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      2019全球碳纖維復合材料市場報告(四)

      時間 :

      來源:奧賽碳纖維技術

      07

      復合材料應用發展趨勢與展望


      7.1. 航空航天應用市場

      市場的發展趨勢如下圖: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,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平臺,是否會雙通道飛機B787、A350一樣,廣泛地使用碳纖維?三是數量是雙通道飛機10倍的單通道飛機,會采用怎么的復合材料工藝?這些問題可多聽航空專家的觀點。從材料角度:新型的碳纖維,以東麗T1100G、赫氏IM10為代表,如果產能繼續擴大,成本持續降低,將在主承力結構大量使用;對于熱塑復材在主結構的應用,這是屬于“下一代多功能機身驗證”的性質,而航空的一代基本是20年時間;成熟的熱固復合材料依然是飛機主結構的主力,除了現有的自動鋪放+熱壓罐工藝,RTM工藝在A220與MC-21的經驗基礎之上,最可能成為單通道飛機的主選工藝。


      7.2. 風電葉片應用市場

      2019年,風電市場發展非常迅猛,國內預計今年內取消補貼,所以搶裝依然延續。

      根據彭博新能源財經公布的“2019年全球風電整機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電裝機容量分別為53.2GW及7.5GW,其中中國占據全球半壁江山,中國市場新增裝機總容量為28.9GW(包含26.2GW的陸上及2.7GW的海上風電裝機),全球市場占比48%;從市場供給方面:Vestas 2019年風機新增裝機容量9.6GW,以18%的份額領先全球;全球十強中,有6家是中國企業。

      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已經開始使用拉擠板制作樣機;GE-LM的使用拉擠板的工藝在開發中;Nordex 在歐洲已經開始批量使用拉擠板生產葉片;遠景風電已經開始用拉擠板制作樣機。預計2020年全球風電對碳纖維的需求將達到31,272,兩年之后,預計碳纖維需求大于44,139噸”。

      盡管我們對風電的預測很樂觀,但是,確實也存在一定風險:新冠肺炎疫情及風電發展的階段性規律,有可能會讓上述的預測不符或落空。

      2019年,VESTAS在中國的動作頻頻,與澳盛擴大了碳梁的合作,與光威集團合作在內蒙擴建碳纖維工廠,然后又與吉林化纖集團(我國當前最重要的原絲基地)簽訂了戰略協議,之前,與ZOLTEK,臺塑,土耳其DOWAKSA的戰略合作。我們大膽地猜測:VESTAS應該非常清楚碳纖維在未來風電產業的戰略意義,他更清楚碳纖維的成本構成及未來發展走向。如此猜想之下,不免有點私心,替我們國內的風電巨頭暗自擔憂:不要等著哪一天,我們也認識到了碳纖維在未來風電的戰略意義之后,突然發現,全球的碳纖維資源已經被對手控制了。希望我們的這些想法是“杞人憂天”。作為碳纖維的從業者,我們首先歡迎各類客戶的光臨。


      7.3. 體育休閑應用市場

      體育休閑市場十年來的需求發展情況如下,2019年的需求量為15,000噸。

      體育市場的分市場份額如下:

      先進復合材料體育器材強國計劃

      2019年,中國復合材料學會與國家體育總局裝備中心牽頭,匯集體育界及復合材料屆專家學者及企業家,籌備“中國復合材料體育器材聯合專業委員會”。這個“專委會”的工作任務是“集成國際設計經驗、增強技術研發能力、國家助力品牌運營、競技產業共同進步”。

      在2019年11月28日,由中國復合材料學會主辦的第四屆中國國際復合材料科技大會(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場展示與體驗和精彩紛呈的報告。

      2020年的新冠病毒疫情為全球的體育運動蒙上了一層陰影:各類文體活動大幅度減少,相關的體育器材企業由于訂單的減少,加上之前中美貿易戰的關稅,眾多企業正備受煎熬。我們希望:中國復合材料學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“強國計劃”落實。

