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碳纖維的產業化和市場突圍之道 復材云集|復合材料

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-25 14:51:14    瀏覽次數:326    評論:0
導讀

碳纖維性能優異工業材料,制造全環節技術為先(一)聚丙烯晴碳化及石墨化處理而得,原絲端及復合材料或為關鍵碳纖維是由有機纖維


碳纖維

性能優異工業材料,制造全環節技術為先

 

(一)聚丙烯晴碳化及石墨化處理而得,原絲端及復合材料或為關鍵

 

碳纖維是由有機纖維(主要是聚丙烯腈纖維)經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料纖維。碳纖維的含碳量在90%以上,具有強度高、質量輕、比模量高、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數小、耐高低溫等優越性能,是軍民用重要基礎材料,應用于航空航天、體育、汽車、建筑及其結構補強等領域。樹脂基碳纖維模量高于鈦合金等傳統工業金屬材料,強度通過設計可達到高強鋼水平,明顯高于鈦合金,在性能和輕量化兩方面優勢都較為明顯。

 

碳纖維成本也相對較高,雖然目前在航空航天等高精尖領域已部分取代傳統材料,但對力學性能要求相對不高的傳統行業則更看重經濟效益,傳統材料依然為主力軍。

 

全產業鏈看,制造碳纖維產品的上游原絲端與中游復合材料均是碳纖維產業鏈的核心環節,整個制造的全環節技術壁壘均高。作為碳纖維的前驅體,高質量的PAN原絲是制備高性能碳纖維的前提條件,但其中的聚合、紡絲、碳化、氧化等工藝并非朝夕能夠達成,其產業化工藝以及反應裝置核心技術是關鍵。

 

 

 

 

(二)大小絲束分類易于區分下游市場,質量過關的原絲是產業化前提

 

處于上游的碳纖維分類方式較多,可按照絲束大小分為小絲束和大絲束,該分類方式易于區分其下游市場。小絲束主要是指24K以下(指碳纖維絲束中單絲數量,1K=1000根),因其性能較為優異,常用于航空航天等領域。大絲束目前常為36K、48K,因其碳纖維粘連、斷絲等現象較多,使強度、剛度受到影響,所以性能相對較低、分散性也較大。但大絲束碳纖維生產成本較低,部分性能優于小絲束,48K大絲束最大的優勢,生產和應用效率高,可以大幅度實現低成本的目標,從而打破碳纖維高昂價格帶來的應用局限。故大絲束碳纖維被稱為"工業級"碳纖維,主要應用于汽車、風電等工業領域。

 

碳纖維制備過程中,質量過關的原絲是產業化的前提。碳纖維的強度顯著地依賴于原絲的致密性和微觀形態結構,質量過關的原絲是實現產業化的前提,是穩定生產的基礎。目前,比較常用的紡絲工藝是濕法紡絲、干濕法(干噴濕紡)紡絲。在致密性方面,干噴濕紡紡絲工藝是高性能碳纖維原絲的主流制備方法,且成本相比于濕法較低。

 

 

 

 

(三)高模高強為碳纖維技術發展方向,復合材料為下游應用主要形式

 

碳纖維技術發展至今已經歷三代變遷,同時實現高拉伸強度和彈性模量是目前碳纖維研制過程中的技術難點。近年來日美從兩條不同技術路徑在第三代碳纖維上取得技術突破,并有望在未來5-10年內實現工業化生產,對于提高戰機、武器的作戰能力意義重大。

 

東麗利用傳統的PAN溶液紡絲技術使碳纖維強度和彈性模量都得到較大提升:通過精細控制碳化過程,在納米尺度上改善碳纖維的微結構,對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進行控制。

 

以東麗較為先進的T1100G為例,T1100G的拉伸強度和彈性模量分別為6.6GPa和324GPa,比T800提高12%以及10%,正進入產業化階段。美國佐治亞理工學院從原絲制備工藝入手,利用創新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術,通過凝膠把聚合物聯結在一起,產生強勁的鏈內力和微晶取向的定向性,保證在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下,仍具備高強度,將碳纖維拉伸強度提升至5.5~5.8GPa,拉伸彈性模量達354~375GPa。

