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行业分析

2019全球碳纤维复合材料市场报告(四)
来源:赛奥碳纤维技术 林刚  2020-04-30 10:47:34
本文阅读次数:966

原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-9399.html       7 复合材料应用发展趋势与展望

       7.1. 航空航天应用市场


       市场的发展趋势如下图:2019年对碳纤维的需求量为23,500吨。


       航空航天市场的分市场份额(吨)如下图:


 
       商用飞机无疑是碳纤维最有力的推动者,2019年三件大事:一是波音737系列停飞停产,国际航空器市场形成巨大的不确定性。二是新的单通道飞机平台,是否会双通道飞机B787、A350一样,广泛地使用碳纤维?三是数量是双通道飞机10倍的单通道飞机,会采用怎么的复合材料工艺?这些问题可多听航空专家的观点。从材料角度:新型的碳纤维,以东丽T1100G、赫氏IM10为代表的,如果产能继续扩大,成本持续降低,将在主承力结构大量使用;对于热塑复材在主结构的应用,这是属于“下一代多功能机身验证”的性质,而航空的一代基本是20年时间;成熟的热固复合材料依然是飞机主结构的主力,除了现有的自动铺放+热压罐工艺,RTM工艺在A220与MC-21的经验基础之上,最可能成为单通道飞机的主选工艺。

       7.2. 风电叶片应用市场


 
       2019年,风电市场发展非常迅猛,国内预计今年内取消补贴,所以抢装依然延续。

       根据彭博新能源财经公布的“2019年全球风电整机制造商市场份额排名”,从市场需求方面:
       2019年全球新增陆上及海上风电装机容量分别为53.2GW及7.5GW,其中中国占据全球半壁江山,中国市场新增装机总容量为28.9GW(包含26.2GW的陆上及2.7GW的海上风电装机),全球市场占比48%;从市场供给方面:Vestas 2019年风机新增装机容量9.6GW,以18%的份额领先全球;全球十强中,有6家是中国企业。

       2019年底与台塑周中洋高级专员交流,他提供了如下宝贵的咨询,供大家参考:“SIMENS GAMESA已经开始使用拉挤板制作样机;GE-LM的使用拉挤板的工艺在开发中;Nordex 在欧洲已经开始批量使用拉挤板生产叶片;远景风电已经开始用拉挤板制作样机。预计2020年全球风电对碳纤维的需求将达到31,272,两年之后,预计碳纤维需求大于44,139吨”。

       尽管我们对风电的预测很乐观,但是,确实也存在一定风险:新冠肺炎疫情及风电发展的阶段性规律,有可能会让上述的预测不符或落空。

       2019年,VESTAS在中国的动作频频,与澳盛扩大了碳梁的合作,与光威集团合作在内蒙扩建碳纤维工厂,然后又与吉林化纤集团(我国当前最重要的原丝基地)签订了战略协议,之前,与ZOLTEK,台塑,土耳其DOWAKSA的战略合作。我们大胆地猜测:VESTAS应该非常清楚碳纤维在未来风电产业的战略意义,他更清楚碳纤维的成本构成及未来发展走向。如此猜想之下,不免有点私心,替我们国内的风电巨头暗自担忧:不要等着哪一天,我们也认识到了碳纤维在未来风电的战略意义之后,突然发现,全球的碳纤维资源已经被对手控制了。希望我们的这些想法是“杞人忧天”。作为碳纤维的从业者,我们首先欢迎各类客户的光临。


       7.3. 体育休闲应用市场

       体育休闲市场十年来的需求发展情况如下,2019年的需求量为15,000吨。


 
       体育市场的分市场份额如下:


       先进复合材料体育器材强国计划

       2019年,中国复合材料学会与国家体育总局装备中心牵头,汇集体育界及复合材料届专家学者及企业家,筹备“中国复合材料体育器材联合专业委员会”。这个“专委会”的工作任务是“集成国际设计经验、增强技术研发能力、国家助力品牌运营、竞技产业共同进步”。

       在2019年11月28日,由中国复合材料学会主办的第四届中国国际复合材料科技大会(CCCM-4)在珠海隆重举办,期间,“专委会”筹委会举办了体育器材分会场,分会场包括了碳纤维体育器材的现场展示与体验和精彩纷呈的报告。

       2020年的新冠病毒疫情为全球的体育运动蒙上了一层阴影:各类文体活动大幅度减少,相关的体育器材企业由于订单的减少,加上之前中美贸易战的关税,众多企业正备受煎熬。我们希望:中国复合材料学会及国家体育主管部门,在这个艰难时刻,依然砥砺前行,全力推动这个“强国计划”落实。

       碳纤维复合材料一直是国家产业政策的热点,然而,我们一些主管部门,对航空航天复材应用青睐有加,对体育器材应用重视不够,甚至是轻视。我们已经多次上书:表达了“体育器材不仅是全球碳纤维产业的催生婆,更是中国碳纤维产业的压舱石”的客观历史与现实。


