材料界的“减肥药”—碳纤维的春天

2017-07-17

碳纤维已经从实验室走向广泛应用,全球碳纤维需求不断增长,国内碳纤维仍显落后,国家从“十二五”规划开始,就把发展碳纤维等新材料作为国家的战略产业发展。


在国家政策和地方政府的支持下,许多碳纤维项目落地。


碳纤维进一步扩大应用需求,主要是航空航天、新能源汽车、风机叶片三大领域。



来源:碳纤维研习社


一、碳纤维:新材料从实验室走向广泛应用的典型


(一)碳纤维技术概览


1、为什么碳纤维受热捧?——质轻、高强、稳定性好


碳纤维,是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维。


它的强度比钢的大,密度比铝的小,比不锈钢还耐腐蚀,又能像铜那样导电,是一种具有许多宝贵的电学、热学和力学性能的新型材料,被誉为“黑色黄金”。


碳纤维与最近的明星材料石墨烯是“同一家族”,可以说,碳纤维是由无数微小的石墨烯片(纳米级别)按一定的取向堆积形成。


这也解释了为什么碳纤维和石墨烯都具有许多类似的电、热、力学性质。


2、碳纤维的分类有哪些?——主要是三类:制造原料、纤维数量、力学性能


碳纤维家族庞大,各种各样的碳纤维具有不同的特点,所以有多种分类方式。


(1)按照碳纤维的制造原料分类,PAN基纤维是市场主流。


碳纤维主要分为聚丙烯腈基(PAN)碳纤维,沥青基碳纤维,黏胶基(纤维素)碳纤维。因为PAN基纤维制备方法较为简单,得到的产品抗弯抗压性能又非常优异,所以是目前碳纤维市场的主流,占90%以上。


(2)按照纤维数量分类,大丝/小丝应用领域有所不同,小丝束价格昂贵单根的碳纤维在机械强度上是达不到应用需求的。


实际使用的碳纤维都是由若干根碳纤维丝集束而成的。




1K就代表一束碳纤维中有1000根丝。通常把1K、3K、6K、12K和24K的碳纤维称为小丝束碳纤维,小丝束碳纤维主要应用于军工、航空领域,因此又被称为“宇航级”碳纤维。价格与大丝束碳纤维相比更加高昂。


