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碳纤维及复合材料产业发展面临的机遇与挑战

发布时间:2020-08-28发布人:浏览:
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摘  本文介绍了国内外高性能碳纤维、碳纤维增强树脂基复合材料、复合材料制造技术等发展现状及未来发展趋势,总结了国内碳纤维树脂基复合材料产业发展存在的问题,分析了国内碳纤维树脂基复合材料产业发展的需求,提出了碳纤维树脂基复合材料重点发展方向。

关键词:碳纤维;树脂基复合材料;复合材料产业;发展现状;发展方向


碳纤维树脂基复合材料,特别是碳纤维增强树脂基结构复合材料,是一类涉及航空航天、新能源、车辆及轨道交通、海洋工程等领域发展的关键材料。从“十三五”至2035年,我国碳纤维树脂基复合材料产业正处于从发展壮大向产业成熟期过渡,迈向产业中高端的关键时期。在巨大的市场需求牵引下,碳纤维树脂基复合材料产业的发展将有广阔的发展空间,但同时也面临严峻的国际竞争,环境保护等方面的压力,挑战和机遇共存。

目前国内碳纤维树脂基复合材料制造工艺装备落后,自动化程度低,大规模工业化生产成套工艺与装备研发能力不足;碳纤维高端产品缺乏,中低端产品成本居高不下;复合材料设计与应用水平不高,技术发展缺乏顶层设计,跨学科综合设计能力不足,这些已成为阻碍国内高性能复合材料进步的重要原因。美国以知识产权和国家安全为由制造的中美贸易摩擦等贸易保护主义抬头的大环境下,碳纤维树脂基复合材料的发展不能依靠借鉴国外技术和经验,必须坚持以我为主,重点支持,才能实现自主可控。

1 碳纤维树脂基复合材料产业化技术发展现状

1.1碳纤维向高性能和低成本双向快速发展,美国、日本等仍然控制碳纤维核心技术和市场

图1是全球不同碳纤维厂商的生产能力。日本3家企业,东丽、东邦和三菱丽阳的碳纤维约占全球70%~80%的市场份额,其中东丽公司产能最大,品种规格最齐全,产品性能最好,是全球最大的碳纤维供应商。


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图1 全球不同碳纤维厂商的生产能力

在碳纤维规模生产的同时,碳纤维厂商不断强化提升碳纤维的性能,高性能化进展明显。2014年日本东丽公司研制成功T1100G碳纤维,拉伸强度达到6.6GPa,弹性模量达到324GPa;2015年美国赫氏公司研制成功拉伸强度达到5.8GPa,弹性模量达到375GPa的碳纤维。2018年日本东丽公司通过严格控制纳米级石墨晶体结构,进一步将碳纤维拉伸强度和模量同时提高,新推出的TORAYCAM40X碳纤维的抗拉强度较M40J提高了约30%,同时保持与M40J相当的拉伸模量。高性能碳纤维主流生产技术仍处于日美垄断局面。

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图2 日本东丽公司的碳纤维性能

国内高性能碳纤维制备与应用技术取得了重大突破,基本掌握了高性能碳纤维研制和生产的核心技术,产品质量不断提高,高品质T300/T700级碳纤维满足国防应用需求,T800、M40、M40J和M55J已突破工程化制备技术,正在进行应用考核验证。

2019年国内碳纤维产能达到26000吨,产能在3000吨以上有4家公司,产业集中度在加速,4家千吨级碳纤维企业的产能已经占到全国总产能的75%。2019年国内碳纤维总销量大约是12000吨,销量/产能比为45%,而国际其他碳纤维厂家的销量/产能比达到75%以上。虽然国内碳纤维销量/产能比不高,产能得不到充分释放,但国内碳纤维的扩产愿意仍然强烈,扩产规模大。图3为国内碳纤维的产能分布,不同碳纤维厂商的扩产计划见图7。

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图3 2019年国内碳纤维产能分布

 

1.2 航空航天复合材料技术进入成熟期,风电和交通领域应用为碳纤维复合材料产业注入了新的活力

碳纤维复合材料是复合材料产业的技术和价值核心,2019年世界碳纤维复合材料年用量约16万吨,市场总价值约170亿美元。碳纤维复合材料用量排名前四的分别是风电(约26%)、航空航天(约23%)、体育休闲(约14%)和汽车(约11%)。碳纤维复合材料销售收入排名前四的分别为航空航天(约63%)、体育休闲(约15%)、汽车(约6%)和风电(约4%)。

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图4 2019年全球不同领域碳纤维复合材料用量及销售收入

