新聞發布
2020年碳纖維行業研究報告
2020-09-18

來源:安信證券

1. 碳纖維需求總量判斷:全球市場穩步增長,中國發展速度較快

近年來,全球碳纖維市場需求呈穩步增長態勢。2019 年全球碳纖維需求 10.37 萬噸,據賽奧 碳纖維技術預測,未來 5 年碳纖維仍將保持約 13%的需求增速。

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全球的碳纖維下游應用主要是風電葉片、航空航天、體育休閑和汽車四大領域,2019 年這四 個領域合計需求 75800 噸,占比高達 80.9%,需求價值 23.24 億美元,占比達 80.98%。

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中國碳纖維市場近年快速增長,國產化率逐步提升。在 2017 年之前,國內市場需求大多被 進口纖維滿足,國產纖維在國內市場的份額與貢獻很少,2017 年,國產纖維達 7400 噸,實 現巨大增長,增速為 105%。2019 年中國碳纖維的總需求為 37840 噸,對比 2018 年的 31000 噸,增長了 22%,其中,進口量為 25840 噸(占總需求的 68%,比 2018 增長了 17.5%), 國產纖維供應量為 12000 噸(占總需求的 31.7%),國產纖維供應增速為 22%。2019 年的增 長率少于 2018,其重要原因是供不應求。據賽奧碳纖維技術預測,未來國產碳纖維需求有望 實現 30%的較高增速,高于全球(約 10-15%)的水平,樂觀估計在 2025 年前后,國產碳纖 維有望超過進口。

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國內碳纖維仍主要為日本產品。當前國內碳纖維的需求主要由國內、日本和中國臺灣滿足。從直接數據來看,國產碳纖維是國內碳纖維的最大供應方,但實際上,日系產品仍是國內碳 纖維需求的最大來源,因為從韓國進口的碳纖維主要來自于東麗在韓國的子公司東麗(韓 國),此外,被東麗收購的 ZOLTEK 在墨西哥、匈牙利和美國生產的產品也可歸為日系產品。從碳纖維的市場需求量來看,國產碳纖維已逐漸向日本產品靠攏,但在價值上仍有較大的差 距。2019 年國內碳纖維最主要的使用領域是風葉電片,是行業超高增長的主要驅動者。大陸和 臺灣的體育休閑領域合計也占據了總應用需求的半壁江山。

2019 年風電消耗 13,800 噸碳纖 維,較 2108 年的 8,000 噸增加 72.5%。2019 年用于風電的國產碳纖維大約有 1,000 噸,而 2018 年是全部進口。顯然,這幾年跳躍式增長的風電葉片用量(2017:3,060 噸,2018:8,000 噸,2019:13,800 噸),給國內碳纖維企業帶來了難得的發展機遇。

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根據我們對各個細分市場的掃描式分析,2019 年全球碳纖維市場由風電領域及航空航天領 域提供主要需求增量,這主要依賴于 Vestas 碳纖維風電機組市場的快速拓展、民航交付量 的大幅提升、以及我國航空航天裝備的升級和放量,未來這兩個領域仍有望維持較高增長。長期來看,汽車輕量化及氫燃料電池發展帶來的碳纖維市場空間巨大,隨著成本方面及應用 方面問題的突破解決,碳纖維需求有望爆發增長。下文,我們將分別對各個應用領域進行較 詳細的分析。

2. 風電葉片領域:大尺寸化拉動碳纖維需求

2.1. 低風速風場和海上風電共同推進葉片大型化發展

風能作為一種最具成本優勢的可再生能源近 10 年來在世界范圍內取得了飛速發展,據世界 風能協會(WWEA)發布的最新新聞數據顯示,截止 2019 年全球風電裝機總量達 650GW, 較 2018 年增長 10%,其中,中國裝機數量高居榜首——超過 200GW。2019 年全球新增風 電裝機容量為 60GW,較 2018 年增長 19%。根據 GWEC 預測,2020 年至 2022 年新增風 電裝機容量將按 9%的年增長率遞增。