36K以上的碳纤维称为大丝束碳纤维,主要包括48K、60K、120K、180K、360K和480K。


大丝束碳纤维目前主要应用于汽车、风力装置、一般工业等领域,因此被称为“工业级”碳纤维。


(3)按照力学性能分类,T、M各不同笼统来讲,碳纤维分为高强碳纤维、高模碳纤维,超高强碳纤维、超高模碳纤维。所谓高强,指的是较高的拉伸强度。


拉伸强度越大,碳纤维越难被拉断。


高模,指的是较高的拉伸模量,拉伸模量越大,碳纤维越刚性,“宁折不弯”。


但是在实际使用中,大家通常使用碳纤维世界龙头企业——日本东丽(TORAY)的产品编号,如T300、T800、T1000、M55等来对应不同性能的碳纤维。


因为这些型号是Toray公司当初按照强度下去分的,所以碳纤强度T300T600T700T800T1000,模量M30M40M46M50M60M65。


3、中外技术差距有多大?——高性能碳纤维以日企为标杆,国内仍在T300/T700水平


目前高强度、高模量的碳纤维基本被日美企业垄断。原因是碳纤维制备工艺复杂,工艺参数需要大量精力和金钱摸索,容易形成垄断。


国内目前仍在T300,T700的水平,更高质量的碳纤维仍无法大规模生产。


(二)碳纤维制备工艺和生产设备极大的影响碳纤维质量



碳纤维的制备工艺流程复杂,涉及工艺参数较多,积累这些参数往往需要几年的周期。并且碳纤维生产设备的技术壁垒较高,国外领头企业对生产设备实施封锁禁售。


这也是目前我国高性能碳纤维生产难以实现的根本原因。



二、碳纤维市场规模巨大


(一)全球碳纤维产能不断提升


随着碳纤维在大型飞机、风力发电、汽车工业等领域的需求不断扩大,全球各大碳纤维生产企业都扩大了生产规模。


2014年全球碳纤维产能约为12.90 万吨,较2013年增加11%。按10%增长率计算,在2015年全球碳纤维产能达到14.19万吨。


其中,日本东丽公司作为碳纤维行业龙头,预计产能达到21.1千吨,占全球产能的13.6%。


国内碳纤维生产企业中复神鹰、江苏恒神产能都在4000吨左右。


即使从产能角度去看,中国企业与日美领先企业仍然有较大差距。


(二)日美企业在市场份额上占绝对优势


从市场份额来看,2014年全球碳纤维市场需求53.5千吨,约占总产能的41%。预测碳纤维需求将以10%左右的速度增长,在2015年达到59千吨。


目前,绝大多数的市场份额被美日企业瓜分。


在小丝束市场,日本三家企业东丽、东邦、三菱占市场54%的份额,紧随其后的是美国Hexcel,台湾台塑等。


在大丝束市场,美国的Hexcel与美国SGL公司占全球份额的73%,处于主导地位。



(三)国内碳纤维已完成从无到有,发展较快


随着国家政策支持力度的不断增大及市场需求的日益增长,我国碳纤维技术和产业化水平显著提高。在过去20年实现了从无到有的突破。


目前,国内大小碳纤维生产企业近40家,国产碳纤维总产能达到1.5万吨。


其中,T300级碳纤维性能达到国际水平,已进入产业化发展阶段;T700级碳纤维已建成千吨级生产线,产品进入应用考核阶段,低成本干喷湿纺T700级碳纤维已经实现规模化生产;T800级碳纤维吨级线建成并已实现批量生产。


但高模高强的高等级碳纤维的制备技术仍与国际碳纤维企业有较大差距。


(四)政策大力支持,碳纤维受热捧


1、日本政府大力推动,碳纤维产业联盟可持续发展


我国碳纤维的发展并不晚,不过遗憾的是,从20世纪70年代中期开始经过近40年发展,我国的碳纤维产业仍无法与日本公司在市场上正面竞争。


原因之一是日本在政策支持力度。


日本政府高度重视高性能PAN基碳纤维相关技术的研发,并给予人力、经费上的大力支持,包括在“能源基本计划”、“经济成长战略大纲”和“京都议定书”“节省能源技术研究开发方案”等基本政策红将碳纤维作为战略产业发展。


其次是成立产业联盟。


日本在碳纤维领域的领先地位,与日本碳纤维产业联盟密切相关。日本较早形成了产业联盟,联盟成员覆盖了整个碳纤维产业链,形成联盟内的共同优势,加快碳纤维技术开发速度,为技术的开发和商业化提供了更好的环境。


2、国内碳纤维国家重点扶持,将加速发展


国家从“十二五”规划开始,就把发展碳纤维等新材料作为国家的战略产业发展。在国家政策和地方政府的支持下,许多碳纤维项目落地。


在十三五期间,企业的自主创新能力、高性能碳纤维的生产设备与制备工艺依然是国家重点扶持的方向,也是国内碳纤维企业需要重点攻关的方向。


(五)碳纤维应用前景


20世纪60年代到70年代,碳纤维走出实验室,在火箭与太空飞船等军事领域有少量应用,那时碳纤维制备成本高昂,下游需求很少,与目前的石墨烯行业十分类似。


随着研究的深入和制备成本的降低,碳纤维逐渐应用于运动器材等领域。


在20世纪末,碳纤维开始大规模应用于飞机、汽车制造,极大的推动了碳纤维产业的成熟与发展。


时至今日,全球碳纤维产量超过5万吨,平均成本低于5美元每磅。


据美国AJR顾问公司预测,碳纤维全球销售额将由2011年的16亿美元增长至2020年的45亿美元,碳纤维复合材料将从2011年的161亿美元增长至2020年的487亿美元。


