碳纤维预制件特种纤维布行业分析报告Word文件下载.docx
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1、行业主管部门
碳纤维、芳纶纤维、石英纤维等特种纤维织造技术的开发及应用,属于非金属矿物制品业,主管部门为国家发改委;
产品用于航空航天领域,属于军工行业,主管部门亦为工信部下属的国家国防科技工业局,主要负责国防科技工业计划、政策、标准及法规的制定和执行情况的监督,及对武器装备科研生产实行资格审批。
鉴于行业的特殊性,国家国防科工局对行业内企业的监管采用的是严格的行政许可制度,主要体现在科研生产的准入许可及军品出口管理等方面。
行业自律机构为中国复合材料工业协会,协会受政府委托,协助政府制定行业发展战略规划,产业政策,法规政策,行业标准规范,并组织实施推进。
在政府和企业间发挥桥梁和纽带作用。
组织推广复合材料新工艺、新技术、新材料、新装备。
导入现代企业管理理论和实践,努力扩大复合材料消费市场,拓展行业发展空间。
2、行业主要法律法规及政策
碳纤维复合材料行业涉及范围广、门类多、产品杂、技术性强、服务面宽、带动性大,是国家战略重点发展行业,是综合国力的体现。
国家多方面出台政策鼓励其发展:
二、碳纤维复合材料行业概况
1、碳纤维复合材料行业构成及特性
碳纤维复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体,以树脂、碳质、金属、陶瓷、水泥、橡胶等为基体所形成的复合材料。
按照基体材料不同,碳纤维复合材料主要分为碳纤维增强树脂基复合材料、碳碳复合材料、碳纤维增强金属基复合材料等,主要用途如下:
碳纤维复合材料具备质轻、高强度、高模量、耐高低温和耐腐蚀等优异物理性能,主要材料物理性能对比如下表所示:
2、碳纤维复合材料行业下游应用领域发展概况
20世纪中叶,发达国家投入大量人力和物力研究碳纤维,碳纤维复合材料最初由于其在结构轻量化中无可替代的材料性能,首先在军用航空航天领域得到普遍应用。
20世纪80年代至90年代,碳纤维复合材料在民用航空领域的引领下得以快速发展;
进入21世纪,碳纤维生产工艺技术已经成熟,碳纤维复合材料被广泛应用于汽车、风能发电、压力容器、海洋产业、电子器件、工业器材和土木建筑等工业领域,以及高尔夫球杆、钓鱼竿、自行车、网球拍、羽毛球拍等体育休闲用品领域。
由于碳纤维很少直接应用,大多是经过深加工制成碳纤维复合材料使用,因而碳纤维市场需求量变化及需求结构可以直接反映碳纤维复合材料应用情况。
全球碳纤维市场需求预测表如下:
随着碳纤维产业的不断发展,碳纤维复合材料在工业领域和航空航天领域的应用范围不断扩大,其中工业领域碳纤维复合材料需求增速最快,消费品和航空航天领域碳纤维复合材料市场需求呈现稳步增长态势。
根据数据统计,自2010年起,国内碳纤维及碳纤维复合材料需求呈快速增长趋势,随着我国国民经济的发展以及国防工业战略地位的进一步提升,未来几年我国碳纤维复合材料需求量将进入一个快速增长的时期。
目前国内碳纤维复合材料在航空航天、体育休闲和应用三大领域中体育休闲占绝大多数,并在风电叶片、民用航空、轨道交通、新能源装备、工程建筑等领域需求逐步增长。
(1)航空航天领域需求持续增长
首先,在国际民航领域,碳纤维复合材料需求持续增长来源两方面:
一是民机不断提高的碳纤维复合材料应用比例;
二是新增民机订单。
从20世纪80年代开始,碳纤维复合材料开始应用于民机上的非承力构件,在早期空客A310、波音B757和波音B767等飞机碳纤维复合材料占比仅为5%~6%。
随着技术不断进步,碳纤维复合材料开始作为主承力构件应用于民机上,其质量占比也开始逐步提升。
如在空客A380主翼、尾翼、机体、中央翼盒、压力隔壁等主承力构件,在辅助翼、方向舵及客机内饰材料等次承力构件广泛应用碳纤维复合材料,复合材料占比达到23%。
