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寻觅复合材料内心的猛虎

   日期:2019-01-03     浏览:441    
核心提示:在为数众多的新材料当中,高性能纤维一直披着神秘的面纱,因为它们不仅是世界各国发展高新技术和改造传统产业的物质基础和技术先导,还是国防尖端技术的重要支撑。今天请随着产新君一起撩起这神秘的面纱的一角。
 “心有猛虎,细嗅蔷薇”(“In me the tiger sniffs the rose”)是英国诗人西格里夫·萨松的经典诗句,产新君认为这句话说的是每个人都有坚强和柔软的两面。对于纤维增强复合材料来说,柔软的一面是指加工性能,主要由树脂决定,而坚强的一面主要是指高强度、高模量、耐腐蚀、耐高温、阻燃性等卓越性能,这就得靠众多高性能纤维来提供支持。一起来看看复合材料内心的猛虎有哪些。

认识高性能纤维:一类具有特殊性能的纤维材料

高性能纤维作为特种纤维材料具有一种或数种通用纤维材料所不具备的特殊性能,包括,力学性能、耐腐蚀、耐高温、阻燃性等。

在已经商业化的高性能纤维中,力学性能方面引人瞩目的有碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑(PBO)纤维、高强玻纤等;而在耐腐蚀、耐高温、阻燃性等方面,聚苯硫醚(PPS)纤维、聚酰亚胺(PI)纤维、聚醚醚酮(PEEK)纤维、氧化纤维、玄武岩纤维等表现出优异的相关特性,广泛的应用于国民经济各个领域,发挥着不可替代的作用。

图1 高性能纤维分类及应用领域

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力学性能优秀的高性能纤维,各有各的绝活。碳纤维强度高、重量轻,在比强度方面独占鳌头,其拉伸强度是钢的7-9倍,密度只有钢的1/4,主要运用于航空航天、风力叶片、汽车高铁等轻量化要求较高的行业;芳纶是一种聚酰胺纤维,不同牌号的芳纶分别在耐冲击性和耐高温方面有卓越性能,应用于防弹衣、宇航服、消防服等产品上;超高分子量聚乙烯,顾名思义,是一种分子量超过100万的聚乙烯,在特殊的分子量下,聚乙烯表现出超级耐磨以及自润滑的特性,所以用在人工关节、防护手套等领域;PBO纤维号称21世纪的超级纤维,和芳纶一样也是聚酰胺纤维,它同时具备了对位芳纶和间位芳纶的优点,在力学性能上,它的强度和模量是对位芳纶的两倍,而在耐高温性能上,它的长期使用温度可达惊人的600℃。

有意思的是,由于上述高性能纤维发展历史悠久,技术门槛较高,行业集中度也较高,每种纤维都有一个著名的品牌成为代言人。比如,碳纤维的T300和T700本来是日本东丽公司的产品型号,现在却几乎成为碳纤维性能的行业标准,杜邦公司的凯夫拉(Kevlar)纤维已经快成为芳纶的同义词,提起超高分子量聚乙烯,人们往往会想到帝斯曼公司的迪尼玛(Dyneema)纤维,而日本东洋纺公司的柴隆(Zylon)纤维已经代表了PBO纤维最高水平。

而对于耐腐蚀、耐高温、阻燃性好的高性能纤维,适用范围也各有千秋。PPS纤维是由聚苯硫醚经熔融纺丝制得,主要特性是耐高温和耐腐蚀,使用温度在220℃左右,可用作阻燃织物、家庭装饰织物、过滤材料等;PI纤维耐高温性能更佳,使用温度高达300℃;PEEK纤维在长期使用温度250℃下仍具备较高机械强度;而玄武岩纤维使用温度范围-269℃至700℃,与水泥相容性好,广泛用于飞机船体结构件,混凝土增强等领域。

碳纤维和芳纶纤维是高性能纤维产业发展的新动能

上面只是介绍了部分高性能纤维,事实上,尚有很多纤维处于研发或者产业化阶段。那么,我们应该重点关注哪些纤维呢?换句话说,高性能纤维领域有哪些方向有可能会成为新材料产业发展的新动能?

