全球碳纤维高端技术格局及行业前景

全球碳纤维高端技术格局及行业前景

2009-12-30

金融危机下，国内碳纤维生产商还有发展空间吗？答案是肯定的。虽然当前世界经济发展面临重重危机，但碳纤维的需求仍在升温。除了传统的航空航天领域外，汽车、风力涡轮叶片及压力容器等碳纤维新市场正在兴起。据相关部门预测，世界碳纤维需求每年将以大约13％的速度飞速增长，预期2009年聚丙烯腈(PAN)基碳纤维全球需求量将达5万吨，到2012年将达6万吨，到2018年需求量将达到10万吨。7大碳纤维制造商——东丽、东邦、三菱丽阳、SGL、Hexcel、Cytec和Zoltek，已宣布计划在未来3～5年扩产78%，总投资额为87970万欧元(13亿美元)。短期看来碳纤维会供不应求，但到2012年供应可能会超过需求。国际碳纤维市场发展迅速，需求量不断增长给我国碳纤维行业，提供了难得进一步发展的机遇。但我国碳纤维行业基础薄弱，产业发展需要技术、人才和资金的持续投入，而且其应用领域对产品品质的要求非常严格。客观地说生产企业应量力而行，整个行业也应发出明确的信息、引导企业正确投资，使我国碳纤维产业快速健康地发展。

——日本生产商产能不断扩大

沥青基碳纤维在产业领域的需求也在增长，特别是在环境相关产业的开展引人注目，其市场规模约3000吨，预计到2012年将扩大到4000吨。沥青基碳纤维根据沥青的结晶状态，可分类为等方性和中间相两种，等方性耐热性和耐药品性、滑动性优异，中间相具有高强度、高模量等机械特性。除了大型的半导体晶片和太阳发电系统用硅基板制造炉用的需求急速增长以外，在PAN基碳纤维和CFRP的烧成炉，也作为必不可少的绝热材料使用。日本东丽工业有限公司、帝人股份有限公司，和三菱有限公司计划联手，大规模生产循环碳纤维，以促进高强轻质材料的回收利用。这3家企业共同掌握着全球碳纤维70%的市场份额。日本《化学经济》2008年3月临时增刊报道，碳纤维生产厂家相继增设生产能力。以PAN(聚丙烯腈)基碳纤维为例，除世界最大的东丽将在日、美、法3个基地增加生产线外，东邦特纳克斯也在日本和德国建设新的生产线。另外吴羽和日本石墨纤维这两家以煤炭沥青，和石油沥青为原料的沥青基碳纤维生产企业，也在2009年扩大产能。碳纤维企业正以能源问题和环境问题为契机，努力扩大市场需求。

碳纤维与金属相比，具有强度和模量、耐热性、导电性、耐磨性等优异特性，在体育休闲、一般产业、航空宇宙等领域广泛使用。PAN基碳纤维的世界需求估计约3万吨，以每年13%的速度，预期到2010年将增加到近5万吨。对于这种需求扩大，日本生产厂家从去年就提出了扩大产能计划。东丽2008年年初在日本本土提高了生产能力，并在2008年年底之前增强了在欧美的子公司的产能。另外东丽计划于2009年7月，设置加工性优异的特殊织物级的专用设备(1000吨/年)，这次扩大产能的投资额约710亿日元，其目的是为了应对今后航空机和产业用的需求增加，使集团的生产能力在2010年年末前扩大到2.5万吨/年，将其市场占有率由现在的34％提高到38％。帝人集团的东邦特纳克斯投资107亿日元，于2008年4月在日本本土的产能增加约6成，在德国的子公司TTE也将于2009年8月扩大产能，其目标是强化收益能力。在碳纤维成形隔热材料领域市场占有率达50％的吴羽公司宣布，在2012年以前分阶段增加在中国的隔热材料设备，达产后将比现在产能扩大3倍左右，并将销售额增加1倍，约达到120亿日元。

