7 復合材料應(yīng)用發(fā)展趨勢與展望

7.1. 航空航天應(yīng)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(yīng)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(chǔ)之上，最可能成為單通道飛機的主選工藝。

7.2. 風電葉片應(yīng)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”。

       盡管我們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。我們大膽地猜測：VESTAS應(yīng)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，替我們國內(nèi)的風電巨頭暗自擔憂：不要等著哪一天，我們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。希望我們的這些想法是“杞人憂天”。作為碳纖維的從業(yè)者，我們首先歡迎各類客戶的光臨。

 7.3. 體育休閑應(yīng)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(wù)是“集成國際設(shè)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。我們希望：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，我們一些主管部門，對航空航天復材應(yīng)用青睞有加，對體育器材應(yīng)用重視不夠，甚至是輕視。我們已經(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(yīng)用市場

       對于汽車是否可能大批量應(yīng)用碳纖維，這是目前行業(yè)最具爭議的話題。我們也多次表達了全壽命周期的“輕量化價值”的觀點。我們認為：這也是工業(yè)級碳纖維的大批量應(yīng)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(yīng)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(yīng)用的先驅(qū)是BMW I3 （盡管I3的銷量只能算為豪華車類別）。我們認為：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(yīng)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(yīng)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(chǔ)與支撐，這些企業(yè)是走不遠的，希望我們的碳纖維企業(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(yīng)用市場

       混配模成型（Molding& compound）嚴格講，不是一個應(yīng)用市場，而是對工藝的描述，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，便于說明?；炫洌╟ompound）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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)用面及用量。

7.7. 建筑應(yīng)用市場

       本領(lǐng)域是一個廣泛意義的建筑，不僅包括我們通常意義的建筑，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(yīng)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(yīng)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(chǔ)設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(wù)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(shè)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，我們還沒有看到其他的機遇。

7.10. 船舶應(yīng)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，我們相信，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(yīng)用機遇。

7.11. 電纜芯應(yīng)用市場

       2019年，我們統(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(yīng)用。據(jù)CTC網(wǎng)站消息，到2019年，他們總共在全球建設(shè)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(shè)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(shè)。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(shè)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?！?br/>
7.12. 其他應(yīng)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(shè)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(yīng)充分重視這個應(yīng)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(yīng)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(chǔ)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。