 

碳纖維復合材料是下游市場的應用形式。復合材料是由兩種或兩種以上不同性質的材料,通過物理或化學的方法,在宏觀上組成具有新性能的材料。各種材料在性能上互相取長補短,產生協同效應,使復合材料的綜合性能優于原組成材料以滿足各種不同的要求。復合材料根據不同物相在空間上的連續性,可以將其分為基體與增強材料。一般而言,碳纖維不單獨應用于下游領域,常作為增強材料形成復合材料。

 

 

 

 

碳纖維復合材料的制備難度,一方面在于基體樹脂材料的選擇,另一方面在于成型技術。基體樹脂材料的性能以及相對應的與碳纖維的配套體系,決定的是材料設計環節。但在該環節完成之后,無論制作試樣還是量產,都離不開成型以及相關技術,雖然實際上兩個環節不能完全分開。

 

成型加工過程賦予材料一定的形態,使之體現出必要的特性,與此同時,碳纖維復合材料成型中部分技術的成功實現,是碳纖維在商業航空領域得以規模化應用的前提。用于航空航天領域的CFRP構件此前大多使用預浸料工藝,但是預浸料工藝的成本較高,因預浸料的裁減和鋪疊過程是人工成本和工藝時間消耗最大的環節。

 

為改進這一情況,飛機制造商與材料供應商共同研究開發出了自動鋪放成型技術,達到了通過自動化和高速化完成對大型復合材料部件的成型、提高生產效率、降低生產成本的目的。通常使用鋪放成型技術可以比其他的成型工藝減少成本至少30%~50%。正是由于自動鋪放成型技術的出現,CFRP在商用客機上的規模化應用才能夠成為現實。

 

國內自動復合材料自動鋪放技術取得進展。飛機復合材料主承力構件主要采用預浸料成形技術制造,而自動鋪放成形是替代人工鋪疊、提高質量和生產效率的關鍵,在制造大型復合材料構件時優勢極為突出。

 

國外自動鋪放技術雖已成熟,但仍在不斷發展和進步,并通過開發新技術來實現復合材料構件低成本高效益制造;中國國內自動鋪放技術起步10多年,已有了長足進步,技術成熟度在不斷提高。

 

中航復材材料有限責任公司“在國內率先將數字化下料、激光投影和自動鋪帶技術應用于型號產品的研制和批量生產,降低了成本,縮短了制造周期,保證了產品的質量穩定性和一致性,縮短了與發達國家的水平差距”。綜合來看,國內在基體樹脂材料、成型工藝技術方面仍有較大的進步空間。

 

 

 

 

 

市場

 

高端領域重性能,中低端領域成本競爭

 

(一)商業模式:市場需求差異下高低端市場驅動力不同

 

高端市場對碳纖維及其復合材料有高性能要求,尤其在航空航天等高端裝備領域,而中低端領域成本競爭較為激烈。具體看,航空航天領域高端裝備及民航碳纖維商業模式及驅動力存在一定差異。航空高端裝備對碳纖維的需求更注重性能因素,而民用航空領域關注直接及間接成本因素。但因技術難度大、客戶綁定深,航空航天領域總體仍體現為高毛利率特征。

 

中低端領域對碳纖維性價比要求高,成本競爭較為激烈。

 

成本競爭一方面體現為下游客戶議價權較強。在常用的領域如風電、建筑材料等,碳纖維復合材料制造工藝相對簡單,且下游風電整機廠商客戶較為集中,買家議價權較強,可在碳纖維產業鏈中的不同環節選定不同供應商。如風電廠商維斯塔斯幫助光威復材協調部分碳纖維從臺塑進口,體現對成本以及分散上游供應商集中度的考量。

 

成本競爭的另外一方面常體現為碳纖維生產商主動綁定大客戶。碳纖維整體具有顯著的規模效應,產量的增加利于提高碳纖維制造商的盈利能力,綁定大客戶利于借助其市場需求較為穩定的增長充分發揮規模優勢。

 