——碳纤维主要应用领域仍有发展

最近几年尤其在亚洲和欧洲，飞机乘客数量的增加促进了新飞机的需求增长。《空客全球市场预测》估计，2006～2025年间，飞机运营商将需要22700架客机和货机。这些OEM正引领着结构性复合材料用量的巨大增长，其中包括碳纤维，其最新的应用就是B787和A380飞机。航空航天领域是世界碳纤维的传统市场，根据世界第2大碳纤维生产商——日本东邦公司的预测，航空器中碳纤维复合材料的使用量，未来几年将以年均12％的速度继续增长，估计将从2007年的6820吨，增加至2010年是的10000吨以上，2012年可达13000吨。截至2007年12月空客A380收到了189个订单。A380为大型喷气式客机，其结构(包括主要结构)使用了22%的碳纤维复合材料。截至2008年1月中旬，波音公司宣布B787订单达到857架。B787中碳纤维/环氧预浸料的唯一供应商是东京的东丽公司(Toray)，2家公司已经就Torayca预浸料签订了长达18年的供应合同，一直到2021年。据报道787主要结构的合同价值，高达20.3亿欧元(30亿美元)。新型超大型客机——空中客车A380和波音787，均大量使用环氧树脂浸渍碳纤维，或碳纤维增强塑料(CFRP)作为主要的结构材料。空中客车A380已在2007年10月投入商业服务，波音787计划在2009年进入商业运营。

碳纤维复合材料约占A380飞机35吨结构材料中的20％以上，包括中央翼盒、机尾组件以及压舱壁；波音787中结构材料有近50%需要使用碳纤维复合材料和玻璃纤维增强塑料，包括主机翼和机身。金属结构材料采用碳纤维复合材料后不仅可以减轻机身质量，而且还可以保证不损失强度或刚度，大大提高了燃油经济性。新一代的客机将使用更高比例的碳纤维复合材料。空中客车公司日前宣布，碳纤维复合材料将在新一代喷气式客机A350XWB中用于主机翼和机身材料。碳纤维在中小型喷气客机中的需求也将快速增长。例如三菱重工计划利用碳纤维复合材料，制作新一代支线喷气客机MRJ主机翼和尾部组件，该机型预计在2013年进入市场。欧洲空中客车公司授予赫氏复材其远程宽体客机A350XWB主结构件的长期供应合同，此合同要求赫氏复材供应碳纤维复合材料直至2025年。随着A350XWB设计告一段落，在未来的几个月里，赫氏复材和空客公司将共同对用于主结构件的赫氏复材产品进行确认，并完成最终的规范和认证。此合同预计将给赫氏复材带来40～50亿美元的收入。

另外除用于主结构件外，赫氏复材的复合材料还将用于，A350的次结构件和内装饰部件，产品包括织物、树脂、预浸料、胶膜、蜂窝、HexMC模压件等，这些与A350相关的材料，也将为赫氏复材带来相当可观的收入。根据该合同赫氏复材将主要提供，用新一代高韧性环氧树脂浸渍HexTow茁中模量碳纤维的HexPly茁预浸料。赫氏复材为扩大产能将明显增加投资，以满足日益增长的A350的订单。确切的投资规模和时间将按照空客公司与其它供应商的预测进行。复合材料及其部件将由赫氏复材，在美国、法国、西班牙、德国及英国的工厂生产。风能发电成本低廉，已成为人类开发新能源的重要领域。预计未来5年风能发电的市场需求将以每年1%～20%的速度增长。近年来虽然风力发电产业发展很快，但风力发电装备的关键部件(叶片)，多使用玻璃纤维增强材料(GFRP)制造，难于满足叶片尺寸加大对刚性的要求。CFRP材料在叶片上的应用，无疑将促进风能发电产业的发展。就风能系统而言丹麦风机生产商维斯塔斯(Vestas)预测，到2020年全球的电力消耗量中，风电的份额最高将达到10%。该公司在风机叶片的载荷加强杆中使用碳纤维，目前为止已经安装了将近3.4万套的风机系统。西班牙Gamesa公司宣称，去年1月在全球已收到超过8000MW的风力发电机订单，其中3000MW已经安装完毕。

风电应用将推动大丝束(24K)碳纤维产量的增长。全球对清洁能源的需求还将促进终端产品制造商的持续投资。碳纤维在风机叶片中的应用到2010年，将成为继航空航天后的第2大应用。欧洲和亚洲在这一领域远远领先于美国。全球风机装机容量的增长速度正在加快，高碳纤维含量的长叶片制成的大容量风机将成为主要趋势。2008年新的风机装机容量大约

