林 剛
(廣州賽奧碳纖維技術(shù)有限公司,廣州 510075)
2015全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告
林 剛
(廣州賽奧碳纖維技術(shù)有限公司,廣州 510075)
對2015年全球碳纖維市場及供應(yīng)需要進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,并對中國的碳纖維市場及供應(yīng)需要進(jìn)行了詳細(xì)解讀。具體對全球碳纖維復(fù)合材料市場的需求的年份、應(yīng)用、成本、區(qū)域、制造工藝及基體需求展開了詳盡分析;還從航空航天、體育休閑、風(fēng)電葉片、混配模成型、汽車交通、建筑領(lǐng)域、船舶游艇等8 個方面詳盡分析了碳纖維復(fù)合材料在各領(lǐng)域的特點(diǎn)、發(fā)展趨勢與展望。最后就世界碳纖維產(chǎn)業(yè)由于市場需求驅(qū)動的變化提出了兩點(diǎn)觀察與思考。
碳纖維復(fù)合材料;需求;產(chǎn)能;趨勢
《2014全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告》于2015年2月正式發(fā)表后,賽奧在這方面的工作獲得了大家的肯定,同時也在業(yè)內(nèi)形成了一個共識,即希望我們繼續(xù)做下去,使之逐步完善并成為常態(tài)化發(fā)布的行業(yè)白皮書。為此,首先感謝業(yè)界的厚愛和期望,我們一定加倍付諸努力。
其次感謝德國碳纖維復(fù)合材料聯(lián)盟(Carbon Composites e.V. -CCeV)的兩位新的作者(MR. Thomos Kraus和Mr. Michael Kuhnel),從2014年開始,他們接替了MR. Bernhard Jahn的工作。也非常感謝CCeV參考了賽奧的意見,把中國領(lǐng)先企業(yè)列入了他們2015年的報(bào)告,其中重點(diǎn)列舉了中復(fù)神鷹和江蘇恒神的產(chǎn)能,由于CCeV只是列舉排列世界前10 名產(chǎn)能的廠家,其他沒有列舉產(chǎn)能的廠家,將在本報(bào)告中逐一展示。
對于中國碳纖維市場,2014的數(shù)據(jù)是基于2013年的。即作者與富陽特種纖維應(yīng)用研究所申屠年所長及臺灣復(fù)合材料同業(yè)公會的趙玨秘書長在統(tǒng)計(jì)的2011數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上推導(dǎo)而成。重點(diǎn)是從大陸與臺灣主要涉及的體育器材行業(yè)統(tǒng)計(jì)的,另外,國內(nèi)一批從事碳纖維銷售的優(yōu)秀人才,如中國恒天創(chuàng)投的白雪垠先生和陳宇航先生、中復(fù)神鷹的李韋先生等,給我們提供了大量一線的數(shù)據(jù),讓我們從生產(chǎn)與需求兩端去核實(shí)數(shù)據(jù)。在此,謹(jǐn)對上述朋友和更多沒有提及姓名的朋友一并致謝。
今年,我們將以中國海關(guān)數(shù)據(jù)為主要依據(jù),結(jié)合之前我們從市場得到的數(shù)據(jù),希望給大家的是一張更清晰、更可靠和更具中國特色的市場版圖,便于各碳纖維廠家按圖索驥,更好地開展市場營銷工作。相信越來越清晰的市場及用戶信息,將有利于大家發(fā)揮各自卓越的產(chǎn)品性價(jià)比和營銷手段去贏取市場。
2016年是我們碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要年份。很多企業(yè)已經(jīng)歷了10 個年頭的洗禮,其中有的企業(yè)在激烈的市場拼殺中脫穎而出,率先實(shí)現(xiàn)盈利;有的企業(yè)集聚資源,已經(jīng)取得良好的經(jīng)營業(yè)績;有的企業(yè)則為保障國家戰(zhàn)略物資甘當(dāng)無名英雄;有的企業(yè)在巨大的投資與費(fèi)用壓力下,依然咬牙忍痛在堅(jiān)守。我們認(rèn)為,無論處在什么狀態(tài)的企業(yè),只要你不坑蒙拐騙,不胡吹亂侃,踏踏實(shí)實(shí)做事,都是應(yīng)該值得我們敬仰的。十多年的建樹和磨礪,我們已經(jīng)擁有一批能肩負(fù)碳纖維發(fā)展使命和深諳行業(yè)發(fā)展規(guī)律的優(yōu)秀企業(yè)家及團(tuán)隊(duì),這是我們的希望所在!