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為了能在有限的土地面積上實現大規模發電,提高風力發電效率,葉片需要往大型化的方向 發展。但葉片長度增加會導致葉根受到的荷載增加,使葉根疲勞失效,還會使風輪在擺動方 向受到較大荷載,導致扭轉變形。葉片重量增加導致的荷載上升會增加主梁帽層間失效的風 險,若重量的增加大于剛度增加,葉片還易發生共振,破壞結構。因此隨著葉片的大型化, 使用高剛性、高比強度、高比拉伸模量的材料制造決定葉片剛性的主梁非常必要。傳統的葉 片制造材料玻璃纖維復合材料無法滿足這些要求,而碳纖維復合材料密度更低、強度更高, 是風電葉片大型化、輕量化的首選材料。

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出于成本考慮,碳纖維復合材料在葉片制造中主要用于梁帽、葉根、葉尖和蒙皮等關鍵部位, 其中最主要的應用部位是主梁帽。近年,隨著碳纖維價格走低,其在風電葉片中的應用部位 有望增加,從而帶動需求量提升。

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2016 年以來,低風速風場和海上風電共同推進了葉片的大型化發展,加上碳纖維成本走低, 葉片復合材料工藝得到創新,風電領域對碳纖維的需求大幅增長。隨著風電機組裝機量穩步 增加以及大型化機組滲透率提升,預計碳纖維在風電領域的需求將持續增長。

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2.2. Vestas 引領風電葉片進入碳纖維時代

2015 年以前,風電葉片的碳纖維主要采用預浸料或織物的真空導入加工工藝,部分采用小 絲束碳纖維,因此平均價格較高。2015 年后則主要采用大絲束碳纖維拉擠成型工藝,成本 明顯降低。能夠采用高效低成本高質量的拉擠梁片要歸功于 Vestas 在大梁結構的革命性創 新設計。Vestas 把原本為一個整體的主梁主體受力部分拆分為拉擠梁片標準件,然后把這些 標準件組裝成型。這種設計優點在于,拉擠成型工藝生產的復合材料纖維體積含量高,主梁 主體承載的重量降低;拉擠梁片標準件生產效率高;產品性能穩定;運輸成本和組裝整成本 降低。Vestas 憑借拉擠成型工藝迅速打開市場,一躍成為風電產業龍頭,據賽奧碳纖維數據, 2019 年 Vestas 風機新增裝機容量 9.6GW,以 18%的份額領先全球。

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Vestas 的碳纖維復合材料主要由 Zoltek(被東麗收購)、土耳其的 DowAska、國內的光威 復材和江蘇澳盛以及中國臺灣的臺塑提供。2017 年國內為 TPI 公司(Vestas 風電葉片主要 供應商之一)等進口的碳纖維量由2016年的2465 噸銳減至240噸纖維,差額主要源于Vestas 堅定了使用大絲束拉擠成型工藝制備梁帽的路線,使得碳纖維的供應來源向國內的光威復材 和江蘇澳盛轉移。2018 年光威復材生產碳梁 5002 千米,2019 年生產 6979 千米,同比增長 40%。

Vestas 的碳纖維消耗量在風電葉片領域為全球之首,2017 年消耗 2 萬噸,占比高達 83%。根據我們測算,假設 Vestas 市占率不變,2018-2022 年其消耗的碳纖維量將達到 2.8/3.0/3.2/3.4/3.7 萬噸。由于風電機的大型化趨勢在歐洲增長較為穩定,目前以中國、印度 為中心的亞洲以及南美為增速較快的市場。Vestas 在全球共有 11 個風電葉片廠,在天津設有涵蓋葉片廠、控制器廠、發電機廠及機艙廠的大型一體化風能設備制造基地。TPI 在全球 共有 11 個風電葉片廠,在國內江蘇大豐,江蘇太倉和江蘇揚州都設有工廠。國內碳纖維供 應商如光威復材等將顯著受益。

