碳纤维:航空复合材料增值幅度大,市场前景好

  • 2019-04-04
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碳纤维技术能够极大提升航空设备的性能,本文介绍碳纤维复合材料的产业价值和在航空制造中的应用,以及航空航天领域对碳纤维的市场需求,分析了碳纤维航空复合材料的发展前景。

  摘要:碳纤维技术能够极大提升航空设备的性能,本文介绍碳纤维复合材料的产业价值及其在航空制造中的应用,以及航空航天领域对碳纤维的市场需求,分析了碳纤维航空复合材料的发展前景。

  碳纤维是由有机纤维在高温环境裂解碳化形成碳主链结构,含碳量在90%以上的无机纤维,其外形柔软,质量轻于铝,强度大于钢铁,耐高温性能居化纤之首,还具有耐摩擦性能。碳纤维根据原丝、力学性能以及用途等具有不同的分类,具体见表1。

  表1 高性能碳纤维分类

  注:1K表示一个丝束含1000根碳纤维

  (资料来源:公开资料整理)

  碳纤维是一种增强型纤维材料,通常不单独使用,而是制成碳纤维复合材料(CFRP),完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程,可以简单划分为原丝生产、氧化碳化、中间材料和复合材料四个环节(见图1)。

  

图1 碳纤维全产业链示意图

(资料来源:公开资料)

  碳纤维下游产品增值幅度大 ,其中航空复合材料增值最多

  碳纤维90%的性能取决于原丝,原丝品质差(表面孔洞、沉积、刮伤以及单丝间黏结等),很难在后续工序中消除,从而遗传给碳纤维,导致产品性能较差,PAN原丝作为目前全球碳纤维的主要原料,是生产高品质碳纤维的技术关键。原丝也是碳纤维成本的主要组成部分,理论上消耗2kg的PAN原丝能生产出1kg的碳纤维,原丝占PAN基碳纤维成本的51%左右。

  碳纤维复合材料的生产流程复杂,技术难度大,越到下游附加值越高。碳纤维目前主要应用领域包括体育休闲、汽车、风电叶片、航空航天等领域,其中应用于航空领域的碳纤维复合材料的附加值最大,从40元一公斤的原丝到8000元一公斤的航空复合材料(见图2),价值增长至原丝的200倍,对于碳纤维生产企业来说,积极开发应用于航空领域的碳纤维复合材料,能够大幅提高企业的盈利能力。

  

图2 碳纤维产业链的不同阶段产品价格

  (资料来源:公开资料整理)

  飞行器制造的轻量化设计已成趋势,碳纤维复合材料不可或缺

  飞行器制造材料的轻量化设计能够大幅降低油耗,有数据表明,民用飞机减重1kg能够节省约3000美元的燃料,并且飞行器的飞行速度加快,它对于制造材料的强度和抗变形能力有着极高要求,飞行器用的制造材料一直朝着轻量化和高强度的方向发展。碳纤维复合材料具有轻质量、高强度等特点,作为配件制造材料能够比相同体积的铝合金结构减轻30%的重量,因而受到航空制造业的青睐。

  表2 碳纤维复合材料和其航空结构材料性能对比

  

  (资料来源:公开资料整理)

  在航空制造领域,碳纤维复合材料早已成为了不可或缺的制造材料,且在飞机结构材料占比越来越高,目前碳纤维复合材料在飞机上的应用部位和用量已经成为衡量飞机结构先进性的重要指标。20世纪60年代,美国首次将碳纤维复合材料用于制造飞机的一些承力小或者非承力部件,80年代开始发展使用碳纤维复合材料制造军用飞机的一些次承力部件。随着技术进步,碳纤维复合材料在军机制造的用量不断增加,而且已经应用在机翼、机身等主承力结构,见表3。

  表3 碳纤维复合材料在军用飞机制造的应用情况

  

  (资料来源:公开资料整理)

  在民用飞机领域,具有代表性的波音787最新型大型民用客机的碳纤维复合材料用量比例达50%,空客A350的碳纤维复合材料占比达到52%。其他飞机制造方面,2015年开启全球飞行之旅的“阳光动力2号”太阳能飞机,碳纤维复合材料占比已高达80%。

  飞机需求拉动,碳纤维的市场前景广阔

  2011年以来,全球航空航天领域对于碳纤维的需求量不断增长(见图3),2017年全球航空航天碳纤维需求量为1.92万吨,同比增长9.1%。

  

图3 2011-2017年全球航空航天碳纤维需求量

  (资料来源:公开资料整理)

  飞机结构材料中碳纤维复合材料的占比不断增加以及飞机订单的增长都不断拉动碳纤维的需求增长。民用飞机对安全性、可靠性、经济型的要求高于军机,因此在碳纤维应用上更加保守和延后,当前民用飞机的需求是碳纤维市场的一大增量,2016年航空航天领域对碳纤维的需求量为1.76万吨 ,其中商用飞机占比为70.5%(见图4),是目前航空领域碳纤维最大的应用市场。

  图4 2016年碳纤维在航空航天领域的应用占比

  (资料来源:前瞻产业研究院)

  根据波音预测,2014-2033年全球将新增36770架客机, 2013-2020年间全球对民用客机的需求量的年复合增长率为3.57%。在民用客机的需求拉动下,航天航空用碳纤维将保持稳定的增长,预计到2023年,全球航空航天领域对碳纤维的需求量有望超过3万吨,碳纤维航空复合材料的市场前景十分广阔。

  结语

  碳纤维下游产品众多,增值幅度大,其中航空复合材料附加值最高;碳纤维复合材料因其轻质高强的特点,成为航空领域不可或缺的制造材料,民用飞机的需求拉动碳纤维产量保持增长趋势,碳纤维航空复合材料市场前景广阔。

  


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