       7.4. 汽车应用市场


       对于汽车是否可能大批量应用碳纤维,这是目前行业最具争议的话题。我们也多次表达了全寿命周期的“轻量化价值”的观点。我们认为:这也是工业级碳纤维的大批量应用的“普世原则”,如果这个与其他现有材料的对比经济账算不明白,就没有批量应用的前提。

       另外一个思维角度:碳纤维从来就在汽车领域存在,而且一直在发展,超级车(5000台)、超豪华车(50万台),豪华车(500万台),大众型汽车(大约1亿台)。目前,碳纤维在超级车及超豪华车用途很广,豪华车上也有一些碳纤维零部件。大众型汽车的应用的先驱是BMW I3 (尽管I3的销量只能算为豪华车类别)。我们认为:从目前绿色环保要求及碳纤维复合材料的发展水平综合考虑,碳纤维的主要市场是豪华车及以上市场。

       对于新能源汽车,尽管电池昂贵,轻量化需求迫切,但是,只要是面向大众的,都很难支付碳纤维复合材料的高昂的成本,除非是功能性的必须需求,比如燃料电池的气态扩散层(GDL)及高压氢气瓶。


       7.5. 压力容器应用市场


 
       2019年,燃料电池汽车依然是世界的热点,对于碳纤维产业,主要的机遇是气态扩散层及高压氢气瓶。

       气态扩散层(GDL):目前的主流工艺是碳纤维纸与织物作为基体材料,与高碳基体材料结合碳化,形成碳碳复材,进行疏水性处理之后,涂覆微孔碳微粉涂层。世界上主要的GDL厂家为东丽,西格里以及加拿大Ballard旗下材料厂。东丽与SGL这几天都在大幅度扩产,价格依然高企与供不应求。我国也有一些企业从事GDL的研发与小批量制造,但是,缺乏碳纤维材料的基础与支撑,这些企业是走不远的,希望我们的碳纤维企业要重视这个材料的研发,否则这个材料会成为我国燃料电池“卡脖子”环节,影响氢能源产业安全。

       高压氢气瓶:首先有别于其他气瓶,燃料电池的气瓶,比如要实现规模经济的成本,美国能源部的技术路线图:碳纤维成本需要从现在的15美元/(kW•h),降低到8美元/(kW•h),换算成碳纤维成本,大约是需要实现T700或之上的性能,价格大约12.6美元/公斤(目前这个档次的纤维国际价格是18-22美元/公斤)。这对现有的碳纤维产业创新能力,会形成了一个巨大的挑战。


       7.6. 混配模成型应用市场


 
       混配模成型(Molding& compound)严格讲,不是一个应用市场,而是对工艺的描述,但由于这些工艺横跨的应用多,所以,把它归类成一个应用,便于说明。混配(compound)是指非连续碳纤维增强塑料,主要包括短切增强和LFT。玻纤D-LFT在汽车领域的广泛应用证明了这种复合材料形态的优势。模成型(Molding)主要是指片状模塑料Sheet Molding Compound-SMC,团状模塑料Bulk Molding Compound-BMC。由于回收碳纤维的加入,让这些非连续形态的,已经非连续形态加连续形态的混合结构,展现出一定的发展空间。

        从事短切碳纤维增强塑料的,通常是改性塑料企业,比如SABI、RTP、POLYONE、COMPTEX、 POLYNT、广东金发科技等。他们通常是从碳纤维企业采购短切碳纤维,采用双螺杆混配造粒,然后在销售给应用单位做注塑成型。这其中有较多的问题:首要就是一个界面问题,碳纤维生产厂家通常是将B等品,通过二次上浆,加工成短切纤维,原始的环氧浆料通常还包裹在二次浆料之内,在后续的高温工艺中,环氧浆料会分解,对产品构成界面缺陷。另外一个重要问题,从碳纤维生产线到最终的注塑零件,中间环节太多,层层加码,导致最终用户的使用成本太高,这些都局限了短切碳纤维更广阔的应用空间,如对这个产业及生态链一定程度的重整,可以迅速扩大应用面及用量。


       7.7. 建筑应用市场


       本领域是一个广泛意义的建筑,不仅包括我们通常意义的建筑,也包括了建筑机械、桥梁、隧道及工业管道等,复合材料的应用主要有如下几个领域:1.建筑桥梁的补强:2.艺术型建筑的主体结构;3.建筑机械; 4.桥梁:5.抗震防震建筑:6.管道补强。