2016年又是一個碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的十字路口。會出現(xiàn)逐漸明朗的以航空航天為代表的軍工用碳纖維與以汽車和風(fēng)電為代表的工業(yè)用碳纖維“兩個世界”的特征。各類碳纖維的型號,不過是針對各個用途的代碼。行業(yè)、政府及社會要把這個對性能的攀比,轉(zhuǎn)化到效益的攀比上。顯然超級豪華車性能卓越,但肯定不如面向大眾的汽車盈利多,由此可鑒,低成本碳纖維將是提升企業(yè)盈利水平的重要技術(shù)方向。面對國際對工業(yè)級碳纖維動輒數(shù)十萬噸的需求預(yù)測,中國擁有世界一流的大規(guī)模的腈綸產(chǎn)業(yè)和十多年積累并不斷提升的原絲技術(shù)優(yōu)勢,具備成為全球最重要工業(yè)用碳纖維基地的潛力。為此,必須大力提升我們的大產(chǎn)能和低成本化的碳化技術(shù),以應(yīng)對迎面撲來的工業(yè)用低成本碳纖維的重大發(fā)展機(jī)遇。
1.1 全球碳纖維市場需求量
全球碳纖維市場需求量見圖1。
圖1 全球碳纖維市場需求量
我們認(rèn)為,達(dá)到100 kt年需求的預(yù)測是一個行業(yè)發(fā)展具有標(biāo)志性意義的事件。我們預(yù)測,這個事件將發(fā)生在2018年,這個信心和依據(jù)主要來自2016年以來,出現(xiàn)各大絲束廠家碳纖維由風(fēng)電巨頭包銷,造成大絲束碳纖維出現(xiàn)短缺的市場現(xiàn)狀,以及寶馬、福特為代表的歐美汽車廠雄心勃勃拓展復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的大趨勢。
碳纖維行業(yè)是具備放量降價(jià)空間的。畢竟其最根本的原料—丙烯腈當(dāng)前的價(jià)格是7 000多元/ t,經(jīng)原絲與碳化工藝過程后,成本就達(dá)到1×105元/t以上,期間必然還有大量節(jié)省成本的空間。從碳纖維產(chǎn)業(yè)角度來講,只要市場有明確的和大批量的需求,低成本碳纖維(比如6×104元/t)是完全可行的。
1.2 全球碳纖維市場需求結(jié)構(gòu)
全球碳纖維市場需求結(jié)構(gòu)見圖2。
圖2 2015全球碳纖維需求結(jié)構(gòu)(單位/kt)
CCeV 2015年報(bào)告預(yù)測的全球碳纖維需求數(shù)據(jù)是58.0 kt,我們發(fā)布的2015年數(shù)據(jù)是74.4 kt。其中關(guān)鍵差別是:風(fēng)電葉片我們統(tǒng)計(jì)是18.0 kt,遠(yuǎn)大于CCeV約8 kt的數(shù)據(jù);中國的體育器材需求數(shù)據(jù)是9.3 kt,加上臺灣省的1 千多噸,而整個大中華區(qū)體育器材需求占全球90%的份額,這樣反推市場為11.5 kt,大于CCEV約7 kt的數(shù)據(jù);我們壓力容器方面的數(shù)據(jù)也比CCeV的樂觀。
從市場排名看,風(fēng)電葉片的用量第一次超越航空航天成為最大的分市場。2016年有很多碳纖維廠的24k及更大絲束碳纖維的生產(chǎn)線已被風(fēng)電巨頭包銷,這也預(yù)示著近幾年碳纖維將迅猛增長的趨勢。
2014年的報(bào)告曾提到航空市場的較快增長,主要基于波音787需求的強(qiáng)勁驅(qū)動。2015年開始,空客A350作為新的驅(qū)動,會帶來對碳纖維材料的迅猛增長直至2018年,之后航空市場的增速會放緩。
1.3 全球碳纖維市場需求金額
全球碳纖維市場需求金額見圖3。
本報(bào)告統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)采用了CCeV對各應(yīng)用市場的碳纖維單價(jià),基于需求量的差異,調(diào)整了整個市場的需求金額(見表1)。
從表1就可發(fā)現(xiàn),航空航天用的碳纖維價(jià)格較高(以T800級別為主),而汽車與混配模成型用的碳纖維則價(jià)格較低的,風(fēng)電葉片的碳纖維則最低。請注意,這里價(jià)格只能作為定性對比,不能把這個視作具體的市場銷售價(jià)。比如汽車目前用的主流碳纖維是SGL的大絲束,市場售價(jià)約15 歐元/kg,而風(fēng)電葉片的主要供應(yīng)商ZOLTEK,其大絲束碳纖維的價(jià)格是11~12 美元/kg,三菱的大絲束碳纖維估計(jì)約13~14 美元/kg。
圖3 全球碳纖維市場需求金額(單位/×106美元)
表1 全球碳纖維市場需求金額及其結(jié)構(gòu)與單價(jià)
2.1 全球碳纖維產(chǎn)能
全球碳纖維產(chǎn)能見圖4。
圖4中國外廠家的數(shù)據(jù)來自CCeV 2014年報(bào)告。其中Toray收購了Zoltek,形成了總產(chǎn)能
4.47 ×104t/a,占世界總產(chǎn)能(1.33×105t/a)的
33.6 %;ToHo關(guān)閉了美國工廠2 400 t/a產(chǎn)能,所以其產(chǎn)能從2013年的1.39×104t/a降低到現(xiàn)在的
1.15 ×104t/a;隨著西格里在美國第二期產(chǎn)能3 000 t/a的建成投產(chǎn),其躍升為世界第二位;我們不僅增補(bǔ)了2015年形成1 700 t/a(后可優(yōu)化成2 000 t/ a)的俄羅斯HCC的產(chǎn)能,還增補(bǔ)了被CCeV長期忽略的韓國最早(1980年代)生產(chǎn)碳纖維廠家TKI,在前幾年恢復(fù)生產(chǎn)后,新增1 500 t/a產(chǎn)能,TKI是世界最大丙烯腈生產(chǎn)商,雖這兩年不如曉星風(fēng)光,但發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
CCeV報(bào)告對中國企業(yè)是不熟悉的,我們再次做一個重要補(bǔ)充,希望他們借鑒并用于下年度報(bào)告。順便強(qiáng)調(diào),中國的數(shù)據(jù)是權(quán)威的。其產(chǎn)能是根據(jù)12k絲束來計(jì)算的。