碳纤维及复合材料最早进入民用领域是体育休闲用品。主要应用是自行车、钓鱼竿、高尔夫球杆和网球拍等等体育用品。


据调研,目前全球体育休闲市场对碳纤维的需求占总需求的16%,但这一部分需求已经接近饱和。预计到2020年这一比例将降低到5%。


航空航天已经工业应用将占95%以上的需求。


其中工业需求中,预计汽车与风机叶片将大幅增长,带动全球碳纤维产业的发展。



1、高性能碳纤维逐渐进入民用航空领域


随着国际油价不断攀升,以及对飞机飞行时间和可靠性的更高要求,碳纤维逐渐走进飞机结构材领域,挑战铝合金的统一地位。


据报道,商用飞机每减重一公斤,一年就能节约3000美元的燃料。远程火箭、太空飞船每减重一公斤,就能节约10,000美元的燃料。


统计显示,目前碳纤维复合材料在小型商务飞机和直升飞机上的使用量已经在70~80%,在军用飞机上占30~40%,在大型客机上占10~50%。


2014年CCeV统计数据显示,航空航天市场所需碳纤维在数量占比29%,但是总市场金额占到了48%,说明该领域使用的多是高价值的碳纤维。


空中客车公司的A380飞机的主要结构中,22%采用了碳纤维复合材料,飞机尾翼和最大直径超过6米的后机身都是由碳纤维复合材料制造。这些碳纤维复合材料由Hexcel公司和Cytec公司提供。


专家称,对于同样的强度,碳纤维复合材料要比相同的金属结构轻15%到25%。


例如,A380的中心翼盒比相同的铝制材料轻3吨左右,按估算每年可以节省900万美元的燃油费。


空客公司的A350XWB飞机使用碳纤维复合材料的比例高达53%,主要使用在机身壁板、龙骨梁、机翼和尾翼等,据估计每架飞机的碳纤维复合材料用量超过400万美元。而提供这些碳纤维复合材料的依然是Hexcel公司。


波音公司在2007年推出的787飞机,碳纤维复合材料占比也超过了50%。一架飞机使用超过30吨的碳纤维复合材料,实际碳纤维用量超过20吨。


波音公司称,复合材料的使用可以节省燃料费用约20%。这碳纤维复合材料的供应商是日本东丽公司。


东丽除向现有的中大型飞机“787”之外,还将向最早于2020年投入使用的777X供应主机翼用碳纤维复合材料。


去年11月2日,中国商飞研发的首家国产大飞机C919正式下线。


据报道,目前C919已经收到来自21个买家的517架订单,今后的民航大飞机市场可能形成“ABC”格局 (Airbus, Boeing, China COMAC)。


C919主要结构使用了约12%的碳纤维复合材料。随着我国商业飞机项目的进一步开展,碳纤维复合材料的需求将不断增加。


2、汽车轻量化跟碳纤维发展带来新机遇


新一代汽车的发展方向是保证安全性的同时轻量化。


碳纤维密度比碳钢、铝合金低,强度与模量都超过钢材,因此采用碳纤维复合材料是最有效的办法。


据统计,在2013年碳纤维复合材料在汽车领域产值约10亿美元,预计2020年产值达到60亿美元。


国外的各大主要汽车厂家都在积极部署碳纤维及碳纤维复合材料在新一代汽车上的应用。


由于目前碳纤维复合材料成本较高,所以主要使用在顶级跑车与豪华汽车市场。许多厂商推出了全碳纤维复合材料覆盖的概念车。


例如法拉利推出的LaFerrari,兰博基尼Aventador,保时捷918 spyder,布加迪威龙等,都使用100%全碳纤维复合材料包覆,不但极大的减轻了车身质量,并且在外观造型上更具质感。


