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              2020全球碳纖維復合材料市場報告

              2021-04-20 來源:賽奧碳纖維技術 瀏覽數:4658

              2020的新冠疫情給人類的生活帶來了深刻的影響, 時至今日,依然沒有緩解的跡象,新冠病毒是否會與人類長期共存?人類的生活方式是否會巨變?已經成為世人心中沉重的課題。

              2020全球碳纖維復合材料市場報告

                林  剛
               
               ?。◤V州賽奧碳纖維技術股份有限公司,廣州   510075)


               
                01、前言
               
                2020的新冠疫情給人類的生活帶來了深刻的影響, 時至今日,依然沒有緩解的跡象,新冠病毒是否會與人類長期共存?人類的生活方式是否會巨變?已經成為世人心中沉重的課題。
                
                新冠疫情對經濟的主要影響是非固定人群集中活動及相關的產業——民用航空首當其沖,飛機訂單的大量減少,直接導致對航空復材需求的大幅度降低。相關的主要碳纖維供應商,東麗及美國赫氏的業績大幅度下滑。綜合判斷,該市場的下降幅度為30%。在體育用品市場方面,全球絕大部分體育比賽的取消或延遲,使體育產業總體上遭遇重挫。而對于碳纖維器材的影響,網球、冰雪、水上項目等群體運動器材的應用下降,高爾夫、自行車、釣魚等個人體育器材由于休閑時間的增多,則不降反升,總體上,依然保持了2.7%的增長。風電葉片,依然保持在勢不可擋的發展。其中的關鍵推動者是丹麥風電巨頭維斯塔斯, 綜合其他廠家的需求,這個市場的增長率在20%。碳纖維其他應用市場,疫情影響不是很大,大致保持在以往的增長速率,其中壓力容器、碳碳復合材料(主要是熱場材料)高速增長。
                
                2020年中國碳纖維行業呈現一片繁榮的景象。市場在強勁增長,加之8月份之后日本限制碳纖維對華銷售,所有碳纖維廠家均是賣方市場:價格不斷提高,拿貨需要找關系,多家中國碳纖維公司盈利增長。幾乎每家主要碳纖維公司均在“大干快上”、擴大產能。這也掀起了新一輪的投資熱潮。多家業界外企業宣布巨額投資、摩拳擦掌要進入碳纖維行業。行內專家呼吁“可靠技術來源,冷靜投資,有序發展”,這代表了多年深耕行業的慎重思考。筆者再在此上補充三點:1.可靠且具有先進性。盡量避免熱情地為行業制造“負資產”;2. 效益高于情懷。情懷碳纖維的時代已過,現在需要效益碳纖維;3. 行業統籌協作發展。當前,誰也沒足夠實力成為巨頭與霸主,全球視野、產業鏈資源整合、實現“聚”變式跨越發展、構建國際競爭優勢。
                
                2020年中,中央政府提出了“國內大循環為主的雙循環發展格局”,碳纖維行業具備軍民兩用特性,相關的技術及裝備多年來在國際往來中一直有嚴格的限制。發展自主的技術、裝備、產業及應用生態,無論是從其敏感性、還是企業的國際競爭優勢,都是必要的。另一方面,體育用品、風電葉片分市場是比較典型的兩頭在外“外循環”模式,反映了該領域中國的制造優勢與國際材料、品牌運營、應用創新及消費能力等優勢結合的現有平衡生態。如果在材料(碳纖維)與應用兩環有所突破,整個產業及產業鏈就可實現“國內大循環為主的雙循環發展格局”。
                
                2020年底國家提出的“碳達峰、碳中和”的戰略,對碳纖維產業將有深遠的影響:新的能源戰略將極大刺激風電、光伏、氫能等再生或新能源的發展。無論是風電、光伏或氫能,對碳纖維產業均有舉足輕重的影響。這個戰略除了能源的供給改變,對其存儲、運輸及使用也會有新的節能減排綜合要求,這不僅會激發對輕量化結構的需求,也會刺激諸多功能性的需求。
                
                02、全球碳纖維市場
                
                2.1. 全球碳纖維市場需求-年份
                2020年由于疫情的影響,對全球碳纖維的需求數據的統計制造了很大的障礙,我們的做法是,根據應用市場,逐一了解其中的重要企業的業績變化:比如商用航空領域,我們閱讀了波音及空客的飛機交付量,及碳纖維復合材料的主要供應商東麗與赫氏的年度業績報表,對這個分市場做出降低30%的綜合判斷;對于體育領域,我們主要是看龍頭代工企業的2020年的績效,比如為全球眾多高爾夫代工的臺灣明安國際、為電動自行車及網球拍代工的臺灣拓凱工業、為冰球桿代工的波力公司等,綜合判斷,群體運動器材有較大下降,個體運動由于業余時間增加,反而增長,所以,我們體育市場的增長率從去年的5%調整到2.7%;風電依然保持強勁增長,無論是維斯塔斯的業績表現,還是從碳梁供應商江蘇澳盛、光威復材都能獲取同樣的信息。
                
                除了上述三大分市場(占據整個市場的近60%),我們對汽車、建筑、壓力容器、模塑混配、電子電氣、碳碳復材等分市場領域的主要廠家也做了訪談,基本保持了與2019年類似的增長率。其中,值得一提的是:壓力容器由于氫能的加入,保持著20%的增長,碳碳復材由于單晶硅熱場材料的猛增,全球市場增長了近80%。
                
                通過綜合統計,得出了106,860噸的總量,對比2019年的103,700噸,增長了3%。這個增長是不容易的,當民用航空遭遇重挫,其他市場能強勁補充,這充分展示了碳纖維產業的勃勃生機。
                
                2.2. 全球碳纖維市場需求-應用(千噸)
                
                總量:106,860噸
                對比2019年的分市場餅圖,其中的明星是風電市場,依然保持在20%的強勁增長,對比遭受重挫的航空航天市場(主要受影響的主要是民用航空、公務機),用量急劇降低。風電市場的增長潛力非常巨大,這有待于維斯塔斯之外的其他風電巨頭企業,尤其是中國風電企業批量使用碳纖維。
                
                體育休閑確實是行業的壓艙石,60年來,無論市場劇變,風吹雨打,它總是默默地、穩定地支撐著碳纖維的應用,全行業應該善待體育用品的客戶。
                
                汽車行業:采用碳纖維的車型越來越多,尤其是新能源汽車,其中電池盒(尤其是底蓋),有望成為碳纖維的重大需求品種。
                
                2.3. 全球碳纖維市場需求-應用(美元)
                
                總量:2,615百萬美元

               
                全球碳纖維的銷售金額為26.15億美元,比2019年28.7億美元降低了8.8%。這是由于航空航天高價格的碳纖維銷售的降低而導致的。
                
                2.4. 全球碳纖維市場需求-產品(千噸)
                
                總量:106,860噸
                模量的定義:
                
                標準模量是指拉伸模量為230-265GPa
                
                中等模量是指拉伸模量為270-315GPa
                
                高模量是指拉伸模量超過315GPa
                
                小絲束Small Tow(或常規絲束Regular Tow)1-24K(含)
                
                大絲束Heavy Tow:大于等于48K (東麗的定義是大于40K)
                
                巨絲束Giant Tow:大于100K
                
                繼2019年大絲束占比42.2%, 2020年大絲束產品繼續快速提升市場份額到48.3%。這個高比例有三層原因,一是大絲束在風電市場驅動下的強勁增長,二是小絲束市場受航空航天市場的下滑的影響。三是部分實為小絲束(比如25K)、但由于大絲束供應不足而替代。今后三年時間,這個份額擴大的趨勢還會增加。
                
                巨絲束市場是一直存在的,比如西格里與卓爾泰克的預氧絲,均是采用300-320K 來制備的,這個預氧絲被加工成預氧氈,再加工成碳氈,有著越來越廣闊的市場應用;其中,也有部分巨絲束被直接制備為碳纖維,作為碳氈的原料,進入了剎車片的功能化市場。
                
                03、全球碳纖維供應
                
                3.1.全球碳纖維理論產能-制造商
                2020年,我們依然采用了“運行產能”的概念,主要是統計在實際運行的產能。但這個概念依然不能完全反應出廠家的產能的真實情況。比如同樣的生產寬幅與生產速度,生產3K與12K 顯然有較大的產能區別。今年,我們依然允許企業對其生產線做一定程度的折算 (按照12K標準)。這個折算之后,就會出現總產能與產出之間較大的差距,就可能被解讀成“達產率”落后的誤解。從2021年開始,我們會采用“實際產能”的概念,一條生產線定義為生產3K,就不能按12K折算為1,000噸,就應該計算為300噸。這是中國碳纖維成長過程中出現的問題。
                
                2020年,全世界主要增加的產能是:卓爾泰克在匈牙利增加的5,000噸,碳谷+寶旌(前精功碳纖維)增加的2,000噸,中復神鷹增加的2,000噸,光威增加的2,000噸,曉星公司增加的2,000噸。
                
                根據之前的報道,帝人集團下的東邦將增加2,700噸,赫氏會增加5,000噸;目前并無這些擴產完工的報道,預計受疫情影響,會延遲到2021年達產。
                
                上面沒有包括吉林化纖集團的擴產數據,該公司宣布在十四五期間:原絲擴產到20萬噸,碳纖維擴展到6萬噸。2020年,吉林化纖集團下自己控制的碳纖維產能為1100噸,目前確定有1.5萬噸碳纖維擴產。
                