2014年SGL收購了葡萄牙腈綸制造企業(yè)Fisipe,CYTEC與德國腈綸制造商DRALON形成了戰(zhàn)略合作,共同開發(fā)低成本大絲束碳纖維。2015年期間并沒有新的重大進(jìn)展的報(bào)道。
圖4 2015全球碳纖維產(chǎn)能
2014年,幾乎所有的碳纖維巨頭都宣布了擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃,如東麗與HEXCEL在歐洲擴(kuò)產(chǎn),三菱與美國在本土又一次擴(kuò)產(chǎn)3 000 t/a的產(chǎn)能,CYTEC已經(jīng)基本完成美國的雙倍產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃,SGL在美國再一次擴(kuò)產(chǎn)。這些擴(kuò)產(chǎn)的產(chǎn)能將于2016年形成產(chǎn)量,或?qū)⒃?017年的報(bào)告中會有體現(xiàn)。
2.2 全球碳纖維產(chǎn)能分布
全球碳纖維產(chǎn)能分布見圖5。
圖5 2015全球碳纖維產(chǎn)能分布[單位/(kt˙a-1)]
圖5借鑒了CCeV 2015報(bào)告的部分?jǐn)?shù)據(jù),并作了調(diào)整,主要是加入了中國和俄羅斯的產(chǎn)能增量,即從CCeV的總產(chǎn)能125 kt/a調(diào)整到135.2 kt/ a。
希望大家能從圖5的全球產(chǎn)能分布認(rèn)識到:
日本的3 家公司均在亞洲、歐洲與北美有生產(chǎn)布局,美國Hexcel在美國與歐洲布局,SGL在歐洲(西班牙、英國和德國)和美國有布局,東麗ZOLTEK主要生產(chǎn)廠在墨西哥與匈牙利,這些巨頭的產(chǎn)業(yè)布局,是決定這些國家有能力制造碳纖維的核心因素。
除了歐美日的這6 家國際巨頭,自身具有技術(shù)和制造能力的國家與地區(qū)還有中國、中國臺灣、韓國、土耳其以及俄羅斯。
中國產(chǎn)能的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是23.8 kt/a,進(jìn)入世界三甲,這個需辯證看待,實(shí)際上我們是23 家碳纖維廠的產(chǎn)能合計(jì)組成,這與當(dāng)前世界格局區(qū)別是很大的,后面在中國產(chǎn)能篇有詳細(xì)說明。
3.1 中國碳纖維需求量
中國碳纖維需求量見圖6。
由圖6可知,數(shù)據(jù)對比2014年報(bào)告有較大的調(diào)整,主要參考了我國歷年的海關(guān)進(jìn)口數(shù)據(jù)。但沒有按大中華地區(qū)統(tǒng)計(jì)(臺灣地區(qū)的需求估計(jì)在1.0~1.5 kt范圍),只是對大陸地區(qū)作了統(tǒng)計(jì)。
2013年起對比前幾年形成了需求猛增的趨勢,我們認(rèn)真分析了數(shù)據(jù),得到的結(jié)論是碳纖維市場經(jīng)過幾年的培養(yǎng),開始出現(xiàn)集中式增長的爆發(fā)勢頭。
鑒于此,從2015年到2020年,我們調(diào)整后按照12%年增長率來預(yù)測未來的需求數(shù)據(jù)。主要依據(jù)是:以自行車為代表的體育器材的持續(xù)增長,風(fēng)電葉片需求的強(qiáng)勁增長(主要是鹽城的TPI和天津的VESTAS),以及國內(nèi)為風(fēng)電葉片配套部件的需求增長;同時希望國產(chǎn)葉片能盡快加入對碳纖維的需求。
3.2 中國碳纖維需求來源
中國歷年從日本(含韓國)進(jìn)口碳纖維量見圖7。
中國碳纖維需求來源見如圖8。
圖6 中國碳纖維需求量
圖7 中國從日本(含韓國)進(jìn)口碳纖維量
圖8 2015中國碳纖維需求來源(單位/kt)
提請注意,F(xiàn)abric & PP是指碳纖維織物及其預(yù)浸料。之所以包含韓國,主要是考慮東麗在韓國的4 700 t/a的碳纖維產(chǎn)能以及相關(guān)后續(xù)制品。到2015年,即使是韓國加工的織物與預(yù)浸料制品用的都是東麗的碳纖維。
3.3 中國碳纖維需求金額
中國碳纖維需求金額見如圖9。
從圖9進(jìn)口來源國解讀幾組數(shù)據(jù):
2015年,日本及韓國(東麗分公司)出口到中國的碳纖維為7 400 t,占總供應(yīng)量的44%,幾近半壁江山。這其中包含了25.6%的碳纖維織物與預(yù)浸料。所以,對于高端碳纖維、制品及基礎(chǔ)復(fù)材,國內(nèi)還是有旺盛需求的。
天津VESTAS和鹽城PPI兩家風(fēng)電葉片消耗了近900 t大絲束碳纖維,主要來源是東麗Zoltek在匈牙利的工廠。
臺塑和土耳其DOWAKSA共銷售了近4 000 t碳纖維。中復(fù)神鷹銷售了約1 400 t碳纖維,剩下的1 100 t碳纖維由3~4 家單位分享。所以,中國現(xiàn)有的23 家碳纖維企業(yè),能形成有效市場化銷售的(不含特殊銷售)只有4~5 家。這說明一個嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí):中國碳纖維產(chǎn)業(yè)有效供給嚴(yán)重不足。
3.4 中國碳纖維需求量
中國碳纖維需求見圖10。
中國碳纖維需求量城市前10 名見表2。
圖9 2015中國碳纖維需求金額(單位/×106美元)
圖10 2015中國碳纖維需求量(單位/t)
從需求省份看,碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的集中度相當(dāng)高。除北京并沒有什么碳纖維產(chǎn)業(yè),其需求數(shù)據(jù)主要源于位于北京的土耳其DOWAKSA代理—恒天創(chuàng)投公司,所以,中國只有6 個省份擁有規(guī)模復(fù)合材料產(chǎn)業(yè):廣東、上海、福建、山東、江蘇和天津。僅廣東與福建兩省需求近7 000 t,占全國41%的份額。
同時,廣東省在全國碳纖維需求前10 名城市中占據(jù)4 席,這與臺灣地區(qū)體育器材廠家在該省的巨大投資有直接關(guān)聯(lián)。
3.5 中國碳纖維需求金額
中國碳纖維需求金額見圖11。
中國碳纖維需求金額城市前10 名見表3。
3.6 中國碳纖維產(chǎn)業(yè)需求量