此外,雖然碳纖維具有較優異性能,但由于多數客戶仍出于對“新事物”的擔憂,以及碳纖維復合材料的可設計性導致需要與客戶進行深度綁定以最大化發揮碳纖維性能,碳纖維應用范圍現階段仍然受一定限制。

 

 

 

 

民用航天航空領域,兼顧性能及成本。

 

一方面,民用航空由于安全性是首要考量的因素,材料廠商需要在前期進入飛機設計環節,與飛機整機設計商與制造商共同接受適航審查,無形中體現了卡位優勢,也加寬了民航產業鏈碳纖維制造企業護城河。例如,日本東麗T700系列碳纖維的研制,是針對波音公司對民機減重的要求下,對部分承力構件進行輕量化設計的過程中所提出的要求而進行開發的。

 

另一方面,民航制造商因航油價格高昂,達到輕量化目的的需求比其他領域更為強烈。當成本端達到制造成本低于后期節省燃油費用時,民用航空領域大規模使用碳纖維復合材料才成為可能。據上文所述,航空用碳纖維預浸料自動鋪疊技術的成功商業化,是民航規模化使用碳纖維復合材料的前提。后期隨著碳纖維復合材料制備工藝的提升,民用航空上使用比例有望逐步提高。

 

中低端產品以工業領域為主,性價比要求更高,成本競爭激烈。由于技術壁壘,大絲束碳纖維制造的核心技術基本上還是被美日壟斷把控,但國內企業已逐漸重視大絲束碳纖維領域的產業化。

 

 

 

 

從成本結構來看,原材料與能耗構成碳纖維主要成本。能耗是PAN碳纖維總成本中最高的部分,約占34%。而且碳纖維成本對于能源價格變動最為敏感,能源價格每千瓦時變動0.01歐元,每千克碳纖維成本變動0.83歐元。其次是前驅體所用原料成本,即丙烯腈、甲基丙烯酸酯、衣康酸,占比約19%,其中丙烯腈每千克價格變動0.01歐元則碳纖維成本每千克變動0.02歐元。最后是設備的攤銷成本占約18%。

 

發揮規模優勢是短期降成本的主要路徑,尋找性價比高的前驅體(PAN原絲)、提高轉化過程中的工藝技術以及垂直整合下游則屬于長期降低成本的主要思路。

 

(1)通過擴大工廠規模和生產線規模可以顯著碳纖維制造降低成本;

(2)尋找原材料替代品,比如以木質素(硬木或軟木)作為替代PAN原絲的資源可降低成本;

(3)在原絲轉化成碳纖維的轉化過程,通過使用先進的氧化碳化設備和加工工藝,優化表面處理過程可降低成本;

(4)整合下游產業從而減少中間環節成本,比如SGL集團與德國寶馬公司共同投資建設低成本碳纖維工廠,以及日本東麗集團、三菱公司也與豐田汽車公司達成合作,希望開發新一代低成本碳纖維復合材料直接運用到下游汽車產業中,減少中間無謂損失以降低最終產品的成本。

 

 

 

 

碳纖維行業具有明顯規模效應,擴大生產規模利于降低碳纖維主要制造環節的成本。在碳纖維的制備過程中,相比于基準產量,通過擴大產能各環節單位成本均有下降:原絲工序環節的單位成本可降低8%,穩定化與氧化降低36%,碳化、石墨化降低36%,表面整理降低11%,卷曲與包裝降低33%,其中擴產對氧化碳化高能耗工序降成本效果更為明顯,規模效益顯著。

 

以中簡科技為例,其主營業務的成本構成中制造費用占比較高,制造費用主要為生產環節的資產折舊與攤銷,以及燃料、動力、蒸汽等支出。2018-2020年制造費用占主營業務成本的比重分別為73.22%、76.28%及75.53%。主要原因是碳纖維生產具有占地面積大、設備價值高的特點,各期折舊攤銷較大,以及碳纖維生產所需的能源消耗較大,導致制造費用占比較高。因而在短期內,擴大產能、提高產能利用率是降低成本的重要途徑。

 

 