      碳纖維復合材料一直是國家產業政策的熱點,然而,我們一些主管部門,對航空航天復材應用青睞有加,對體育器材應用重視不夠,甚至是輕視。我們已經多次上書:表達了“體育器材不僅是全球碳纖維產業的催生婆,更是中國碳纖維產業的壓艙石”的客觀歷史與現實。


      7.4. 汽車應用市場

      對于汽車是否可能大批量應用碳纖維,這是目前行業最具爭議的話題。我們也多次表達了全壽命周期的“輕量化價值”的觀點。我們認為:這也是工業級碳纖維的大批量應用的“普世原則”,如果這個與其他現有材料的對比經濟賬算不明白,就沒有批量應用的前提。

      另外一個思維角度:碳纖維從來就在汽車領域存在,而且一直在發展,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。大眾型汽車的應用的先驅是BMW I3 (盡管I3的銷量只能算為豪華車類別)。我們認為:從目前綠色環保要求及碳纖維復合材料的發展水平綜合考慮,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擴散層(GDL)及高壓氫氣瓶。


      7.5. 壓力容器應用市場

      2019年,燃料電池汽車依然是世界的熱點,對于碳纖維產業,主要的機遇是氣態擴散層及高壓氫氣瓶。

      氣態擴散層(GDL):目前的主流工藝是碳纖維紙與織物作為基體材料,與高碳基體材料結合碳化,形成碳碳復材,進行疏水性處理之后,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產,價格依然高企與供不應求。我國也有一些企業從事GDL的研發與小批量制造,但是,缺乏碳纖維材料的基礎與支撐,這些企業是走不遠的,希望我們的碳纖維企業要重視這個材料的研發,否則這個材料會成為我國燃料電池“卡脖子”環節,影響氫能源產業安全。

      高壓氫氣瓶:首先有別于其他氣瓶,燃料電池的氣瓶,比如要實現規模經濟的成本,美國能源部的技術路線圖:碳纖維成本需要從現在的15美元/(kW?h),降低到8美元/(kW?h),換算成碳纖維成本,大約是需要實現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)。這對現有的碳纖維產業創新能力,會形成了一個巨大的挑戰。


      7.6. 混配模成型應用市場

      混配模成型(Molding& compound)嚴格講,不是一個應用市場,而是對工藝的描述,但由于這些工藝橫跨的應用多,所以,把它歸類成一個應用,便于說明。混配(compound)是指非連續碳纖維增強塑料,主要包括短切增強和LFT。玻纖D-LFT在汽車領域的廣泛應用證明了這種復合材料形態的優勢。模成型(Molding)主要是指片狀模塑料Sheet Molding Compound-SMC,團狀模塑料Bulk Molding Compound-BMC。由于回收碳纖維的加入,讓這些非連續形態的,已經非連續形態加連續形態的混合結構,展現出一定的發展空間。

      從事短切碳纖維增強塑料的,通常是改性塑料企業,比如SABI、RTP、POLYONE、COMPTEX、 POLYNT、廣東金發科技等。他們通常是從碳纖維企業采購短切碳纖維,采用雙螺桿混配造粒,然后在銷售給應用單位做注塑成型。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,原始的環氧漿料通常還包裹在二次漿料之內,在后續的高溫工藝中,環氧漿料會分解,對產品構成界面缺陷。另外一個重要問題,從碳纖維生產線到最終的注塑零件,中間環節太多,層層加碼,導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用空間,如對這個產業及生態鏈一定程度的重整,可以迅速擴大應用面及用量。


      7.7. 建筑應用市場

      本領域是一個廣泛意義的建筑,不僅包括我們通常意義的建筑,也包括了建筑機械、橋梁、隧道及工業管道等,復合材料的應用主要有如下幾個領域:1.建筑橋梁的補強:2.藝術型建筑的主體結構;3.建筑機械; 4.橋梁:5.抗震防震建筑:6.管道補強。