       上述应用市场中,有80-90%的碳纤维用于建筑桥梁的补强。早期的加固用碳纤维产品完全依赖于从以日本东丽为代表的欧美日等发达国家厂商进口,直至21世纪初随着我国工业化进程发展,逐渐出现国产碳纤维布、碳纤维板等加固材料。现阶段基础设施加固材料领域除福瑞斯、西卡、东丽等国外品牌。以上海悍马为代表国产品牌正在快速崛起并逐步被国内外市场广泛认可,这些行业优质企业的崛起,也对曾经混乱的国内市场做了一场洗牌,“鱼龙混杂”的状况有了根本性的改变,市场集中度加强,更利于这个行业的持续健康发展。


       7.8. 碳碳复材应用市场


       2019 年,碳纤维在碳碳复材领域是平稳增长,主要市场是:刹车盘市场:国际的主要企业是:法国的Messier-Bugatti 公司、美国的Honeywell 公司、B.F. Goodrich 公司、Goodyer 公司和英国的Dunlop 公司。中国的飞机刹车盘主要有中航飞机股份有限公司西安制动分公司、博云新材、西安超码等厂商。航天部件:主要企业是国内航天的相关院所,碳碳复合材料以其优异的性能成为大型固体火箭喉衬、发动机的喷管、扩散段,端头帽等的首选材料;热场部件:国际企业是德国的SGL公司,日本的东海碳素公司等;国内从事碳碳复合热场材料的单位包括西安超码、航天睿特、博云新材、中南大学、南方搏云等。预制体是碳碳复材重要的制造环节,国内的主要企业是:中材科技南京玻璃纤维研究院、江苏天鸟高新技术有限公司、天津工业大学复合材料研究所、江苏飞舟高新科技材料有限公司。

       上述市场中,最大的热点是热场部件的高速增长,据国内预制体龙头企业,江苏天鸟缪云良总经理介绍:国内市场2019年增长了25%。


       7.9. 电子电气应用市场


 
       2019年,电子电气领域,市场在平稳增长。

       首先是功能性应用领域:短切碳纤维增强塑料具有防静电、电磁屏蔽等功能在复印机、打印机、数码相机、数据传输电缆接头等产品早已经有成熟应用,对比其他的如炭黑、金属等类似材料,碳纤维增强塑料的成本降低,会带来这个市场的稳定扩展。

       力学增强方面:主要的产品形态有长碳纤维增强塑料(LFT)和连续碳纤维增强材料。LFT其实是一个介于短切与连续之间、兼顾了成本与性能的一个很有前景的产品形态,然后,热塑界面的问题,如何在塑料中保持较长的长度及均匀分散问题,这些技术障碍阻碍了这个产品的更广阔的应用。连续碳纤维增强材料,主要是用于轻薄笔记本的壳体,其中有经典工艺的热固壳体,也有热塑壳体。

       2019年,电子电气领域对碳纤维需求重大增长是:液晶平板显示器生产过程的机器人的轻量化。大面积平板玻璃在生产线的转运及储存一直采用碳纤维牙叉,这是高模量沥青碳纤维的天下,就是要防止移动平板玻璃过程中的振动,目前这个思路已经延展到支撑牙叉的结构上,利用碳纤维复材的轻质高强,更好地服务于平板玻璃搬运的平顺。

       5G基站对材料的需求也是行业的热点,对于碳纤维材料,除了有特殊轻质高强要求的通讯塔建设和局部的需要电磁屏蔽的部件,对碳纤维复合材料有需求可能,我们还没有看到其他的机遇。


       7.10. 船舶应用市场


       目前,船舶领域对碳纤维的需求主要是:竞赛类船舶、超豪华游艇、高速客船及军事用途的船舶。多年来,除了竞赛类船舶,不断追求复合材料新工艺及新技术,其他船舶的发展缺乏热点。

       人类在探索海洋资源时,有一个从近海到深海到超深海的过程,比如海上石油的开采,近海还可以采用陆上固定井的思维,到深海及超深海,就不得不发明各类特殊的船舶,以获得更好的经济性。同时,深海的特点,对传统陆上采用的金属材料会有很大的挑战,这就为碳纤维复合材料提供了巨大的机遇。

       除了海洋石油,近几年,海上风电蓬勃发展,尽管目前主要在近海的浅水,借用陆上风电的思路,做固定塔筒,我们相信,随着近海资源的消耗,或者技术的变革,漂浮式风电一定会成为必然。漂浮式风电与漂浮式石油平台还是有一定的区别,这就需要船舶系统开发新型的风电漂浮平台,如何固定这些平台,可能会为碳纤维复合材料带来新的应用机遇。


       7.11. 电缆芯应用市场


        2019年,我们统计的全球需求是1,100吨。

       2019年,美国CTC公司授权了巴基斯坦的特许制造商,继续扩大其市场应用。据CTC网站消息,到2019年,他们总共在全球建设了750个ACCC导线项目,总共完成的电缆里程接近10万公里。2020年初,该公司宣布ACCC InfoCore™系统和首次商业部署,该系统可快速、准确地确保ACCC® Conductor的正确安装。