 

 

優化原絲制造工藝可以提高生產效率,縮短工序耗時長度,從而擴大產量降低攤銷成本,短期看干濕法紡絲仍然是主流,但長期或被PAN基碳纖維原絲熔融紡絲工藝等取代。

 

美國的橡樹嶺國家實驗室從2007年開始一直致力于尋找低成本原材料,相繼開發了聚烯烴和木質素原料的碳纖維前驅體。但由于開發難度大,實現擴產成熟運用還有一定難度。

 

在同樣的紡絲裝備及能源消耗條件下,干濕法紡絲的綜合產量是濕法紡絲的2-8倍,PAN基碳纖維絲束的生產成本可降低75%。以中簡科技2018年測算,除折舊外的一切費用與產量成比例增長,折舊費暫且保持不變的情況下,全部用干濕法保守估計有望使單位碳纖維成本下降15%-27%。

 

參考TextileStudyCenter,熔紡紡織速度達2500-3000ft/min,而濕紡速度僅為150-300ft/min,生產效率的優勢實現了熔紡工藝的成本改進。

 

注重制造設備的自研,提高設備和工藝匹配度從而提高產能利用率來降低成本。碳纖維自研發以來一直被視為高端裝備用材料,因此西方國家對我國實行嚴格的技術和設備禁運。

 

日系公司則通過對碳纖維關鍵產品的技術禁運,對通用型產品進行低價擠壓,從而壓制國內碳纖維的研發進展。據賽奧碳纖維技術,2020年我國碳纖維企業的產能利用率在50%左右,較2017年已有較大提升。中國目前已跨越了低達產率的歷史階段,水平正趨近國際水平,但仍有提升空間。

 

 

 

 

與此同時,國外龍頭企業大多形成全產業鏈覆蓋,有利于降低成本,而國內企業產業鏈的各個環節較為分散。由于碳纖維行業具有高資本投入和高技術壁壘,國外龍頭企業起步早、技術強,設備、工藝、材料等大多屬于自主研發,一般實現從原絲到下游市場全產業鏈覆蓋并形成部分產品內銷降低周轉成本,并在產品上形成差異化競爭,而國內企業環節較為分散。

 

碳纖維復合材料設備多由美國公司壟斷,如自動鋪絲機、層合固化裝備等,上述原因使得我國碳纖維復合材料整體上尚處于起步階段。國內部分公司雖然具備一定生產復合材料的能力,但相比于全球領先企業,仍然存在一定的差距。

 

(二)市場空間:下游以CFRP應用為主,因需求差異致天花板有別

 

CFRP應用場景廣泛,應用比例提高,市場空間廣闊。碳纖維復合材料是指至少有一種增強材料是碳纖維的復合材料,其中最常見的是樹脂基碳纖維復合材料(CFRP)。由于CFRP比強度、比彈性模量等機械性能,以及耐疲勞性、穩定性等相比傳統材料有明顯優勢,因此在很多領域內對金屬材料,尤其是輕質金屬材料形成競爭取代的局面。

 

CFRP應用場景廣泛,在航空航天和體育休閑領域率先形成大規模市場,而隨著21世紀以來碳纖維及其復合材料制造成本不斷下降,在汽車制造、風力發電等領域應用比例在不斷提高。

 

 

 

 

CFRP下游市場差異化的需求和制造特征使得不同領域碳纖維的性能、成本均有所差異,各個市場的驅動力及潛在天花板也有所不同。KSI是機械強度單位,表示單位面積上所能承受的壓力。

 

按成本效果分類,當碳纖維處在500-750KSI,即30-35MSI時,稱其為中性類別,此時需要在材料的成本和表現之間相權衡;當碳纖維處在250-500KSI,即<30MSI時,稱其為高量類別,材料對成本比較敏感。中性類別碳纖維可應用于壓力容器領域,例如氫氣、天然氣等的存儲;高量類別碳纖維可用于汽車部件,通過減重降低燃料消耗;兩種碳纖維還應用于風電葉片、油氣管道、電力傳輸等領域,目前用量受成本和制造方法等多因素制約。