      上述應用市場中,有80-90%的碳纖維用于建筑橋梁的補強。早期的加固用碳纖維產品完全依賴于從以日本東麗為代表的歐美日等發達國家廠商進口,直至21世紀初隨著我國工業化進程發展,逐漸出現國產碳纖維布、碳纖維板等加固材料。現階段基礎設施加固材料領域除福瑞斯、西卡、東麗等國外品牌。以上海悍馬為代表國產品牌正在快速崛起并逐步被國內外市場廣泛認可,這些行業優質企業的崛起,也對曾經混亂的國內市場做了一場洗牌,“魚龍混雜”的狀況有了根本性的改變,市場集中度加強,更利于這個行業的持續健康發展。


      7.8. 碳碳復材應用市場

      2019 年,碳纖維在碳碳復材領域是平穩增長,主要市場是:剎車盤市場:國際的主要企業是: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。中國的飛機剎車盤主要有中航飛機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:主要企業是國內航天的相關院所,碳碳復合材料以其優異的性能成為大型固體火箭喉襯、發動機的噴管、擴散段,端頭帽等的首選材料;熱場部件:國際企業是德國的SGL公司,日本的東海碳素公司等;國內從事碳碳復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、南方搏云等。預制體是碳碳復材重要的制造環節,國內的主要企業是:中材科技南京玻璃纖維研究院、江蘇天鳥高新技術有限公司、天津工業大學復合材料研究所、江蘇飛舟高新科技材料有限公司。

      上述市場中,最大的熱點是熱場部件的高速增長,據國內預制體龍頭企業,江蘇天鳥繆云良總經理介紹:國內市場2019年增長了25%。


      7.9. 電子電氣應用市場

      2019年,電子電氣領域,市場在平穩增長。

      首先是功能性應用領域:短切碳纖維增強塑料具有防靜電、電磁屏蔽等功能在復印機、打印機、數碼相機、數據傳輸電纜接頭等產品早已經有成熟應用,對比其他的如炭黑、金屬等類似材料,碳纖維增強塑料的成本降低,會帶來這個市場的穩定擴展。

      力學增強方面:主要的產品形態有長碳纖維增強塑料(LFT)和連續碳纖維增強材料。LFT其實是一個介于短切與連續之間、兼顧了成本與性能的一個很有前景的產品形態,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,這些技術障礙阻礙了這個產品的更廣闊的應用。連續碳纖維增強材料,主要是用于輕薄筆記本的殼體,其中有經典工藝的熱固殼體,也有熱塑殼體。

      2019年,電子電氣領域對碳纖維需求重大增長是:液晶平板顯示器生產過程的機器人的輕量化。大面積平板玻璃在生產線的轉運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,目前這個思路已經延展到支撐牙叉的結構上,利用碳纖維復材的輕質高強,更好地服務于平板玻璃搬運的平順。

      5G基站對材料的需求也是行業的熱點,對于碳纖維材料,除了有特殊輕質高強要求的通訊塔建設和局部的需要電磁屏蔽的部件,對碳纖維復合材料有需求可能,我們還沒有看到其他的機遇。


      7.10. 船舶應用市場

      目前,船舶領域對碳纖維的需求主要是: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,不斷追求復合材料新工藝及新技術,其他船舶的發展缺乏熱點。

      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,就不得不發明各類特殊的船舶,以獲得更好的經濟性。同時,深海的特點,對傳統陸上采用的金屬材料會有很大的挑戰,這就為碳纖維復合材料提供了巨大的機遇。

      除了海洋石油,近幾年,海上風電蓬勃發展,盡管目前主要在近海的淺水,借用陸上風電的思路,做固定塔筒,我們相信,隨著近海資源的消耗,或者技術的變革,漂浮式風電一定會成為必然。漂浮式風電與漂浮式石油平臺還是有一定的區別,這就需要船舶系統開發新型的風電漂浮平臺,如何固定這些平臺,可能會為碳纖維復合材料帶來新的應用機遇。