为19000MW。如果风机的平均容量为2.5MW，那么就需要安装7600台风机，叶片数量预计为22800片。

碳纤维在汽车行业需求前景也较为乐观。碳纤维复合材料传动轴、尾翼和引擎盖已经在汽车行业广泛应用，虽然现在主要是用在豪华车型，但预计未来将在大众车型中推广。日产汽车、本田汽车和东丽公司，将联手开发汽车车体用的新型碳纤维材料。合作企业还包括三菱丽阳和东洋纺织，目标在2010年代中期以前开始量产，使车体较使用钢材者轻40%。日本政府亦支持该项计划,希望在全球开发环保车辆的趋势中取得领先地位。日本经济产业省计划未来五年投资这项计划20亿日圆(1850万美元)。目前碳纤维价格仍高、但随着钢价持续上扬，将可缩小两者间的差距。而采用碳纤维材质将可改善车辆的燃料效能，并使二氧化碳排放减少30%。

——企业重视环境友好型循环碳纤维

碳纤维制品多用于特殊领域，其使用寿命和更新周期均有严格要求，大量废弃的碳纤维产品急待处理。据日本三菱人造丝公司估计，目前全球废弃的CFRP大约为1万吨，2010年可达2万吨。随着CF生产能力的扩大及增强材料的大量使用，环境友好要求企业重视CF的回收利用。发达国家已开始了这项工作：德国Thuringian(TITK)研究所开发的新工艺，不采用撕切处理就能从废弃CF纺织品中获取长度≥20mm，一般长度为30mm～70mm的碳纤维；西班牙INASMET运输安全机构经过两年的研究试验，采用化学和热解处理技术开发了CF-环氧树脂复合材料回收再利用的新途径，其回收产品可用于一般的CFRP。据中国环氧树脂行业协会专家介绍，日本东丽公司、帝人公司(日本东京)，和三菱丽阳公司计划联手大规模生产循环碳纤维，以促进高强轻质材料的回收利用。这3家企业共同掌握着全球碳纤维70%的市场份额，他们计划在2009年建立一个合资企业，从飞机和其他设备中回收和循环利用使用过的碳纤维。新公司的资金总额和所有权比率尚未确定，他们还计划邀请其他碳纤维制造商，如三菱塑料公司和吴羽公司来参与合作。该合资公司的风险是将回收工作外包给三井矿业公司福冈辖区的工厂。测试操作于4月开始，大约在今年秋天将标本运到这3家公司。

循环碳纤维的年产量将从开始的几百吨，增加到目前世界最大产量1000吨。据中国环氧树脂行业协会专家介绍，东丽和其他公司将从合资公司购买碳纤维，然后将其与塑料混合，制造成每千克约2000日元材料，该价比同强度不可回收材料低30%。汽车制造者将碳纤维视为轻质汽车材料，在东丽及一些其他公司的带动下，将进一步鼓励采用循环碳纤维，提高材料及零件可回收成分。关于碳纤维在汽车上的应用，首先在汽车车身、底盘的应用，由于碳纤维增强材料有足够强度和刚度，其适于制造汽车车身、底盘等主要结构件的最轻材料，可使汽车车身、底盘减重40～60％，相当于钢结构重量1/3～1/6；在制动摩擦片上的应用，碳纤维还因其环保、耐磨特点，而应用在制动摩擦片上，但含有碳纤维复合材料都格外贵，所以目前主要应用高档轿车；在座椅加热垫上的应用，碳纤维汽车座椅加热垫是一个突破，在汽车配套市场变得越来越受欢迎，将会完全替代传统的座椅加热系统；在轮毂上的应用，德国轮毂制造专家WHEEL SANDMORE，推出的“Megalight-Forged-Series”轮毂系列，采取2片式设计，外环为碳纤维材质打造、内毂为轻量化的合金，搭配不锈钢制的螺丝，较一般同尺码减轻重量40％左右；在燃料贮罐上的应用，采用CFRP在满足要求的条件下，可以实现压力容器的轻量化。