中國碳纖維產(chǎn)業(yè)需求量見圖12。
這個應(yīng)用劃分是參考之前數(shù)據(jù)。市場格局與2014年基本沒有變化,只是加入了風(fēng)電葉片的分市場。
圖11 2015中國碳纖維需求金額(單位/×106美元)
表2 中國碳纖維需求量城市(區(qū))排名前10 名t
表3 中國碳纖維需求金額城市前10 名×106美元
體育器材依然是近60%的主要份額。這兩年眾多體育器材中,自行車無疑是增長最快的亮點(diǎn)。除了傳統(tǒng)的臺資大廠,國內(nèi)也涌現(xiàn)出一批制造復(fù)合材料自行車的企業(yè)。比如深圳喜德盛、泰山體育、江蘇ZGL等公司。
風(fēng)電葉片必定要利用碳纖維模量的優(yōu)勢,但因?yàn)橛幸酝@w系制品成本的參照,對碳纖維的價(jià)格有很高的門檻要求。Zoltek因?yàn)閮r(jià)格較低優(yōu)勢,占領(lǐng)了很大的市場份額。如果中國能量產(chǎn)48~60k大絲束碳纖維,價(jià)格控制在10 美元/kg,對全球1.8×104t風(fēng)電葉片需求的客戶而言,還是具有很強(qiáng)的吸引力。
面對涌動而來的汽車市場的巨大需求潛力,我們則提出一個新的觀念:汽車行業(yè)規(guī)模巨大,工業(yè)現(xiàn)代化程度高,技術(shù)密集和精英集聚,我們須站在全球汽車原材料供應(yīng)鏈的角度,與領(lǐng)先的汽車企業(yè)及一級供應(yīng)商建立往來,我們只需苦練內(nèi)功,盡快做出低成本的大絲束碳纖維,相信客戶就一定會主動找上門來。
圖12 2015中國碳纖維產(chǎn)業(yè)需求量(單位/kt)
4.1 中國碳纖維產(chǎn)能
中國碳纖維產(chǎn)能見圖13。
我們統(tǒng)計(jì)了24 家具有規(guī)模產(chǎn)能的企業(yè),對于科研院校的實(shí)驗(yàn)設(shè)施,折合統(tǒng)計(jì)為100 t/a產(chǎn)能,截止到2016年7月底,產(chǎn)能總計(jì)是2.381×104t/a。其中:
? 產(chǎn)能>1 000 t/a有6 家;
? 產(chǎn)能500~1 000 t/a之間有6 家;
? 產(chǎn)能100~500 t/a之間有9 家;
? 產(chǎn)能<100 t/a有3 家。
對比2014年報(bào)告,2015年的特點(diǎn)是:產(chǎn)能的集中度在加強(qiáng),新的投資依然在進(jìn)入,比如新晉10強(qiáng)的浙江精功集團(tuán)旗下的精業(yè)新材及中安信科技。
除了上述碳纖維產(chǎn)能的統(tǒng)計(jì),我國還有原絲產(chǎn)能方面的統(tǒng)計(jì):
? 吉林化纖集團(tuán)下的吉林碳谷公司,其在巨大的腈綸工業(yè)基礎(chǔ)上,建設(shè)了5 000 t/a PAN基原絲的產(chǎn)能,除了向國內(nèi)同行銷售原絲,還批量出口;
? 中石油集團(tuán)下屬的上海石化公司,也具有世界前三甲的腈綸工業(yè)基礎(chǔ),建設(shè)有1 000 t/a產(chǎn)能的PAN基原絲,同時還擁有500 t/a產(chǎn)能的碳化線1條。
? 山西恒天曾經(jīng)是我國較早專業(yè)生產(chǎn)PAN基原絲的單位,但近幾年已基本停產(chǎn)。
除了PAN基碳纖維,國內(nèi)還有一批瀝青基碳纖維正在火熱建設(shè)中,粘膠基碳纖維也有一定的工業(yè)制造基礎(chǔ)。
4.2 中國碳纖維產(chǎn)業(yè)的新發(fā)展
中國碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的十多年,道路極其曲折。然而經(jīng)過多年的積累,這個行業(yè)在2015年跨上了新的發(fā)展臺階。
圖13 中國碳纖維產(chǎn)能(前10 位制造商)
4.2.1 原絲技術(shù)方面
濕法T700級別12~24k技術(shù)基本成熟,吉林化纖、金山石化等公司原絲在澳洲CARBONNEXUS對原絲碳化后測試,均得到很好的評價(jià)。下一步的發(fā)展方向是“提速+提束”(徐樑華教授和李書鄉(xiāng)董事長歸納),充分發(fā)揮這兩家公司在腈綸上工業(yè)的優(yōu)勢,為中國碳纖維產(chǎn)業(yè)提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的原絲。這將為高性價(jià)比工業(yè)用碳纖維打下堅(jiān)固的根基。
干噴濕紡技術(shù)是國際推崇的,東麗與Hexcel均有成熟的技術(shù),中復(fù)神鷹、江蘇恒神、威海拓展等公司對該技術(shù)做了很好的發(fā)展。干噴濕紡工藝做出的碳纖維,性能優(yōu)越和外表光潔,為中國高性能碳纖維打下了扎實(shí)的基礎(chǔ)。
“干濕法”與“濕法”兩條技術(shù)路線,可以很好地相互促進(jìn),比如“濕法”去借鑒“干濕法”的高速度紡絲技術(shù)。這個結(jié)合一定會將中國原絲水平帶到一個更高的層次。原絲油劑十分關(guān)鍵,不僅影響品質(zhì),更是成本的重要因素,需要特別重視。
4.2.2 熱穩(wěn)定化碳化技術(shù)方面
從2015年起,國際碳化技術(shù)展開了新一輪創(chuàng)新熱潮,尤其是圍繞最核心的熱穩(wěn)定化(俗稱預(yù)氧化)工藝做出了重大突破,這個突破一定會繼續(xù)深入,并將最終摘掉碳纖維產(chǎn)業(yè)“高能耗”的帽子。
國內(nèi)碳纖維企業(yè)在這個方面也做出了很多努力,一些廠家已經(jīng)把熱穩(wěn)定化時間縮短了一半。同時,大家更注重整條碳化線的能耗優(yōu)化和提升產(chǎn)能,這個工作是低成本碳化的關(guān)鍵。
2015年,廣州賽奧碳纖維技術(shù)有限公司先后組織兩批企業(yè)(自行去的還有3~4 批)到澳洲CARBON NEXUS 碳化線參觀學(xué)習(xí)。兩次均用的是吉林化纖的原絲在開車,參觀代表對車間環(huán)境、碳纖維品質(zhì)、整線能耗、易操作性等特點(diǎn)留下了深刻的印象。CARBON NEXUS完全開放的態(tài)度,也讓參觀者感受到碳化工藝的優(yōu)化蘊(yùn)藏著大量的技術(shù)和創(chuàng)新。表面處理與上漿,是碳化纖維最終成為商品碳纖維的關(guān)鍵環(huán)節(jié),與各種不同上漿劑基體和劑量的處理結(jié)合,才能滿足結(jié)構(gòu)復(fù)合材料應(yīng)用的多元性,最大限度發(fā)揮出碳纖維的增強(qiáng)效果。碳纖維廠家必須與國內(nèi)專業(yè)機(jī)構(gòu)加強(qiáng)合作,把這個工作抓起來。
