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【市场】碳纤维在国际市场的应用情况分析

时间:2018-09-03 分享到:

碳纤维很少直接应用,大多是经过深加工制成中间产物或复合材料使用,碳纤维复合材料作为结构件或功能件现已广泛应用在航空航天、工业和体育休闲用品三大领域。


根据新材料在线的数据,从国际市场来看,2014年全球碳纤维需求量约5.4万吨,2015年达7.4万吨,2016年8.3万吨。近8年,碳纤维需求量的复合增长率达8.9%,未来年均增长率将超过10%,2020年需求量将超过13万吨。


2015年,碳纤维的主要的下游应用是航空航天1.78万吨/24%、汽车1.11吨/15%、风电叶片1.63万吨/22%、体育休闲0.89万吨/12%,合计5.4万吨,占比73%。未来随着碳纤维复合材料成型技术的不断发展,下游应用领域的不断开拓,尤其是航空、汽车、风电叶片的强劲增长以及其带动作用。


碳纤维在各应用市场上的表现如何,请看以下分析:


1.航空航天领域

碳纤维复合材料得以在航空航天工业中大规模应用,不仅因为它能够实现减轻飞行器重量、节约能源、增强巡航能力的目标,还要归功于它拥有较高的强度和耐腐蚀、抗疲劳等理化特性。


航空航天领域对碳纤维的需求主要来自两大方面,一是不断增加的碳纤维复合材料的应用比例,二是新增的飞机订单,预计2020年,航空航天对碳纤维的需求将达到2.7万吨。


民用航空方面,碳纤维复合材料自20世纪70年代首次被应用在飞机上的一些二级结构,如整流罩、控制仪表盘和机舱门;近三十年来,碳纤维复合材料的使用逐步进入到机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。


军用航空方面,碳纤维复合材料得到了国内外的充分重视。目前复合材料已经应用在战绩机身、主翼、垂尾翼、平尾翼及蒙皮等部位,起到了明显减重作用。根据中国材料研究学会的数据显示,采用复合材料的前机身段,可比金属结构减轻质量31.5%,减少零件61.5%,减少紧固件61.3%。例如,美国不断在先进战机中提升碳纤维复合材料的使用比例,从F-15E的2%,F-18E的19%,到第四代战斗机F-22中使用24%的碳纤维复合材料。


此外,近年来无人机(UAV)包括无人作战机(UCAV)发展迅速,由于低成本、轻结构、高机动、大过载、高隐身、长航程的技术特点,决定了其对减重的迫切需求,复合材料的使用比例基本是所有航空器中最高的。近年来无人机除广泛用于军事用途外,在灾情巡逻、环境监控、大地测量空中摄影及气象观察等民用领域的用途越来越广,随着这些飞机逐渐形成批量生产,复合材料在无人机上的用量会继续增加。


在航天领域,碳纤维复合材料不仅符合航天技术对结构材料减轻质量的要求,还符合对结构材料具有高比模量和高比强度的要求,具有性能和功能的可设计性,被大量应用。此外,航天飞行器的重量每减少1公斤,就可使运载火箭减轻500公斤,因此,在航空航天工业中普遍采用先进的碳纤维复合材料。美国、欧洲的卫星结构质量不到总重量的10%,原因就在于广泛使用了高性能复合材料。


2. 汽车领域


随着排放标准趋严及低碳生活被人们普遍接受,节能减排已成为汽车工业的重要研究课题。碳纤维应用在汽车领域, 可实现轻量化、安全性、可靠性和缩短研发周期。


1) 轻量化。碳纤维应用于汽车后,给汽车制造带来最明显的好处就是汽车轻量化,最直接影响的就是节能、加速、制动性能的提升。一般而言,车重减小10%,油耗降低6%~8%,排放降低5~6%,0-100km/h加速性提升8-10%,制动距离缩短2~7m。


2) 安全性。车身轻量化可以使整车的重心下移,提升了汽车操纵稳定性,车辆的运行将更加安全、稳定。碳纤维复合材料具有极佳的能量吸收率,碰撞吸能能力是钢的六到七倍、铝的三到四倍,这进一步保证了汽车的安全性。


3) 可靠性。碳纤维复合材料具有更高的疲劳强度,钢和铝的疲劳强度是抗拉强度的30-50%,而碳纤维复合材料可达70-80%,因此汽车上应用碳纤维复合材料对于材料疲劳可靠性有较大提升。


4) 减少研发周期。由于碳纤维复合材料可设计性比金属强,因此更易于车身开发的平台化、模块化、集成化。这样碳纤维车身及金属平台的混合车身结构对于传统汽车车身结构而言,可以做到模块化、集成化,大大减少零件种类,减少工装投入,缩短开发周期。


3. 风电叶片领域


数据显示,2015年碳纤维在风能上的应用为16300吨,预计2020年达到30000吨,年均复合增长率为8.1%。


风力发电是世界可再生能源增长最快的领域,风力发电叶片被普遍认为是高性能碳纤维最重要的增长市场,特别是制造超大型风电机组所需叶片(2.5MW风电机组叶片长度达到40m,5MW的风电机组的叶片长度在60m以上),必须使用轻而强、刚而硬的高性能碳纤维复合材料,保证结构强度的同时避免叶片在风载作用下发生大变形甚至撞击风车支柱。


当前主流的玻璃钢材质(GFRP)叶片缺乏良好的抗腐蚀性与抗疲劳性,自重大,不利于风电机组的大型化和海上化。由此观之,高速扩张的大型风机市场将为碳纤维风力叶片的发展提供广阔的增长空间。根据测算,40米以上的风电叶片中关键结构如梁帽、主梁使用碳纤维复合材料一方面可使叶片自重减少38%,成本降低14%;另一方面提高叶片抗疲劳性能,提高输出功率,以碳纤维为材质可更容易生产出大直径和自适应的风电叶片。


4. 体育休闲领域


碳纤维在体育休闲市场中,主要使用在高尔夫球杆、曲棍球棍、网球拍、钓鱼竿、自行车架、滑雪板、赛艇等高端休闲体育市场。2015年年底,全球体育休闲市场碳纤维的用量为0.89万吨,约占总需求的12%,预计到2020年将到达1.7万吨,到2024年将超过1.9万吨,年均复合增长率为2.3%,整体来看产业规模较为稳定,市场趋于饱和,暂时不会具有拉动碳纤维产业规模爆发式增长的动力。



5. 压力容器领域


对比目前常用的钢制压力容器,新型的碳纤维复合材料压力容器,采用很薄的金属或非金属内胆,采用比强度较高的碳纤维缠绕而成,在提高压力气瓶承载能力的同时,重量可比同容积的金属气瓶减轻50%。在安全性能上,由多层纤维缠绕而成的压力气瓶即使在内胆出现泄露的情况下,纤维层仍可保证气瓶的安全运行,有足够的时间进行应急处理。在制作程序上,相对钢制容器的复杂工艺,碳纤维气瓶制造工艺更简单,成本也低些。尽管目前压力容器的市场不大,但却有着较大的增长空间。


声明:本文根据网上公开资料进行整理分析改编,仅供参考。主要来源新材料在线孟庆丽的文章,有缩略。


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