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碳纤维应用领域分析研究报告
http://www.tianinfo.com   2018-06-04   天拓咨询发布

    碳纤维是由有机纤维在1000℃以上裂解碳化形成的含碳量高于90%的无机纤维,碳纤维呈黑色,其质轻、强度高,同时具有易于成型、耐腐蚀、耐高温等多种优良性质,已经被广泛应用于军工、航空航天、体育用品、汽车工业等诸多领域。
    图1:全球碳纤维市场需求及预测


    图2:2016年全球碳纤维需求分布


    2011年全球碳纤维需求量为4.41万吨,2016年全球碳纤维需求达到了7.65万吨,年复合增速11.6%,预计到2020年需求量将达到11.2万吨,复合增速将保持在10%左右。2014年全球碳纤维市场的需求区域分布显示,北美需求占比36%,欧洲占比27%,日本占比20%,其他国家占比18%。就2016年全球碳纤维需求分布领域而言,风电叶片领域占比23%,航空航天领域占比22%,休闲体育领域占比16%,汽车领域占比12%,四者合计占比73%。
    图3:2016年碳纤维在全球航空航天领域细分应用占比


    由于具有质轻、高强度的属性,碳纤维在航空航天领域有广泛应用。碳纤维相对于钢或铝,减重效果可以达到20%至40%,在航空航天领域,主要应用于飞机的结构材料(占飞机重量的30%左右),因此综合来看碳纤维的使用能使飞机重量减轻6%至12%,从而显著地降低飞机的燃油成本。在航空航天领域,碳纤维最早用于人造卫星的天线和卫星支架的制造,同时因其耐热耐疲劳的特性,碳纤维在固体火箭发动机壳体和喷管上也得到了广泛应用。据中国产业信息网统计,2016年有1.76万吨碳纤维应用在航空航天领域,其中商用飞机占70.5%、公务机占11.4%、军用飞机占比10.5%。目前来看,民用客机是拉动碳纤维需求增长的主要力量。碳纤维复合材料自20世纪70年代以来首次被应用在飞机上的一些二级结构,如整流罩、控制仪表盘和机舱门等;近三十年来,随着高性能碳纤维和预浸料-热压罐整体成型工艺的成熟,碳纤维复合材料的使用逐步进入到机翼、机身等受力大、尺寸大的主承力结构中。例如,目前世界最大的客机空客A380机身重量的22%为碳纤维复合材料,并将其成功应用于机翼与机身主体结构连接处中央翼盒,仅此一项就比铝合金材料减重1.5吨,燃油经济性优于竞争机型约13%,大大降低了运营成本;波音公司的B787“梦想飞机”,复合材料应用率达到50%,是第一个同时采用高性能碳纤维复合材料机翼和机身的大型商用客机,波音公司在公司碳纤维部件及材料方面的合作伙伴为日本东丽公司(Toray),其使用的碳纤维主要为T800碳纤维;我国国产大型客机中国商飞C919的机尾和侧翼也采用了碳纤维复合材料,占整机质量的12%。碳纤维在客机上的使用使得飞机耐用性增强、维护费用减少、重量减轻、油耗减少,更加环保和经济。根据商用飞机发布的市场预测年报,未来二十年我国预计将交付8575架客机,价值约12104亿美元,占全球总订单价值的比例为21%。国产大飞机崛起驱动碳纤维作为航空军用核心材料发展进入快车道。
    2014-2033年全球将新增36770架客机,其中42%来源于已有机型的更换机型,另外58%来自于亚洲、北美和欧洲等地区的新增需求,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%,同时,2018年仅波音777、787及空客A380、A350这四种机型对碳纤维的需求将达到9200吨左右,相比2016年增加约2800吨。若2018年民用客机的碳纤维需求在航空航天领域占比在70%左右,那么2018年航空航天领域的碳纤维需求会增加4000吨左右。
    随着环保标准标准趋严以及低碳生活方式的大力提倡,节能减排已经成为了汽车工业的重要研究课题。在内燃机效率革新有限的情况下,要达到减少尾气排放的目标,汽车车身的轻量化是解决问题的关键之一。一般而言,汽车车身重量降低10%,燃油效率即可提高6%到8%;汽车整车质量减少100kg,油耗降低0.5L/100km,加速性能提升8%至10%。相比高强度钢、铝合金、镁合金等常见车用材料,碳纤维具有比模量和比强度高、质轻、安全性好等突出优点,是汽车轻量化的最佳选择,在汽车的各个零部件中均有广泛应用,例如汽车隔音板占汽车制造领域碳纤维的27%,前端支架占比23%,左移结构占12%,车身底盘占比13%。
    随着产业发展的逐步成熟和成本的不断下降,未来在民用领域的巨大潜力将逐步释放。碳纤维复材凭借轻质、高强、高模、耐高温、耐腐蚀等一系列优异的综合性能,可用于替代金属及合金类材料,其中以铝合金为主要替代领域。
    碳纤维成本的下降对于扩大其下游应用而言十分重要,以碳纤维在汽车上的应用为例。影响碳纤维在汽车上大规模应用的主要障碍还是成本过高,目前电动车行业特斯拉Model3使用236kg铝合金,铝合金销售价格为10.6元/kg,宝马一辆I3系列电动车使用75kg的碳纤维复材,两者为行业竞争对手。1kg复材中60%使用碳纤维,复合后整体材料在333.33元/kg,宝马车I3系列碳纤维材料成本2500元/辆才可与特斯拉铝合金Model3存在竞争力。由此可见,未来碳纤维材料国产化成本控制在200元/kg(即20万元/吨),则在电动车领域具有替代传统铝合金的机遇,在传统汽车领域替代还要降低。
    由于碳纤维质轻、高强度、高模量、易加工、耐腐蚀、耐高温等优异的物理性质,使得碳纤维在航空航天、风电叶片、体育休闲、汽车制造、混配模成型等领域有着极为广阔的应用空间。当下阻碍碳纤维应用范围进一步扩大的主要因素是碳纤维材料的相对价格较高,尤其是应用于航空航天领域的高性能碳纤维材料。在航空航天领域拉动碳纤维材料需求的细分领域主要是民用客机,波音、空客等客机制造巨头将碳纤维材料应用在大型客机的制造上,能显著减轻机身质量、改善燃油经济性,未来几年碳纤维材料在航空航天领域的需求扩大也将主要得益于此。

 

 

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