       国内电缆芯方面,2019年国家电网的一条电缆发生断裂事件后,整个国电网的建设计划暂停,这对行业产生了一些不良影响,2020年有望恢复重新建设。中复集团前董事长张定金先生介绍:针对电缆芯品质问题,中复集团采取了两个创新工作,一是在电缆芯预埋光纤,可以实时监控电缆芯的品质情况,另一方面,对于CTC推崇的大直径、单根芯材,变成多根、小直径芯材的组合体,这样可以增强柔性,同时减少可能破化的扩展,组合体依然可以保持设计强度,正常服役。他们正在验证上述的技术创新,一旦达成,将促进中国电缆芯市场的发展。另外,同样的思路,也为碳纤维桥梁缆提供新的机会。”

       7.12. 其他应用市场

       轨道交通

       这几年,在中车的牵引之下,利用碳纤维复合材料对轨道交通做轻量化的研发工作进展很快并卓有成效。在德国举行的柏林国际轨道交通技术展(InnoTrans 2018)上,中国中车正式发布新一代碳纤维地铁车辆“CETROVO”,同期,中车长春轨道客车研制的复合材料轻轨车-武汉东湖“光谷量子号”在长春轨道交通展上首次向公众展出。2019年底,新一代碳纤维地铁在广州试跑。中车青岛四方与国内多家碳纤维复合材料企业合作,共同开发车头罩,设备舱裙板等构件。轨道交通,尤其是高铁的的工况是非常复杂的,所以,需要长时间积累相关的数据与经验。短期内,很难对碳纤维的需求带来较大增量。这是一个具有中国特色、重大意义的碳纤维复合材料产业链及生态,社会各界应充分重视这个应用生态的开拓,长期坚持,必有巨大回报。

       碳纤维功能材料

       如上面说提及的燃料电池的气态扩散层(GDL),碳纤维的功能性应用将会有巨大的发展,尤其在储能电池领域,碳毡(石墨毡)作为液流电池的电极材料,已经在广泛使用;在碳毡的基础上生长碳纳米管,替代铅酸电池的铅板电极,焕发了古老铅酸电池的青春,正在快步工业化与商业化;锂离子电池中,已经有很好的多微孔碳纤维材料的实验室产品,可以提升锂离子电池的能量密度。

       8 观察与思考

       1. 对中国碳纤维产业发展的基本看法

       1.1.“小丝束”与“大丝束”并非技术上的高低,而是商业驱动的不同品种


       制备小丝束与大丝束的技术有较大的不同:从我国企业从事小丝束的研发过程看,3K是最容易的,到6K和12K难度就增加。而48K或以上的大丝束甚至巨丝束,无论是聚合纺丝,还是氧化碳化,主要由于高通量,就带来很多复杂的技术与工程问题。企业选择大丝束品种重要的目标是追求低成本和大规模工业应用,这仅仅是一种商业的考虑,与技术高低没有任何关系。这个道理,就如同汽车行业的“法拉利”与“大众”,各具商业优势的品种而已,不存在高低之分。

       数十年来,我国碳纤维跟随日本企业(尤其东丽)的技术路线,在小丝束制备上,取得了较大的成效。然而对于大丝束的制备,总体系统技术层面,我国还基本还是“门外汉”,尚有大量的装备及工程方面缺乏经验。而市场的需求是汹涌的,我们应奋力发展大丝束制备系统技术。

       对于航空航天的市场,性能是首要因素;对于大多数碳纤维传统民用市场(包括民用航空航天),性价比成为首要因素;对于大规模需求的前景市场,比如风电、汽车、轨道交通,价格是首要因素。这三类应用代表三种商业驱动模式,一定会催生出各具商业价值的碳纤维品种。只有我们的碳纤维产业能分别满足上述三类市场的需求,形成各自规则的商业生态,我们的产业才能走出“千军万马过独木桥”,“小、散、乱”,貌似产能过剩的被动局面。中国的碳纤维企业的发展,一定要克服“抄作业”的毛病,看到某家的某个产品效益好,就一窝蜂上去干成“白菜价”,这种貌似自由市场竞争的行为,本质是一个“郊区农贸市场”的认知水平,形成自己独特的模式与效益,行业共荣,才是正道!

       1.2.低成本技术是一个系统工程,大丝束只是选项


       碳纤维的低成本技术系统,主要包括:A. 新型碳纤维前驱体化合物的开发,B. 碳化结构形成机理及制备技术,C. 改良的制备技术,D. 工程及工业技术,E.复合材料制造工艺及应用技术。