Vestas、Gamesa、GEC 等海外風電制造企業已對碳纖維市場有了較成功的開拓,據中國產 業信息網報道,我國時代新材、中材科技、重通成飛、明陽風電、中復連眾等主要的葉片制 造商也在積極推進碳纖維應用。南車時代新材與國防科技大學聯合自主研發的 2MW 超低風 速碳纖維葉片于 2014 年試制成功,在國內率先成功研制該類產品,成為南方地區低風速風 場復合材料葉片霸主;中材科技自主開發了采用碳纖維主梁的 Sinoma75 產品,已在福建興 化灣掛機;重通成飛于 2018 年開發出長達 83.6 米、重 25.2 噸的碳纖維葉片,較傳統玻璃 纖維減重近 25%;明陽風電在研的 155 米直徑的風輪運用到了碳纖維和玻璃纖維混合編制 的技術來降低風輪重量;2017 年中復連眾 68 米的碳纖維海上風電葉片通過江蘇省首臺重大 裝備產品件認定。我們以 Vestas 產品為參照對象,根據國內風電機的裝機量可測算出,當前, 國內碳纖維風電葉片潛在的市場空間約 6 萬噸,市場空間巨大。

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3. 航空航天領域:民航及航空裝備是拉動需求的又一重點

3.1. 碳纖維復材在民航結構件上占比可高達

50% 航空航天領域的產品耗資巨大,即使是很小的減重也能對總成本產生巨大影響,據波音公司 估算,噴氣客機質量每減輕 1 kg,飛機在整個使用期限內可節省 2200 美元;美國 NASA 數據顯示,航天器每減重 1 千克,將增加 1kg 有效載荷,可以節約 2 萬美元。因此材料的輕 量化在航空航天領域至關重要。

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全球航空航天領域碳纖維近幾年穩定增長,2019 年需求 2.35 萬噸,同比增長 12%。Mordorintelligence 預計全球航空碳纖維市場 2019 年-2024 年復合年增長率將超過 11%。中國市場 2018 年需求 0.11 萬噸,同比增長 22.2%,高于全球水平。中國市場在全球市場的占比逐年 增長,從 2015 年的 3.1%增長到 2019 年的 4.68%,2022 年有望占全球航空航天領域碳纖維 需求的 6.3%。2017 年,經過了前幾年的技術研究和下游產品的研發準備,隨著新航空航天 設備研制結束,批產期到來,國內航空航天領域碳纖維需求迎來快速增長,根據賽奧碳纖維 預測,隨后兩年都有望保持 20%以上的高速增長。

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1970 年代起碳纖維開始在飛機阻流板,升降陀等二次構造材料上被使用。積累了實際使用經 驗后,1980 年代后期開始,尾翼和客艙等一次構造材料上也逐漸開始使用碳纖維。美國波音 公司和歐洲空中客車公司這兩家大型飛機生產企業在各機型上不斷增加碳纖維的使用量,飛 機零部件使用的碳纖維型號也從早期的 T300 變化成 T700、T800 以及高模高強的 M 系列碳 纖維。

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2007 年投入運營的空客 A380 以及 2009 年起航的波音 787 單機都使用了超過 30 噸的碳纖 維增強復合材料。波音 787 的主翼和艙體全部采用碳纖維增強復合材料制造生產,外板也采 用全碳制造,碳纖維增強復合材料占據了其結構重量的約 50%,可以說是一款劃時代的飛機, 該款機型是 2015 年前拉動碳纖維需求增長的主要驅動力。2016 年開始,空客 A350 成為增 加碳纖維需求的重要助力,2017 年空客 A350XWB 交付 78 架,比 2016 年增加 60%。此外, 2019 年亮相的波音 777X 對發動機和復合材料機翼則進行了優化設計,革命性地采用整體翼 梁設計,機翼長度達 32 米,4 根翼梁需要約 640km 碳纖維絲束,降低了 777X 的空機重量。

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3.2. 商飛及航空裝備有望拉動我國碳纖維需求

商用飛機是未來驅動我國碳纖維需求增長的重要引擎。我國的民航飛機企業中國商飛公司研 發的國產客機也應用了碳纖維,C919 是碳纖維材料首次在國產客機大規模應用的機型,碳 纖維復合材料用量約為 12%,主要采用 T300、T800 級別的碳纖維。應用部位包括水平尾翼、 垂直尾翼、翼梢小翼、后機身(分為前段和后段)、雷達罩、副翼、擾流板和翼身整流罩等。此后,C919 系列飛機的復合材料比例有望逐漸提高,復合材料產業鏈將會朝國產化進一步 邁進,推動國內碳纖維企業發展。