原絲與碳化技術(shù)是相互促進(jìn)的。日本的研究表明,可以在原絲階段完成“熱穩(wěn)定化”;國內(nèi)外實(shí)踐證明,原絲的調(diào)節(jié)可以縮短“熱穩(wěn)定化”時間。這些技術(shù)有待于國內(nèi)專家去攻克。
回顧2015年,通過碳纖維行業(yè)同仁的一致努力,在技術(shù)積累上,已經(jīng)出現(xiàn)讓人欣喜的一面。原絲產(chǎn)業(yè)化完成了重大突破,碳化技術(shù)進(jìn)入快速提升期,結(jié)合國際創(chuàng)新,我們可在2~3 年得到飛速的進(jìn)步。而市場方面,各個分市場均表現(xiàn)出強(qiáng)勁的需求,尤其以風(fēng)電葉片和汽車為代表的工業(yè)碳纖維的需求機(jī)遇更是迎面撲來。對比國際巨頭,我們每家企業(yè)還勢單力薄,所以,“集聚創(chuàng)新發(fā)展”應(yīng)成為我們行業(yè)發(fā)展的重要思路。
5.1 全球碳纖維復(fù)合材料需求
全球碳纖維復(fù)合材料需求見圖14。
圖14 全球碳纖維復(fù)合材料需求量
圖14 是根據(jù)統(tǒng)計(jì)的碳纖維需求數(shù)量,按照碳纖維在復(fù)合材料中一般占質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%計(jì)算。其目的是給大家一個碳纖維復(fù)合材料全球需求規(guī)模的概念。
5.2 全球碳纖維復(fù)合材料需求和成本
全球碳纖維復(fù)合材料需求和成本見表4。
5.3 全球碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)需求量
全球碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)需求量見圖15。
5.4 全球碳纖維復(fù)合材料銷售額
全球碳纖維復(fù)合材料銷售額見圖16。
5.5 全球碳纖維復(fù)合材料需求額
全球碳纖維復(fù)合材料需求額見圖17。
5.6 全球碳纖維復(fù)合材料工藝需求量
全球碳纖維復(fù)合材料工藝需求量見圖18。
5.7 全球碳纖維復(fù)合材料樹脂基體需求量
全球碳纖維復(fù)合材料樹脂基體市場需求量見圖19。
圖19采用的是CCeV 2015年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),樹脂基復(fù)合材料是自行計(jì)算的數(shù)據(jù)。
表4 全球碳纖維復(fù)合材料需求和成本
圖15 2015全球碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)需求量(單位/kt)
圖16 2015全球碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)銷售額(單位/×109美元)
圖17 2015全球碳纖維復(fù)合材料地區(qū)銷售額(單位/×109美元)
圖18 2015全球碳纖維復(fù)合材料工藝需求量(單位/kt)
圖19 2015全球復(fù)合材料基體市場需求金額(單位/×109美元)
對于熱固性與熱塑性復(fù)合材料的需求,CCeV 2015年的需求比率為77%∶23%,按照自行統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)計(jì)算,熱固性復(fù)合材料需求1.065×1010美元,熱塑性復(fù)合材料需求3.26×109美元。如同2014年的報(bào)告,作者對這個占比23%還是持懷疑態(tài)度,熱塑性復(fù)合材料的優(yōu)勢不言自明,但是也有其較大的劣勢,核心是對碳纖維的浸潤性與界面處理問題,須重點(diǎn)突破熱塑性樹脂的創(chuàng)新上。
在關(guān)注樹脂基復(fù)合材料的同時,我們也要關(guān)注碳基、陶瓷基和金屬基復(fù)合材料,我國碳基復(fù)合材料已經(jīng)形成相當(dāng)產(chǎn)業(yè)。陶瓷基和金屬基是始于航空航天軍工的重要材料,需更加重視,盡早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
6.1 航空航天應(yīng)用市場
該市場碳纖維需求及發(fā)展趨勢見圖20。
航空航天碳纖維需求市場份額見圖21。
商用飛機(jī)對碳纖維需求驅(qū)動是巨大的,前兩年受益于波音787為代表機(jī)群,2015年開始,空客A350又成為碳纖維需求的重要引擎。我們期盼中國商飛C929成為碳纖維行業(yè)發(fā)展的引擎。
6.2 體育休閑碳纖維應(yīng)用市場
體育休閑市場的分市場組成以及10 年來的需求發(fā)展情況見圖22。
體育休閑市場碳纖維需求趨勢見圖23。
體育休閑市場的特點(diǎn)是:國際品牌,大中華(以臺資為主)加工制造。制造工藝相對傳統(tǒng),勞動力密集。國際品牌的經(jīng)營能力是國人的短板,而極少歐美復(fù)材企業(yè)的參與,又使得這個領(lǐng)域的工藝創(chuàng)新乏力。期盼大陸更多有實(shí)力的企業(yè)參與到這個市場,以材料的多形態(tài)與自動化工藝推動這個市場的多元化發(fā)展。
6.3 風(fēng)電葉片應(yīng)用市場
風(fēng)電葉片碳纖維需求量及趨勢見圖24。
圖20 航空航天碳纖維需求量及發(fā)展趨勢
圖21 航空航天碳纖維需求市場份額
圖22 體育休閑碳纖維需求市場及發(fā)展情況(單位/t)
圖23 體育休閑碳纖維需求量及趨勢
風(fēng)電葉片對碳纖維的需求在2013年急劇下滑,主要原因是2013年國際新增裝機(jī)容量的下降。2014年,風(fēng)電對碳纖維的需求持續(xù)回暖,2015年恢復(fù)了強(qiáng)勁增長,風(fēng)電市場抵御了低迷石油價(jià)格的沖擊后,我們預(yù)測,風(fēng)電行業(yè)將會持續(xù)強(qiáng)勁增長。
