近年來無人機除廣泛用於軍事用途外,在災情巡邏、環境監控、大地測量空中攝影及氣象觀察等民用領域的用途越來越廣,隨著這些飛機逐漸形成批量生產,複合材料在無人機上的用量會繼續增加。


在航天領域,碳纖維複合材料不僅符合航天技術對結構材料減輕質量的要求,還符合對結構材料具有高比模量和高比強度的要求,具有性能和功能的可設計性,被大量應用。此外,航天飛行器的重量每減少1公斤,就可使運載火箭減輕500公斤,因此,在航空航天工業中普遍采用先進的碳纖維複合材料。美國、歐洲的衛星結構質量不到總重量的10%,原因就在於廣泛使用了高性能複合材料。


2. 汽車領域


隨著排放標準趨嚴及低碳生活被人們普遍接受,節能減排已成為汽車工業的重要研究課題。碳纖維應用在汽車領域, 可實現輕量化、安全性、可靠性和縮短研發周期。


1) 輕量化。碳纖維應用於汽車後,給汽車製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能、加速、製動性能的提升。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%,製動距離縮短2~7m。


2) 安全性。車身輕量化可以使整車的重心下移,提升了汽車操縱穩定性,車輛的運行將更加安全、穩定。碳纖維複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,這進一步保證了汽車的安全性。


3) 可靠性。碳纖維複合材料具有更高的疲勞強度,鋼和鋁的疲勞強度是抗拉強度的30-50%,而碳纖維複合材料可達70-80%,因此汽車上應用碳纖維複合材料對於材料疲勞可靠性有較大提升。


4) 減少研發周期。由於碳纖維複合材料可設計性比金屬強,因此更易於車身開發的平台化、模塊化、集成化。這樣碳纖維車身及金屬平台的混合車身結構對於傳統汽車車身結構而言,可以做到模塊化、集成化,大大減少零件種類,減少工裝投入,縮短開發周期。


3. 風電葉片領域


數據顯示,2015年碳纖維在風能上的應用為16300噸,預計2020年達到30000噸,年均複合增長率為8.1%。


風力發電是世界可再生能源增長最快的領域,風力發電葉片被普遍認為是高性能碳纖維最重要的增長市場,特別是製造超大型風電機組所需葉片(2.5MW風電機組葉片長度達到40m,5MW的風電機組的葉片長度在60m以上),必須使用輕而強、剛而硬的高性能碳纖維複合材料,保證結構強度的同時避免葉片在風載作用下發生大變形甚至撞擊風車支柱。


當前主流的玻璃鋼材質(GFRP)葉片缺乏良好的抗腐蝕性與抗疲勞性,自重大,不利於風電機組的大型化和海上化。由此觀之,高速擴張的大型風機市場將為碳纖維風力葉片的發展提供廣闊的增長空間。根據測算,40米以上的風電葉片中關鍵結構如梁帽、主梁使用碳纖維複合材料一方麵可使葉片自重減少38%,成本降低14%;另一方麵提高葉片抗疲勞性能,提高輸出功率,以碳纖維為材質可更容易生產出大直徑和自適應的風電葉片。


4. 體育休閑領域


碳纖維在體育休閑市場中,主要使用在高爾夫球杆、曲棍球棍、網球拍、釣魚竿、自行車架、滑雪板、賽艇等高端休閑體育市場。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%,預計到2020年將到達1.7萬噸,到2024年將超過1.9萬噸,年均複合增長率為2.3%,整體來看產業規模較為穩定,市場趨於飽和,暫時不會具有拉動碳纖維產業規模爆發式增長的動力。



5. 壓力容器領域


對比目前常用的鋼製壓力容器,新型的碳纖維複合材料壓力容器,采用很薄的金屬或非金屬內膽,采用比強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膽出現泄露的情況下,纖維層仍可保證氣瓶的安全運行,有足夠的時間進行應急處理。在製作程序上,相對鋼製容器的複雜工藝,碳纖維氣瓶製造工藝更簡單,成本也低些。盡管目前壓力容器的市場不大,但卻有著較大的增長空間。


聲明:本文根據網上公開資料進行整理分析改編,僅供參考。主要來源新材料在線孟慶麗的文章,有縮略。


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