在全球航空航天碳纤维复合材料市场中,大型商用飞机应用占据了67%,支线飞机12%,直升飞机约6%,军机12%。大型商用飞机的高产量和复合材料高使用比例,使其复合材料的需求量占绝大多数市场份额,随着大量采用复合材料的B787和A350飞机的批量生产,以及Boeing和Airbus系列飞机的改进改型复合材料用量的提高,这一比例将进一步达到航空碳纤维复合材料总用量的80%以上。

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图5 航空航天碳纤维复合材料的分布情况

风电和汽车应用为碳纤维复合材料产业注入了新的活力,推动碳纤维复合材料发展跨入到以工业应用为主的新阶段。以Vestas为代表的风电碳纤维复合材料市场规模接近39000吨,以BMWi3为代表的汽车复合材料目前市场规模超过18000吨,但由于相对较高的原材料成本及制造成本,碳纤维复合材料尚难大比例替代传统结构材料。

国内碳纤维复合材料在航空航天、新能源,汽车和轨道交通,体育休闲,建筑和基础设施等领域也得到大量应用,产业规模迅速扩大。国内四代机复合材料用量达到27%,大型运输机复合材料用量达到9%左右,直升机复合材料用量达到42%,C919大型客机复合材料用量10%左右。2016年开始,国内民用复合材料生产量已超过德国、日本和美国,2019年碳纤维复合材料产量达到5.8万吨,占世界复合材料产量的38%。由于这些应用主要为风电叶片和体育休闲,大部分处于中低端,其产值仅为世界复合材料产值的23%左右。

1.3 碳纤维复合材料自动化制造技术日趋普遍,美国、日本、法国、德国等发达国家成为航空航天复合材料的制造强国和大国

随着碳纤维树脂基复合材料在航空领域的广泛应用,复合材料制造工艺向多元化和自动化快速发展,复合材料成型工艺从初期的手糊和手工铺贴工艺发展到广泛应用自动铺放技术。2016年复合材料构件自动化制造比例达到50%。以劳动强度大、过程可控性差、污染严重为特点的手糊工艺已经基本消失,以劳动力密集为特点的手工铺贴工艺也已经减少至30%。

复合材料成型工艺方法的发展过程.jpg

图6 复合材料成型工艺方法的发展过程

 

20年前由于劳动力成本因素,以劳动密集为特点的复合材料制造业曾有向中国、马来西亚等发展中国家转移的趋势已经不复存在,美国、日本、法国、德国等发达国家承担了80%左右航空航天复合材料构件的制造,继续保持航空航天复合材料的制造大国和强国地位。

国内碳纤维树脂基复合材料经过30多年的发展,建立了复合材料研发平台和制造基地,研制的环氧、双马和聚酰亚胺等复合材料满足航空航天领域的应用需求,发展了热熔预浸料和热压罐成型、纤维缠绕成型、树脂传递模塑(ResinTransferMolding,RTM)成型工艺技术,自动铺带和自动铺丝、预浸料自动拉挤等先进高效的工艺技术也开始得到应用。

2 国内碳纤维树脂基复合材料产业化技术发展存在的问题

2.1碳纤维研发和生产企业技术积累不够,碳纤维高端产品缺乏,中低端产品成本居高不下,缺乏国际竞争力

国产碳纤维发展以跟踪仿制模式为主,自主创新能力不足。国产碳纤维高端产品缺乏,目前国内只有国产T800级碳纤维进入工程化应用验证阶段,更高性能的T1100G碳纤维、TORAYCAM40X碳纤维还处于跟踪研发阶段;中低端产品成本居高不下,宇航级T300、T700级国产碳纤维价格国外在1000元人民币/kg以内,国内在3000-4000元人民币/kg,缺乏国际竞争力。一方面国产碳纤维产能难以达标,另一方面由于性价比低的原因,国内树脂基复合材料用碳纤维仍需大量进口。涉足碳纤维研制生产的单位数量多,低水平无序扩张愈演愈烈,产业陷入投入依赖陷阱,真正具有竞争力和可持续健康发展的碳纤维龙头产业尚未形成。图7为国内近期碳纤维企业的扩产计划。

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图7 不同碳纤维厂商的扩产计划

2.2 碳纤维树脂基复合材料制造工艺装备落后,自动化程度低,大规模工业化生产成套工艺与装备研发能力不足

国内碳纤维树脂基复合材料结构应用以跟踪替代为主,自主设计应用能力较弱,自动化成型工艺的应用比例不足20%。复合材料设计和工艺技术落后使复合材料性能离散大、减重效率和成品率低、成本高,已经成为制约复合材料应用的突出问题。