國際主要采用碳纖維制造風(fēng)電葉片的企業(yè)是:VESTAS、GEMESA-SIEMENS、Nortex和GE,重要的碳纖維葉片制造商還有LM、TPI和巴西的Tecsis,我國主要的葉片制造商中材科技、中復(fù)連眾、中航惠騰等均在積極研究碳纖維在葉片梁的應(yīng)用。
從葉片發(fā)展看,碳纖維如何在“分段式”葉片發(fā)揮作用,是我們應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的方向;成型工藝方面,由于風(fēng)電葉片對成本的高要求,復(fù)合材料經(jīng)典的纏繞與拉擠工藝,必然會成為葉片梁最重要的工藝。
6.4 混配模成型應(yīng)用市場
混配模成型碳纖維需求量及趨勢見圖25。
前面提到混配模成型(Molding & compound),嚴(yán)格講是對成型工藝的描述,但由于這些工藝橫跨的應(yīng)用多,所以把它歸類成一個應(yīng)用。
混配(compound)主要是指非連續(xù)碳纖維增強(qiáng)塑料,主要形態(tài)有磨粉、短切和長碳纖維增強(qiáng),與塑料結(jié)合,用于提升材料的力學(xué)性能、靜電性能、電磁屏蔽性能以及熱性能。通過雙螺桿的混配,形成增強(qiáng)塑料顆粒,再通過注塑或模壓工藝做成零件,廣泛應(yīng)用于電子電氣、辦公設(shè)備、體育器材、交通工具等。
模成型(Molding)主要是指片狀模塑料(Sheet Molding Compound-SMC),團(tuán)狀模塑料(Bulk Molding Compound-BMC),這類材料是纖維與熱固性基體混配后形成的,再通過模壓工藝完成零件制造。廣泛應(yīng)用于汽車、電子電氣、化工裝備、船舶等領(lǐng)域,通常是形狀比較復(fù)雜的零件。
非連續(xù)碳纖維復(fù)合材料,以對纖維性能的犧牲換取了低成本和高產(chǎn)能。更好地滿足了工業(yè)領(lǐng)域?qū)π詢r(jià)比的需求。
6.5 汽車應(yīng)用市場
汽車碳纖維需求量及趨勢見圖26。
國際上對于碳纖維在汽車的應(yīng)用,汽車大廠已經(jīng)從之前“碳纖維是否應(yīng)該用在汽車上”的爭論,紛紛轉(zhuǎn)移到具體產(chǎn)業(yè)的布局與實(shí)施。
圖24 風(fēng)電葉片碳纖維需求量及趨勢
圖25 混配模成型碳纖維需求量及趨勢
BMW完成了i3和i8純碳纖維復(fù)合材料車身之后,正在研發(fā)另一款i系列車型,同時,用“Carbon-core”與鋁合金和高強(qiáng)鋼混合使用,進(jìn)入7系列車型,后面勢必延伸到6系和5系車型。
福特和通用則側(cè)重重要零部件的開發(fā)與使用,積累對碳纖維復(fù)合材料的制造和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。其中重要的部件是輪轂。
韓國現(xiàn)代2014年展出的概念車INTRODO氫能源汽車,被業(yè)界認(rèn)為是寶馬之后的又一批量碳纖維復(fù)材的車身車型。
我們經(jīng)常會遇到兩個問題:碳纖維復(fù)合材料是否會在汽車領(lǐng)域大批量使用?我們有如下觀點(diǎn):
? 從技術(shù)角度,毫無疑問碳纖維復(fù)合材料是汽車輕量化最佳選擇,從F1賽車和豪華車多年的使用已經(jīng)證明。
? 目前,復(fù)合材料的成型工藝成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于碳纖維本身,我們堅(jiān)信:龐大而實(shí)力強(qiáng)勁的汽車行業(yè)的加入,會極大地促進(jìn)復(fù)合材料制造工藝的創(chuàng)新、效率和自動化,從而實(shí)現(xiàn)全壽命周期、綜合評定的低成本(考慮排放因素)。
? 早在1990年代,碳纖維與汽車行業(yè)有一個比較普遍的共識,就是5 美元/磅低成本碳纖維是汽車批量使用的基本條件。碳纖維產(chǎn)業(yè)會因?yàn)槠嚨男枨篁?qū)動,將發(fā)生一次深刻的工業(yè)革命。這場革命的特征是:從封閉到開放工業(yè)新生態(tài),通過技術(shù)創(chuàng)新,去掉碳纖維“高能耗”帽子,從“小眾貴族”演變成“大眾材料”。
國內(nèi)眾多汽車企業(yè)已紛紛嘗試碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用,這是值得肯定的,但是技術(shù)起點(diǎn)太低,“瞎忙乎”或“拾人牙慧”的居多。汽車行業(yè)應(yīng)該主動與碳纖維復(fù)合材料行業(yè)建立深度和有效的合作機(jī)制。
6.6 壓力容器應(yīng)用市場
壓力容器碳纖維需求量及趨勢見圖27。
盡管目前壓力容器的市場需求并不大,然而卻有著蓬勃發(fā)展的空間。
燃料電池的低成本突破,將會對新能源汽車的技術(shù)路線圖做出根本的改變,出現(xiàn)電動汽車與燃料電池汽車并行的市場局面。2015年下半年,豐田推出的燃料電池車MIRAI,得到市場的熱捧。其他公司燃料電池汽車也將在2016~2017期間陸續(xù)推出。這將對高壓氫氣瓶帶來強(qiáng)勁的需求,從而對高品級碳纖維將有巨大的拉動。
圖26 汽車碳纖維需求量及趨勢
圖27 壓力容器碳纖維需求量及趨勢
CNG拖車大氣瓶的需求,在Hexagon Lincoln的推動下,其最新款TITAN XL(12.2 m柜,1.5×104m3)2015年在拉美試運(yùn)行,2016年7月獲得美國交通部上路許可。國內(nèi)中材科技也在積極推動這個項(xiàng)目。
高端壓力容器對碳纖維性能的穩(wěn)定性要求極高,源于高端壓力容器非常嚴(yán)格的安全要求。碳纖維企業(yè)必須向客戶證明:從第1 天到第365 天,每天生產(chǎn)的碳纖維的品質(zhì)是穩(wěn)定的?!熬S穩(wěn)”無疑是碳纖維產(chǎn)業(yè)最為核心的因素。而高端壓力容器的進(jìn)入,無疑是敕封碳纖維行業(yè)的一枚榮耀的“勛章”。
6.7 建筑應(yīng)用市場