但是超级跑车与豪华汽车与一般汽车相比,产量较小,虽然在全车的使用比例较大,但不会对碳纤维需求带来显著提升。


2013年,宝马与SGL公司合作,推出了采用大量碳纤维复合材料打造的i3纯电动汽车产品。


宝马i3全重1224kg,成员座舱模块由全碳纤维复合材料打造,比铝合金设计轻300kg左右。整个车体重量的减轻提高了电动汽车的续航能力。


随后宝马公司在i7、M系列也大量的采用了碳纤维复合材。碳纤维已经成为宝马未来汽车轻量化的发展重点。


据统计,到2020年,碳纤维在汽车上的需求将由2013年的2600吨猛增到23000吨,将与航空航天应用持平。这充分表明了碳纤维产业在汽车轻量化方面有很大的市场空间。


尽管碳纤维复合材料在汽车产业的应用极具前景,它仍需要解决成本和制备工艺的问题——


碳纤维的成本在20到30美元每公斤,是传统钢材的20倍,是铝材的10倍左右;


制备耗时较长,冲压一个金属部件可能需要1分钟左右,而碳纤维复合材料可能需要几个小时;


碳纤维复合材料还无法像金属材料那样易于回收;


碳纤维复合材料是新型材料,如何设计材料参数与结构依然处于探索阶段,经验上没有传统材料成熟。


3、大功率、大尺寸风力叶片将是碳纤维未来的主要市场之一


碳纤维与传统制作风机叶片的玻璃纤维相比,重量减轻30%,强度大40%,模量提高3到8倍,是目前大型风机叶片的发展方向。


在目前化石燃料价格存在巨大波动的背景下,风电安装成本低廉的优势日渐凸显,风电正在快速成为成熟的技术。


根据全球风能理事会数据,2014年全球风电新增装机容量达到51,477MW,其中中国占45%以上。全球累计装机总量369,553MW,中国装机量占31%,居世界首位。


风机组也正朝着大型化发展,风机叶片越来越长,功率越来越大。


韩国南方电力公司和三星重工2013年建设的风电组,最长的风机直径达到171.2米,单个叶片长度达到83.5米。这对叶片材料的强度和刚度有了更高的要求。


使用碳纤维代替传统的玻璃纤维制作风力叶片可以在提高叶片刚度的同时降低叶片质量,提高了风机的输出功率。


并且,碳纤维叶片的抗疲劳性能更优越,本身导电的性能也能避免叶片在特殊气候的腐蚀和雷击。



三、国内碳纤维企业初具规模,技术核心决定市场前景


(一)产业链成熟,下游应用是扩大市场的关键碳纤维产业链



主要包括丙烯腈、原丝、碳纤维、中间材料、复合材料和下游应用6个环节。


1、上游:丙烯腈供应充足,原丝与碳纤维生产设备与技术是碳纤维产业的核心


PAN基碳纤维占90%以上的碳纤维市场,其主要原料是丙烯腈。


从2014年7月至今,丙烯腈价格不断下调,从14000元每吨下调至8000元每吨。


从丙烯腈价格来看,丙烯腈作为碳纤维原料供应较充足。原丝与碳纤维的制备依然是产业链的核心,其中原丝在碳纤维制备中占成本的53%。


另外值得一提的是,制备原丝和碳纤维的生产设备也是上游极为重要的环节。


通常国际碳纤维生产企业如东丽、Hexcel等都自己设计制备生产设备并对外保密,所以生产设备也是碳纤维上游的核心技术,国内碳纤维企业一旦有重大突破,将会带来碳纤维上游产业格局的变化。


