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7 復合材料應用發(fā)展趨勢與展望
7.1. 航空航天應用市場
市場的發(fā)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(chǎn)
，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(shù)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為代表的
，如果產(chǎn)能繼續(xù)擴大
，成本持續(xù)降低
，將在主承力結(jié)構(gòu)大量使用
；對于熱塑復材在主結(jié)構(gòu)的應用
，這是屬于“下一代多功能機身驗證”的性質(zhì)
，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(jié)構(gòu)的主力
，除了現(xiàn)有的自動鋪放+熱壓罐工藝
，RTM工藝在A220與MC-21的經(jīng)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(fā)展非常迅猛
，國內(nèi)預計今年內(nèi)取消補貼
，所以搶裝依然延續(xù)
。
根據(jù)彭博新能源財經(jīng)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(jù)全球半壁江山
，中國市場新增裝機總?cè)萘繛?8.9GW（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(lǐng)先全球
；全球十強中
，有6家是中國企業(yè)
。
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(jīng)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(fā)中
；Nordex 在歐洲已經(jīng)開始批量使用拉擠板生產(chǎn)葉片
；遠景風電已經(jīng)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4188云頂集團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(fā)展的階段性規(guī)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(nèi)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(zhàn)略協(xié)議
，之前
，與ZOLTEK
，臺塑
，土耳其DOWAKSA的戰(zhàn)略合作
。4188云頂集團大膽地猜測
：VESTAS應該非常清楚碳纖維在未來風電產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略意義
，他更清楚碳纖維的成本構(gòu)成及未來發(fā)展走向
。如此猜想之下
，不免有點私心
，替4188云頂集團國內(nèi)的風電巨頭暗自擔憂
：不要等著哪一天
，4188云頂集團也認識到了碳纖維在未來風電的戰(zhàn)略意義之后
，突然發(fā)現(xiàn)
，全球的碳纖維資源已經(jīng)被對手控制了
。希望4188云頂集團的這些想法是“杞人憂天”
。作為碳纖維的從業(yè)者
，4188云頂集團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(fā)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(yè)家
，籌備“中國復合材料體育器材聯(lián)合專業(yè)委員會”
。這個“專委會”的工作任務是“集成國際設計經(jīng)驗
、增強技術(shù)研發(fā)能力、國家助力品牌運營
、競技產(chǎn)業(yè)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(xiàn)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(guān)的體育器材企業(yè)由于訂單的減少
，加上之前中美貿(mào)易戰(zhàn)的關(guān)稅
，眾多企業(yè)正備受煎熬
。4188云頂集團希望
：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(chǎn)業(yè)政策的熱點
，然而
，4188云頂集團一些主管部門
，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
。4188云頂集團已經(jīng)多次上書
：表達了“體育器材不僅是全球碳纖維產(chǎn)業(yè)的催生婆
，更是中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的壓艙石”的客觀歷史與現(xiàn)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(yè)最具爭議的話題
。4188云頂集團也多次表達了全壽命周期的“輕量化價值”的觀點
。4188云頂集團認為
：這也是工業(yè)級碳纖維的大批量應用的“普世原則”
，如果這個與其他現(xiàn)有材料的對比經(jīng)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(lǐng)域存在
，而且一直在發(fā)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(qū)是BMW I3 （盡管I3的銷量只能算為豪華車類別）
。4188云頂集團認為
：從目前綠色環(huán)保要求及碳纖維復合材料的發(fā)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(tài)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(chǎn)業(yè)
，主要的機遇是氣態(tài)擴散層及高壓氫氣瓶
。
氣態(tài)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(jié)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(chǎn)
，價格依然高企與供不應求
。我國也有一些企業(yè)從事GDL的研發(fā)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(yè)是走不遠的
，希望4188云頂集團的碳纖維企業(yè)要重視這個材料的研發(fā)
，否則這個材料會成為我國燃料電池“卡脖子”環(huán)節(jié)
，影響氫能源產(chǎn)業(yè)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(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟的成本
，美國能源部的技術(shù)路線圖
：碳纖維成本需要從現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)有的碳纖維產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新能力
，會形成了一個巨大的挑戰(zhàn)
。
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(xù)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(lǐng)域的廣泛應用證明了這種復合材料形態(tài)的優(yōu)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(xù)形態(tài)的
，已經(jīng)非連續(xù)形態(tài)加連續(xù)形態(tài)的混合結(jié)構(gòu)
，展現(xiàn)出一定的發(fā)展空間
。
從事短切碳纖維增強塑料的
，通常是改性塑料企業(yè)
，比如SABI
、RTP
、POLYONE
、COMPTEX
、 POLYNT
、廣東金發(fā)科技等
。他們通常是從碳纖維企業(yè)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(chǎn)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(huán)氧漿料通常還包裹在二次漿料之內(nèi)