 

航空材料發展至今歷經四代變遷,復合材料將是未來飛機首選的航空結構主要材料。航空領域常常率先使用先進材料以提高裝備性能,從鋼鐵到鋁合金到鈦合金到碳纖維等復合材料,未來碳纖維等復合材料比重將不斷擴大。

 

第一代航空材料以木、布為主,由于強度較低,很快轉變為第二代的鋼、鋁金屬結構,鋁合金密度更小,有利于提高飛機的強度和安全性;第三代航空材料加入了鈦合金材料,具有高耐熱性和更高的強度,首先被應用于耐高溫部件并向其他部件擴展;第四代和第五代航空材料始于碳纖維的成功制備,碳纖維復合材料具有高強度、高模量、輕量化的優點,不斷廣泛運用于飛機的部分部件,并對傳統金屬實現一定程度的替代。

 

航空航天材料逐步邁入碳纖維復合材料時代,復合材料應用不斷擴大。碳纖維復合材料具有高強度、高模量、輕量化的優點,目前逐步運用于飛機部件并對傳統金屬實現一定替代。

 

在航空航天領域,為達到飛行器輕量化的目標,實現增加有效載荷,降低燃料費用,以CFRP為代表的先進復合材料的使用量逐年擴大。近年來,無論是在單機上所占的比例還是總使用量,CFRP應用范圍逐步擴張,在飛機上使用CFRP等先進復合材料,不僅是由于其可以大幅減輕機身重量,而且在耐腐蝕以及抗疲勞性能等方面與傳統合金金屬相比也有較大的優勢。

 

 

 

 

CFRP的大范圍應用通常是由航空高端裝備引導,民用客機領域空客、波音先行。先進復合材料在F-15戰斗機上首次實現應用時,其在整個飛機結構材料中所占的重量比例不過2%,但是到了F/A18E/F戰斗機,其比例已經達到了19%。

 

此外,F-22戰斗機單機使用了350個以上的碳纖維復合材料零部件,達到了機身空重的25%,其中纖維增強熱固性樹脂為24%,另有1%的纖維增強熱塑性樹脂材料。單機使用碳纖維總量接近4t,其中強度在5.08GPa以上的產品占到80%以上,主要用于機翼中間梁和后梁、垂直尾翼邊緣和方向舵、水平穩定器、升降舵、機身框架、壁板、加強框、油箱框架等關鍵位置和部件。使用的碳纖維全部來源于Cytec和Hexcel兩家美國公司,樹脂基體材料主要是環氧樹脂和雙馬來酰亞胺樹脂。通過使用RTM的先進成型方法,F-22戰斗機成功證明了CFRP部件不僅可以在性能上滿足要求,而且在成本控制上也具有可行性和很大的潛力。

 

高性能碳纖維政策加碼,利于推進國內碳纖維產業建設。高強度、高模量、低比重特點的碳纖維增強復合材料成為各類軍、民裝備最重要的候選材料之一,已成為航空以及國防裝備的關鍵材料。復合材料的用量是衡量高端裝備先進性的重要標志。

 

 

 

 

民機上,NASA研究表明飛機上使用CFRP的制造成本不會超過其節省的運行成本。民用飛機在保證乘客乘坐體驗的同時,要盡可能地提高飛機的經營效率,飛機空重的減少可以提高燃油效率從而降低直接運行成本。

 

世界領先民用飛機制造商波音和空客在碳纖維應用上引領著行業方向。波音公司B787客機機體構造的50%使用了碳纖維復合材料,每架約為35噸。波音公司在該產品手冊中表示,應用碳纖維相比同體積傳統材料的飛機減重了40000磅,B787也因此將燃油效率提高了20%,減少了20%的廢氣排放。緊接著空客公司對A350進行重新設計,將新飛機改名為A350XWB,其主翼、機身、尾翼全部使用復合材料,占機身重量的53%。

 

遠期看,國產飛機民航市場有望成為國內高性能碳纖維企業的潛在增長點之一。民用飛機在保證乘客乘坐體驗的同時,要盡可能地提高飛機的經營效率,飛機空重的減少可以提高燃油效率從而降低直接運行成本。世界領先民用飛機制造商波音和空客在碳纖維應用上引領著行業方向。