      7.11. 電纜芯應用市場

      2019年,我們統計的全球需求是1,100噸。

      2019年,美國CTC公司授權了巴基斯坦的特許制造商,繼續擴大其市場應用。據CTC網站消息,到2019年,他們總共在全球建設了750個ACCC導線項目,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?系統和首次商業部署,該系統可快速、準確地確保ACCC? Conductor的正確安裝。

      國內電纜芯方面,2019年國家電網的一條電纜發生斷裂事件后,整個國電網的建設計劃暫停,這對行業產生了一些不良影響,2020年有望恢復重新建設。中復集團前董事長張定金先生介紹:整對電纜芯品質問題,中復集團采取了兩個創新工作,一是在電纜芯預埋光纖,可以實時監控電纜芯的品質情況,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,這樣可以增強柔性,同時減少可能破化的擴展,組合體依然可以保持設計強度,正常服役。他們正在驗證上述的技術創新,一旦達成,將促進中國電纜芯市場的發展。另外,同樣的思路,也為碳纖維橋梁纜提供新的機會。”


      7.12. 其他應用市場

      軌道交通

      這幾年,在中車的牽引之下,利用碳纖維復合材料對軌道交通做輕量化的研發工作進展很快并卓有成效。在德國舉行的柏林國際軌道交通技術展(InnoTrans 2018)上,中國中車正式發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多家碳纖維復合材料企業合作,共同開發車頭罩,設備艙裙板等構件。軌道交通,尤其是高鐵的的工況是非常復雜的,所以,需要長時間積累相關的數據與經驗。短期內,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合材料產業鏈及生態,社會各界應充分重視這個應用生態的開拓,長期堅持,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擴散層(GDL),碳纖維的功能性應用將會有巨大的發展,尤其在儲能電池領域,碳氈(石墨氈)作為液流電池的電極材料,已經在廣泛使用;在碳氈的基礎上生長碳納米管,替代鉛酸電池的鉛板電極,煥發了古老鉛酸電池的青春,正在快步工業化與商業化;鋰離子電池中,已經有很好的多微孔碳纖維材料的實驗室產品,可以提升鋰離子電池的能量密度。


      08

      觀察與思考


      1. 對中國碳纖維產業發展的基本看法

      1.1.“小絲束”與“大絲束”并非技術上的高低,而是商業驅動的不同品種

      制備小絲束與大絲束的技術有較大的不同:從我國企業從事小絲束的研發過程看,3K是最容易的,到6K和12K難度就增加。而48K或以上的大絲束甚至巨絲束,無論是聚合紡絲,還是氧化碳化,主要由于高通量,就帶來很多復雜的技術與工程問題。企業選擇大絲束品種重要的目標是追求低成本和大規模工業應用,這僅僅是一種商業的考慮,與技術高低沒有任何關系。這個道理,就如同汽車行業的“法拉利”與“大眾”,各具商業優勢的品種而已,不存在高低之分。

      數十年來,我國碳纖維跟隨日本企業(尤其東麗)的技術路線,在小絲束制備上,取得了較大的成效。然而對于大絲束的制備,總體系統技術層面,我國還基本還是“門外漢”,尚有大量的裝備及工程方面缺乏經驗。而市場的需求是洶涌的,我們應奮力發展大絲束制備系統技術。

      對于航空航天的市場,性能是首要因素;對于大多數碳纖維傳統民用市場(包括民用航空航天),性價比成為首要因素;對于大規模需求的前景市場,比如風電、汽車、軌道交通,價格是首要因素。這三類應用代表三種商業驅動模式,一定會催生出各具商業價值的碳纖維品種。只有我們的碳纖維產業能分別滿足上述三類市場的需求,形成各自規則的商業生態,我們的產業才能走出“千軍萬馬過獨木橋”,“小、散、亂”,貌似產能過剩的被動局面。中國的碳纖維企業的發展,一定要克服“抄作業”的毛病,看到某家的某個產品效益好,就一窩蜂上去干成“白菜價”,這種貌似自由市場競爭的行為,本質是一個“郊區農貿市場”的認知水平,形成自己獨特的模式與效益,行業共榮,才是正道!