據商飛規劃,中國商飛公司與俄羅斯聯合航空制造集團聯合研制的遠程寬體客機 CR929 的 碳纖維復合材料用量預計超過 50%,主要運用 T800 級別的碳纖維。據復合材料傳媒報道, 中航復材受中國商飛委托開展 CR929 用碳纖維復合材料研究工作,光威復材、中簡科技、 恒神股份等公司也在推動 T800 級別碳纖維的研發開發。

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根據新材料在線報道,我國首次使用航空復合材料要追溯到 1970 年代中期,殲 12 飛機的進 氣道壁板使用吉化的高強一號碳纖維制造。其他機型在不同部位也應用了碳纖維復合材料, 占比 0~20%不等。軍用碳纖維的應用涉及國防安全問題,由于日本和美國對我國禁運,所以 碳纖維國產化十分迫切。中國對國防軍工碳纖維的研究始于 1962 年, 20 世紀 80 年代,通 過從國外引進碳纖維技術和設備,我國碳纖維行業才開始發展。本世紀初我國開發出了 CCF300 和 HF10A 型號碳纖維,與東麗 T300 性能相當;根據公告,光威復材在攻克 T300 級技術后,在 T800 級高強中模碳纖維生產技術的攻克也取得突破性進展,其 T800 產品已被 選用驗證。

根據飛行國際的數據,我國約 60%的軍用飛機面臨退役,將換成新一代空戰力量,這將在很 大程度上拉動高端碳纖維復合材料的需求。在常規武器裝備領域,我國武器的更新換代也迫 切需要采用輕質高強、耐腐蝕的碳纖維復合材料來替代以往的金屬材料,可見碳纖維市場需 求將不斷增長。

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3.3. 國產航天級碳纖維突破技術封鎖

航天方面,向宇宙發射搭載了衛星等設施的火箭和太空梭需要消耗大量的財力和能量,因此 減輕材料的重量至關重要,碳纖維對于人造衛星和火箭等的大型化上做出了重要貢獻,如國 產人造衛星的結構體、太陽能電池板和天線中使用了碳纖維復合材料。高真空環境中,在強 烈宇宙射線和紫外線的暴曬下,碳纖維材料的熱膨脹系數僅為金屬材料的 1/10 左右,具備 對抗溫度變化的穩定性。碳纖維還具備優異的比強度、比拉伸模量和各向異性,是最適合宇 宙用途的材料。今后隨著通訊衛星等設備發射數量的增加,碳纖維的市場將不斷擴大。

我國航天級碳纖維制造技術在不斷突破美日的技術封鎖,根據公告,現在國內光威復材、中 簡科技、中復神鷹已經有能力生產 MJ 級別的高強高模碳纖維。

4. 汽車船舶領域:優化制造成本將有望打開市場

碳纖維在汽車、船舶等交通工具的制作上都有不小的貢獻。賽車首先使用了碳纖維增強復合 材料,不僅實現了輕量化,高強度和高剛性的車架還具備高沖擊力吸收的能力,為駕駛員的 安全提供了必要保障。碳纖維增強復合材料的優越性能被賽車證實后,在高級車上也開始普 及,在構造部件和外部部件都有所應用。碳纖維同樣活躍于小船,游艇,大型船艇等船舶上, 其輕量化的特性能提高船舶的航行速度,還能節省燃料。碳纖維增強復合材料和以往使用的 玻璃纖維復合材料有近似的中間基材形態和成型法,能較容易地進行材料替換。

2019 年汽車領域碳纖維需求 11800 噸,增速為 9.26%。預計未來兩年仍有望保持 10%左右 的增速。

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4.1. 節能減排政策推動汽車輕量化

汽車產業是國民經濟和社會發展的重要因素,是國民經濟的重要支柱產業。隨著我國經濟快 速發展,城鎮化進程持續推進,汽車需求量在長時間內仍將保持增長勢頭。但汽車大量增加 會帶來能源緊張和環境污染問題。為了緩解能源緊張和環境污染帶來的壓力,實現汽車產業 可持續發展,亟需發展節能汽車與新能源汽車。