建筑用碳纖維需求及趨勢見圖28。
隨著建筑與橋梁的老化,碳纖維復(fù)合材料用于建筑補(bǔ)強(qiáng)的市場是越來越大。CCeV2014的資料顯示:美國有半數(shù)橋梁(6×105座)已經(jīng)到了該維修的階段了,而歐洲有更多的老橋梁與老建筑。德國政府計(jì)劃在2030年前花費(fèi)1.6×1010歐元來維修。
除了建筑補(bǔ)強(qiáng)領(lǐng)域,橋梁拉索的復(fù)合材料化,是日本研發(fā)的重點(diǎn),我國也曾經(jīng)做過一些研究。
對于海上建筑(如人工島嶼、海上石油平臺等),碳纖維復(fù)材不光輕(可降低運(yùn)輸和工程費(fèi)用),而且耐腐蝕(可大大提升使用壽命),在成本降低之后,會有更加廣闊的應(yīng)用空間。
軍事上,采用輕質(zhì)剛強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料,可以大大提高部隊(duì)臨時架設(shè)橋梁的效率,從而大幅度提升作戰(zhàn)速度。
碳纖維增強(qiáng)水泥、碳纖維格柵增強(qiáng)混凝土、碳纖維格柵除冰公路等,在國際上也有較多的研究,某些項(xiàng)目已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化。
前面提到,由于我國為數(shù)龐大的橋梁和建筑普遍存在質(zhì)量和老舊隱患問題,本應(yīng)對碳纖維補(bǔ)強(qiáng)材料的廣泛應(yīng)用有很大的需求潛力,但是,加固補(bǔ)強(qiáng)行業(yè)的魚龍混雜,材料市場的以假亂真和以次充好,施工單位的人員操作技能差,工藝流程不規(guī)范,偷工減料,工程質(zhì)量差,加之工程監(jiān)管和檢測的失控,導(dǎo)致市場對碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)信心不高,相關(guān)職能部門應(yīng)予以充分重視。應(yīng)出臺新的材料與施工標(biāo)準(zhǔn),強(qiáng)化監(jiān)管力度,從技術(shù)層面大大降低不同素質(zhì)施工人員對工程質(zhì)量的影響;從法治層面整治和規(guī)范加固市場,嚴(yán)懲違法違規(guī)的行為和人,或?qū)⑹侵卣襁@個行業(yè)市場的重點(diǎn)。
6.8 船舶應(yīng)用市場
船舶碳纖維需求及趨勢見圖29。
圖28 建筑碳纖維需求量及趨勢
目前,船舶領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求主要是:競賽類船舶及附件,超豪華游艇及軍事用途的船舶,以及各類船舶的桅桿。
對于競賽類船舶,減輕質(zhì)量的價(jià)值相當(dāng)巨大。據(jù)國外同行信息:每減輕質(zhì)量1 kg價(jià)值相當(dāng)于1×104美元。隨著我國水上競技項(xiàng)目的發(fā)展以及公眾的跟隨效應(yīng),將對碳纖維形成新的需求。
各大海軍強(qiáng)國加強(qiáng)了對碳纖維復(fù)合材料的使用,我國海軍也不例外。從小型艦艇到大型艦船是一個發(fā)展趨勢,艦船無人化也是一個重要趨勢。
相關(guān)軍艦的復(fù)合材料應(yīng)用,可以參考A.P. Mouritz(a),E. Gellert(b),P. Burchill(b),K. Challis(b)“應(yīng)用于海軍艦艇和潛艇的先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)綜述”的文章。
6.9 其他值得關(guān)注的應(yīng)用市場
有關(guān)新興的應(yīng)用市場,我們?nèi)匀徊捎昧?014年報(bào)告的內(nèi)容。
6.9.1 深海石油平臺
人類逐步向深海開發(fā)油氣資源,傳統(tǒng)金屬材料已經(jīng)無法承受負(fù)荷或安裝運(yùn)輸成本的劇增,這就需要輕質(zhì)剛強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料來取代。目前,歐美在多個深海油田試驗(yàn)了圖30中的產(chǎn)品。已經(jīng)表現(xiàn)出卓越的性能,甚至成本的競爭力。但目前我國海洋石油的開采工作多為國外公司承包,所以,這類產(chǎn)品的開發(fā)還基本沒有開始。
6.9.2 高速鐵路
據(jù)國外統(tǒng)計(jì),時速350 km/h高鐵的單位乘員能源消耗基本與飛機(jī)持平,而運(yùn)送一位乘客,汽車需要297 kg,商用飛機(jī)是446 kg,高鐵則達(dá)到752 kg。高速加超重不光消耗巨大的能源,更大幅度增加了軌道設(shè)施的基礎(chǔ)建設(shè)成本。所以,高鐵的輕量化勢在必行。高鐵是中國工業(yè)崛起的少有的明星,具備相當(dāng)?shù)淖灾餮邪l(fā)能力,輕量化技術(shù)將是高鐵加強(qiáng)與鞏固自主研發(fā)能力的重要舉措,高鐵被稱之為地面飛行器,可以參考航空飛行器的減重思維。
國際上各大高鐵技術(shù)公司都在緊鑼密鼓地開發(fā)高鐵用碳纖維復(fù)合材料,比如日本采用碳纖維與芳綸的混雜材料做車體下部的裙邊,韓國借鑒整體機(jī)身的纏繞工藝,開發(fā)出碳纖維復(fù)合材料整體車身。轉(zhuǎn)型架、車頭、地板等部件,國外均有碳纖維復(fù)合材料的研發(fā)。
6.9.3 油氣管道修補(bǔ)
近幾年,我們常見油氣管道和城市公用工程管道的泄漏給社會帶來巨大的生命與財(cái)產(chǎn)損失。據(jù)報(bào)道,國際管道修補(bǔ)的市場約5×1011美元。越來越多的管道公司開始采用復(fù)合材料作為重要的修補(bǔ)材料。碳纖維復(fù)合材料雖然價(jià)格貴于玻璃纖維復(fù)合材料,但在一些高壓與特殊環(huán)境中是必不可少的。隨著油氣公司與政府的充分重視,高性能的碳纖維復(fù)合材料必定會在管道修補(bǔ)上得到廣泛應(yīng)用。