                3.2.全球碳纖維運行產能-區域
                
                總量:171,650噸
                2019年,我們分析了不同國家對碳纖維制造的吸引力,主要取決于該國的綜合投資環境及產業生態鏈的吸引力。今年,我們從另外一個角度來分析一下全球區域的碳纖維布局。
                
                美國:本土主力碳纖維企業,赫氏與氰特公司(被比利時索爾維集團收購)承擔著美國軍用碳纖維的制造,剩余部分服務于民用。東麗旗下的卓爾泰克在美國也有部分大絲束生產(主力在匈牙利與墨西哥);日本東麗在美國的生產能力比本土還大,東邦通過并購美國的AKZO-FORTAFIL發展碳纖維,為了與東麗競爭波音市場,布局了龐大的擴產計劃;三菱通過并購美國的GRAFIL碳纖維工廠進入美國市場,后又收購了德國西格里在懷俄明州的碳化線;德國西格里在MOSA湖旁邊建立了汽車碳纖維工廠。全球碳纖維6大巨頭在美國均有工廠。
                
                歐洲:碳纖維的發源地是英國,德國西格里通過收購英國碳纖維資產進入碳纖維領域;東麗與東邦分別在法國與德國投資碳纖維工廠;赫氏分別在法國與西班牙建立碳纖維工廠。東麗集團旗下的卓爾泰克在匈牙利有碳纖維工廠;全球碳纖維6大巨頭中,有4家在歐洲有投資。
                
                日本:主體是本土三巨頭的碳纖維工廠,以及三菱與德國西格里合資的原絲工廠。
                
                韓國:除了東麗的工廠,主要曉星集團的碳纖維工廠,泰光的工廠停頓多年;其他韓國化工巨頭還處于研發狀態。
                
                中國:除了臺灣地區的臺塑及永虹,在大陸區域,均是本土的碳纖維工廠。
                
                從全球產業布局上,東麗顯然技高一籌,是行業的領頭羊。
                
                04、中國碳纖維市場
                
                4.1. 中國碳纖維需求-年份
                2020年中國碳纖維的總需求為48,851噸,對比2019年的37,840噸,同比增長了29%,其中,進口量為30,351噸(占總需求的62%,比2019增長了17.5%),國產纖維供應量為18,450噸(占總需求的38%,比2019年增長了53.8%)。2020年的中國市場的總體情況是:供不應求,無論是進口還是國產纖維。
                
                2015(13.4%),2016(16.5%),2017(20%),2018(32%),2019 (22%),2020 (29%)……如果供給能充分保障,2021年是可以再次突破30%的增長率的。
                
                對于國產的18,450噸銷量,相比2019年的12,000噸,增長率為53.8%。連續三年超過30%的高速增長,說明國產碳纖維的巨大進步;之前我們預計2025年國產能超過進口,估計這個超越會提前2-3年實現。
                
                如此超水平的表現,不得不提到風電領域的貢獻,風電葉片的用量(2017:3,060噸,2018:8,000噸,2019:13,800噸,2020:20,000噸)是關鍵引擎。值得注意的是,這個領域兩頭在外(碳纖維+應用客戶)的程度大約是85%。這是中國碳纖維與風電葉片的重大戰略機遇,解決此問題并完成相當程度的內循環,會被歷史所銘記。
                
                4.2. 中國碳纖維需求-應用
                
                總量:48,851噸

                上述圖表重點是說明我國的應用能力的問題,所以,我們需要剝離風電領域的對外部分。碳纖維的應用技術絲毫不比碳纖維制備技術簡單,尤其是航空航天的復合材料技術體系。當中國碳纖維蓬勃發展之際,我們呼吁眾多應用企業與我們一道,加大研發力度,趕超先進國家的應用能力。
                
                4.3. 中國碳纖維需求-省份
                
                總量:48,851噸
                長期排在第一名的廣東省,由于風電的原因,在去年被江蘇趕超,今年又被山東趕超;江蘇與山東長期領先中國各省份,三個萬噸級碳纖維需求大省,應該是后面數年不變的格局。
                
                總金額:1,026,738千美元
                從消費金額來看,廣東在2020年被江蘇趕超,按此趨勢,山東完全有趕超廣東上海的潛能,全國四家億美元俱樂部的格局,會持續數年。
                
                4.4. 中國碳纖維需求-來源
                
                總量:48,851噸
                國產碳纖維2020保持著進步,市場份額從2019年的31.7%攀升到2020年的38%。
                
                在小絲束市場方面,中國的主要競爭對手是日本及東麗在韓國工廠及韓國曉星公司,他們2020年在華銷售總量,大約是9,900噸, 這還是受東麗在2020年8月份之后被暫停出口的業績表現,否則應該輕松突破萬噸。對比2019年,我相信東麗公司已經開始要頭疼中國的競爭對手了。這除了中國碳纖維行業的進步,我們也必須清晰地認識到,出口管制以及關稅的問題也為這些國外同行們制造了不少的障礙。如果在同一平臺上競技,我們的競爭力依然不足,需要在工藝、裝備、品控、操作等多方面繼續練好內功。
                
                大絲束市場方面:主要是東麗旗下卓爾泰克(美國+墨西哥+匈牙利)、日本三菱、德國西格里以及臺塑、土耳其DowAksa,總量大約17,000噸,這個市場主要就是風電葉片以及部分其他用途的拉擠板(如建筑補強、機器人)及重型預浸料。國內與之對應的是藍星及碳谷+寶旌,為這個市場提供了大約4,000噸碳纖維。在這個領域,卓爾泰克、西格里及藍星是真正大絲束碳纖維企業;臺塑、DowAksa以及碳谷+寶旌是因為大絲束供給不足,用小絲束提束或并股的替補選手,技術體系上還依然是小絲束的。所以,這個領域亟待國內企業攻堅克難,盡快填補巨大缺口。
                
                總金額:1,026,738千美元

                2020年,由于整個碳纖維市場的緊缺,總體上,價格行情是走高的。疫情對航空航天市場的重挫,導致東麗的部分民用碳纖維產量增加,但是這些增加的產能又因為下半年出口受限而存放倉庫中,這導致國內碳纖維的價格較大幅度上調。2020年,小絲束的高價位大約在20-22美元/公斤的水平上。
                
                大絲束市場,也同樣面臨緊缺。價格稍微提升,在13.5-14.5美元/公斤的水平上。這個價位是大批量的采購價格,對于小批量的用戶,這些廠家經常報出17-18美元/公斤價格。
                
                05、中國碳纖維產業
                
                5.1. 中國碳纖維企業理論產能
                近幾年,在國內產能的統計上,從“理論產能”到“運行產能”,2020年,我們繼續擠水分,但再留一年給國內企業,今年依然采用“運行產能”,而非“實際產能”,這二者的區別就是:“運行產能”依然允許企業用12K 去折算他3K的產能,而“實際產能”就需要按生產線的定義品種去定義產能,這樣才能反映出我國碳纖維行業的真實的“達產率”。
                
                2020年,我們統計的“運行產能”為36,150噸,其中,銷量是18,450噸,銷量/產能比為51%。某些企業2020年上半年沒有全力生產,有些生產線通過改造,超過設計產能的案例都不少;對于正常開車的企業,達產率通常在65%以上,甚至有企業已經達到90%以上;所以,這個方面,中國跨越了低達產率的歷史階段,水平正趨近國際水平。
                
                關于碳谷+寶旌,以及吉林化纖的一些說明:寶旌是寶武集團收購精功碳纖維的主要股份而形成的新公司名,精功與吉林化纖合資的碳纖維工廠也是其中一部分,他們采用吉林化纖集團旗下的原絲專業公司-吉林碳谷的原絲,所以,我們以碳谷+寶旌來做排名;吉林化纖集團旗下還有自己另外的碳纖維資產,目前主要是兩條小規模碳化線,以及并購江城碳纖維的500噸碳化線。除此之外,他們正在擴產大約15,000噸的碳化裝置,當然,吉林化纖旗下的碳化裝置也是采用兄弟單位-碳谷的原絲。2021年,我們將對吉林化纖系與寶武系做一個區分。
                
                5.2. 中國碳纖維產業新發展
                
                2020年,中國碳纖維產業的發展特點:并購、擴產及火熱投資。
                
                其中主要的并購是2019年就開始的寶武集團對太鋼集團(含鋼科碳纖維)以及精功碳纖維產業。其次是吉林化纖集團對方大集團旗下的江城碳纖維的并購。
                
                擴產幾乎是每家主要碳纖維企業正在進行或正在策劃的。其中,比較大型的擴產項目如下:
                
                2019年2月,中復神鷹宣布了投資50億元、在西寧建設20,000噸碳纖維的重大擴建工程;2020年已經完成了其中4,000噸,正在快馬加鞭建設中。
                
                2019年7月,光威復材與內蒙古包頭九原區政府、丹麥維斯塔斯公司等簽署協議,將投資20億元在包頭建設“萬噸級碳纖維產業化項目”,該項目進展不是很快,但光威自身在威海也在不斷地擴產中。
                
                2020年3月,上海石化發布公告,投資35億元,建設24,000噸原絲,12,000噸大絲束碳纖維項目。該項目已經在緊鑼密鼓地進行中。
                
                2021年1月,吉林化纖集團宣布,在十四五期間完成:20萬噸原絲,6萬噸碳纖維及1萬噸復合材料的宏偉計劃,實際也在高速的建設中。
                
                除了上述企業,行業內其他企業,也有不少在策劃擴產。除了碳纖維行業的廠家,行業外也有一些新進入者,這其中:
                