我们从市场规模和技术能级两个维度对各类高性能纤维进行分析,以期发现哪几类纤维材料具备新动能的基本特质:高技术、高成长、高潜力。

市场规模方面,2017年中国碳纤维及复合材料市场规模约为300亿,芳纶纤维市场规模约为100亿。我们预判,至2020年,中国碳纤维及复合材料市场规模将达580亿元左右,复合增长率约为25%,而芳纶纤维市场规模将达144亿元左右,复合增长率约为20%,远高于其他纤维。

图2 高性能纤维新动能的筛选

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而另一方面,在技术能级层面,我们利用专利数据库进行研究,发现全球对高性能纤维的研究热点也是碳纤维和芳纶纤维,在性能上更关注的是力学性能及耐高温性能。

图3 高性能纤维专利分析

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因此,产新智库认为,碳纤维和芳纶同时具备较广阔的市场和较高的技术能级,是目前高性能纤维行业的新动能。下面将对碳纤维进行重点剖析。

碳纤维——轻量化的首选

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料。做为一种又轻又强的结构材料,碳纤维在航空航天、风力叶片、交通运输、体育用品等方向应用前景广阔。

碳纤维具备优异的力学性能和独特的功能性。在力学性能方面,碳纤维又轻又强,其拉伸强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7至9倍,拉伸模量为2300Mpa至4300Mpa,而密度却不到钢的25%。在功能性方面,碳纤维热膨胀系数小,耐腐蚀性好,同时具有屏蔽电磁波特性。

碳纤维的产能布局呈现出日本一家独大,欧美紧随其后,中国加紧追赶的局面。截止2016年底,全球碳纤维设计产能为139,000吨,其生产中心在日本,东丽公司旗下共42600吨设计产能,排名世界第一。中国的碳纤维设计产能总计2.38万吨,主要分布在东部沿海省份,这与这些区域的新材料产业基础及湿润洁净空气有关。值得一提的是,江苏拥有中复神鹰、江苏恒神、中简等企业,占中国碳纤维生产半壁江山。

日本进藤昭男于1959年研究出碳纤维,而中国在1962年开始研究,起步并不晚,经近 20 年努力,中国的碳纤维应用还是要依赖日本等国进口,受制于人。

图4 碳纤维及复合材料全球布局

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业界对中国碳纤维产业所处阶段的判断各不相同。产新智库认为,中国碳纤维产业正跨越死亡谷,从2019年起市场增速将大幅提升。

区别于石墨烯、碳纳米管等前沿材料,碳纤维技术成熟,产品已经过检验,进入候选序列,可部分替代金属材料,也有着自己不可或缺的应用领域,因此,世界碳纤维处于稳步爬升的光明期。而相对于国外同行的一片光明,中国大陆的碳纤维产业却由于欧美技术枷锁价格倾销等因素,正在跨越死亡谷,不远的未来,一大批规模较小的企业将被淘汰,产能将集中于六家左右的龙头企业。

2017年,作为碳纤维企业破产第一案的浙江泰先进入清算程序,2018年,沈阳中恒申请破产。冰火两重天,另一方面,几家龙头企业的经营情况正在好转,2017年国产碳纤维的开工率已从2016年的15%提高到30%,生产碳纤维达7200吨。

我们认为中国碳纤维产业前景是乐观的,因为碳纤维是军民两用材料,西方对中国长期进行技术和高端产品的封锁,自主可控迫在眉睫,因此政府和业界将会持续对国产碳纤维进行支持。而经过这一轮洗牌,一批落后产能将退出,存活的企业,在规模、盈利能力和技术水平上都有立足之力。

图5 碳纤维技术成熟度曲线

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由于产业链上下游资金量需求及技术门槛不同,中国碳纤维产业的投资热度也呈现出两极分化:碳纤维生产线投资日趋谨慎,复合材料的投资愈发火热。在20 世纪90 年代末至 21 世纪初,由于国外对军用碳纤维的严格禁运,中国的火箭、导弹、卫星和飞机等重要装备所用的碳纤维根本得不到保证,甚至到了告急地步。2005年起,以中石化、中石油、中钢、中国建材、中国化工为代表的央企,以及光威拓展、江苏恒神为代表的民营企业,蜂拥上马,建设了一批碳纤维生产线。但由于西方碳纤维企业倾销,产品价格雪崩,生产即亏损,因此长期开工不足,2016年国产碳纤维真正有效产出大约是3600吨,占总产能15%,2017年这一指标有所好转,达30%。这最主要原因是西方技术和设备封锁,导致产品质量不稳定且成本高企,目前高端碳纤维还需大量进口。