国内碳纤维树脂基复合材料关键制造装备总体处于以引进为主,研仿为辅的状况,部分装备如热熔预浸机、缠绕机、热压罐、热压机的设计制造取得了一定突破,基本能够满足复合材料制造的要求。复合材料自动铺放设备、预浸料自动拉挤设备的研制也取得了重要进展,但在科研和生产中发挥主要作用的还是进口装备。

 

2.3 碳纤维树脂基复合材料设计与应用水平不高,高端领域应用前景不明

国内碳纤维树脂基复合材料应用水平与发达国家存在明显的差距。国外研制的B787、A350等大型客机复合材料用量达到了50%以上。国内研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2%,正在研制的C919复合材料用量仅达10%左右,且大部分构件主要直接从国外进口预浸料制造生产。树脂基复合材料在大型客机等民用航空领域难以形成规模。

虽然国内民用树脂基复合材料生产量已超过德国、日本和美国,2019年占世界复合材料产量的38%,但这些应用主要处于中低端,附加值低。碳纤维树脂基复合材料缺乏高端民用领域的牵引,高端复合材料产业前景不明。

3 国内碳纤维树脂基复合材料产业发展面临的发展机遇

3.1 国内碳纤维树脂基复合材料发展需求

国内碳纤维树脂基复合材料已经初具规模,2019年国内碳纤维复合材料生产量达到58000吨,体育休闲领域碳纤维复合材料生产量达到21000吨左右,建筑、压力容器、汽车、电子电气等领域碳纤维复合材料生产量达到10000吨以上,未来这些领域碳纤维复合材料的用量将保持3%~10%的速度继续增长。

航空航天领域是碳纤维树脂基复合材料高端应用的重要领域。我国正在研制的CR929宽体客机不但尾翼级次承载结构应用碳纤维增强复合材料,机翼、机身都将采用复合材料,用量超过50%。商用航空发动机的风扇叶片、包容机匣、发动机短舱都需要采用高韧性碳纤维复合材料制造,以提高发动机的推重比。新一代重型运载火箭、可重复使用运载器和新一代卫星导航系统等研制急需T800级和T1000级碳纤维复合材料,以及高强高模M55J级碳纤维复合材料。航空航天领域碳纤维复合材料的应用规模将有明显的增长。

随着低风速风场和海上风电大型叶片的发展,碳纤维复合材料在风电领域的用量将持续高速增长。国内主要的叶片制造商:洛阳双瑞科技、中材科技、重通叶片、明阳风电、中复连众、时代新材等均在积极推进碳纤维应用。2018年双瑞科技83.6米的中国最长海上风电叶片下线,由于超长风电叶片承载要求,必须采用了碳纤维大梁,标志着国内风电领域开始应用碳纤维复合材料。2019年风电领域碳纤维复合材料生产量达到

21000吨左右,未来风电领域碳纤维复合材料的产量将进一步快速提升。

国内轨道交通发展处于国际领先水平。更高速度的高速列车、磁悬浮列车对轻量化的要求非常迫切,大量应用碳纤维复合材料是未来减轻列车结构重量的重要发展方向。中国高速列车3500组车如果复合材料使用率达到30%,将产生每年数万吨的市场规模。

3.2 国内碳纤维树脂基复合材料产业发展重点

(1)国内碳纤维树脂基复合材料的发展目标碳纤维

建立符合我国应用需要的碳纤维技术与产品系列,碳纤维性能和价格具有国际竞争

力。突破碳纤维原丝生产技术,形成多元化技术体系;自主研发碳化、石墨化等关键设备,降低生产成本,提高产业化水平。高性能碳纤维力学性能达到或超过TORAYCAMX相当水平,满足国防、国家大飞机、载人航天等重大工程的需求。低成本碳纤维符合拉伸强度2.8GPa、拉伸模量280GPa和断裂伸长率1%的国际标准,支撑建筑、交通、新能源等战略性新兴产业的发展。在“十四五”末期,碳纤维销量达到50000吨/年,销量/产能比达到60%以上。

碳纤维树脂基复合材料:建立完整的碳纤维树脂基复合材料自动化制造技术体系,实现复合材料自动铺放装备的自主制造,大型复合材料构件自动化制备技术应用比例提高到60%以上;实现T800级碳纤维及其复合材料在武器装备、大型宽体客机、载人航天等领域的批量稳定应用,主结构应用减重效率达到30%以上,综合性能具备国际竞争力;研发新一代高强高模高韧碳纤维复合材料,实现在装备应用的考核验证。