                2020年11月,常州新創碳谷控股有限公司宣布投資50億元,建設年產3.6萬噸的大絲束碳纖維及高性能碳纖維復合材料結構件,該項目正在建設之中。
                
                2020年12月,浙江龍游縣與杭州超探新材料科技有限公司宣布投資32億元,建設10,000噸高性能碳纖維及碳碳復合材料等項目。
                
                2020年12月,廣東金輝碳纖維材料科技公司計劃到茂名濱海新區投資30億元,建設碳纖維原絲50,000噸/年,碳纖維20,000噸/年,碳纖維復合材料40,000噸/年的生產基地。
                
                2021年3月,新疆隆炬新材料有限公司計劃投資60億元,建設年產5萬噸碳纖維碳化項目,形成生產經營碳纖維原絲、碳纖維碳化、碳纖維、復合材料制品的新材料基地。
                
                2021年3月,國泰大成新材料科技產業園宣布總體規劃為年產25,000噸原絲、10,000噸碳纖維、碳纖維織物及復合材料的研發和生產園。
                
                ……
                
                無論是對行業內企業的擴產,還是新涌入的投資商。我們經歷了歷史上太多企業的沉沙折戟,只能再次重復我前言中引用的專家的話及我增加的觀點:
                
                “可靠技術來源”,可靠且具有先進性,盡量避免熱情地為行業制造“負資產”;
                
                “冷靜投資,有序發展”;
                
                效益高于情懷,情懷碳纖維的時代已過,現在需要效益碳纖維;
                
                行業統籌協作發展,當前,誰也沒足夠實力成為巨頭與霸主,全球視野、產業鏈資源整合、實現“聚”變式跨越發展、構建國際競爭優勢。
                
                06、全球碳纖維復合材料市場
                
                6.1. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-年份
                樹脂基碳纖維復合材料的需求量,根據纖維在復材中65%的比例計算的,建立一個規模概念。
                
                6.2. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-應用(千噸)
                
                總量:164.4千噸
                6.3. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-應用(10億美元)
                
                總金額:150.9億美元
                2020年,全球的復材收入為150.9億美元。對比2019年的173.7億美元,有較大幅度的下降。主要原因是航空航天市場中的收入銳減,其他分市場均有增長。
                
                在統計復合材料收入時,對于航空市場與風電市場:首先從工藝看:航空復材有碳纖維-預浸料-分切-自動鋪放-熱壓罐-檢驗-機加-裝配等繁瑣的工藝,而風電則是:碳纖維-拉擠成型-碳板,之后就直接進入葉片的大總成的環節。兩者的研發繁瑣程度也完全不同,航空結構通常采用積木式驗證方法,從材料到結構,一步步驗證;而風電碳板主要對碳板做性能測試;兩者的研發周期也完全不同,一款新的復材要進入機型,周期起碼十年;風電碳梁通常1-2年完成;兩者的附加值大不相同。
                
                從另外一個角度,工業碳纖維的工藝開發思維,應該學習風電碳梁的模式,而不是機械借鑒航空航天復材(盡管人類的復合材料技術體系主要由航空航天構建的)。風電碳梁的工藝主要有預浸料鋪貼,多軸織物灌注和拉擠板拼粘,預浸料鋪貼顯然是航空航天的思路,結果證明效率低下,孔隙率幾乎不可控,拉擠板拼接思路,無論是性能還是成本,無情碾壓了其他兩種工藝,當然,將來也不排除會有更高性價比的工藝去碾壓拉擠板拼粘工藝。
                
                這個對于汽車、軌道交通是有很強的借鑒意義的。復合材料的本質優勢是“一張白紙,任意揮灑”。不要迷信經典,要創造獨特。
                
                6.4. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-區域(10億美元)
                
                總金額:150.9億美元
                2020年,中國市場第一次趕超美國,成為全球最大復合材料市場;當然,這個趕超有點虛,疫情對美國航空航天市場的重挫是首要因素。
                
                中國的主要優勢:體育器材幾乎占據全球的90%,這是中國復合材料市場的壓艙石;中國航空航天市場也有一定的規模,這是激發產業技術進步的重要源泉;風電碳梁的收入,幾乎占據全球市場的60%,這是對市場的重大貢獻。
                
                除了上述三大分市場,由于我國的工業門類齊全,我們在其他市場,如汽車、壓力容器、建筑補強、模塑混配、電子電氣、碳碳復材、軌道交通…… 均有較大的市場。這些門類齊全的工業體系,當然其中有歐美日本的巨大貢獻。從材料的視角,這些家門口的應用機會是極其寶貴的。
                
                在新的國際環境中,有條件的碳纖維企業,除了熱賣纖維,還要肩負一些支持應用開發的責任,播下一些新的應用生態的種子。希望各級地方政府或研究院的科技方面的支持多傾向于碳纖維與應用的聯姻。
                
                6.5. 全球樹脂基碳纖維復合材料需求-制造工藝
                
                總量:164.4千噸
                2020年,纏繞拉擠工藝第一次超越預浸鋪放工藝,成為碳纖維世界第一大工藝。盡管有航空航天市場受疫情重挫的原因。但是,即使三年后,航空航天市場復蘇到2019年的水平,纏繞拉擠工藝也會把預浸鋪放甩在后面。因為這兩個工藝后面的主要支撐是生機勃勃的青年(風電)和少年(氣瓶)。
                
                人類在研究復合材料工藝時,最早的思維應該是“稻草+泥”,這個思維今天依然在沿用,比如短切塑料增強、長纖維塑料增強、SMC,BMC等工藝;之后,又借鑒了金屬、紡織、建材行業的思維,建立了預浸、模壓、預制體等工藝。其中,竊以為:纏繞與拉擠可能是復合材料自有工藝,盡管拉擠與鋁合金、塑料型材有類似的地方。這兩個工藝的主要特點就是纖維到產品的極簡。相比之下,無論預浸料鋪貼,還是織物灌注或RTM,步驟就繁瑣,過程廢料多。
                
                結構復合材料工藝的本質是什么?一維纖維與基體充分結合變成致密的三維結構過程。中國復合材料能否涌現依照基本原理而石破天驚如馬斯克般的創新?我不覺得這里面有什么起步晚、基礎不行、環境不夠的局限。當年臺灣光男公司發明的氣囊法制備網球拍,不一樣打敗了美國一幫用航空復材思維制作網球拍的大專家嗎?這幾年,維斯塔斯巧用傳統的拉擠板于風電取得了巨大成功。這個創新有多難?
                
                制約汽車、軌道交通的復合材料產業的發展,不是其他,而是傳統的工業思維把大家給套住了。我相信:這些并非科學發現與創造,而更多是“能工巧匠”的創新,是中國人的擅長。
                
                6.6. 全球碳纖維復合材料需求-不同基體(10億美元)
                
                總額:186.8億美元
                我們發布這個圖表,旨在提示大家不要忽略樹脂基及碳基之外的其他基體復合材料,這些材料也是碳纖維復合材料大家族中的一員。
                
                除了金屬、陶瓷、水泥等大量的基體材料,氣凝膠也作為新的基體,與各種纖維氈結合,變成新型的復合材料。在碳纖維領域,預氧氈與二氧化硅氣凝膠的結合,正在創造廣闊的應用市場空間;碳纖維氈、石墨氈與碳氣凝膠的結合,也將改變很多應用。
                
                碳纖維自身也可以是“基體”,將自己的結構與功能“復合”,與碳納米管、多孔納米碳結合成“復合材料”,這些“復合材料”很可能會為新能源產業提供革命性的創新。
                
                2020年,整個樹脂基材料中,熱塑復合材料占了大約25%的比例,金額約為37.7億美元。其中,絕大部分為非連續增強塑料,連續碳纖維熱塑材料,我們估計市場份額為2億美元左右。
                
                6.7. 中國樹脂基碳纖維復合材料需求-應用(噸)
                
                總量:75,155噸
                2020年,中國碳纖維復合材料的總量為75,155噸。給行業一個大致的概念。
                
                2020年,體育復材的領導地位首次被風電大幅度超越,這個格局會繼續延續下去的。風電與體育帶著眾多小兄弟一起玩耍的格局會延續幾年。大約5年左右,“碳碳復材”與“壓力容器”會有倍增,會超越體育市場。
                
                6.8. 中國樹脂基碳纖維復合材料需求-應用(億元)
                
                總金額:489.19億元
                2020年,全國的碳纖維復合材料的產值為489.19億元。
                
                這些數據,只是根據我們賽奧的數據模型來計算的,并未挨家挨戶去做統計,這是行業協會的工作。
                
                航空航天復材的產值,我們是按結構件來估算的,2020年大約有183億元,首次超越了體育器材,成為最大金額的分市場。
                
                風電市場,我們是根據拉擠板和織物來估算的,大約有43億元的收入。
                
                2020年,碳碳復材市場處于迅猛增長,目前市場嚴重供不應求,下文有詳細描述。
                
                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:2020年對碳纖維的需求量為16,450噸。
                航空航天市場的分市場份額(噸)如下圖:
                航空行業分析機構蒂爾集團(Teal Group)的數據顯示,2020年全球航空客運量較2019年下降了約63%;波音及空客大幅度消減了飛機的產能,其中波音將復合材料飛機B787減少到每月10架,2021可能會減少到每月6架,此外,波音公司于2020年10月初宣布,它將在2021年關閉美國華盛頓州西雅圖市的所有787裝配廠,并將其合并到公司在美國南卡羅來納州北查爾斯頓的工廠;空客公司將復合材料飛機A350減少到每月6架;2020年6月,美國東麗復合材料表示立即中止其在美國南卡羅來納州斯帕坦堡的工廠的運營,并大大減少其塔科馬預浸料工廠的產能。這些行動將導致在美國各工廠的勞動力減少約25%;美國赫氏第一季度凈利潤同比大降逾四成,宣布新一輪裁員減薪計劃;我們綜合判斷,航空航天用碳纖維對比去年同期減少30%。
                