2、中游:碳纤维中间产品及复合材料是碳纤维与实际应用之间的重要桥梁


碳纤维产业链的中游是碳纤维中间产品与复合材料制备企业。


中间产品主要指碳纤维预浸料和碳纤维布等,是碳纤维用于复合材料之前的重要桥梁,中间产品可以提高碳纤维附加产值,降低碳纤维行情波动对企业带来的影响。


复合材料是将预浸料进行层压、缠绕等加热固化得到的材料,碳纤维增强树脂复合材料约占90%以上的市场份额。


3、下游:碳纤维应用材料


碳纤维产品性能优异,在下游有广泛的应用前景,如航空、风能、汽车、体育休闲等领域。


目前碳纤维在还处于市场推广期,碳纤维的引入能否提高下游企业的产品竞争力是拓展碳纤维下游应用的关键因素。


(二)上游市场环境恶劣,政策调整加速行业整合


从70年代开始到现在,中国碳纤维的发展经历了从无到有,整个碳纤维产业已经初步建立。


但是从大国际环境来看,我国的碳纤维企业的生存环境非常不利。


这是因为我国碳纤维行业不但在制备技术上与国际前沿还有很大差距,还面临着国际碳纤维行业巨头的价格打压。


近些年来,我国可以稳定批量生产一个级别的碳纤维后,东丽、东邦和Hexcel等企业的就会下调相应碳纤维对华销售价格。


如2010年12K的T300级碳纤维还要24万元每吨,2012年就下降到12万元每吨,现在T700级碳纤维的价格也开始稳步下降。这对我国碳纤维生产厂商造成了巨大的成本压力。


在这种条件下,我国十三五期间很可能通过碳纤维扶持政策的调整,淘汰一部分低附加值、低产能的小规模碳纤维企业,提高碳纤维行业集中度,让几家龙头企业重点优先发展,努力攻克技术壁垒,实现跨越式发展,这样才能具有国际竞争力。


(三)Hexcel六年十倍,中国碳纤维依然值得期待


对比标的美国碳纤维公司Hexcel,其市值约45亿美元,2015年中报净利润1.298亿美元,较去年同期增长近28.9%,市盈率TTM 19.08。


值得一提的是,该股票自2009年3月以来,从4.59美元一直上涨至今47.22美元,6年增长10倍!


中国碳纤维与国际领先企业还是有很大差距的。


1、上游碳纤维生产主要有中复神鹰,江苏恒神,江苏航科


中复神鹰是国内碳纤维生产的龙头企业,是目前国内碳纤维产能最大的企业。


股东单位鹰游纺机具有强大的纺织设备制造能力,给予中复神鹰在碳纤维生产装备的国内领先优势。公司自主研发的干喷湿纺工艺具有国际领先地位。


江苏恒神是新三板第一家从事碳纤维及碳纤维复合材料研发和生产的企业。


与其他碳纤维生产企业相比,其最大特点是建立了从碳纤维原丝到终端复合材料“一条龙”的完整产业链。


江苏航科成立在2010年,但发展迅速。


不但与国内领先企业中复神鹰、江苏恒神等都掌握T800生产线,并且率先突破T1000生产技术,并通过国内技术验证。江苏航科很有可能最先完成T1000生产线,抢占高端碳纤维市场。


2、中游碳纤维预浸料和复合材料生产主要有康得新、海源机械、中复连众


康得新主营业务是预涂膜和光学膜,目前正积极布局碳纤维领域,致力于碳纤维复合材料的制备,特别是与汽车相关的碳纤维复合材料。


近来公司与德国慕尼黑大学合作设立碳纤维研究中心,并与德国的雷丁汽车公司设立汽车轻量化设计中心,与国内北汽签署战略合作协议,推动新能源汽车中碳纤维组件的研发。


海源机械在2015年增发募资6亿元用于新能源汽车碳纤维车身部件的生产研发。


由于海源机械主营业务在液压装备领域,或许在碳纤维复合材料的生产工艺和设备上有一定的经验积累。有望成为全球第二家推出碳纤维模压生产线供应商。看好碳纤维在汽车轻量化中的应用。