 

根據波音公司官網,波音公司B787客機機體構造的50%由碳纖維復合材料構成,主體結構的絕大部分由復合材料構成,尤其是機身部分。

 

空客公司A350F也使用了大量的碳纖維復合材料,機翼,中央翼箱和機身面板主要由復合材料制成。這些材料選擇使飛機更輕、更硬、更堅固、更有能力和更具成本效益,同時提高了耐腐蝕性和抗疲勞性,從而降低了維護要求。

 

空客公司計算得出,應用碳纖維復合材料使得A350F在起飛時的重量減少了約28噸,飛行燃料消耗減少了約20%,并且降低了著陸和導航費用。

 

 

 

 

風力發電建設刺激碳纖維需求,大絲束契合低成本特性。CFRP與使用傳統玻璃纖維增強材料相比,可以達到20%-30%的減重效果,同時剛性和強度更加優異,通過采用氣動效率更高的薄翼型和增加葉片長度,能提高風能利用率和年發電量,從而降低綜合使用成本。由于大絲束性價比高的優勢使得其主要運用于工業風電,降價放量成為領域的驅動力。目前風電機組正朝著大型化、輕量化的方向發展,超長的葉片對材料的強度和剛度提出了更高的要求,使得碳纖維及其復合材料在風電葉片領域使用廣泛。

 

“雙碳”目標成為風電下游應用市場需求重要驅動力。2020年風電葉片首次超過體育休閑市場成為全球碳纖維需求份額最高的細分市場。

 

隨著“碳達峰、碳中和”目標的確定,推動風電行業發布《風能北京宣言》:“在‘十四五’規劃中,須為風電設定與碳中和國家戰略相適應的發展空間:保證年均新增裝機5000萬千瓦以上。2025年后,中國風電年均新增裝機容量應不低于6000萬千瓦,到2030年至少達到8億千瓦,到2060年至少達到30億千瓦。”結合2020年的需求量,可見下游風電應用市場需求的拉動力量較強,疫情沖擊一定程度被中和。

 

以風電為代表新能源行業景氣度可期。政策端給予鼓勵,據《國務院關于印發2030年前碳達峰行動方案的通知》,2030年前碳達峰行動方案中“重點任務”指出,“大力發展新能源。全面推進風電、太陽能發電大規模開發和高質量發展,堅持集中式與分布式并舉,加快建設風電和光伏發電基地。

 

加快智能光伏產業創新升級和特色應用,創新“光伏+”模式,推進光伏發電多元布局。堅持陸海并重,推動風電協調快速發展,完善海上風電產業鏈,鼓勵建設海上風電基地。積極發展太陽能光熱發電,推動建立光熱發電與光伏發電、風電互補調節的風光熱綜合可再生能源發電基地。到2030年,風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。”

 

 

 

 

平價進程再提速、需求中樞抬產值。大型化加速疊加零部件價格回落,21年風機招標價格快速下行,平價進程全面提速。受益21年風機招標價格快速下降,項目收益率大幅提升使得平價范圍擴大,風機招標規模高速增長。風機交付周期約為一年,上年招標規模可作為先行指標預測新增裝機規模。

 

根據金風科技統計,2021年1-9月國內風機招標規模約為41.9GW,同比+115%,其中陸上新增招標規模40.9GW,海上新增招標規模1GW,21年全年招標規模有望達50GW,奠定風電新增裝機高增長基礎。預計2022年底風電裝機規模在2021年3.3億千瓦的基礎上增長至3.8億千瓦。陸風已實現平價,海風平價在即,風電項目經濟性提升有望進一步提高需求成長中樞,待大宗原材料價格平穩后,風電產值空間將進一步打開。

 

輕量化是賽車和乘用車發展方向之一。CFRP應用于汽車領域,可以實現車體大幅度的輕量化;由于材料具有良好的耐沖擊性能,提高了乘員的安全性。如在賽車領域,對于一般的大獎賽賽道,車體重量每增加20kg,會使得賽車的單圈成績下降0.4s,對F-1排位賽而言意味著落后幾個身位,而對正賽而言意味著落后半圈。