                關于航空航天市場的復蘇,基于對疫情及航空航天的體系復雜而緩慢的特點,我們預測在2024年恢復到2019年的需求水平。
                
                7.2. 風電葉片應用市場
                2020年,風電市場發展非常迅猛,整個產業鏈賺得缽滿盆滿,皆大歡喜。
                
                2020年,從風電對碳纖維的需求看,維斯塔斯依然是主力;其他巨頭,如西門子-歌美颯、GE-LM、Nordex 等均在新的機型中,采用了碳纖維拉擠板制造與測試樣機。國內風電有三種工藝并行:預浸料鋪貼、多軸織物灌注、拉擠板,大多是樣機驗證階段,在2020年還未形成批量需求。三種工藝的對比中,拉擠板工藝基本勝出。
                
                去年的報告中,我們曾擔憂“搶裝潮”之后的萎縮,以及疫情對風電的沖擊。結果年中的“碳達峰,碳中和”戰略的確定,導致了風電行業的激情萬丈的《風能北京宣言》:“在“十四五”規劃中,須為風電設定與碳中和國家戰略相適應的發展空間:保證年均新增裝機5000萬千瓦以上。2025年后,中國風電年均新增裝機容量應不低于6000萬千瓦,到2030年至少達到8億千瓦,到2060年至少達到30億千瓦。”基于北京宣言,幾乎每家風電廠及葉片廠均考慮擴大產能。
                
                幾年前,足球在國內風電巨頭的腳下,碳纖維行業不停地催“趕緊踢出來??!”從2021開始,足球是肯定到了碳纖維行業的腳下,風電巨頭會使勁催:“趕緊踢出來”,你們碳纖維不出產能,我們怎么敢規劃數萬噸的葉片需求???碳纖維產業準備迎接這幸福的“煩惱”吧!
                
                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,2020年的需求量為15,400噸。
                體育市場的分市場份額如下:
                疫情之下,群體運動的碳纖維器材,如曲棍(冰)球桿、滑雪桿等,有較大幅度的下滑;而個人體育休閑的器材反而上升,主要有高爾夫球桿,自行車及釣魚竿。另外,歐美這些年一直流行健康、綠色出行,對電動自行車也有較大的需求增長。
                
                7.4. 汽車應用市場
                之前的報告,我們反復提醒了全壽命周期的輕量化價值的概念;碳纖維復材從F1賽車到從超級車、超豪華車逐步擴大應用的規律與趨勢。在輕量化價值的計算中,除了節能降本的常規價值,綠色環保成本是一個因潮流而動的較大變動成本。
                
                2020年在汽車復材領域,主要有如下大事:一是代表美國汽車復材應用水平的、通用汽車的雪佛蘭C8汽車的推出,其中最醒目的是車架部分材料弧形拉擠的碳纖維復合材料型材,另外還有部分玻碳混合的復合材料零件。2020年德國西格里分別與寶馬集團,中國蔚來汽車及北美一汽車公司批量制造電動汽車電池盒。2021年3月,廊坊的飛澤復材為蔚來ES6碳纖維(中國第一款批量采用碳纖維的車款)后地板5萬套下線。
                
                關于燃料電池的氣態擴散層GDL, 國內目前有武漢理工、大化所、上海河森、江蘇氫電、濟平新能源、深圳南科、沈陽華天鑫等單位在從事研發。而國際上的主流廠家是東麗、西格里,以及燃料電氣巨頭巴拉德旗下公司。從GDL的工藝流程看,其中的不少技術與裝備與碳纖維及復合材料制備類似,僅從碳纖維紙的專用碳絲供應,國內就無碳纖維公司涉及。所以,碳纖維產業要盡快意識到這個責任,投入研發,不能讓這個GDL成為氫能源的卡脖子材料。
                
                7.5. 壓力容器應用市場
                2020年,氫能發展迅速,正在迅速成為各類交通運載工具的新的能源方式:歐盟宣布了650億歐元的刺激氫能產業鏈發展的“A hydrogen strategy for a climate-neutral Europe”。美國加州的Universal Hydrogen正在建設氫能飛機的整個基礎設施,國際壓力容器傳統巨頭動作頻繁:
                
                2021年2月,佛吉亞與雷諾集團達成汽車的氫氣儲存的合作協議。
                
                2021年3月中集安瑞科控股有限公司欣然宣布旗下全資附屬公司CIMC Hydrogen Energy與Hexagon Purus HK簽署合資協議,成立合資公司為中國及東南亞快速增長的高壓氫氣儲運市場提供安全、經濟、高效的儲運解決方案。
                
                2021年2月份,佛吉亞宣布對中國高壓氣瓶公司斯林達大部分股權的收購。
                
                2020年,國內的碳纖維壓力容器發展紅火,相關的碳纖維供不應求。7月份,氣瓶安全標準化與信息工作委員會發布了車用四型氣瓶的團體標準的征求意見稿,這是行業發展的重要事件,希望這個四型氣瓶標準盡快完成。2020年12月,斯林達車用IV型儲氫瓶通過“三新”評審,成為國內首家通過“三新”評審的車用壓縮氫氣塑料內膽碳纖維全纏繞氣瓶制造廠家。
                
                高壓氫氣瓶的核心技術在于塑料內襯及碳纖維纏繞,其主要成本取決于碳纖維的成本。目前,很多氫氣瓶企業對碳纖維的戰略意義認識嚴重不足。以為這個是個市場化的產品,有錢就可以買到,今天各家需求就是個數百噸的小量,這個確實沒有問題。但是,當您需要萬噸時(這是完全可能在今后10年內實現的),這個時候,碳纖維的性價比及規模保障能力,就可能成為氣瓶企業最核心的競爭力。所以,提醒各家氣瓶廠,要以戰略合作伙伴的態度,與碳纖維企業深度、長期合作,盡早培養堅實的核心競爭力。
                
                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?;炫洌╟ompound)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,以及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SABIC、RTP、POLYONE、COMPTEX、POLYNT和廣東金發科技等。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。
                
                從事碳纖維片狀模塑料的企業主要有:美國QUANTUM、MAGANA、Ashland、Continental Structural Plastics和德國MENZOLIT等企業。對比與傳統的玻纖SMC、碳纖維SMC的浸潤性受絲束大小的影響較大,而浸潤性的好壞與力學性能相關聯,目前的碳纖維SMC還沒有實現其該有的力學性能優勢。
                
                總體上講,這個領域的技術主要借鑒于玻璃纖維復合材料,其重大優點是高效低成本的成型工藝(主要是注塑與模壓)。碳纖維與玻璃纖維有較多的不同,還需要研發更新的技術,去充分展現碳纖維的更優的力學性能,否則很難在性價比上與同類的玻纖復材競爭。這個領域,存在著產業鏈重整的重大機遇與挑戰。
                
                7.7. 建筑應用市場
                
                
                建筑市場包含廣義上的工業民用建筑、道路橋梁、水庫大壩、圍堰碼頭等結構設施。碳纖維復合材料在基礎設施的應用中包含:既有建筑及橋梁結構的加固補強、管廊設施的維修養護、新建建筑的部分構件、橋梁纜索、橋面板等。上述應用市場中,有80-90%的碳纖維用于建筑橋梁的補強。加固類碳纖維制品主要包括碳纖維布、碳纖維網格、碳纖維板以及碳纖維筋。
                
                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,以上海悍馬為代表的國產品牌正在快速崛起并已被國內外市場廣泛認可。此外,一些老牌工程材料生產企業也從傳統的鋼制品、混凝土行業逐漸向碳纖維制品行業轉型。這些新老企業向碳纖維行業的匯聚,極大地推動了碳纖維在此領域的發展和應用。
                
                除作為加固材料出現在土木工程領域,在新建工程中碳纖維制品也逐漸嶄露頭角:
                
                2020開始建設的常泰長江大橋,將采用“最大尺度碳纖維復合材料拉索”作為六個“橋梁之最”;
                
                2020年3月,由法爾勝泓昇集團提供碳纖維拉索的三垛西橋整體吊裝;
                
                2020年8月,三亞國際體育產業園體育場項目索結構張拉提升工程施工全部完成,上下環索間、內環的交叉索均采用了碳纖維索,這是碳纖維材料在國內外首次應用于大跨度空間結構,實現了新材料應用的突破;
                
                2020年10月,采用碳纖維拉索的興華路跨徒駭河橋開始搭建;
                
                2021年1月, 日本東京制鋼株式會社旗下東京制綱國際公司(Tokyo Rope International)宣布,該公司自主研發的碳纖維復合材料纜繩(CFCC)被成功用于美國漢普頓港口公路橋隧道擴建工程。
                
                7.8. 碳碳復材應用市場
                2020 年,碳碳復材的三大市場發展如下:
                
                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。該市場發展平穩。
                
                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。該市場發展平穩。
                
                熱場部件:受“碳達峰、碳中和”政策刺激,單晶硅爐訂單暴漲,單晶硅爐內,主要有碳氈功能材料和坩堝、保溫桶、護盤等碳碳復材結構材料: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湖南金博碳素、中天火箭、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、宜興市飛舟高新科技材料有限公司。
                