我國于 2005 年開始實施乘用車單車油耗限值標準,現已經歷了三個階段,2016 年進入第四 階段。國務院于 2012 年發布了《節能與新能源汽車產業發展規劃(2012—2020 年)》,提 出了第四階段國家乘用車產品平均燃料消耗量是 2020 年降至 5.0L/100km 的目標。在工業 與信息化部 2015 年發布的《中國制造 2025》中又提出 2025 年降至 4L/100km 左右的目標。

為了滿足規定的油耗指標,汽車制造商可選擇兩條路,一是提高發動機效能,二是車身減重。我國由于技術積累等原因,短期內難以在提高發動機效能方面取得進展。傳統發動機的油耗 改進措施有限,很難滿足平均油耗降到 5.0L/100km 的目標。2016 年國產傳統車平均燃料消 耗 6.83L/100km,離 5.0L/100km 甚至 4L/100km 的目標仍有一定差距。但是輕量化的道路 無疑前景廣闊。實驗證明,一般整車重量每減少 10%,油耗可以降低約 6%-8%;汽車整 備質量每減少 100 公斤,每百公里油耗可降低 0.3-0.6 升,因此為了滿足平均燃料消耗量 2020 年降至 5.0L/100km、2025 年降至 4L/100km 的目標,傳統內燃機汽車輕量化是降低油耗的 必然選擇。

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不僅是中國,全球汽車廠商同樣面臨嚴峻挑戰。美國奧巴馬政府于 2012 年出臺的方針,要 求 2025 年前美國汽車每加侖汽油行駛 87.7 公里,即每 100 公里耗油大約 4.32 升。2018 年8 月 2 日,特朗普公布計劃下調奧巴馬時代制定的新車燃效標準的提案,2020 年聯邦政府將 不再出臺新的燃效標準,建議未來燃效標準停留在 2020 年每加侖汽油行駛 56.3 公里,約每 100公里耗油6.72L 的水平,但此舉遭到包括加州在內的美國19個州以及華盛頓特區的反對。歐盟委員會于 2015 年出臺新的減排法規,規定到 2021 年歐盟境內銷售的新乘用車二氧化碳 排放量上限為 95g/km。嚴格的排放法規使各大汽車廠商紛紛采取行動,將節能減排納入未來 發展戰略的重要組成部分,與此同時,作為節能減排的重要措施,汽車輕量化受到各大廠商 的重視。

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4.2. 碳纖復合材料有望成為汽車結構件輕量化材料首選

汽車輕量化的主要手段包括選用輕質材料、優化結構設計和改進制造工藝等。相比于前者, 優化結構設計和改進制造工藝帶來的減重效果較小,因此目前實現汽車輕量化主要方向是選 用輕質材料。

現階段應用最廣的汽車輕量化材料是鋁合金,在輪轂、發動機、散熱器、 油管等方面有著 應用廣泛。鋁的密度僅為鋼鐵的 1/3,導熱性和耐腐蝕性好,且鋁合金強度高、吸能性好。但鋁合金工藝復雜且后續維修費用高,普通車企還需要攻克焊接等一系列技術難題才能將此 材料應用到汽車生產中。

鎂合金也很適合用于制造汽車零件。鎂是實際應用的金屬中最輕的金屬,其密度約為鋁的 2/3。鎂鑄件最早應用于車輪輪輞,現也應用于離合器殼體及踏板、座椅、轉向柱部件、轉向 盤輪芯、變速箱殼體、發動機懸臵、氣缸蓋及罩蓋等零部件。但鎂合金車身板件的制造加工 成本要比鋁制板件高出 3 至 4 倍,因此并沒有被廣泛使用。

相比之下,碳纖維密度小、耐腐蝕、比強度和比模量高、易成型、還能節能抗震,是優異的 汽車輕量化材料,目前主要應用于車身、底盤、保險杠等零部件。車身和底盤是汽車零部件 中重量最大的部分,占了總重的約 60%,最具輕量化潛力。材料的強度和模量是選擇車身底 盤材料時最重要的力學指標,碳纖維在這兩方面遠優于其它材料,此外,碳纖維在碰撞中的 能量吸收能力是鋼或鋁的 4-5 倍,用于車身結構部件時能提供良好的安全保障,因此碳纖維 有望成為汽車結構件首選材料。若用碳纖維復合材料結構制造車身,可比鋼體車身減重 60%, 提高 30%以上的燃油效率。根據 Tetsuyuki Kyono 的模擬測算,當汽車整車的 17%由碳纖維增強復合材料制造時,整體車重可減少 30%,減重效果顯著。

