碳材料领域的黑色黄金——碳纤维

    2019-12-18 13:23:12 次阅读

    碳材料是自人类诞生以来最早使用的元素之一,从出现伴随着人类历史文明。19世纪末,爱迪生使用竹、亚麻和棉纱首先制得碳纤维,其作为新型碳材料发展至今已经有着超过150年历史,一直以来,碳纤维凭借优异的性能而被称誉为“黑色黄金”。

    碳纤维是以用腈纶和粘胶纤维为原料,经高温氧化碳化而成,含碳量达到90%以上的一种力学性能极其优异的新材料。它的直径一般为5-7μm,大约是成年人头发的十分之一,但强度却是钢的20倍,且耐高温居所有化纤之首,是目前制造航天航空等高技术器材的最佳材料。

    碳纤维制取原料众多,按它的来源主要分为两大类。一类是人造碳纤维,如粘胶丝,人造棉,木质素纤维等;另一类是合成碳纤维,它们是从石油等自然资源中提纯出来,再经过处理后纺成丝。合成碳纤维根据纤维碳化程度的不同,其又可分为石墨化碳纤维、碳纤维和预氧化碳纤维三种类型。根据力学性能的不同,可分为通用型碳纤维和高性能型碳纤维,而高能型碳纤维又可根据抗拉强度和弹性模量的不同分为高强型、高模型、高强中模型等不同类型。此外,根据规格的不同,碳纤维可分为小丝束碳纤维(24000根以下)和大丝束(48000根以上)碳纤维。根据原丝原料种类的不同,碳纤维有聚丙烯腈(PAN)基碳纤维、粘胶基碳纤维、沥青基碳纤维。其中,聚丙烯腈基碳纤维因制备工艺简单,成品品质和性能优良,目前产量占碳纤维总量的90%以上,而沥青基碳纤维约占8%,剩下粘胶基碳纤维还不足1%。

    碳纤维产业链制作工序丰富,较为复杂。具体为,上游是生产碳纤维专用的材料;中游是碳纤维生产工艺中的设备提供商;下游是生产碳纤维应用部件的产品。从上游原丝到碳纤维整个过程,碳纤维经过一系列的聚合、纺丝、预氧化、低温碳化、高温碳化等过程后方可制得。除此之外,碳纤维再经过与树脂、陶瓷等材料结合,还可进一步形成碳纤维复合材料。

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    上游原材料主要是丙烯腈。碳纤维厂商通过对以丙烯腈为主的原材料进行聚合反应生成聚丙烯腈,再以其纺丝获得聚丙烯腈原丝。中游为碳纤维生产设备。这里由专门的设备厂商提供第三方生产设备。目前主要原丝设备制造商有意大利的MAE,日本川崎重工;预氧化炉有德国的Eisenmann、美国的Despatch和Litzler;炭化炉主要厂商是美国Litzler、德国Eisenmann、美国Harper 和台湾聚川公司;收丝卷绕技术为日本Kamitsu 和德国Sahm。下游碳纤维产品应用广泛。除了风力发电、体育休闲、交通运输、汽车工业、能源、化工、建筑等民用领域外,也广泛应用于各个国防工业领域,是军用飞机、火箭、导弹、卫星、舰船等先进武器装备不可缺少的战略性材料。

    碳纤维的发展从20世纪60年代起步,之后经过70 -90年代的稳定推进,直到21世纪初期生产工艺技术走向成熟。在行业发展初期,碳纤维主要用于军工和宇航,但经过50余年的发展,其应用领域逐步向工业领域和普通民用领域扩大。

    现阶段,全球碳纤维市场规模快速增长。

    2010-2018年,全球碳纤维产能约由为约8.4万吨增长至13.5万吨。从地区来看,2018年日本生产碳纤维7.6万吨,占比56%,中国生产碳纤维2.6万吨,占比20%,美国生产碳纤维1.5万吨,占比11%,德国生产碳纤维1.3万吨,占比10%。