                2020最大的熱點是光伏熱場部件的超高速增長,光伏龍頭企業有隆基、晶科、中環、晶勝機電、晶澳等,對單晶硅爐均有海量的需求。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2020年增長了100%以上,整個行業處于嚴重供不應求狀態。
                
                7.9. 電子電氣應用市場
                2020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。
                
                2020年,行業主要新聞是:“聯想正式發布了YOGA Pro 13s Carbon 2021輕薄筆記本,機身采用了碳纖維和鎂鋁合金材質打造,重量僅966克”:“VAIO 與東麗合作打造世界首款立體成型碳纖維機身筆記本電腦,重量低至約958g,還能承受127cm的高度跌落,兼顧剛性及輕量化”。消費電子的輕薄化是長期的追求。
                
                2020年,液晶平板顯示器生產過程的機器人的輕量化在繼續深化,越來越多的機器人部件批量使用碳纖維。
                
                對于幾乎所有電子電氣行業(包括電池)來說,熱管理是個頭疼的事,其中主要是芯片與高功率器件的散熱問題,這其中的傳統解決方式鋁合金、銅箔、石墨板、熱管效應、冷水板等;新型的熱管理主要是人工石墨化紙,比如PI膜的石墨化。2020年,美國KULR Technology Group宣稱:他們將碳纖維制備成絨(微纖維平行排列),借助微纖維的較大的散熱面積,成為新型的熱管理技術,據稱:這是他們與NASA成熟應用于航天的熱管理技術,現在正在電池與電子電氣推廣應用。
                
                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。
                
                2020年的新冠疫情非但沒有影響船舶市場,反而船舶市場的增長創造了新高(美國國家船舶制造商協會報告統計數據)。其中,水翼船是個發展熱點,而其中的水翼通常是碳纖維復合材料制成的。
                除了上述典型的船舶,我們再次強調“漂浮式風電”中所涉及的海工裝備及材料的創新。深海油田非常受國際石油價格的影響。而海上風電的前景是明確的,也必然會走向深海,這需要借鑒深海油田的現有技術,去大力開發碳纖維復合材料在其中的應用技術。
                
                7.11. 電纜芯應用市場
                2020年,我們統計的全球需求是1,000噸,對比2019有所下滑。
                
                2020年,CTC Global推出了CTC Global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。
                
                2019年12月10日上午“內蒙古錫盟—山東”特高壓配套工程-大唐錫林浩特電廠1000千伏送出線路,正式并網投運。這也是目前世界上首條全線路應用碳纖維復合導線的特高壓工程。這是中復碳芯電纜科技公司制作的。
                
                2020年國內外電纜芯市場比較平靜,國際上只有少數幾條新建電網線路采用了復合材料電纜芯,而國內電網只是給出了幾個省級電網的改造訂單。
                
                采用類似工藝的碳纖維復合材料拉索,2020年有巨大的進步。除了上述建筑應用市場的介紹,本章也希望多一些介紹拉索。
                
                除了上述的常泰長江大橋、海南三亞體育館,國內還有數個大橋的設計規劃中,安排了碳纖維復合材料拉索,比如山東聊城興華路徒駭河大橋等。早在2005年,東南大學呂志濤院士等主持設計和修建了國內第一座碳纖維復材索斜拉橋,中冶建筑研究總院岳清瑞院士團隊及清華大學馮鵬教授課題組對這個領域有多年的研究與工程實踐??傮w而言,無論是比強度、疲勞壽命及耐腐蝕性,碳纖維復合材料拉索比鋼索均有巨大的優勢,但碳纖維復合材料的橫向性能較弱,導致了錨固的難題。利用碳纖維本身的高強度來形成錨固,索錨一體化碳纖維復材應該是解決這個問題的好思路。中復碳芯也是索錨積極開發者。
                
                7.12. 其他應用市場
                
                軌道交通
                
                2020年9月,川崎重工向日本四國旅客鐵道公司(以下稱JR四國)交付了4臺采用碳纖維增強樹脂基復合材料彈簧的鐵道車輛轉向架;2021年1月,首臺具有完全自主知識產權的高溫超導高速磁浮工程化樣車及試驗線在西南交通大學九里校區正式啟用,樣車采用全碳纖維輕量化車體、低阻力頭型,整體重量達12噸左右,懸浮高度10毫米左右。
                
                在發展軌道交通復合材料方面,中國有著世界其他國家不可比擬的綜合優勢,主要的短板還是產業鏈中低成本碳纖維的供給以及系統研發能力。這其中,既有軌交體系的應用技術的問題,也有復合材料領域的創新工藝的問題??上驳氖?,2020年,軌交體系與復合材料體系的聯合研發越來越密切,這個研發聯合體的力量會越來越強大,軌交體系也正在醞釀自身的復合材料科研體系。
                
                從碳纖維產業的發展來講,今后3-5年,是低成本大絲束碳纖維發展的黃金年份,數萬噸的碳纖維的產能將供應市場,軌道交通與相關的碳纖維及復合材料企業如在此基礎上加大研發與工程實踐的力度,我想這會給上述兩個行業構建一個無比美好的前景。
                
                碳纖維功能材料
                
                碳纖維的主要功能性應用,除了傳統的阻燃材料:預氧絲、預氧氈,還有傳統的熱場材料:碳氈、石墨硬軟氈、電熱毯;還有傳統的防靜電、電磁屏蔽材料:短切碳纖維、磨粉增強塑料等等。
                
                新型的碳纖維功能材料,主要有:
                
                燃料電池的氣態擴散層(GDL);
                
                液流電池的電極材料的碳氈(石墨氈);
                
                替代鉛酸電池的鉛板電極的碳氈板;
                
                替代鋰離子電池的能量密度的多微孔碳纖維材料;
                
                預氧氈+二氧化硅氣凝膠制備的阻燃、靜音、疏水、保溫的多功能材料,可用于電動車電池之間的隔離、可用于各類技能或功能建筑、也可用于潛艇、坦克等的靜音……
                
                碳纖維功能化的主要趨勢是:在碳纖維這個微米尺度上的納米化,這包括了碳纖維單絲上生長碳納米管,碳納米纖維,在碳纖維的單絲中形成納米孔隙等。這是一個納米物質宏觀化的優良途徑!碳纖維的功能應用前景極其廣闊,理應引起國內各種研究機構的高度重視。
                
                08、觀察與思考
                
                1. 世界碳纖維的版圖
                通過看上述世界碳纖維的版圖,我們可以得出如下幾個結論:
                
                傳統七大碳纖維巨頭 (其中卓爾泰克被東麗收購,變成六大巨頭),已經基本完成國際產業基地的布局,尤其是東麗公司,數十年時間,在日本、韓國、美國、法國、匈牙利、墨西哥完成大小絲束的布局;這些巨頭無論是制備技術與成本上、以及應用技術及生態上,依然主導著全球碳纖維。某些企業在某個纖維的某個指標超過東麗,就開始要“力壓與趕超”東麗了,這是典型的不知天高地厚的狂想癥患者,需要多睜眼看看世界!
                
                新興經濟體的碳纖維在迅速趕超中,主要是中國大陸、中國臺灣、韓國、土耳其及俄羅斯。除此之外,印度、巴西及沙特等國蠢蠢欲動。所有新興國家中,顯然中國大陸與土耳其具備大發展的重要潛力,而綜合技術、裝備及應用生態等因素,中國大陸企業是主力軍。臺塑本是一家歷史悠久的優秀碳纖維公司,然而近十年技術沒有明顯的進步,一直虧損中,前幾年關閉了其腈綸裝置,失去了發展低成本碳纖維的基礎,讓人扼腕痛惜!
                
                碳纖維不同于常規的化纖產品,無論是制備技術復雜程度、產業鏈的技術復雜性、還是應用技術開發及生態的構建難度。企圖用承接發達國家的產業轉移來發展碳纖維,起碼今后20年時間是不現實的。新興國家的碳纖維如何去趕超發達國家巨頭?這就成為我們本次的思考重點。
                
                2. 應用市場發展的總體趨勢
                
                碳纖維的應用曾經是以航空航天為主驅動的,這些年,已經變成了航空航天驅動與工業用驅動的雙引擎驅動模式。這對全世界碳纖維的產業格局已經形成了深刻的變化。就在短短的幾年前,大絲束碳纖維企業還在為生存而掙扎,這兩年,大絲束成了市場的香餑餑。這類企業不光成長迅速 (比如卓爾泰克的一萬噸產能的擴建僅僅用了三年不到的時間,依然供不應求),而且效益也很好,另外由于較低成本,它具有吞噬部分傳統小絲束市場的能力,比如國際上已經開始用大絲束纏繞大型氣瓶,提升纏繞效率;國內不少廠家采用大絲束制造低成本預浸料。
                
                縱觀全球的應用市場發展趨勢,我們是可以得到如下幾個明確的方向的:
                
                受疫情重挫的航空航天市場依然生命力旺盛
                
                航空航天市場中的民用航空市場,需要起碼三年才可能恢復到2019年的應用數量,如何在三年內處理民用航空不能消化的產能?是個頭疼的事。當然,復蘇之后,加上單通道飛機廣泛采用碳纖維,會對這個市場有激增的作用,很可能會出現供不應求的局面。疫情之前,東邦與赫氏均看好航天航天市場的前景,均安排了在美國的巨大擴產投資,這兩年,擴產建設的進度有所延緩。如果實力允許,冬天的投入就是為了迎接春天。
                
