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中美碳纤维复合材料市场应用对比

全球碳纤维最重要的市场为风电叶片,国内风电叶片碳纤维需求规模达到全球的32%。国内最重要的碳纤维市场为体育休闲等民用领域,国内体育休闲碳纤维需求规模的 94%,电子电气、混配模成型亦占到全球细分领域的50%以上。

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航空航天:军机、民机碳纤维渗透率提升

现代碳纤维材料始于军用,目前航空航天为重要应用领域。碳纤维复合材料是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比,碳纤维复合材料可使飞机减重 20%-40%,并有能力克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点,增强了飞机的耐用性;复合材料的良好成型性可以使结构设计成本和制造成本大幅度降低。在军用航空领域得到了广泛应用和快速发展,碳纤维复材渗透率不断上升。

军用单机碳纤维渗透率不断提升。美国由于碳纤维行业起步早、技术水平较高,目前军机应用碳纤维比例都处于较高水平。根据前瞻产业研究院, 以美国 F-22 和 F-35 为代表的第四代战斗机上碳纤维复合材料用量就分别达到了 24%和 36%,美国新型军用运输机 ACCA 整个飞机机体复合材料比例甚至高达 65%,整机减重甚至可达 25%以上。而我国现役的第三代战斗机碳纤维占比与第四代战机 30%的平均碳纤维用量仍有较大差距,我军碳纤维单机比例仍有巨大提升空间。随着军机的更新换代,中国军机碳纤维复材使用比例也逐渐提升,歼 20 碳纤维复材比例就已经从歼 11 的 10%提升到了 27%。

军机向三代 、四代为主体转变,带动碳纤维复材新增长。据《World air force 2019》的数据,2018 年全球军用飞机总数约为 53953 架,其中美国在役军用飞机机队 13398 架,占同期全球军机总量的 24.83%,排名第一;中国军用飞机 3187 架, 占同期全球军机总量的 5.91%,较去年同期增长 151 架,排名第三。其中,我国目前战斗机数量为美国同期的一半左右,运输机、加油机、直升机、教练机等军机数量都远远落后于美国,且约半数的军用飞机机型较为落后,服役时间长久,面临退役,装备建设急需提速。未来我国将逐渐淘汰二代机,以三代机为主体向四代机转变,形成以三代、四代战斗机为主 的新一代空战力量,新机的交付为军用飞机制造业带来了机遇,也将拉动对高端碳纤维复合材料的需求。随着军机批产上量,以及单机碳纤维比例的逐步提升,对国产碳纤维的需求也将提升。

商用航空为航空航天碳纤维重要应用领域。航空航天碳纤维需求分布中,商用飞机需求量占比最高,对碳纤维需求驱动是巨大的。根据波音及空客的官网资料,2018年波音的复材飞机 B787 交付 145 架,同比增长了 6.6%,而空客的复材飞机 A350XWB 交付了 93 架,同比增长19.2%,带动 18 年航空航天复材的增加。除了商用飞机数量的增长,单机碳纤维使用量也在不断增长。商 用飞机既强调安全性也强调经济性,对结构减重有着迫切的需求,复合材料逐渐取代金属材料,用量也在不断提升,应用占结构材料质量比可达 50%。根据《A350 的复合材料构件制造》,波音 B787 复合材料结构重量达到全机结构重量的 50%左右,空客 A350 复合材料结构重量高达 52%。根据北京晚报,截至 2019 年 10 月,我国具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机 C919 的全球订单数量已经超过了 1000 架,未来进口替代空间巨大,根据公司大丝束碳纤维产业化项目可行性研究报告,应用复材占比为 25%左右;宽体客机 C929 机身中碳纤维复合材料有望超 50%,从而能拉动国内碳纤维复合材料的稳定增长,预示着强劲的市场潜力。

全球预计到 2038 年机队规模为 49558 架,是现有机队(23893 架)的 2.1 倍,其中增长 25665 架,替换 19786 架,保留 4099 架。为满足运量增长,中国机队规模预计到 2038 年机队规模为 10344 架,其中双通道飞 机2420架,单通道飞机6938架,支线飞机1051架,占全球总量的21%,年均增长率居全球各地区首位。1999 年-2018 年中国大陆历史交付 3968 架客机,预测未来 20 年间将交付 9205 架客机,占未来二十年全球交付 量的 20%,市场规模不断扩大,新机交付量将带动上游碳纤维复合材料 产业的发展。