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    日本是全球最大的碳纤维生产国,其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于领先地位。日本东丽、日本东邦和日本三菱丽阳三家厂商目前拥有全球丙烯腈基碳纤维50%以上的市场份额,尤其日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产的“领头羊”。数据显示,日本企业在全球小束丝碳纤维市场份额占到约58%,其中日本东丽占比27%、日本东邦占比18%、日本三菱占比13%;日本企业在全球大束丝碳纤维市场集中度更高,基本被日本东丽控制(注:Zoltek于2013年被东丽收购),日本东丽大束丝碳纤维市场全球占比为49%。

    此外,美国是继日本之后掌握碳纤维生产技术的少数几个发达国家之一,同时又是世界上最大的丙烯腈基碳纤维消费国,目前所拥有的碳纤维市场份额占据全球产能的24%。

    2010-2018年,全球碳纤维需求量由4.27万吨增长至9.26万吨,预计到2020年全球碳纤维市场需求将达到11.2万吨。

    从全球碳纤维应用来看,碳纤维主要集中在航空航天,工业应用和体育休闲三大终端应用领域。目前全球碳纤维总量超过50%被应用于工业领域,其中,风电叶片占比24%,汽车领域占比12%,混配模成型占比11%,压力容器占比6%,建筑占比4%,船舶占比1%。剩下22%被应用于航空航天,不足20%被应用于体育休闲。

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    我国碳纤维工业的起步可以追溯到1962年,总体上与日本碳纤维的研发同步进行,但在产业化生产和集中度方面却存在较大差距。2005年,我国碳纤维行业总共仅有10家企业,合计产能仅占全球总产能的1%左右;2010年,国内碳纤维生产能力仅占世界高性能碳纤维总产量的0.4%左右;2012年,碳纤维“十二五”期间,产能出现快速增长,达到1.2万吨。截止2017年,我国碳纤维产能已经达到2.6万吨。然而,就目前来看,我国碳纤维产业生产规模仍然较小,国内市场供不应求,碳纤维需求比较依赖进口。

    我国对碳纤维需求旺盛。2018年我国市场对碳纤维需求量约为3.1万吨,约占全球市场碳纤维需求量的1/3。其中国内碳纤维市场需求仍主要来源于相对低端的体育休闲领域,占据总需求量的约48%。风电叶片市场增长迅猛,是驱动目前国内碳纤维市场需求快速增长的领域。但较全球水平仍有明显差距,而航空航天仅占2%,属于严重偏低,产业应用结构有待优化。

    高性能碳纤维材料在国民经济和国防工业领域有着重要作用,因此,日本、美国等发达国家对我国实行严格的封锁,限制高端产品、核心技术和关键设备进入我国,以制约我国高端制造和国防工业的发展,导致我国高性能碳纤维供给远远不能满足下游需求。随着国内碳纤维产业技术水平和工艺能力的不断进步,国内碳纤维厂商依靠产品性能和质量的不断提升逐步打破外商的垄断。截止2018年,我国碳纤维需求中进口比例已经快速下降到61%,显然,下游市场在对国产高性能碳纤维需求快速释放。

    碳纤维具有极高的战略价值。自2012年以来,国家陆续发布多部有利于碳纤维行业发展的相关重点政策,其中2015年国务院《中国制造2025重点领域技术路线图》明确了将“高性能纤维及其复合材料”作为关键战略材料碳纤维产业已经作为国家重要战略布局。在国家大力投入和推进下,将会吸引越来越多的资金和人才进入其中,国内碳纤维及其复合材料的研发能力将会有明显提升,碳纤维产业正蓄力前进,未来有望腾飞。

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    目前我国大多数碳纤维企业所提供产品以中低端碳纤维为主,竞争激烈,毛利率普遍为负,长期处在亏损状态。真正掌握高性能碳纤维核心技术的国内碳纤维企业较少,仅有7家千吨级碳纤维企业达到要求。这7家企业集中度较高,理论产能已经占到了全国的84.8%,他们分别是中复神鹰、江苏恒神、精功集团、光威复材、中安信、兰州蓝星以及太钢钢科,其中中复神鹰产能最高,达6000吨。

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