                風電對碳纖維的劇烈需求將導致碳纖維行業劇變
                
                “風電北京宣言”中已經有了具體的規劃,如果按此規劃執行,我們預測,到2030,風電市場預計需要19-20萬噸碳纖維,而當前全球需求不過是3萬噸。對于這個市場,參與的碳纖維企業的基本產能需要1萬噸,并具備每2-3年增加1萬噸產能的能力。這個令人炫目的機會面前,我們也要保持冷靜,到底全球有哪些企業有資格參與其中的競爭?到底哪些企業能從其中獲利?誰會成為這個廝殺過程中的烈士?后面,我們會做出詳細的分析。牢記兩點:這個市場就能培養出國際排名前列的碳纖維巨頭企業;這個市場將驅動碳纖維行業進行一場轟轟烈烈的低成本技術革命。
                
                氫氣瓶蓄勢待發,將推動碳纖維產業進入新的高度
                
                我們綜合閱讀了如下的產業規劃:
                
                2016年工信部《節能與新能源汽車技術路線圖》:2020年實現5000輛級規模,2025年實現5萬輛規模,2030年實現百萬輛;
                
                2017年日本經濟產業省發布了《氫能基本戰略》,2020年累計實現4萬輛保有量,2025年累計實現20萬輛保有量,2030年實現80萬輛保有量;
                
                2019年FCHJU發布“歐洲氫能路線圖”。2025年實現30萬年銷量目標,2030年130萬輛;
                
                2019年美國燃料電池和氫能協會發布《美國氫能經濟路線圖》:2022年達到50,000輛,2025年達到200,000輛,2030年,在美國道路上有530萬輛(十年發展的保有量);
                
                2019年韓國《氫能經濟活性化路線圖》:2019年普及4000輛,到 2022年普及8.1萬輛,2030年普及180萬輛;
                
                通過對這些規劃的匯總,結論是:2025年,全球燃料電池汽車預計銷售100萬臺;到2030年,全球燃料電池汽車大約300-400萬臺。相應的碳纖維需求量:到2030年,為18萬噸。
                
                氫氣瓶到底需要怎樣的碳纖維?首先,能上批量的任何零部件,都必須做到最低成本,這是汽車行業的規律決定的。否則,他的燃料電池汽車就不能與燃油車或電動汽車競爭,就不可能有規模量產。前面提到:美國能源部的技術路線圖:氫氣瓶儲氫成本需要從現在的15美元/度,降低到8美元/度,換算成碳纖維成本,價格大約12.6美元/公斤。這個價格,就今天的技術水平,可能也只有卓爾泰克的大絲束碳纖維成本能基本滿足,性能呢?東麗前兩年推出的T720-36K是一個很好的嘗試,如何結合高性能+低成本,或者說如何結合小絲束與大絲束的各自優勢,這將把國際碳纖維產業推向一個新的發展高度!這是整個國際碳纖維行業面臨的重大挑戰,也是重大發展機遇!
                
                汽車及軌道交通會從碳纖維低成本技術革命中受益
                
                除了上述風電與氫氣瓶兩個應用明星,汽車復材的人是很不服氣的,我們與你們碳纖維產業相伴多年,從你們昂貴的小絲束,用到大絲束,當你們低成本來臨的時候,怎么就去伺候風電了,把我們給忘了,其實軌道交通的朋友也會如此抱怨。碳纖維行業說:我們做成拉擠板,就直接用在風電上了,你們汽車與軌道交通的后續復合材料工藝多,應用技術難度太大了,需要你們研發出類似“拉擠板”風電的應用技術。汽車與軌道交通說,你們之前沒有低成本碳纖維的規模生產,我們也不敢投入研發的。碳纖維產業說:好吧,我明確告訴你,現在就立即投入吧,再晚就擠不上二路公共汽車了。汽車與軌道交通對碳纖維的需求,我們保守估計到2030年是9-10萬噸。這兒的重大挑戰是:低成本復合材料工藝的創造。
                
                不要忽略碳纖維功能材料的潛在巨大市場
                
                除了上述的結構性的應用,碳纖維還有諸多功能性應用,如傳統的靜電、電池屏蔽、熱場材料、耐燒蝕材料…… 在“碳達峰、碳中和”政策下,另一個明星-光伏產業的單晶硅爐需要的碳碳復材和碳氈等熱場材料即將供不應求;燃料電池的核心材料之一是碳紙為基礎的氣態擴散層GDL,如果按照2030年的300萬臺燃料電池汽車來估算,大約需要1.5萬噸,數量不如風電及氫氣瓶龐大,但技術密集度高,價值斐然;預氧絲是非常卓越的阻燃材料,在低成本技術革命洗禮之后,會有相當廣闊的市場空間;碳氈的功能性應用,比如液流電池、鉛酸電池的碳極板,將推動現有儲能技術的提升。這個市場,我們保守估計:到2030年,總體有5-6萬噸的需求。

              圖片SOURCE:集合網絡、東麗、卓爾泰克、ARCACTIVE等圖片的綜合繪制
                
                總結
                
                到2030年,航空航天市場:8-10萬噸;風電:19-20萬噸;氫氣瓶及CNG氣瓶:18萬噸;汽車+軌道交通:9-10噸,功能材料:5-6萬噸。所以,我們的結論是:今后10年,從商業上,碳纖維的應用主驅動是工業,輔驅動是航空航天;從技術發展上,碳纖維依然是航空航天及工業的雙驅動模式,各自驅動的產品規格各有特色!
                
                3. 碳纖維產業的變化趨勢
                
                應用市場的變化,會對整個碳纖維產業發生深刻的影響,首先,我們盤點一下全世界目前的碳纖維廠家的業務模式及發展潛能。
                產業第一群落—完全的小絲束企業,其主要特點是,航空航天軍工,無疑是其中最有吸引力的市場, 如果在這個市場沒有立足之地,發展道路會非常艱難曲折。當然可以通過“提速或提束”的方法去降低成本,在體育器材、建筑補強、電子電氣等工業領域找到特定利潤市場。如前所講,一旦有大絲束的充足供應,這個群落會被嚴重沖擊。
                
                產業第二群落—完全的大絲束企業,這些企業的裝置基本不能高效地生產小絲束纖維,關鍵是性價比很難與第一群落競爭,除非建設新的生產裝置。他們的重要特點是:在目前的技術水平中,纖維的成本可做到最低,尤其是原絲的成本。
                
                產業第三個群落—有能力或潛力兼顧大小絲束的企業。比如東邦與三菱,均具備較高水平的大小絲束的能力,至于大批量制備大絲束的潛力,他們不一定具備。目前,國內具有大絲束全套技術的企業僅有藍星一家,盡管技術上還有較大的發展空間,發展潛力也有一定局限。另外兩家具有較大潛力進入大絲束領域的是上海石化及吉林化纖。
                
                腈綸工藝基礎是發展大絲束碳纖維的潛力的重要評價指標,除非技術有飛躍發展,沒有強大的腈綸工業基礎,就沒有發展大絲束碳纖維的基礎。盤點一下世界范圍的腈綸基礎:
                
                既有腈綸基礎,又有多年原絲技術與積累的企業如下:
                
                中國吉林化纖集團,擁有38萬噸腈綸,有超過10年的批量制造原絲的經驗;
                
                土耳其DowAksa,AKSA集團擁有31萬噸的腈綸,DowAksa有近10年原絲經驗;
                
                中石化上海石化,16萬噸的腈綸,超過10年的原絲經驗;
                
                東麗旗下的卓爾泰克,在墨西哥與匈牙利擁有9.1萬噸腈綸裝置,已經基本改造成原絲裝置了;
                
                德國西格里集團,一直苦于沒有自己的原絲系統,一直與三菱合作,之前與德國DOLAN腈綸公司合作開發原絲,不成功,后收購葡萄牙FISIPE(5.5萬噸腈綸),幾年下來,成效似乎不大。
                
                三菱集團,一直在關閉腈綸生產裝置,目前只剩下4萬噸產能,大絲束原絲能力很強,一直給SGL有大批量供應。
                
                上述具有腈綸基礎的碳纖維企業,如果從碳化技術及裝備自主化的角度看,吉林化纖集團通過與精功碳纖維的合作,基本掌握了小絲束碳化技術,并大量采購國產裝備;土耳其通過碳化裝備與歐美的合作,基本掌握了碳化技術,將來,昂貴的進口設備會成為他們發展的短板,他們需要考慮裝備的自主化;上海石化正在開展大絲束碳化設備的國產化攻關,有望在1-2年內形成自主可控的、全線國產化的大絲束碳化技術與能力,這個積累毫無疑問是沉甸甸的,對未來有深遠影響的;卓爾泰克的碳化設備基本自產,但技術與裝備水平很一般,相信東麗會做出較多的技術支持;西格里的碳化技術是一流水平的,然而幾乎所有的設備均是從歐美日采購的,然而原絲是其短板;三菱的大絲束原絲與碳化技術均是一流水平,但太多腈綸裝置因為虧損而關閉,會為他的大發展形成制約。
                