       新型碳纤维前驱体化合物的开发:日本NEDO在聚丙烯腈聚合时完成了热稳定化,原丝生产线出来的纤维是预氧丝,原料的替代方面,主要思路有沥青、聚烯烃及木质素等,目前并未有重大突破。
       碳化结构形成机理及制备技术:从丙烯腈到碳纤维的高效制备是当前的核心技术,目前的制备技术的能耗与排放巨大,基本是“杀敌一千,自损八百”的水平。这就隐含着巨大的技术进步空间。
       改良的制备技术:主要是指提“束”(大丝束)与提“速”(高速)。这些手段的用意是:提高生产线的通量(产能)来摊薄成本。这其中隐藏着一个重大的设定:投入及增产的边际效益问题,等投入大于或等于增产效益时,这类改良技术就会停止,比如4米以上的宽幅碳化线的增产边际效益如何?还有待验证。
       工程及工艺技术:比如适应于接丝与连续生产的原丝包装,保证更长运行时间的排废技术,装备厂房公用工程的折旧成本,整线的节能耗降成本,工程建设周期成本,工艺、操作及管理成本,产业链集成成本等。这些工程技术对低成本的贡献巨大。
       复合材料制造工艺及应用技术:1996年美国先进民用飞机新材料专业委员会编制的《下一代民用运输机用的新材料》中提到“材料成本实际上仅占复合材料构件总成本的8%~10%,开发下一代民用运输机工艺的一个基本准则是低成本制造的可能性委员会相信,在可预见的将来,发展趋势是不断开发低成本的制造工艺”。复合材料制造工艺的低成本化,应用技术的低成本化,是碳纤维复合材扩大应用不可或缺的重大环节。

       从上面的低成本技术系统中,可以发现:A与B 无疑是底层技术,这是从根本上解决了低成本的问题,这儿蕴藏着低成本技术的宝藏;而C中的“提束提速”是基于现有的底层技术上的改良选项;D装备、工程及工艺技术是产业的保障,E. 复合材料制造工艺及应用技术让上述A-D的努力变成效益的出口。


       1.3.低成本技术是大小丝束共同需要的基础技术

       “低成本技术是高技术”,低成本技术不是“粗制滥造”,人类的任何科技产品,尤其是新材料,在其发展过程之中,通常会经历一场深刻的“低成本技术革命”的洗礼之后,方能广泛地造福人类。低成本技术体系与生产要素价格的高低没有关系,是一个纯粹的技术行为;它是针对纤维制备过程中所有的成本要素的降低,这个降低过程并不是以牺牲性能与品质为代价的,而是通过技术手段的增效降本;低成本技术本质上是人类对碳纤维制备的科学机理的更深刻的认识,用更高效节能的方式实现同样或更高的目标,本身就是科技进步的重要标志。日本东丽在日本的工厂,其所有生产要素的成本均高于中国,尤其是人工,但东丽的制备成本相对国内是有优势的,其核心就在于东丽领先全球的“低成本技术”。

       1.4.低成本与高性能并非矛盾对立,协调统一是产业进步的重大方向

       当前,军品的超高价格只是短期的、不可持续的行为。国际上也有军品,比如波音公司,不光是民用飞机巨头,也承担了美国大量军机的生产,对于同一款碳纤维,不可能在同一家公司卖出天壤之别的价格。超高价格的碳纤维解决了“从无到有”的阶段性问题,如果我们的先进武器远比美国的贵,这也对持续发展形成重大障碍,对于航空航天(无论军民),美国政府也多次提出“低成本”要求与战略。

       目前,国际的干喷湿法的速度最高已经到600-700米/分,国内也达到了500米/分,速度的提升会带来成本的降低,并不影响纤维的高性能;同理,对于湿纺工艺,东丽公司对ZOLTEK的原丝生产线提速一倍,国内的一些企业可以实现250-300米/分的速度,对碳纤维的性能无不良影响,反而促进了性能的提升,速度本身不是性能与质量的负面因素,因为提速而带来的现有装置与技术的不匹配,才是真实的负面因素。

       1.5.催生低成本碳纤维的应用市场已经具备,这是中国赶超的良机

       中国的碳纤维市场有三大类:

       一是航空航天市场(规模估计在每年1400吨),目前国内外大约有6-7家碳纤维厂服务于此,规模小,成本高。
       二是体育器材等传统小丝束市场,2019年需求总量是22,640吨,进口12,140吨,国产10,500吨,其中,精功碳纤维与中复神鹰与占了80%,两家企业处于微利水平,这个分市场是全球绝大部分企业的生存空间,竞争最为激烈,其他在此的中国碳纤维企业均是亏损。
       三是以风电、轨道交通等蓬勃兴起的工业应用市场,2019年的总需求13,800吨,进口12,800,国产1,000吨。这个领域的国际对手是ZOLTEK、SGL,后来台塑及DOWAKSA加入。

        如果用现有的国内技术去竞争第二个市场,结果必然是惨烈的。第三个市场,国际上所有人,对这个工业应用的市场均看好。其中,不仅有“饥渴需求”,更具有“暴涨”的潜能,是一个可以快速培养国际碳纤维巨头的好市场。到目前为止,中国只有精功碳纤维有涉足,国际竞争优势还未形成。