我国C919大飞机如起落架舱门、内外侧副翼、方向舵、中央翼、整个尾端、机翼后端等部件大量使用中模高强碳纤维/增韧环氧树脂,碳纤维复合材料占比达到20%。
而最新波音B787和空客A350复合材料占比超过50%。
截至2018年7月末,波音公司未交付B787订单669架,空客A350储备订单超过一千架,而我国C919大飞机订单数达到815架,航空飞机的巨大市场需求足以支撑未来长期碳纤维复合材料需求。
其次,在军用航空领域。
由于碳纤维复合材料具有结构轻量化性能优势,在军用航空领域快速发展。
自20世纪70年代至今,国外军用飞机从最初将复合材料应用于尾翼部件到目前广泛应用于机翼、口盖、前机身、中机身、整流罩等部件。
从1969年起,美国F14A战机碳纤维复合材料用量仅为1%,到美国F-22和F35为代表第四代战斗机上碳纤维复合材料用量分别达到24%和36%,在美国B-2隐形战略轰炸机上,碳纤维复合材料占比更是超过50%。
采用碳纤维复合材料构件不仅可以实现轻量化和设计自由度大,而且可以整体成型,减少零件数量,降低生产成本并提高生产效率。
我国军用飞机的复合材料应用也呈现逐年增长趋势。
随着碳纤维复合材料在国防航空航天上应用比例的增加、装备列装数量增加以及装备更新换代需求,国防事业对碳纤维复合材料市场需求将持续增长。
复合材料在航空产品应用比例如下图所示:
最后,在航天领域。
碳纤维复合材料符合航天技术对结构材料质轻、高比模量和高比强度的要求,在航天领域被广泛使用。
美国、欧洲的卫星结构质量占总质量的比例不到10%,原因在于广泛使用高性能复合材料。
目前,卫星微波通信系统、能源系统和各种支撑结构件已基本实现复合材料化。
同时,碳纤维复合材料被广泛应用于运载火箭方面,如成功应用于“飞马座”、“德尔塔”运载火箭。
(2)大功率、长叶片需求加速风电叶片碳纤维复合材料化
随着世界经济的发展,作为前景潜力巨大的可再生能源之一,风能越来越受到世界各国的重视。
自20世纪80年代商业化发展以来,风能产业经历了全球化的高速发展。
根据全球风能理事会(GWEC)发布的《2017年全球风电发展报告》,2017年全球市场新增风电装机容量大约52.5GW,全球风电发电装机容量总计为539GW,同比增长11%。
随着全球各国开发可再生能源以实现减排目标,以及风能成本继续下降,到2020年底全球风电装机容量预计增长56%,达到840GW。
随着风电技术的日趋成熟和陆上风电的逐渐饱和,风电产业快速向陆上低风速区和海上发展,风电技术不断沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转化效率等方向发展。
风电叶片作为风力发电机组的关键捕风部件,叶片长度和重量不断增加,当前主流叶片为玻璃钢材质(GFRP)已不能满足叶片刚度、轻质等要求,碳纤维复合材料因其高比模、高比强的性能优势被广泛应用于叶片材料。
根据测算,40米以上的风电叶片中关键部件如梁帽、主梁使用碳纤维复合材料一方面可以使叶片重量减轻38%,成本降低14%;
另一方面,提高叶片抗疲劳性能、提高输出功率、提高叶片对恶劣环境的适应性,且碳纤维复合材料可更容易生产出大直径和自适应的风电叶片。
碳纤维复合材料在风电叶片中应用部件及应用效果如下表所示:
(3)汽车、轨道交通用碳纤维复合材料持续增长
进入21世纪以来,能源危机日趋严峻,世界各国的排放法规日益严格,如何保证安全性和动力性的基础上降低油耗和减少排放是目前汽车工业迫切需要解决的问题。
汽车轻量化是实现减能减排的重要途径。
碳纤维复合材料以其质轻、高强度、高刚度、抗振性能好、抗疲劳、耐腐蚀等突出优点,是目前汽车实现轻量化最有效的途径。