                根據上面的應用市場的總體發展趨勢,可以明確:風電、汽車、軌道交通及碳纖維功能性材料,主體上是大絲束以及巨絲束發展空間。粗略估計:2030可望達到35萬噸的規模,這起碼需要70萬噸的原絲;氫氣瓶及CNG氣瓶市場,一定是小絲束與大絲束技術的融合發展而形成的新的高強度+低成本的品種, 氣瓶的關鍵成本是碳纖維成本,性能低、厚度就要多,用的纖維重量就大,成本就要更低一些。反之,成本可以用一定性能來彌補。所以,前期,無論是T700-12K、T800-24K,還是T720-36K,這些品種均不能全面滿足規模氣瓶制造的成本要求。當然美好的設想是:40-100K,拉伸強度4.9GPa (T700)或以上性能,用大規模、低成本的大絲束基礎去發展高性能可能是路徑之一。該市場到2030年大約需要18萬噸碳纖維,36萬噸原絲。這些工業用碳纖維的原絲總需求量為106萬噸,而上述與碳纖維有關聯的腈綸總產能102.5萬噸。前段時間,又傳來德國唯一的腈綸企業DRALON準備關閉部分產能的新聞。在發達國家,原料有毒性、不盈利的腈綸產業很難保留了。在國際現有的碳纖維技術發展水平上,新興國家可能需要去珍惜現有的腈綸裝置,并發展出一套高效整改腈綸裝置到原絲的系統化技術。
                
                我們希望來回答第一章提出的問題:“新興國家的碳纖維如何去趕超發達國家?”這應該是一條利用已有工業基礎及不斷精進的原絲技術與經驗、完全自主可控的碳化技術及裝備,以形成低成本碳纖維技術體系,滿足正在爆發的工業級碳纖維的需求,成為世界碳纖維產業重要的風景線,與小絲束碳纖維一起,為全球的各種應用用戶提供更全譜系的產品。這才是這個偉大材料本應為人類做出的貢獻:既可“九天攬月,五洋捉鱉”,又可“飛進平常百姓家”。
                
                目前世界產能排名前十情況是:傳統6巨頭、臺塑、碳谷+寶旌、中復神鷹及恒神。1萬噸產能的企業只有5家。而這5家中,除了東麗集團,其他廠家并無龐大的擴產計劃。而中國方面,上榜的(碳谷+寶旌)有3萬噸擴產計劃,中復神鷹有1.8萬噸的擴產計劃;沒有上榜的,比如吉林化纖總體6萬噸擴產計劃,上海石化有1.2萬噸擴產計劃,光威有1萬噸擴產計劃,我們可以預測:3-5年內,全球產能排名會有劇烈的變化,能進入世界前十名的起碼需要萬噸以上產能,中國廠家預計有5家企業入圍前十名。全中國的碳纖維產能有望超過世界產能的50%,成為最大生產國!
                
                4. 加強中國碳化技術及裝備的自主可控與發展
                
                通過上述應用趨勢的分析,今后十年,市場需求是旺盛的,通過產業的分析,中國依然擁有強大的腈綸工業基礎,以吉林化纖和上海石化為代表的腈綸企業也基本掌握了規模原絲制備的成套技術,且各具特色與優勢。下一步的工作重心,就是腈綸與原絲的融并發展,形成一套高效改造系統技術,伺機并購與擴大版圖!
                
                對比原絲,碳化方面需要做的工作是更多的,尤其是大絲束碳化的成套技術上。目前,整個中國,除了藍星在之前的小絲束體系上的改造,具備了基本的大絲束技術體系,其他廠家均是典型的小絲束技術,盡管有些廠家把24K做成了25K。上海石化正在建設大絲束技術體系,這應該是系統完備的、先進的大絲束技術體系。
                
                技術與裝備自主可控,這不光是“卡脖子”的問題(這已經是愈來愈嚴重的問題),我們更多地是從技術發展本身的規律上去思考的。十多年的中國碳纖維產業的發展,我們發現一條規律,在技術及裝備上下大工夫的企業,效益就越早體現和高效益,比如光威復材,太鋼鋼科、中復神鷹、中簡科技等。反之,不差錢、動輒就進口設備的,反而發展的緩慢,甚至倒閉,最典型的代表是東北某家企業,全套歐洲的原絲碳化裝備,進口十多年,到現在還沒有開箱。
                
                絕大部分歐美裝備廠家,其實對碳纖維的工藝、生產與維護的理解并不深入。因為在他們與歐美專業碳纖維公司的業務合作中,鑒于對技術的保密,這些碳纖維公司只是對設備方提出了很基本的要求,爐子到碳纖維廠家后,碳纖維廠家通常會根據自己的技術與經驗對爐子做一定的改造工作,這些反而是技術的核心。所以,我們經??吹揭粋€奇怪的現象,一些歐美廠家的設備,幾十年都是一個設計,極少有改進,也極少有高價值的專利產生。這并不代表,國際碳纖維巨頭自身沒有做技術進步與改進,反之,他們在不停地進步。只是不愿意讓設備廠家知道而推而廣之,擴散技術秘密。
                
                另外,國內碳纖維廠家,通過多年使用歐美設備,也發現了大量的工藝適配性的問題,有些問題,對設備廠家提出了解決建議,但改造的周期長,成本高,最后很多只能自行改造,久病成良醫,自己成為了設備專家。對于碳纖維廠家,從歷史上看,擴產的機會并不多,也很難養一個專業的裝備團隊,來應付一個幾年才有的擴產機會。對企業是個不小的負擔,另外,這樣的團隊也不一定很專業。
                
                如何解決這個技術不外泄,同時又有專業的公司長期耕耘在裝備領域中,我們認為:對于工藝關聯度不很大的裝備,比如放絲系統、操作平臺、干燥、驅動系統、卷繞機及焚燒爐,可以全行業共同來支持數家國內專業企業的開發工作,根據技術的先進性擇優選擇;對于工藝關聯度大的裝備,比如氧化爐、碳化爐、表面處理、上漿及中央電控系統等,應該采用技術結盟的方式來發展,該聯盟應包括技術基礎研究、工藝、裝備、工程及應用等專業公司;這樣的機制,不光對碳纖維廠家的工藝技術保密,同時,讓基礎研究更具實用價值,讓裝備開發廠家認真做事,不投機取巧。另外,當這些技術聯盟形成之后,社會上一些從開頭就能看到失敗的結局的狂熱投資也會得到一定的抑制。
                
                加強有技術含量的知識產權的建設,全行業要尊重知識產權。肆意抄襲是當今社會的巨大問題,在我們碳纖維領域也廣泛存在。一個專利的裝備技術,與碳纖維廠家交流幾次,就成了他的技術,明目張膽地在自己工廠使用,缺乏基本的廉恥感。知識產權保護制度,有其歷史問題,但今天,在碳纖維領域,通過多年的摸爬滾打,我們完全有信心構建自主的知識產權體系。所以,嚴格執行國家相關法律是完全可行的,嚴厲打擊盜竊行為,更有利于行業的健康發展。
                
                5. 復合材料工藝及應用技術發展方向
                
                除了低成本的碳纖維需求,前面提到的爆發增長的應用市場,對復合材料工藝及應用技術的發展也有新的要求。其核心是:發展從碳纖維-樹脂-復合材料工藝-應用技術的低成本產業鏈。只有這個產業鏈的健康發展,才能讓前面提到的應用前景落到實處。
                
                吸取航空航天復材的核心精華,不受工藝思維的局限
                
                航空航天是當今碳纖維復合材料的經典工藝,很多其他應用多多少少均是從其中演變而來,其核心精華是對性能與品質的控制思想,其中既有“積木式”驗證體系,也有各工序的嚴格工藝及檢測手段。這不代表,所有的復合材料都要遵循從碳纖維-預浸料-鋪放-熱壓罐致密化與固化-機加-裝配等復雜工藝。反之對于工業應用,必須去追求“大道至簡”或者“正道至簡”的新的工藝方法及應用技術,否則,碳纖維即使價格為零,做成的復合材料構件也會因為昂貴,很難在工業領域規模應用。所以,做規模工業應用,如果你腦子里涌現的還是航空復材經典工藝,從開始,你就已經失敗了。其實,人類經常犯這樣的錯誤而不自知,最開始的風電葉片,就是借鑒了航空的預浸料鋪放工藝,居然還有人試圖采用航空的自動鋪放工藝,這么長的葉片、就孔隙率的控制就成為幾乎不可解的難題了。
                
                復材工藝有其自身特點,不要企圖用結構復雜性設計來彌補材料性能
                
                其中最典型的例子是汽車工業。我們看到汽車計劃的所有零件,沒有一個是規整的。每個鈑金件上,筋條增強、鏤空減重,把一塊普通的鋼板,通過復雜的結構設計,將結構性能做到極致了。這當然是汽車結構工程師水平高的表現。然而,如果讓復合材料也按此復雜的形狀去制備,就給了復材人天大的難題,加強筋怎么鋪放?鏤空的孔把纖維切斷,性能下降,大量的昂貴材料因為復雜形狀,被浪費了30-40%。這個針對金屬鈑金材料的思路,基本要把復材人逼瘋。復合材料自身的力學性能非常優秀,尤其確定方向的負荷情況下,這是現在通用的汽車鋼板完全不能比擬的。我們有自身的結構強化設計,就是在負荷方向上安排更多的纖維及排列方向,開始就把不承力的部位空著,不用來切斷它,也不用給他設計螺栓或鉚接點,它可以與周邊零件做成一體。復材的初始狀態是一維的纖維,有很多工藝可以讓它成為立體件,不要動輒就先把它變成一塊類似鋼板,它完全可以不通過板子就直接成為三維結構。近幾年,竊認為,汽車上用的較為成功的案例是2020年雪佛蘭的弧形拉擠管,作為結構和防撞梁。其他太多的應用,都是思維局限在汽車中的冥想。用碳纖維去替代汽車系統的某些零件的思維是沒有多少意義的,因為零件與周邊的關聯太多。只有從總體構思與設計開始,與復合材料結構設計人員共同參與,要隨時拒絕金屬加工慣性思維,才可能打造一臺真正輕量化且成本可控的新型碳汽車。
                