        1.6.低成本技术碳纤维企业可能会对小丝束传统市场重新洗牌

       民用小丝束的国际市场售价基本在15-24美元/公斤,近几年,大丝束的市场售价在13-14美元/公斤。随着低成本创新技术的发展,大丝束售价有望达到10-12美元/公斤,如果用10美元的能力去打击15-24美元的市场,一定是惨不忍睹的局面。

       东丽也是这么思考与做的,他们在收购了ZOLTEK 低成本大丝束技术之后,推出了Z600,就是用来清理上述第二市场的追兵,阻击不断蚕食他T700市场的竞争对手。精功碳纤维也是采用了类似大丝束的思路来打小丝束市场,2019年成果斐然。

       1.7.国际上大丝束的高性能化有望被航空航天广泛采用

       我们将拉伸性能接近T700的定义为高性能,目前,全球的高性能大丝束纤维牌号如下表:


 
       腈纶稍作改造,可以作为大丝束原丝,如同ZOLTEK的做法,这类碳纤维实践证明是可以被工业应用认可的,可称之为“腈纶基因”思路。世界还有一种存在,就是“原丝基因”的大丝束思路,采用原丝的精细化原则去建设,三菱与SGL就是这个做法,这个思路之下,高性能化是必然发展结果。

       近几年,中国的薄型预浸料技术发展迅猛,30-50GSM预浸料,有些地方做成“白菜价”了。48K以上大丝束做成绝大部分应用需要的克重预浸料并非难事。德国SGL的大丝束预浸料已经开始在空客350上使用。可以预测:高性能大丝束会严重“侵入”航空航天市场,这对于要求成本的商用飞机、通用飞机及无人机而言,无疑是个喜讯。

       2. 中国碳纤维战略发展思考

       2.1. 碳纤维在整个产业链生态的战略地位需高度重视

       碳纤维复合材料是一个产业链生态,主要包括原材料(碳纤维与各类树脂),中间制品或复合材料,复合材料结构及应用,其中的战略重心是碳纤维,它是从源头决定了后续的一切。或者说,任何没有碳纤维支撑的复合材料与应用均不可能成大气候。这个结论有两层含义:首先碳纤维企业会吞噬下游、兼顾大量的中间制品与复合材料,缩短产业链,直接到应用,大量投资中间制品或复合材料的企业需要考虑这个趋势;第二层含义:因为碳纤维制备的技术的复杂性与投资规模庞大,今天,他可能有求于市场与应用,但明天,他一定是王者,他是整个产业链及应用的游戏规则制定者,用户并非永远是上帝。其中的道理类似于芯片对于电子行业的战略意义。

       2.2. 中国碳纤维产业的主要问题

       中国碳纤维产业解决了“从无到有”,但普遍存在工业规模生产条件下的性能品质的稳定性差,成本高于国际水平。“从有到优”具体的指标是什么?我们认为是形成国际竞争优势,可以步入世界强手之列,其中的具体路径是“稳质降本”。

       2.3. 中国碳纤维产业发展战略-三步走

       综合考虑全球的产业链生态的格局,我国碳纤维产业现阶段的主要课题是“降本增效”,提升国际竞争优势,十多年来,我国碳纤维产业在提升性能方面,取得了巨大进步,今后几年的重点发展是“降本”。基于这个认知,关于中国碳纤维的总体发展战略,我们建议采用“三步走”思路与步骤:第一步:“低成本大丝束”,第二步:“低成本高性能小丝束”,第三步“低成本高性能大丝束”。

       低成本大丝束-扩市场:构建一个有国际竞争优势的制备技术平台,切入高增长工业应用碳纤维市场。纤维性能在T300上下,根据不同的应用量身定制。这个产品线可以进一步发展“巨丝束”(100K以上),进一步降低成本,扩大工业应用需求。
       低成本高性能小丝束-强能力:借鉴大丝束建立的低成本工程与工业体系,小丝束可以对自身的技术做一个有效的提升,获得国际竞争优势,清理市场与竞争对手,提升市场集中度。
       低成本高性能大丝束-新特色:借鉴小丝束的高性能传统优势,大丝束企业可先发展高强品种,强度超过4.9GPa,进入传统碳纤维经典市场,抓住氢气瓶市场的巨大潜在需求;推进高强中模品种,对标T800 或T1100G(增加拉压比平衡与高韧),以性价比优势进入航空航天军工应用,实现高水平的军民融合。

       3.碳纤维产业发展的建议

       3.1.国家碳纤维科技发展战略急需前瞻布局下一代碳纤维技术

       国内碳纤维行业曾经有一种说法,该领域已无科学问题,只有工程问题。然而同期,日本政府正在组织研发“新一代碳纤维技术”,旨在成为10年后产业的新的技术体系,这个新一代技术的核心就是“低成本系统技术”。多年来,我们的科技发展思路是沿着东丽的T300、T700、T800、T1000、M40、 M55、M60J的产品系列去规划的,然而这些产品,东丽在1990年前就已经实现了产业化。如果我们的国家科技发展战略依然去尾随一个企业的40年前的产品发展路径,这显然是不合时宜的。我们的科技战略急需从表面现象转移到底层技术层面。