      1.2.低成本技術是一個系統工程,大絲束只是選項

      碳纖維的低成本技術系統,主要包括:A. 新型碳纖維前驅體化合物的開發,B. 碳化結構形成機理及制備技術,C. 改良的制備技術,D. 工程及工業技術。

      1.新型碳纖維前驅體化合物的開發:日本NEDO在聚丙烯腈聚合時完成了熱穩定化,原絲生產線出來的纖維是預氧絲,原料的替代方面,主要思路有瀝青、聚烯烴及木質素等,目前并未有重大突破。

      2.碳化結構形成機理及制備技術:從丙烯腈到碳纖維的高效制備是當前的核心技術,目前的制備技術的能耗與排放巨大,基本是“殺敵一千,自損八百”的水平。這就隱含著巨大的技術進步空間。

      3.改良的制備技術:主要是指提“束”(大絲束)與提“速”(高速)。這些手段的用意是:提高生產線的通量(產能)來攤薄成本。這其中隱藏著一個重大的設定:投入及增產的邊際效益問題,等投入大于或等于增產效益時,這類改良技術就會停止,比如4米以上的寬幅碳化線的增產邊際效益如何?還有待驗證。

      4.工程及工藝技術:比如適應于接絲與連續生產的原絲包裝,保證更長運行時間的排廢技術,裝備廠房公用工程的折舊成本,整線的節能耗降成本,工程建設周期成本,工藝、操作及管理成本,產業鏈集成成本等。這些工程技術對低成本的貢獻巨大。

      從上面的低成本技術系統中,可以發現:A與B無疑是底層技術,這是從根本上解決了低成本的問題;而C中的“提束提速”是基于現有的底層技術上的改良選項;D工程及工藝技術是產業的工業保障。如果產業需要產生重大創新,應該加強研究A、B類的底層技術的研究,這兒蘊藏著低成本技術的寶藏。


      1.3.低成本技術是大小絲束共同需要的基礎技術

      “低成本技術是高技術”,低成本技術不是“粗制濫造”,人類的任何科技產品,尤其是新材料,在其發展過程之中,通常會經歷一場深刻的“低成本技術革命”的洗禮之后,方能廣泛地造福人類。低成本技術體系與生產要素價格的高低沒有關系,是一個純粹的技術行為;它是針對纖維制備過程中所有的成本要素的降低,這個降低過程并不是以犧牲性能與品質為代價的,而是通過技術手段的增效降本;低成本技術本質上是人類對碳纖維制備的科學機理的更深刻的認識,用更高效節能的方式實現同樣或更高的目標,本身就是科技進步的重要標志。日本東麗在日本的工廠,其所有生產要素的成本均高于中國,尤其是人工,但東麗的制備成本相對國內是有優勢的,其核心就在于東麗領先全球的“低成本技術”。


      1.4.低成本與高性能并非矛盾對立,協調統一是產業進步的重大方向

      當前,軍品的超高價格只是短期的、不可持續的行為。國際上也有軍品,比如波音公司,不光是民用飛機巨頭,也承擔了美國大量軍機的生產,對于同一款碳纖維,不可能在同一家公司賣出天壤之別的價格。超高價格的碳纖維解決了“從無到有”的階段性問題,如果我們的先進武器遠比美國的貴,這也對持續發展形成重大障礙,對于航空航天(無論軍民),美國政府也多次提出“低成本”要求與戰略。

      目前,國際的干噴濕法的速度最高已經到1000米/分,國內也達到了500米/分,速度地提升會帶來成本的降低,并不影響纖維的高性能;同理,對于濕紡工藝,東麗公司對ZOLTEK的原絲生產線提速一倍,國內的一些企業可以實現300米/分的速度,對碳纖維的性能無不良影響,反而促進了性能的提升,速度本身不是性能與質量的負面因素,因為提速而帶來的現有裝置與技術的不匹配,才是真實的負面因素。