                其中最典型的例子是汽車工業。我們看到汽車計劃的所有零件,沒有一個是規整的。每個鈑金件上,筋條增強、鏤空減重,把一塊普通的鋼板,通過復雜的結構設計,將結構性能做到極致了。這當然是汽車結構工程師水平高的表現。然而,如果讓復合材料也按此復雜的形狀去制備,就給了復材人天大的難題,加強筋怎么鋪放?鏤空的孔把纖維切斷,性能下降,大量的昂貴材料因為復雜形狀,被浪費了30-40%。這個針對金屬鈑金材料的思路,基本要把復材人逼瘋。復合材料自身的力學性能非常優秀,尤其確定方向的負荷情況下,這是現在通用的汽車鋼板完全不能比擬的。我們有自身的結構強化設計,就是在負荷方向上安排更多的纖維及排列方向,開始就把不承力的部位空著,不用來切斷它,也不用給他設計螺栓或鉚接點,它可以與周邊零件做成一體。復材的初始狀態是一維的纖維,有很多工藝可以讓它成為立體件,不要動輒就先把它變成一塊類似鋼板,它完全可以不通過板子就直接成為三維結構。近幾年,竊認為,汽車上用的較為成功的案例是2020年雪佛蘭的弧形拉擠管,作為結構和防撞梁。其他太多的應用,都是思維局限在汽車中的冥想。用碳纖維去替代汽車系統的某些零件的思維是沒有多少意義的,因為零件與周邊的關聯太多。只有從總體構思與設計開始,與復合材料結構設計人員共同參與,要隨時拒絕金屬加工慣性思維,才可能打造一臺真正輕量化且成本可控的新型碳汽車。
                
                至簡的思想不光覆蓋產業鏈,更需要從碳纖維生產開始:
                
                我們從事碳纖維的卷繞機與放絲架的工作,其中有個時常遇到的問題,我們內部稱之為“往復禍害”,碳纖維是通過精密交錯卷繞的方式收卷的,任何應用就必須先放卷,放卷的過程中,絲束在紗錠上往復行走,這對后續的所有工藝,均是一種“禍害”,比如拉擠板成型,纖維在其中并非直線的,而是類似于辮子的形狀,比如預浸料制備過程中的分絲梳上的毛絲與毛團,間隙,疊絲;比如絲束預浸帶的絲寬變化;均是源于這個“往復禍害”,紗錠的往復行為是會一直傳遞到下游的,不管你是否用了瓷眼或分絲梳限制這個行為。再看碳化線上,出來的每根絲,幾乎都是同樣絲寬,平平整整的。這兒的絲束狀態,顯然沒有經歷收卷與放卷過程的傷絲,力學性能是最好的狀態。復合材料的起始端為什么必須從碳纖維紗錠開始呢?當然可以提前到碳化線上。這樣,起碼可以節約卷繞、紗錠包裝與放卷的成本。
                
                我們可以繼續延伸,從碳化線出來的整整齊齊的纖維,為什么就不可能成為復合材料,甚至三維結構呢?可能的答案是,之前的單一應用太小了,一條碳化線要覆蓋多個應用。今天,就風電用碳纖維,需要3萬噸,其中大部分是通過拉擠板進入風電葉片的。這就相當于全球,起碼有10條2000噸年產能的碳化線在為拉擠板服務。我想,是應該可以定制“風電拉擠板碳化生產線”了。而且,一次還需要起碼5條線,沒有基礎的1萬噸產能,風電廠家會嫌棄你規模太小。
                
                風電碳化線之后,是否還應該有氣瓶碳化線?汽車碳化線?軌道交通碳化線?這些都是規?;氖袌?。我想,這可能是未來世界碳纖維產業的一個場景吧。當碳纖維生產與復合材料產業鏈高度“至簡”時,整個產業鏈的成本很可能對比今天,是數倍的下降空間。這顯然是各個應用領域熱烈歡迎的場景。
                
                6. 碳纖維的回收與再利用
                
                本章節是與上海交大楊斌教授的合作完成的,希望這是一次有益的嘗試,隨著碳纖維行業的迅速擴大,我們希望與行業專家合作來打造這份報告。碳纖維尚有兩大“回收”難題,第一是碳纖維制備過程中,幾乎50%的原絲質量變成了有害氣體并需要昂貴的空氣凈化處理,這些氣態物質如何回收再利用;第二個便是碳纖維復合材料的回收與再利用。
                
                碳纖維產業蓬勃發展, 已經形成規模的回收市場
                
                從原材料到合格產品,碳纖維復合材料制品在生產制造過程中產生大量廢棄物,包括干纖維/織物、固化/未固化預浸料、復合材料件的裁邊料、不合格件、測試件、切削邊料以及裝配報廢料等。數據統計顯示這些在生產制造過程中碳纖維的平均報廢率全球為32.4%,我國為20~25%。報廢率的差異主要受成型技術或應用領域的影響,傳統的航空航天應用的熱壓罐、RTM成型的最高,約50%或以上;手工制作的體育用品領域的最低,約4~8%。新型的工業領域應用中,濕法模壓的較高,30~50%;其次是拉擠碳桿、碳板(風電)等,成型和裝配報廢共計5~10%;壓力容器用的纏繞成型最低,約2~3%。值得一提的是工業應用領域的這些數據一直在動態變化中,隨著技術進步它們還在下降;工業領域的報廢率雖然不高,但是報廢總量很大。目前全球碳纖維復合材料廢棄物主要以堆放或填埋處理為主。隨著碳纖維在工業領域應用的發展、環保監管的嚴格化,使碳纖維回收成為剛需。
                
                全球回收技術及供給情況
                
                熱解是目前唯一可行的工業化碳纖維復合材料回收技術。嘗試開展化學溶解技術的研究很多,因受樹脂選擇性和廢液處理高成本的限制,尚無工業化可能。全球具有碳纖維復合材料熱解回收工業裝置和能力的公司分別有ELG(2000噸/年)、日本CFRI(2000噸/年)、德國KarboNXT(2000噸/年)、美國碳轉化(2000噸/年)、中國臺灣永虹(88噸/年微波熱解)、中國復源新材(1500噸/年)。復源新材是利用上海交通大學楊斌教授的技術于2019年在南通建成的回收工業裝置,我國也從此有了第一家碳纖維回收公司。目前,復源新材的回收生產線已經順利運行22個月,為國內50余家各個應用領域的碳纖維復合材料生產制造公司提供著CFRP回收服務,主要處理的都是制造邊角廢料,包括百噸以上碳纖維自行車輪圈/三角架、40多萬根廢釣魚竿/球桿/球拍、20萬件蔚來ES6的汽車件成型邊角料、沃爾沃極星超跑汽車試驗件/邊角件、百噸以上壓力容器罐、百噸以上拉擠碳板等。
                
                再生碳纖維是一種新材料,其應用技術和市場亟待開發
                
                目前全球一共有四家公司(ELG、KarboNXT、碳轉化、復源新材)能夠持續為市場提供三大類再生碳纖維產品,無紡氈、短切、粉。主要應用于增強材料或耐磨、保溫、抗靜電、導電、導熱等功能材料。再生碳纖維的高性價比、低碳排優勢,對汽車、電子電器、改性工程塑料、土木建筑等行業的應用具有巨大吸引力,尤其在全球倡導發展循環經濟的當今。
                
                然而再生碳纖維的大規模應用并沒有開始,主要是三方面的原因,一是回收獲得的再生碳纖維中,經?;祀s大量其它纖維、金屬、無機粉體等雜質,分離這些雜質需要額外的高成本,極大限制了再生碳纖維的推廣應用。二是再生碳纖維是一種非連續的、蓬松、無漿形態,與連續成卷的新碳纖維大相徑庭,因此不能在已有的新碳纖維的領域應用,必須開拓新的應用技術和市場,并借助跨行業的知識和技術。國外少有的幾個規?;偕祭w維的應用案例,都是經過了一個艱苦的聯合創新技術開發過程才實現。三是再生碳纖維產品的標準化與穩定性問題,目前國內外都缺少標準,令很多大用戶望而卻步。
                
                任重道遠、需要全行業及全社會的大力支持
                
                技術層面的課題包括:更高效低成本熱解技術/其它創新回收技術;再生碳纖維表面無機微粉分離技術、再生碳纖維用熱塑性上漿劑的開發、碳纖維無紡氈預浸料生產制造技術、碳纖維無紡氈增強熱固性/熱塑性復合材料的生產制造技術、再生碳纖維產品性能的質量控制和標準研究,碳纖維粉塵對人類和生態系統的影響、回收再利用技術的LCA評價等經濟和環境評估等等。
                
                碳纖維回收再利用剛剛開始跨出半步—— 只有規?;厥?、還沒有規?;倮?,屬于還沒有誕生、即將誕生,連“嬰兒期”都不到,技術/裝備/供應鏈/市場、標準/政策/管理/建體系/數據庫等都幾乎空白,除了從事回收再利用的企業要苦練內功、快速成長以外,更需要國家、行業組織及上下游企業(易回收設計制造、場內廢棄物丟棄的有序管理等)多投入、引導和扶持。在大規模碳纖維工業品的制造報廢品和在大規模壽命終了產品報廢源源不斷傾倒而來之前,要做的事很多,而留給我們的時間并不長,碳纖維回收再利用迫在眉睫。

              標簽:

              風電
              閱讀上文 >> 風電葉片越來越長 復合材料功不可沒
              閱讀下文 >> 風電利器,振我中華

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