国内航空航天领域碳纤维仍待发展。在中国制造 2025 中,碳纤维被列入战 略材料,规划到 2020 年国产碳纤维用量达 4000 吨以上,满足大飞机技术要求,到 2025 年高性能碳纤维基本实现自主保障。随着政府政策的支持、 国内碳纤维产业技术水平的不断进步与产业链的完善,对标国际目前碳纤 维产业分布,国内在航空航天高端领域碳纤维有望加速发展。

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风电:叶片大型化带动风电碳梁需求

风电是清洁能源,21 世纪来风电产业发展速度较快。全球累计风电装机容量从 2011 年到 2018 年的复合增速为 13.93%,新增装机容量增速在 2016 年之后触底反弹,也将保持较高增速。目前中国是全球最大的风电市场,风电市场体量大、发展快。2018 年我国新增装机容量 21.14GW, 占全球新增装机容量的 43%;累计装机容量保持稳定增长态势,2018 年 达到 209.5GW,占全球总装机容量的 36%。预计未来几年中国新增装机容量仍将保持较高规模,风电市场需求量广阔。

风电叶片向大型化发展,带动碳纤维复材在风电领域应用。中国新增风电装机正在向大功率、大尺寸发展。根据 CWEA 统计,中国新增装机的风电机组平均功率由2008年的1214KW平稳增长到 2018 年的 2.2MW。2018 年新增装机容量主流型号功率区间为 2MW-2.9MW,其中 2MW 功 率机组占比超过新增装机容量的 50%,2.1-2.9MW 机组市场份额同比增 长 31.7%,主流型号功率不断增加。在达到额定功率之前,等同条件下叶片长度与获得功率成正比关系。随着风力发电机单机功率的快速提升, 风电叶片正向着大型化、轻量化的方向发展,IEA 预测在 2025 年前后风机的风轮直径将达到 250 米。随着风电叶片尺寸的持续增大,碳纤维复合材料应用比例也将持续增加。

海外Vestas 订单不断, 国内风电叶片需求快速增长,复合增速高达 107.15%。目前,Vestas 是 全球以碳梁开发大功率风电叶片的最主要的客户,在全球设有多处叶片工 厂。据 2019 年年报,Vestas 在风电订单已达到 178 亿元。未来几年 Vestas 的碳梁需求仍将呈逐年上升趋势。另外,除 Vestas 以外,国内下 游风电叶片厂家也同时快速崛起,碳纤维用量及在风电叶片中的占比均快 速提升,2015 至 2018 年,国内风电用碳纤维用量的复合增速高达 107.15%。

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汽车:新能源汽车加速碳纤维应用

从全球碳纤维细分产业的增长来看,汽车领域增长较为迅速,近些年需求 规模年均复合增长达到 33%,工业领域碳纤维应用普及相对较慢。根据《2020 复合材料行业市场纵览》,中国是全球第一大汽车市场,2018 年生产 2780 万辆汽车,其中包括所有乘用车,轻型商用车,卡车,公共 汽车和长途汽车。且目前汽车行业正在加速碳纤维材料在汽车上的应用。目前已有多家厂商发布相关公告,其中麦格纳汽车外饰系统与广汽零部件有限公司 (中国广州,GACC)组建合资公司,从 2018 年末开始为全球汽车制造商的跨界车生产热塑性复合材料(TPC)举升门;以及沃尔沃的新品牌 电动高性能汽车公司 Polestar 大量采用碳纤维材料做为 Polestar 1 的底盘架构,成功的削减了大约 230 公斤的重量,Polestar 1 在包括引擎盖、 尾箱盖、叶子板、车门以及整个车顶的部分都使用了碳纤维复合材质制作, 这是沃尔沃集团当中首度有车款使用如此大量的碳纤维料件来做为车身 架构。

国内新能源汽车销量持续上升,碳纤维有望加速在汽车领域应用。相对传统汽车而言,新能源汽车使用碳纤维材料比例相对更高。随着资源与环境双重压力的持续增大,在政策和技术进步的驱动下,传统动力系统将会逐渐被驱动电机、动力电池与控制器所取代。目前已有多个国家,尤其是德国等西欧发达国家已发布或提出禁售传统燃油车时间表,汽车电动化已是大势所趋。国内处于发展初始阶段的新能源汽车销量上升迅速,从 2015 年的 33 万到 2018 年的 126 万销量,CAGR 大于 50%,占整体汽车销量 比重迅速增加,即使在全国汽车销量下滑的情况下新能源销量同比仍然持 续上升。至 2018 年,中国新能源汽车产量和保有量分别占汽车产量和保 有量的 4.6%和 1%,需求端潜力仍待释放,未来发展趋势预计将持续上扬,带动碳纤维在汽车领域的应用。

 

本文来自中科院宁波材料所特种纤维事业部  转载请联系原作者

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