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4.3. 寶馬 i3 成首款全碳纖維車架的量產車

寶馬作為汽車制造行業的風向標,是率先將碳纖維應用到車體制造中的品牌之一。在 2013 年寶馬 i3 全球發布會上,公司指出碳纖維材料首次大量引入寶馬 i3,并專門采用了新的設計 理念,由 Life 和 rive 兩個模塊拼合來打造 i3。具體來說:Life 模塊是乘員艙結構,采用的是 碳纖維增強復合材料,大幅降低了整車重量;Drive 模塊是底盤,采用的是鋁合金材質,電 池和發電機臵于 Drive 模塊中。i3 整車重量為 1248kg,約使用了 200-300kg 碳纖維復合材料,占比約為 16%-24%。車身重量比傳統電動車減輕了 250-350kg。

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為了解決碳纖維的原材料供應問題,降低碳纖維成本,寶馬曾收購德國西格里(SGL)的部 分股權,并和西格里成立了合資公司 SGL ACF 專門生產碳纖維。除了寶馬外,其他汽車廠 商也逐步擴大碳纖維在汽車上的應用。國際上主要大型汽車廠商和碳纖維生產商正在形成合 作伙伴關系,通過合資、入股、聯合開發的方式共同開展碳纖維研究。

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4.4. 成本問題限制碳纖維汽車大范圍推廣

自從 1981 年碳纖維復合材料被運用于邁凱倫 Mclaren MP4-1 車型,亮相 F1 賽車場之后, 便進入了汽車制造的應用中。但到目前為止,碳纖維復合材料仍主要應用在高端跑車上,沒 有得到大規模應用,原因主要來自于高昂的成本。

碳纖維的材料加工成本過高。正如上文提到的,目前 90%以上的碳纖維生產采用的是 PAN 基碳纖維。PAN 基碳纖維的生產流程需要精細的制造工藝、原材料預處理,對設備提出很高 的要求,比傳統的金屬加工流程復雜得多。PAN 基碳纖維的生產流程最重要的一環便是對工 藝的把控,有時一條同樣的生產線,采用的設備、原材料和設臵的生產參數完全相同,生產 出的碳纖維質量卻很可能有很大差異,需要大量的生產經驗積累才能把控好制造工藝。此外, PAN 基碳纖維的生產前驅體(Precursor)是化工產品,價格直接與國際油價掛鉤,前驅體 的成本占據了碳纖維材料成本的 43%,油價波動極大影響了碳纖維的材料加工成本。因此, 碳纖維車身的價格要遠高于傳統的鋼鐵車身,鋼鐵車身加工成本每磅只要 4 美元,而碳纖維 車身每磅 16 美元,是鋼鐵車身成本的四倍,尚達不到可大規模生產的競爭力。image.png

 

此外,碳纖維車身的修復成本也是阻礙碳纖維汽車大范圍推廣的一大難題。碳纖維車身通常 一體成型,如果受到撞擊造成損壞只能將整體結構全部更換,無法像傳統鋼鐵車身那樣修復, 用碳纖維布和環氧樹脂填補的方法無法修復已被破壞的車身整體結構,修補后的車身結構強 度無法恢復到原來的指標,車輛的使用風險增加。對此,寶馬采用不加熱的膠粘鉚接工藝對 新型材料車身結構進行修復,通過膠粘使車身具有牢固的連接效果,膠粘部分還會再用鉚接 進行強化,恢復車身的安全性能。