       碳纤维始终有两大类永恒的科学问题,第一是新型碳纤维前驱体化合物的开发,第二类是碳化结构形成机理及制备技术。人类60年时间发展的碳纤维制备技术,是一个不折不扣的“高耗能、高排放”产业,碳纤维的制备成本远远高于其他成熟材料,这难道就是碳纤维的必然吗?当然不是,仅仅从目前知晓的化学反应的计算,也不应该是如此“高耗能”的;从PAN基的替代品,就可以清楚,得率有办法提升的,从而实现“低排放”。人类距离掌握碳纤维的本质,还有相当的距离。碳纤维可以从“节能减排”的总体目标去研究,列出一系列重大基础研究课题。我们需要集中力量解决“卡脖子”问题,更需要气闲神定地坚守在基础研究领域。毕竟这么多年,除了“两弹一星”,我们在人类工业文明史上的痕迹是乏善可陈。我们应该回归到事物的本质规律,制定长期有效的科技政策,这才能让我们为世界碳纤维工业文明奉献中国要素。

       近20年中国狂飙猛进的产业发展以及对科学问题的盲目的轻视,已经裹挟了大量的科技人员,完全投身于并不见长的工程与产业建设,碳纤维基础科学研究能力正在退步与退化。如此之下,产业的自主创新与持续发展难以为继。所以,我们需要重新凝练基础科学问题,重新出发。

       2019年,一些地方与企业在筹办“碳纤维复合材料国家创新中心”,对于这个国家级别、全行业的创新中心,国家的初衷是希望解决行业的共性科学技术及前沿课题,并为全行业的发展提供坚实的科学技术支撑。所以,组织形式上,应覆盖产业链生态绝大多数优质科技单位,鼓励有实力、有国家责任的大型企业牵头并多做贡献;在投资结构上,建议用科技经费投入,非盈利模式;决策机制上,以科技问题为主导的理事会(聚集全国行业科技精英)决策机制。

       3.2. 国家产业发展规划要重视碳纤维装备的正向设计工作的推进

       碳纤维产业长期处于核心装备引进的模式中,经过十多年的产业实践,碳纤维企业发现:国外的标准设备在工艺适配性方面有较多的不足,更为重要的是,这些设备较难满足企业自身的工艺创新需求。从世界领先的碳纤维企业的经验看,他们更多地是采用自主设计装备、委托加工,或者购买市场标准设备、自行改造的模式。依靠引进是不可能构建自身的核心技术的。

       两三年前,国际环境有所变化,国际上对核心技术装备出口中国有收紧的趋势,碳纤维复合材料产业的核心装备也不例外,国家工信部推出了“重大短板装备专项工程”,提出:“要把握大势,深刻认识促进重大短板装备创新突破的重要意义,把重大短板装备发展摆在重中之重的位置来抓,要凝心聚力,加强顶层设计,完善协同机制,切实推动新时代重大短板装备取得突破性进展”。碳纤维行业由衷认同这样的远见卓识!

       解决碳纤维的核心装备,我们不赞成“装备国产化”的提法与思路,这其中隐含了“炒作业”的意味。“照猫画虎”可能在简单制造业有用,对于复杂技术产业如碳纤维行业,远远不够解决问题,更难于匹配用户的工艺创新。所以,我们应该鼓励“正向设计”的思维,充分借鉴世界同行装备的经验基础之上,根据原理、工艺、操作维护、工程等问题,正向设计更有价值的装备。只要坚持走在“正向设计”的路上,创新成果产生是自然而然。

       3.3.中国碳纤维产业创造自身的应用生态环境

       所有碳纤维人,都非常羡慕波音、空客对高性能纤维庞大的用量,都羡慕维斯塔斯对碳纤维巨大的用量,我们都希望我们能有自己的生态环境。上海市科委一位领导曾表达过一个观点:一家企业的事就自己解决,两家企业的事就合同解决,三家以上的事或行业共性的问题,就需要社会或政府来协调解决。而碳纤维应用生态的建设,涉及多家企业的共同长远的利益,因为缺乏眼前利益的驱动,市场机制就很难发挥作用,这就是政府可以高瞻远瞩及大有可为的领域。

       我国碳纤维生态环境的建设非常有潜力

       新材料的采用是实现产业升级换代的重要途径。西方发达国家在不少领域,由于市场的不足,缺乏创新动力。比如:大型桥梁、建筑与岛礁建筑结构;高铁为代表的轨道交通;大直径海上风电;陆上与海上油田开采设备;以燃料电池为首的新能源汽车等等领域。中国依然蓬勃发展的特色产业需要新材料去实现升级换代。