      1.5.催生低成本碳纖維的應用市場已經具備,這是中國趕超的良機

      中國的碳纖維市場有三大類:

      一是航空航天市場(規模估計在每年1400噸),目前國內外大約有6-7家碳纖維廠服務于此,規模小,成本高。

      二是體育器材等傳統小絲束市場,2019年需求總量是22,640噸,進口12,140噸,國產10,500噸,其中,精功碳纖維與中復神鷹與占了80%,兩家企業處于微利水平,這個分市場是全球絕大部分企業的生存空間,競爭最為激烈,其他在此的中國碳纖維企業均是虧損。

      三是以風電、軌道交通等蓬勃興起的工業應用市場,2019年的總需求13,800噸,進口12,800,國產1,000噸。這個領域的國際對手是ZOLTEK、SGL,后來臺塑及DOWAKSA加入。

      如果用現有的國內技術去競爭第二個市場,結果必然是慘烈的。第三個市場,國際上所有人,對這個工業應用的市場均看好。其中,不僅有“饑渴需求”,更具有“暴漲”的潛能,是一個可以快速培養國際碳纖維巨頭的好市場。到目前為止,中國只有精功碳纖維有涉足,國際競爭優勢還未形成。


      1.6.低成本技術碳纖維企業可能會對小絲束傳統市場重新洗牌

      民用小絲束的國際市場售價基本在15-24美元/公斤,近幾年,大絲束的市場售價在13-14美元/公斤。隨著低成本創新技術的發展,大絲束售價有望達到10-12美元/公斤,如果用10美元的能力去打擊15-24美元的市場,一定是慘不忍睹的局面。

      東麗也是這么思考與做的,他們在收購了ZOLTEK 低成本大絲束技術之后,推出了Z600,就是用來清理上述第二市場的追兵,阻擊不斷蠶食他T700市場的競爭對手。精功碳纖維也是采用了類似大絲束的思路來打小絲束市場,2019年成果斐然。


      1.7.國際上大絲束的高性能化有望被航空航天廣泛采用

      我們將拉伸性能接近T700的定義為高性能,目前,全球的高性能大絲束纖維牌號如下表:

      腈綸稍作改造,可以作為大絲束原絲,如同ZOLTEK的做法,這類碳纖維實踐證明是可以被廣泛的市場認可的,可稱之為“腈綸基因”思路。世界還有一種存在,就是“原絲基因”的大絲束思路,采用原絲的精細化原則去建設,三菱與SGL就是這個做法,這個思路之下,高性能化是必然發展結果。

      近幾年,中國的薄型預浸料技術發展迅猛,30-50GSM預浸料,有些地方做成“白菜價”了。48K以上大絲束做成絕大部分應用需要的克重預浸料并非難事。德國SGL的大絲束預浸料已經開始在空客350上使用。可以預測:高性能大絲束會嚴重“侵入”航空航天市場,這對于要求成本的商用飛機、通用飛機及無人機而言,無疑是個喜訊。


      2. 中國碳纖維戰略發展思考

      2.1. 碳纖維在整個產業鏈生態的戰略地位需高度重視

      碳纖維復合材料是一個產業鏈生態,主要包括原材料(碳纖維與各類樹脂),中間制品或復合材料,復合材料結構及應用,其中的戰略重心是碳纖維,它是從源頭決定了后續的一切。或者說,任何沒有碳纖維支撐的復合材料與應用均不可能成大氣候。這個結論有兩層含義:首先碳纖維企業會吞噬下游、兼顧大量的中間制品與復合材料,縮短產業鏈,直接到應用,大量投資中間制品或復合材料的企業需要考慮這個趨勢;第二層含義:因為碳纖維制備的技術的復雜性與投資規模龐大,今天,他可能有求于市場與應用,但明天,他一定是王者,他是整個產業鏈及應用的游戲規則制定者,用戶并非永遠是上帝。其中的道理類似于芯片對于電子行業的戰略意義。