 

通過大量使用復合材料,賽車的性能得到了顯著的提高。在乘用車領域,在應對全球變暖和油價提高背景下,各國對廢氣排放和燃油效率都提出了要求,如我國《節能減排新能源汽車產業發展規劃》要求2020年乘用車平均燃料消耗量降低到5L/百公里。對于最常見的小型乘用車(車身重量1t-1.5t),200kg的輕量化就可以提高燃油效率約2.5km/L。輕量化是國內外汽車廠商應對能源環境挑戰的共同選擇,也是汽車產業可持續發展的必經之路。

 

 

 

 

目前由于成本較高,乘用車還未實現碳纖維的大規模應用,碳纖維性價比不敵鋁合金。從各項基本力學性能指標來看,即便是通用型的碳纖維復合材料也遠遠優于高強度鋼、鋁合金、鈦合金、鎂合金。因此CFRP在以F-1為代表的賽車及其他高級跑車領域獲得了大量的使用。但碳纖維的原料成本和制造成本過高,在過去很多年一直局限在單值較高且產量較少的領域,沒有拓展到普通乘用車。

 

在汽車領域,主要采用T300和T700級別碳纖維小絲束,同時之后還需要將其打造成為碳纖維復合材料,附加值又繼續增加,制備工藝難度大及原絲成本高,使得碳纖維的生產成本遠高于鋼鐵。隨著技術進步、低成本碳纖維和成型方法取得進展,CFRP開始出現在底盤和車身框架等主承力部件。例如2013年領先上市的寶馬i3電動汽車車身全部使用碳纖維復合材料,帶來了顯著的輕量化效果。大型汽車制造商紛紛與復合材料制造商締結聯盟,美國能源部下屬橡樹嶺國家實驗室也聯合陶氏化學開發低成本碳纖維技術,這些合作將促進CFRP在汽車領域的應用。

 

汽車輕量化確實是碳纖維長期機遇,但短期發展桎梏于性價比。寶馬i3在2013年推出后,到2017年該款車型仍然是市場上唯一真正意義上大規模使用碳纖維、產量在10000輛/年的汽車。德國汽車研究中心的研究表明,減重所帶來的能源節省效應沒有達到預期,除此之外較長的生產周期和較高的成本均限制了車用碳纖維的發展。由于生產周期長和產量低,碳纖維應用范圍限制在高端汽車上。

 

 

 

 

體育休閑是國內碳纖維最早規模商用、用量最大的領域之一,較早實現碳纖維產業化,成本競爭或降低市場毛利。高爾夫球桿最初由木材制成,后來發展到不銹鋼和鋁合金。1972年美國莎士比亞公司和阿爾迪拉公司率先使用CFRP制作球桿,該材料的球桿扭曲剛性小,擊球方向穩定,桿體重量減輕還增加了球的飛行距離。

 

在釣魚竿上,CFRP材料的應用減輕了竿體的重量,同時提高了剛性和減振性,使得釣魚竿的單手操作變得更加容易,減輕垂釣者的疲勞,數十年來市場需求穩定增長。使用碳纖維制造的自行車可實現輕量、高模量和優良的沖擊吸收能力,可以緩解由于路面不平帶來的輕微振動,使騎行過程更為舒適。

 

碳纖維使體育用品輕量化、提升了機械性能、改善了用戶的使用體驗,在主要應用場景下實現了需求的穩定增長。從2017年到2020年,體育應用碳纖維市場全球需求量從13,200噸提高到了15,400噸,國內需求量從12,000噸提高到了的14,600噸。不過,近年來體育休閑市場國際競爭激烈,已然從最初的技術競爭轉向了成本競爭。國內低端碳纖維高成本導致高價格,在國際市場上的競爭能力有待提升。

 

 

 

內容來源:慧博行業研究報告庫

報告出品方/作者:廣發證券,孟祥杰

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(文/小編)
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