在此环境下,上游碳纤维投资日趋谨慎,但由于题材较好,仍有很多地方政府感兴趣,2017年,在没有产业基础的山东省临淄市临淄区、山东省荣成市、黑龙江省大庆市都对碳纤维项目兴致颇高。在复合材料投资方面,受汽车、风力叶片等下游应用大幅增长的影响,碳纤维复合材料投资愈发火热,将支撑市场的快速增长。

表1 中国碳纤维近期投资动态

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为了更好的了解碳纤维这个高技术门槛的新材料,产新君从产业链及专利技术分析两方面进行了深入研究——

关于国产碳纤维的技术现状,业界一直众说纷纭,产新君采用了第二届国际碳材料大会上碳纤维制备技术国家工程实验室主任吕春祥研究员的观点:国产碳纤维技术现状:突破千吨T300产业化成套工艺和关键装备设计制造。突破了千吨级T700S和百吨级小丝束T700G产业化技术,并在关键领域得到应用。突破百吨级T800碳纤维工程技术,具备应用条件。解决T1000制备原理性技术问题。突破M40、M40J等高强高模碳纤维实验室制备技术,具备小批量制备能力。

碳纤维产业技术壁垒较高,下游复合材料附加值较高。碳纤维做成制品,有数条产业链,如图六所示。在整个碳纤维产业链中,每一个深加工环节生产工艺都较复杂,技术壁垒较高,但由于西方技术封锁产品倾销,国产碳纤维价格极低,国内碳纤维生产环节大部分企业处于盈亏平衡点。而下游复合材料产品附加值较高,该部分规模提高及结构调整有助于整个产业市场规模的提升。

图6 碳纤维产业链价值分析

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另外,通过图七专利分析我们得知,全球碳纤维领域的研究聚焦在碳纤维下游复合材料研发及应用。中国的专利数量增长迅速,2008年开始全球最多,不过数量不代表质量,目前日本、欧洲、北美仍然是技术最发达的区域。复合材料、增强、编织、耐高温制品、原丝生产是目前热点技术方向,而汽车、自行车、无人机、建筑补强、碳纤维加热是最感兴趣的下游应用方向。我们再对碳纤维产业链的技术分析得知,中国的技术突破点是最关键的是低成本高性能碳纤维的稳定生产,接下来是低成本快速生产的复合材料技术以及器件的设计。

图7 碳纤维专利技术分析

 
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那么,未来碳纤维及复合材料的市场规模及增速究竟会有多大呢?

初步估计,中国碳纤维及复合材料预计2020年将达到约580亿规模,年均复合增长率达25%。其中新动能可能来自以下三个方面:

一是国产碳纤维生产技术的提升带来产品成本的降低和质量的稳定。吉林化纤集团(吉林碳谷)和上海石化两家世界级腈纶基地制造出大规模、低成本、差异化、工业用原丝商品,碳化厂去除后顾之忧,全副精力搞好碳化技术与工程,提升产品稳定性。

二是国内复合材料生产技术提升带来低成本,快速成型的产品。企业在树脂配方,纤维形态,预成型方式,层合方法,固化方式等方面做出创新,降低成本提高性能。积极推进使用热塑性树脂提升生产速度,满足汽车行业生产需求。

三是国内复合材料与下游企业紧密结合,优化产业机构,提高高附加值领域市场规模。从全球及中国碳纤维下游应用市场结构图的比较可见,国际碳纤维应用市场都是以高附加值的航空航天、风力叶片、汽车等方向为主,而中国碳纤维应用目前绝大部分是在低附加值的体育休闲和建筑补强市场,产业结构优化,提升高附加值应用市场,将进一步提升中国碳纤维市场规模。这就需要复材企业与下游企业共同进行产品开发,提升复材使用水平。在汽车、风电、抽油管等附加值较高的行业提升市场份额。

结论:碳纤维是一种又轻又强的结构材料,在航空航天、风力叶片、交通运输、体育用品等方向应用前景广阔,目前中国碳纤维产业正跨越死亡谷,预计2019年起市场增速将大幅提升。碳纤维新动能在于(1)低成本、质量稳定的碳纤维;(2)低成本、快速生产的复合材料技术;(3)优化的市场结构。

 
 
 
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