      2.2. 中國碳纖維產業的主要問題

      中國碳纖維產業解決了“從無到有”,但普遍存在工業規模生產條件下的性能品質的穩定性差,成本高于國際水平。“從有到優”具體的指標是什么?我們認為是形成國際競爭優勢,可以步入世界強手之列,其中的具體路徑是“穩質降本”。


      2.3. 中國碳纖維產業發展戰略-三步走

      綜合考慮全球的產業鏈生態的格局,我國碳纖維產業現階段的主要課題是“降本增效”,提升國際競爭優勢,十多年來,我國碳纖維產業在提升性能方面,取得了巨大進步,今后幾年的重點發展是“降本”。基于這個認知,關于中國碳纖維的總體發展戰略,我們建議采用“三步走”思路與步驟:第一步:“低成本大絲束”,第二步:“低成本高性能小絲束”,第三步“低成本高性能大絲束”。

      低成本大絲束-擴市場:構建一個有國際競爭優勢的制備技術平臺,切入高增長工業應用碳纖維市場。纖維性能在T300上下,根據不同的應用量身定制。這個產品線可以進一步發展“巨絲束”(100K以上),進一步降低成本,擴大工業應用需求。

      低成本高性能小絲束-強能力:借鑒大絲束建立的低成本工程與工業體系,小絲束可以對自身的技術做一個有效的提升,獲得國際競爭優勢,清理市場與競爭對手,提升市場集中度。

      低成本高性能大絲束-新特色:借鑒小絲束的高性能傳統優勢,大絲束企業可先發展高強品種,強度超過4.9GPa,進入傳統碳纖維經典市場,抓住氫氣瓶市場的巨大潛在需求;推進高強中模品種,對標T800 或T1100G(增加拉壓比平衡與高韌),以性價比優勢進入航空航天軍工應用,實現高水平的軍民融合。


      3.碳纖維產業發展的建議

      3.1.國家碳纖維科技發展戰略急需前瞻布局下一代碳纖維技術

      國內碳纖維行業曾經有一種說法,該領域已無科學問題,只有工程問題。然而同期,日本政府正在組織研發“新一代碳纖維技術”,旨在成為10年后產業的新的技術體系,這個新一代技術的核心就是“低成本系統技術”。多年來,我們的科技發展思路是沿著東麗的T300、T700、T800、T1000、M40、 M55、M60J的產品系列去規劃的,然而這些產品,東麗在1990年前就已經實現了產業化。如果我們的國家科技發展戰略依然去尾隨一個企業的40年前的產品發展路徑,這顯然是不合時宜的。我們的科技戰略急需從表面現象轉移到底層技術層面。

      碳纖維始終有兩大類永恒的科學問題,第一是新型碳纖維前驅體化合物的開發,第二類是碳化結構形成機理及制備技術。人類60年時間發展的碳纖維制備技術,是一個不折不扣的“高耗能、高排放”產業,碳纖維的制備成本遠遠高于其他成熟材料,這難道就是碳纖維的必然嗎?當然不是,僅僅從目前知曉的化學反應的計算,也不應該是如此“高耗能”的;從PAN基的替代品,就可以清楚,得率有辦法提升的,從而實現“低排放”。人類距離掌握碳纖維的本質,還有相當的距離。碳纖維可以從“節能減排”的總體目標去研究,列出一系列重大基礎研究課題。我們需要集中力量解決“卡脖子”問題,更需要氣閑神定地堅守在基礎研究領域。畢竟這么多年,除了“兩彈一星”,我們在人類工業文明史上的痕跡是乏善可陳。我們應該回歸到事物的本質規律,制定長期有效的科技政策,這才能讓我們為世界碳纖維工業文明奉獻中國要素。