5. 體育休閑領域:市場規模穩定

體育休閑領域是碳纖維最早應用的領域之一,早在 1970 年代,碳纖維就被應用于釣竿的制 作,現在,在體育休閑領域,碳纖維主要用于釣竿、高爾夫球桿、網球拍等產品的制作。傳統的釣竿由竹子制成,又長又重,操作起來很麻煩。工業化生產的現代合成材料釣竿的第 一代產品是玻璃鋼制成的釣竿。但現在上等的釣竿需要達到尺寸便攜,質量輕,硬度高的性 能,以便垂釣者可以精確投擲魚餌,及時捕捉魚上鉤的信號以及快速收線,在這方面玻璃鋼 桿已經無法滿足消費者需求了。奧林匹克釣具公司于 1972 年首次推出了用東麗的碳纖維制 成的“世紀魚竿”,這根魚竿的重量約為玻璃鋼桿一半,真正實現了釣竿的輕量化?,F在低端 的釣竿采用玻璃鋼或密度較差的碳纖維制成,而高端的釣竿則由碳纖維或納米硼纖維制成, 后者的主要材質仍是碳纖維,但在碳纖維素材中加入了 10%-20%的納米硼纖維。

高爾夫球桿同樣需要高強度、輕量化的性能,因其要求能準確地將高爾夫球朝指定方向打向 擊打并能夠達到足夠遠的地方。最早的高爾夫球桿由山核桃木材等天然材料制成,自 1920 年代起出現了鋼鐵桿,1970 年代以后碳纖維桿成為了主流球桿?,F在幾乎全部木制高爾夫 球桿以及 65%的鐵制高爾夫球桿都已經被碳纖維球桿所取代,碳纖維已成為推動高爾夫球運 動發展的重要材料。

網球拍的材料也同樣經過木制,鋼鐵,鋁合金到碳纖維的演變。碳纖維復合材料制成球拍擁 有擊球速度快、耐久性好、設計靈活性高等特性。美國于 1974 年首次推出碳纖維制球拍, 中國臺灣更是通過制造碳纖維球拍奠定了自己在全球復合材料加工技術上重要的地位,成為 網球拍王國。1978 年光男公司從國外引進碳纖維復合材料制造碳纖維拍,在這之后短短的 幾年間,碳纖維拍不但淘汰了傳統的木制球拍,還改變了世界網球拍的產銷結構,職業比賽 的球拍碳纖維含量可達 66%。

自行車是近年來碳纖維在交通工具/體育休閑領域中得到很大發展的一項應用。目前鋁制車架 成型車的重量約為 9.5kg,而碳纖維車架成型車的重量被控制在 7kg 以下,碳纖維框架實現 了相比鋁框架近 30%的輕量化,在山地車和公路自行車上十分適用。此外,撐桿、弓箭、滑 雪板、皮劃艇等運動器材也有碳纖維的應用。

2019 年體育休閑領域碳纖維需求為 15000 噸,同比增長 5%。體育休閑碳纖維市場產業規模 穩定,市場趨于飽和,短期內不會出現快速增長或明顯下滑。

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6. 其他領域:有望成為新的快速增長點

6.1. 高壓容器

美國和歐洲國家的天然煤氣罐以及用于消防及醫療用途的空氣呼吸機等高壓容器的制作都 已經開始廣泛采用碳纖維材料,日本和其他的亞洲國家也對這項應用抱有興趣。以往的鐵制 氣瓶重量大且重心高、安全性偏低,采用碳纖維制造的氣瓶能比鐵質氣瓶減少約 1/3 的重量。此外,高壓容器的對破裂特性要求很高,碳纖維的高比強度性能在這方面能有效發揮優勢。東麗、帝人、三菱麗陽、西格里等企業都有能應用于壓力容器的碳纖維產品。

隨著燃料電池突破低成本,高壓氫氣瓶迎來強勁需求。此外,歐美興起的頁巖氣收集、運輸、 貯藏產業需要高壓氣瓶,由此推動碳纖維壓力容器的需求。雖然目前碳纖維壓力容器的市場 不大,但卻有著較大的增長空間。

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6.1.1. 燃料電池汽車的發展推動儲氫罐碳纖維需求增長

各國政府大力扶持燃料電池汽車的發展,推動了用于制造燃料電池汽車儲氫罐的碳纖維需求 迅速增長。

美、日、韓、法將推廣氫燃料電池汽車提升到了戰略層面:2018 年美國起草中西部各州替 代燃料運輸走廊行動計劃,建立電動、燃料電池和 CNG 動力乘用車、卡車和公共汽車均可 補充動力的運輸路線;日本政府 2017 年 12 月 26 日正式發布了“氫能源基本戰略”,主要 目標包括到 2030 年左右實現氫能源發電商用化,以削減碳排放并提高能源自給率;據《韓 國先驅報》2019 年 1 月報道,韓國政府發布了一份提高國內氫燃料電池電動汽車(FCEV) 使用的發展路線圖,目標是到 2040 年生產 620 萬輛氫燃料電池電動汽車,并在全國建立 1,200 座加氫站;法國發布國家氫能計劃,2019 年投入 1 億歐元用于氫能工業、交通及儲能 等領域。