，在后續(xù)的高溫工藝中
，環(huán)氧漿料會分解
，對產(chǎn)品構(gòu)成界面缺陷
。另外一個重要問題
，從碳纖維生產(chǎn)線到最終的注塑零件
，中間環(huán)節(jié)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(chǎn)業(yè)及生態(tài)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(lǐng)域是一個廣泛意義的建筑
，不僅包括4188云頂集團通常意義的建筑
，也包括了建筑機械
、橋梁
、隧道及工業(yè)管道等
，復合材料的應用主要有如下幾個領(lǐng)域
：1.建筑橋梁的補強
：2.藝術(shù)型建筑的主體結(jié)構(gòu)
；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(chǎn)品完全依賴于從以日本東麗為代表的歐美日等發(fā)達國家廠商進口
，直至21世紀初隨著我國工業(yè)化進程發(fā)展
，逐漸出現(xiàn)國產(chǎn)碳纖維布
、碳纖維板等加固材料
?，F(xiàn)階段基礎設施加固材料領(lǐng)域除福瑞斯
、西卡
、東麗等國外品牌
。以上海悍馬為代表國產(chǎn)品牌正在快速崛起并逐步被國內(nèi)外市場廣泛認可
，這些行業(yè)優(yōu)質(zhì)企業(yè)的崛起
，也對曾經(jīng)混亂的國內(nèi)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(yè)的持續(xù)健康發(fā)展
。
7.8. 碳碳復材應用市場
2019 年
，碳纖維在碳碳復材領(lǐng)域是平穩(wěn)增長
，主要市場是
：剎車盤市場
：國際的主要企業(yè)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(yè)是國內(nèi)航天的相關(guān)院所
，碳碳復合材料以其優(yōu)異的性能成為大型固體火箭喉襯
、發(fā)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(yè)是德國的SGL公司
，日本的東海碳素公司等
；國內(nèi)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(huán)節(jié)
，國內(nèi)的主要企業(yè)是
：中材科技南京玻璃纖維研究院
、江蘇天鳥高新技術(shù)有限公司
、天津工業(yè)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(jù)國內(nèi)預制體龍頭企業(yè)
，江蘇天鳥繆云良總經(jīng)理介紹
：國內(nèi)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(lǐng)域
，市場在平穩(wěn)增長
。
首先是功能性應用領(lǐng)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(shù)碼相機
、數(shù)據(jù)傳輸電纜接頭等產(chǎn)品早已經(jīng)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(wěn)定擴展
。
力學增強方面
：主要的產(chǎn)品形態(tài)有長碳纖維增強塑料（LFT）和連續(xù)碳纖維增強材料
。LFT其實是一個介于短切與連續(xù)之間
、兼顧了成本與性能的一個很有前景的產(chǎn)品形態(tài)
，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(shù)障礙阻礙了這個產(chǎn)品的更廣闊的應用
。連續(xù)碳纖維增強材料
，主要是用于輕薄筆記本的殼體
，其中有經(jīng)典工藝的熱固殼體
，也有熱塑殼體
。
2019年
，電子電氣領(lǐng)域?qū)μ祭w維需求重大增長是
：液晶平板顯示器生產(chǎn)過程的機器人的輕量化
。大面積平板玻璃在生產(chǎn)線的轉(zhuǎn)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(jīng)延展到支撐牙叉的結(jié)構(gòu)上，利用碳纖維復材的輕質(zhì)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(yè)的熱點
，對于碳纖維材料
，除了有特殊輕質(zhì)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
，4188云頂集團還沒有看到其他的機遇
。
7.10. 船舶應用市場
目前
，船舶領(lǐng)域?qū)μ祭w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(shù)
，其他船舶的發(fā)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(fā)明各類特殊的船舶
，以獲得更好的經(jīng)濟性
。同時
，深海的特點
，對傳統(tǒng)陸上采用的金屬材料會有很大的挑戰(zhàn)
，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(fā)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
，4188云頂集團相信
，隨著近海資源的消耗
，或者技術(shù)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(qū)別
，這就需要船舶系統(tǒng)開發(fā)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
，4188云頂集團統(tǒng)計的全球需求是1,100噸
。
2019年
，美國CTC公司授權(quán)了巴基斯坦的特許制造商
，繼續(xù)擴大其市場應用
。據(jù)CTC網(wǎng)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(tǒng)和首次商業(yè)部署
，該系統(tǒng)可快速
、準確地確保ACCC? Conductor的正確安裝
。
國內(nèi)電纜芯方面
，2019年國家電網(wǎng)的一條電纜發(fā)生斷裂事件后
，整個國電網(wǎng)的建設計劃暫停
，這對行業(yè)產(chǎn)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
：針對電纜芯品質(zhì)問題
，中復集團采取了兩個創(chuàng)新工作
，一是在電纜芯預埋光纖
，可以實時監(jiān)控電纜芯的品質(zhì)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(shù)創(chuàng)新
，一旦達成
，將促進中國電纜芯市場的發(fā)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(fā)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(shù)展（InnoTrans 2018）上
，中國中車正式發(fā)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(nèi)多家碳纖維復合材料企業(yè)合作
，共同開發(fā)車頭罩
，設備艙裙板等構(gòu)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(guān)的數(shù)據(jù)與經(jīng)驗
。短期內(nèi)
，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(chǎn)業(yè)鏈及生態(tài)
，社會各界應充分重視這個應用生態(tài)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(tài)擴散層（GDL） ，碳纖維的功能性應用將會有巨大的發(fā)展 ，尤其在儲能電池領(lǐng)域 ，碳氈（石墨氈）作為液流電池的電極材料 ，已經(jīng)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(fā)了古老鉛酸電池的青春 ，正在快步工業(yè)化與商業(yè)化 ；鋰離子電池中 ，已經(jīng)有很好的多微孔碳纖維材料的實驗室產(chǎn)品 ，可以提升鋰離子電池的能量密度 。
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