       全寿命周期轻量化价值的研究是应用的决策基础

       对于任何大规模碳纤维的应用前景,如果没有较好的轻量化价值的支撑,均会落空。很多应用的轻量化价值是变化的曲线,比如汽车的节能减排的经济价值的评估。碳纤维产业依然处于婴儿期,本身也有巨大的发展空间,尤其是针对工业规模应用的制备技术方面。轻量化价值的上升与碳纤维的成本的降低曲线有交点,这个应用才有采用碳纤维的可能。我们整个社会要抑制“跟风口追热点”的浮躁冲动,平心静气地思考与分析机遇或是陷阱。前几年,由于宝马公司的碳纤维汽车,引发了国内的科研热潮,其中冷静的声音完全被狂热给淹没了。现在相关的项目,基本是萧条的状况。我们需要认真反思,避免重复错误的发生。

       碳纤维与应用在互动中实现成长与发展

       不同于传统的成熟材料的合作模式,碳纤维材料,应用单位的轻量化工作,均有一个成长与发展的过程,双方均应以动态的、发展的眼光来看待这个合作,要在合作过程中促进各自的成长与发展。这是国际上创新的基本规律。等待碳纤维成熟后再去应用是错误的思维,在应用中去促进碳纤维的成熟才是正道。“跟风口追热点”的另一面,就是“等待摘果子”。这是我们曾经的“后发优势”与成功经验,但西方的发明与创造跟不上我们“摘果子”的速度了,好不容易有几个“果子”,还高悬树尖,摘不了。我们只能自己“种果子”了,您能期盼一粒种子明天就硕果累累吗?你能看到一颗小树苗没有效益,就立即砍掉吗?在对一些机遇的冷静思考与分析之后,我们就要坚定地走下去,应用单位与碳纤维及复合材料企业,共同将这颗小树苗培养成参天大树。

       4.新冠肺炎疫情对碳纤维产业发展的影响

       新冠肺炎疫情正在沉重打击全球经济,2020年全球经济大衰退已经是定局,衰退的程度很可能是史无前例。几乎所有的产业都会不同程度被殃及,包括碳纤维复合材料产业。

       从碳纤维复合材料应用端,从新冠肺炎疫情以来,就不断有坏消息传来:波音关闭西雅图工厂,空客主力机型A320产能降低三分之二;众多汽车总装厂停摆;风电巨头纷纷关闭一些工厂;体育器材的海外订单取消…..这些应用端的急剧缩小,已经让碳纤维复合材料感受到寒意,今后几个月,我们肯定会感受到严寒。

       疫情无论持续多久,终究会消停,消停之后,我们很可能会发现:之前,我们曾经熟悉与习惯的全球化可能已经悄然变质。在全球化中,我们已经习惯了:只要我们有比较优势(国际竞争力),我们的产品就可以畅销世界的铁律。然而在2001年中国加入世贸之前,我们急需争取的是“配额”及“最惠国待遇”,这些对效益的作用,远超“比较优势”。“比较优势”并非国际经济中唯一发挥作用的铁律,如果国际关系复杂之后,“安全问题”可能会成为国际经济格局的首要因素,国家及产业安全的意义显然大于效益。

       从2019年我国碳纤维应用重量的37,840吨,完全在国内形成复合材料,并在国内应用的大约有20,000吨。其他的均是为国际产业链配套,或成品销往海外市场,其中国际产业链配套的典型就是风电碳梁,基本两头在外。我们碳纤维及复合材料的出口能力还非常弱小,2019出口大约2,000多吨中,多为来料或进料加工。37,840吨的供应,进口有22,840吨,国产有12,000吨。所以,总体上可以判断:碳纤维产业是一半依靠海外,一半靠自己。

       碳纤维产业的安全问题,首先从供应方面,无论是从原料、技术及装备,我们认为,国内已有保障产业安全的基础与条件,还需统筹布局,持续支撑,建设国家战略科技力量,形成创新联合体;从市场方面,主要的担忧是体育器材及风电产业链的外移,这会将市场需求降低50% 。体育器材国内市场有巨大潜力,有待于“先进复合材料体育器材强国计划”的落实,协助大批的体育器材企业形成“内外兼顾”的营业模式;我国的风电从生产到市场,占据全球半壁江山,完全可以形成自己的强大产业生态链。所以,总体上,碳纤维产业的安全保障有一定的基础,只要产业政策适当,我们有巨大的发展空间。

       2020年到今后3-5年,是中国碳纤维产业的大发展时期。世界大国对该产业从来就有“国家及产业安全”的考量。无论疫情与否,从产业效益角度,我们都应认真打造自主控制的产业链及生态。另外,我们产业的“国际比较优势”依然严重欠缺,今后3-5年,需要我们苦练内功,把这个能力建设上去。无论世界风云变幻,我们依然对碳纤维复合材料产业充满信心。 文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-12-9399.html