自1953年世界上第一辆全复合材料车身的汽车GMCorvette制造成功以后,随着复合材料技术的不断进步,如今宝马、丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商将碳纤维复合材料广泛应用于汽车车身、尾翼、汽车底盘、发动机罩、汽车内饰等部件。
宝马i3大批量应用碳纤维复合材料,减重约250~350公斤。
2016年宝马推出了最先进车体结构的7系轿车,将碳纤维复合材料应用于加固车顶横梁结构以及B柱和C柱、底部侧围、中央通道和后部支撑等部位。
由于我国碳纤维产业快速发展及汽车轻量化进程加速,国内一大批汽车企业对碳纤维复合材料国产化和低成本化进行了大量应用研究,如江苏奥新新能源汽车有限公司于2015年1月成功研发了我国首辆碳纤维新能源汽车,并于2016年3月获得中国汽车生产许可证。
根据知名咨询调研机构LuxResearch在2015年2月发布报告,到2020年碳纤维复合材料的市场估值预计将达到60亿美元,到2025年,碳纤维复合材料将有望成为全球汽车市场的主流配置。
世界经济贸易往来的日渐频繁和城镇化水平的逐步提高,推动了高速铁路产业的快速发展。
随着世界高速列车谱系的不断完善,如何解决高速列车进一步轻量化与强度、振动、噪声、隔热等各种性能的矛盾,已成为高速列车技术发展方向之一。
碳纤维复合材料因其轻量化、高强度、高耐候等优异特性是实现高速列车轻量化最有效途径。
国外碳纤维复合材料在轨道交通装备次承载件及主承载件的应用已较为成熟。
在碳纤维车体方面,2000年法国TGV双层客车的车体采用碳纤、玻纤混合织物夹层结构,较铝合金车身减重25%;
2008年韩国TTX列车的车顶、侧墙和端墙均采用碳纤维夹层结构,较铝合金车身减重39%。
在碳纤维转向架方面,德国联邦铁路MBB公司研制了用于城市间高速列车的碳纤维复合材料转向架,减轻了列车整体重量25%。
近年来,随着我国经济快速发展,我国高速列车和城市地铁等轨道交通发展迅速,我国高速列车运营里程与列车保有量已超过世界份额50%以上。
我国高铁和城市地铁应用碳纤维复合材料需求量不断增长。
2018年1月,中车长客股份有限公司成功研制具有完全自主知识产权的世界首辆全碳纤维复合材料地铁车体,使整车减重约35%,标志着我国轨道交通中工业化应用碳纤维复合材料日趋成熟。
国内外轨道交通用碳纤维复合材料的轻量化应用呈现以下发展趋势:
①从车体内饰、车内设备等次承载构件向车体、构架等主承载构件拓展;
②从裙板、导流罩等零部件向顶盖、司机室、整车车体等大型结构发展;
③以金属与复合材料混杂结构为主,碳纤维复合材料用量比例大幅度提高。
三、碳纤维预制件行业发展概况
碳纤维预制件又称碳纤维预制体,是碳/碳复合材料最基本的结构增强材料,是由碳纤维的长纤维或短切纤维,通过纺织、编织或其他方法等制成的具有特定外形的纺织品、编织品的织物类碳纤维预成形体的总称,是复合材料的关键增强骨架。
碳纤维预制件经CVD工艺复合制成的碳/碳复合材料具有质轻、比强度和比弹性模量高、热膨胀系数小、抗热冲击性好、耐烧蚀性好和耐摩擦磨损等优异的物理性能,被广泛应用在固体火箭发动机喷管及头锥、飞机刹车盘、航天飞行器结构部件、热工装备热场部件等方面。
碳/碳复合材料的主要生产流程如下:
1、发展状况
(1)飞机碳刹车预制件
随着世界航空事业的快速发展,飞机负载逐渐趋于大型化,对飞机着陆的速度及机动性能提出了更高要求,原铜基、铁基粉末冶金飞机刹车装置,已满足不了飞机的着陆要求。
碳刹车具有低密度、低热膨胀系数和低磨损,并在高温下强度高、热导率高、比热容大和使用温度高等独特性能,正逐渐取代原粉末冶金刹车装置,成为了国际航空业发展的必然趋势。
国际上英、美、法三国早
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