中复连众是生产风力发电机叶片、玻璃钢管道、贮罐和高压气瓶等产品的高新技术企业。


随着碳纤维技术的逐渐成熟,中复连众积极探索碳纤维在风机叶片等领域的应用。2014年成功下线75米风机叶片,是目前国内最长叶片。该产品采用了部分碳纤维设计。


3、下游碳纤维终端产品主要有中复碳芯、远东电缆


中复碳芯与中复神鹰、中复连众同属于中国复合材料集团,专业生产碳纤维复合芯导线等的高科技公司。其碳纤维复合芯到现在已经在南京东高线、南京长江大桥等处通电运行。


随着智能电网对输电线路更高的要求,碳纤维复合芯导线前景广阔。


远东电缆是中国规模最大的电线电缆制造企业、远东智慧能源股份有限公司下属的全资子公司。


早在2005年远东电缆就与美国CTC公司签订长期合作协议,生产碳纤维复合芯导线,产品较为成熟。其电缆核心部分碳纤维主要由美国CTC公司供应,如果国产技术能够突破,将极大降低导线成本,拓宽市场。



http://baoli.yuejiayinyue.com/ http://binggou.yuejiayinyue.com/ http://boniya.yuejiayinyue.com/ http://buzhen.yuejiayinyue.com/ http://chuchuang.yuejiayinyue.com/ http://danbao.yuejiayinyue.com/ http://dianqing.yuejiayinyue.com/ http://anli.yuejiayinyue.com/ http://xuexi.yuejiayinyue.com/ http://jiansuo.yuejiayinyue.com/ http://kecheng.yuejiayinyue.com/ http://faren.yuejiayinyue.com/ http://longduan.yuejiayinyue.com/ http://fanhuan.yuejiayinyue.com/ http://fengxian.yuejiayinyue.com/ http://kechuang.yuejiayinyue.com/ http://jinzhi.yuejiayinyue.com/ http://susong.yuejiayinyue.com/ http://tingshen.yuejiayinyue.com/ http://zichan.yuejiayinyue.com/ http://gongtong.yuejiayinyue.com/ http://guanxia.yuejiayinyue.com/ http://guoqi.yuejiayinyue.com/ http://cexiao.yuejiayinyue.com/ http://leian.yuejiayinyue.com/ http://hunyin.yuejiayinyue.com/ http://mingshi.yuejiayinyue.com/ http://neigui.yuejiayinyue.com/ http://hegui.yuejiayinyue.com/ http://jiage.yuejiayinyue.com/ http://shuju.yuejiayinyue.com/ http://zhixing.yuejiayinyue.com/ http://yuangong.yuejiayinyue.com/ http://touzhi.yuejiayinyue.com/ http://chuzhi.yuejiayinyue.com/ http://quanyi.yuejiayinyue.com/ http://ziqing.yuejiayinyue.com/ http://fenpei.yuejiayinyue.com/ http://shougou.yuejiayinyue.com/ http://shangshi.yuejiayinyue.com/ http://hebing.yuejiayinyue.com/ http://ruhe.yuejiayinyue.com/ http://wangluo.yuejiayinyue.com/ http://huigou.yuejiayinyue.com/ http://jingwai.yuejiayinyue.com/ http://baogao.yuejiayinyue.com/ http://qingqiu.yuejiayinyue.com/ http://renge.yuejiayinyue.com/ http://qishu.yuejiayinyue.com/ http://zaiwu.yuejiayinyue.com/ http://zongze.yuejiayinyue.com/ http://chengbao.yuejiayinyue.com/ http://chongzu.yuejiayinyue.com/ http://zhili.yuejiayinyue.com/ http://sanqi.sfcc.com.cn/ http://turang.sfcc.com.cn/ http://zhongyao.sfcc.com.cn/ http://ezuo.sfcc.com.cn/ http://pipalin.sfcc.com.cn/ http://lvyan.sfcc.com.cn/ http://changyin.sfcc.com.cn/ http://gaixing.sfcc.com.cn/ http://suliao.sfcc.com.cn/ http://huangan.sfcc.com.cn/ http://omen.sfcc.com.cn/ http://boqian.sfcc.com.cn/ http://jiawan.sfcc.com.cn/ http://maxiu.sfcc.com.cn/ http://jiaji.sfcc.com.cn/ http://erjia.sfcc.com.cn/ http://liuhua.sfcc.com.cn/ http://yuanliao.sfcc.com.cn/ http://sanjia.sfcc.com.cn/