面向新能源和交通领域的应用需求,全面突破高压RTM、快速热压、快速固化等系列低成本工艺关键技术,突破低成本碳纤维复合材料在风电、交通等领域规模应用关键技术,构建集碳纤维研制生产、复合材料研制生产、装备国产化研制、复合材料设计和应用的完整产业链条,实现低成本碳纤维复合材料在风电、交通等领域规模应用。在“十四五”末期,碳纤维复合材料在民用领域应用达到80000吨/年以上。

(2)国内碳纤维树脂基复合材料技术发展重点

a.碳纤维技术发展重点:

1)创新开展高性能碳纤维的研发,建立具有中国特色的高性能碳纤维技术与产品体系,实现碳纤维性能达到或超过TORAYCAMX系列,实现从跟踪到超越的跨越。

2)突破低成本碳纤维制备关键设备和工艺技术,建立千吨乃至万吨级低成本碳纤维生产线,产品性能符合拉伸强度2.8GPa、拉伸模量280GPa和断裂伸长率1%国际标准,产品价格具有国际竞争力,支撑碳纤维复合材料在轨道交通、新能源等战略性新兴产业的应用。

3)高强中模高韧碳纤维(T800级)复合材料通过在武器装备和国产大型客机等的应用考核验证,实现T800级碳纤维复合材料在航空装备等批量应用。

b.复合材料技术发展重点:

1)全面突破复合材料自动铺放装备和制造技术,建立完整的先进复合材料自动化制造技术体系,实现复合材料自动铺放装备的自主制造,大型复合材料构件自动化制备技术应用比例提高到60%以上。

2)突破高性能热塑性复合材料预浸料和原位固结成型技术、热塑性复合材料原位反应成型技术,实现高性能热塑性复合材料在航空装备和车辆的批量应用。

3)发展真空状态下模具直接加热的新型非热压罐固化工艺,实现固化能耗和固化工艺成本降低50%以上,改善复合材料零件的固化均匀性和固化变形,开启高效低成本树脂基复合材料时代。

4)重点发展1~5min快速固化、高压RTM、快速热压等低成本复合材料制备单元工艺技术,建立基于纺织级腈纶原丝低成本碳纤维复合材料快速制造技术,实现在汽车、风电等领域规模应用的产业集群。

5)发展碳纤维复合材料高效回收技术和回收碳纤维再利用技术,建立碳纤维复合材料回收再利用专用装备,实现碳纤维复合材料规模化回收利用,支撑碳纤维复合材料在新能源和交通等领域规模应用和绿色发展。

(3)国内碳纤维树脂基复合材料发展战略重点

1)形成碳纤维龙头生产企业,具有规模生产系列高性能碳纤维和低成本碳纤维的能力。高性能碳纤维性能达到或超过TORAYCAMX系列,实现从跟踪到领先的跨越;低成本碳纤维性能达到国际标准,价格具有国际竞争力。分别建立高性能碳纤维和低成本碳纤维千吨级和万吨级生产线,成为国际碳纤维最主要供应商之一。

2)建立碳纤维复合材料联合研发中心,发展碳纤维复合材料新型成型技术和工艺装备,高性能结构复合材料和结构功能一体化复合材料,引领未来复合材料技术的发展。

3)建立碳纤维复合材料应用产业联盟,实现航空航天复合材料,风电复合材料,车辆和轨道交通复合材料,海洋工程复合材料的研发与规模生产,形成航空航天复合材料市场规模3000吨/年,风电和轨道交通等复合材料市场规模30000吨/年,成为全球复合材料最主要生产基地。

4 结束语

碳纤维复合材料产业的快速、规模化发展,需要先进完整的复合材料产业技术体系和工艺装备的支撑。应重点发展碳纤维大规模工业化生产成套工艺与装备技术,突破碳纤维性能提升和成本控制技术,实现规模化生产,满足国内复合材料发展对碳纤维的需求并参与国际竞争。发展复合材料自动化制造和成套装备技术,提升复合材料技术和装备实力,建立先进完整的复合材料产业技术体系。

重点突破风电,车辆和轨道交通等碳纤维复合材料规模化低成本应用技术,实现碳纤维复合材料在高端民用领域的规模化应用,真正把碳纤维复合材料产业做强做大。

碳纤维复合材料产业的持续、健康发展,需要有大量的专业人才支撑。依托相关高校完善学科设置,适当加强机械、纺织、高分子、材料等专业融合,加强跨专业复合型人才培养,在重点企业建立企业技术中心和重点实验室等高水平开放研究平台,建立有效的激励机制与合理有序的人才流动机制,促进人才的快速成长,满足复合材料产业持续发展对人才的需求。

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文章来源于《复合材料学报》 

作者:邢丽英、冯志海、包建文、礼嵩明


关键词:碳纤维基复合材料 复合材料 碳纤维

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