在“2014年全球碳纖維復(fù)合材料市場報(bào)告”中,我們的關(guān)注點(diǎn)在“國際碳纖維市場供需兩旺”和“國內(nèi)碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展凋零”形成的“冰火兩重天”的對比與擔(dān)憂。本報(bào)告希望把視野過多地放到國際層面上,兼顧國內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀,做出如下的觀察與思考。
7.1 世界碳纖維產(chǎn)業(yè)由于市場需求驅(qū)動的變化,已經(jīng)演變?yōu)椤按笮〗z束兩個不同的世界”
⑴ 我們認(rèn)為,大、小絲束碳纖維本身的技術(shù)、生產(chǎn)體系、應(yīng)用市場是截然不同的。小絲束的核心市場是航空航天,主要追求“高性能”;大絲束的核心市場是以汽車和風(fēng)電為代表的工業(yè)領(lǐng)域,主要追求的是“低成本”;而中間的典型市場,如體育器材、壓力容器等,大、小絲束均可以爭奪。
⑵ 技術(shù)層面,碳纖維從普通模量、中模量到高模量集成,是一個正常的思路。然而僅從這個單一維度去引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)或?qū)纬蓢?yán)重的誤導(dǎo)!這就如同頂級豪華車的技術(shù)含量通常高于常規(guī)汽車,假如大型汽車廠把頂級豪華車作為產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步階梯,抑或?qū)⑷f劫不復(fù)。所以,“科技追求”與“產(chǎn)業(yè)發(fā)展”是有顯著區(qū)別的。
⑶ 2015年,以汽車和風(fēng)電為代表的工業(yè)級碳纖維的持續(xù)和強(qiáng)勁的增長,世界碳纖維企業(yè)尤其是我們新生的碳纖維企業(yè)均在思考:在大、小絲束的不同世界中,企業(yè)該如何定位?同時,市場需求的劇烈變化,也給碳纖維產(chǎn)業(yè)帶來了新的洗牌機(jī)會:未來的碳纖維該何去何從?”
7.2 世界碳纖維產(chǎn)業(yè)將隨著市場需求驅(qū)動的變化,在2020年前或?qū)⑼瓿梢粓霎a(chǎn)業(yè)技術(shù)革命
⑴ 碳纖維企業(yè)在產(chǎn)業(yè)鏈中,將從“封閉”走向“開放”。從1960年代發(fā)展至今,由于碳纖維材料是一個典型的軍民兩用物資,所以形成了合理的“封閉”,而高度文明的工業(yè)核心是社會大協(xié)作,沒有開放,就難以形成協(xié)作效率與效益。
⑵ 經(jīng)歷60多年的發(fā)展,世界碳纖維總產(chǎn)能只有區(qū)區(qū)7×104t/a強(qiáng)。本質(zhì)上,碳纖維是一種特種化學(xué)纖維,對比其他化學(xué)纖維,這個產(chǎn)能是羞于啟齒的。
⑶ 1980年代末,日本就開發(fā)出典型高性能品種“T1000”和“M60J”,生產(chǎn)技術(shù)就基本成熟與定型,至今約30年時間,但無論是性能還是生產(chǎn)技術(shù),并無重大變革,對比其他行業(yè),這也是一個罕見的現(xiàn)象。
⑷ 熱穩(wěn)定化(俗稱預(yù)氧化)技術(shù),會成為這場革命的先導(dǎo)!無論是快速熱穩(wěn)定化技術(shù),還是在原絲階段完成預(yù)氧化技術(shù),一定會對現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)形成巨大的變化,同時摘除碳纖維制造“能耗高”的惡名。
從碳纖維誕生至今,航空航天市場無疑是碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展的驅(qū)動引擎,航空航天是當(dāng)代工業(yè)的“皇冠”;但從另一個角度,這個引擎也有其“封閉保守”的一面,繁雜、漫長與昂貴的“試航認(rèn)證”體系,當(dāng)碳纖維被真正用上時,基本是10~20 年前技術(shù)的碳纖維。對比之下,汽車行業(yè)則是另一種高度工業(yè)化的產(chǎn)業(yè),每年有數(shù)百種不同車型推出,精益生產(chǎn),把效率、品控和成本控制發(fā)揮到人類工業(yè)的極致。所以,“汽車引擎”與“航空航天引擎”對碳纖維產(chǎn)業(yè)牽引,有著本質(zhì)的巨大差異,碳纖維產(chǎn)業(yè)該如何去應(yīng)對這個挑戰(zhàn)?
[1] CCeV. 2015 Global Carbon Fiber Composite marker report, 德國.
2015Global carbon fiber composite market report
LIN Gang
( ATA Carbon Fiber Guangzhou Co., Ltd., Guangzhou 510075 China )
This report analyses the global carbon fiber market and demand in 2015, and also the market in China. It states in details in terms of years, applications, costs, areas, production process. The author elaborates the features, trends and prospects in 8 segments, including aerospace, sports, windmills, molding, automobiles, construction, ship & yacht. At the end, considering that the global carbon fiber industry has been driven by the market demand, the author proposes his observation and thoughts.
carbon fiber composite; demand; capacity; trends
TQ342.7; TB334
A
1007-9815(2016)04-0001-15
定稿日期:2016-08-16
林剛(1971-),男,四川廣元人,高級工程師,主要從事碳纖維及其復(fù)合材料設(shè)備的研發(fā)制造,(電子信箱)lingang@atamachinery.com。