燃料電池汽車所用的氫燃料在常溫常壓下為氣態,密度僅為空氣的 7.14%,車載儲氫技術的 改進是氫燃料電池車發展的關鍵。將氣瓶作為儲存容器,通過高壓壓縮方式儲存氣態氫是應 用最廣泛的儲氫方式。高壓氣態儲氫容器共有四個型號,I 型為純鋼制金屬瓶,II 型為鋼制內 膽纖維纏繞瓶,III 型為鋁內膽纖維纏繞瓶,IV 型為塑料內膽纖維纏繞瓶。其中 I 型、II 型儲 氫容器因重量過重、儲氫密度低、容易發生脆斷,難以用于車載儲氫;III 型、IV 型瓶由于制 作內膽和保護層的材料密度低、氣瓶質量輕、單位質量儲氫密度增加,因此,燃料電池汽車 儲氫罐大多使用 III 型、IV 型這兩種型號。

歐美和日本的多家汽車公司如通用、豐田、本田已經開始使用質量更輕、成本更低、儲氫密 度更高的Ⅳ型儲氫瓶。我國的技術水平距國外還有一定差距,現階段用于乘用車儲氫罐的成 熟產品為 III 型儲氫罐,Ⅳ型儲氫瓶仍處于研發階段。

2014 年上市的豐田 MIRAI 是世界上第一款實現商業化的燃料電池汽車。MIRAI 共有一大 (117L)一?。?4L)兩個Ⅳ型高壓氫氣罐,外殼中層采用碳纖維復合材料。

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6.1.2. 我國儲氫罐碳纖維需求測算

我國 2017 年發布的《節能與新能源汽車技術路線圖》提出我國燃料電池汽車規模目標為:2020 年要達到 5000 輛,2025 年要達到 5 萬輛,2030 年要達到百萬輛。

現階段我國氫燃料電池汽車還局限于客車和專用車。GGII 數據顯示,2019 年我國共生產氫 燃料電池汽車 3018 輛,同比增長 86.41%。其中客車共 1335 輛,占 44%;專用車共 1683 輛,占 56%。預計我國氫燃料電池客車和專用車 2020-2025 年將進入區域成熟階段, 2025-2030 年將進入快速增長階段;而燃料電池乘用車預計 2020-2025 年將會進入階段量產 階段,2025 年后將進入商業化應用階段。假設每輛氫燃料電池客車和專車消耗 320kg 碳纖 維,2025 年氫燃料電池汽車產量達到 5 萬輛,則碳纖維需求量將會達到 16000 噸,2020 年 至 2025 年復合增長率達 58%。

image.png6.2. 土木建筑

碳纖維是建筑補強的最佳材料,因其輕便且強度高,不需要用到重型機械就可以貼合金屬板, 只要在施工現場經樹脂浸漬強化后就能進行施工。除了高比強、高比拉伸模量的特性外,碳 纖維還具不生銹的特性,在海岸潮濕環境下,相比于易生銹的金屬有不易被腐蝕的優勢。日 籍建筑師隈研吾與建筑材料生產商小松精練合作,利用碳纖維建造了全球首幢碳纖抗震建 筑,該大樓主體以混凝土建成,以碳纖維作地基,使用了小松精練的熱塑性碳纖維制成包圍 整幢建筑的碳纖維桿。我國南昌的生米大橋的主橋跨中橋面板及引橋梁體、匝道、橋墩橋臺 部位在 2017 年修復時采用了粘貼碳纖維布的施工工藝,增強了橋梁結構強度。

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歐美和日本的研究經驗表明,碳纖維復合材料加固后的房屋具有良好的抗震防震效果。我國 的建筑質量和震區的危房加固成效與歐美和日本相比尚有一定差距,也正因為如此,碳纖維 在我國土木建筑領域的研發及應用大有可為。



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