      近20年中國狂飆猛進的產業發展以及對科學問題的盲目的輕視,已經裹挾了大量的科技人員,完全投身于并不見長的工程與產業建設,碳纖維基礎科學研究能力正在退步與退化。如此之下,產業的自主創新與持續發展難以為繼。所以,我們需要重新凝練基礎科學問題,重新出發。

      2019年,一些地方與企業在籌辦“碳纖維復合材料國家創新中心”,對于這個國家級別、全行業的創新中心,國家的初衷是希望解決行業的共性科學技術及前沿課題,并為全行業的發展提供堅實的科學技術支撐。所以,組織形式上,應覆蓋產業鏈生態絕大多數優質科技單位,鼓勵有實力、有國家責任的大型企業牽頭并多做貢獻;在投資結構上,建議用科技經費投入,非盈利模式;決策機制上,以科技問題為主導的理事會(聚集全國行業科技精英)決策機制。


      3.2.中國碳纖維產業創造自身的應用生態環境

      所有碳纖維人,都非常羨慕波音、空客對高性能纖維龐大的用量,都羨慕維斯塔斯對碳纖維巨大的用量,我們都希望我們能有自己的生態環境。上海市科委一位領導曾表達過一個觀點:一家企業的事就自己解決,兩家企業的事就合同解決,三家以上的事或行業共性的問題,就需要社會或政府來協調解決。而碳纖維應用生態的建設,涉及多家企業的共同長遠的利益,因為缺乏眼前利益的驅動,市場機制就很難發揮作用,這就是政府可以高瞻遠矚及大有可為的領域。

      我國碳纖維生態環境的建設非常有潛力

      新材料的采用是實現產業升級換代的重要途徑。西方發達國家在不少領域,由于市場的不足,缺乏創新動力。比如:大型橋梁、建筑與島礁建筑結構;高鐵為代表的軌道交通;大直徑海上風電;陸上與海上油田開采設備;以燃料電池為首的新能源汽車等等領域。中國依然蓬勃發展的特色產業需要新材料去實現升級換代。

      全壽命周期輕量化價值的研究是應用的決策基礎

      對于任何大規模碳纖維的應用前景,如果沒有較好的輕量化價值的支撐,均會落空。很多應用的輕量化價值是變化的曲線,比如汽車的節能減排的經濟價值的評估。碳纖維產業依然處于嬰兒期,本身也有巨大的發展空間,尤其是針對工業規模應用的制備技術方面。輕量化價值的上升與碳纖維的成本的降低曲線有交點,這個應用才有采用碳纖維的可能。我們整個社會要抑制“跟風口追熱點”的浮躁沖動,平心靜氣地思考與分析機遇或是陷阱。前幾年,由于寶馬公司的碳纖維汽車,引發了國內的科研熱潮,其中冷靜的聲音完全被狂熱給淹沒了。現在相關的項目,基本是蕭條的狀況。我們需要認真反思,避免重復錯誤的發生。

      碳纖維與應用在互動中實現成長與發展

      不同于傳統的成熟材料的合作模式,碳纖維材料,應用單位的輕量化工作,均有一個成長與發展的過程,雙方均應以動態的、發展的眼光來看待這個合作,要在合作過程中促進各自的成長與發展。這是國際上創新的基本規律。等待碳纖維成熟后再去應用是錯誤的思維,在應用中去促進碳纖維的成熟才是正道。“跟風口追熱點”的另一面,就是“等待摘果子”。這是我們曾經的“后發優勢”與成功經驗,但西方的發明與創造跟不上我們“摘果子”的速度了,好不容易有幾個“果子”,還高懸樹尖,摘不了。我們只能自己“種果子”了,您能期盼一粒種子明天就碩果累累嗎?你能看到一顆小樹苗沒有效益,就立即砍掉嗎?在對一些機遇的冷靜思考與分析之后,我們就要堅定地走下去,應用單位與碳纖維及復合材料企業,共同將這顆小樹苗培養成參天大樹。


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