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碳纤维行业概况及产业链分析

2018-07-31 点击数:611
碳纤维(Carbon Fiber,简称 CF)是由聚丙烯腈(PAN)(或沥青、粘胶)等有机母体纤维采用高温分解法在 1,000 摄氏度以上高温的惰性气体下碳化(其结果是去除除碳以外绝大多数元素)制成的
碳纤维行业概况及产业链分析
(1)碳纤维
碳纤维(Carbon Fiber,简称 CF)是由聚丙烯腈(PAN)(或沥青、粘胶)等有机母体纤维采用高温分解法在 1,000 摄氏度以上高温的惰性气体下碳化(其结果是去除除碳以外绝大多数元素)制成的,是一种含碳量在 90%以上的无机高分子纤维,具有高强度、高模量纤维的新型纤维材料,它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。
碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性,密度比铝低,强度比钢高,是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维,并具有低密度、耐腐蚀、耐高温、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热及湿膨胀系数低、X 光穿透性高、非磁体但有电磁屏蔽效应等特点,是发展国防军工与国民经济的重要战略物资,广泛应用于军工、航空航天、体育用品、汽车工业、能源装备、医疗器械、工程机械、交通运输、建筑及其结构补强等领域。
碳纤维增强的复合材料可以应用于飞机制造等军工领域、风力发电叶片等工业领域、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。具备高强度、高模量、低比重特点的碳纤维增强复合材料的出现,使其成为各类军、民装备最重要的候选材料之一,已成为航空以及国防装备的关键材料。复合材料的用量成为衡量军用装备先进性的重要标志。
最新的波音787梦幻客机全机身55%的重量使用T800碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)是其最大亮点,飞机重量减轻20%以上,飞机的轻量化提高了燃效和续航距离,并减少了二氧化碳排放等,而空客A350推出的A350XWB飞机机体53%也由CFRP构成。目前国产大飞机C919使用CFRP仅占12%左右,我国航天航空碳纤维仍有巨大的提升空间。
同样采用碳纤维制作的汽车车身轻量化,更加节能省油,里程更多。
碳纤维可以按照原丝类型、制造方法、性能等不同维度进行分类,具体分类方式大致有以下几种:
按照原丝类型分类:聚丙烯腈(PAN)基;沥青基(各向同性、中间相);粘胶基(纤维素基、人造丝基)。
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按照制造条件和方法分类:碳纤维(800-1600℃);石墨纤维(2000-3000℃);活性碳纤维;气相生长碳纤维。
按力学性能分类:高强型(GQ)、高强中模型(QZ)、高模型(GM)、高强高模型(QM)。碳纤维在应用时多是作为增强材料而利用其优良的力学性能,因此使用中更多的是按其力学性能分类。
按丝束大小分类:碳纤维可划分为小丝束和大丝束,小丝束碳纤维初期以1K、3K、6K为主,逐渐发展为12K和24K,主要应用于国防军工等高科技领域,以及体育休闲用品,如飞机、导弹、火箭、卫星和渔具、高尔夫球杆、网球拍等。通常将48K 以上碳纤维称为大丝束碳纤维,包括 48K、60K、80K 等,主要应用于工业领域,包括:纺织、医药卫生、机电、土木建筑、交通运输和能源等。
实践中,拉伸强度及模量是国际碳纤维分类的主要标准,业内一般采用日本东丽(TORAY)分类法,2011 年公司主持起草的《聚丙烯腈基碳纤维》国家标准的正式发布实施,标志着我国的碳纤维行业有了自己的分类方法与标准,二者的分类方法对比如下:
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(2)聚丙烯腈(PAN)基碳纤维行业产业链
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维目前为碳纤维主流,目前公司生产的碳纤维均为聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维行业产业链如下图所示:
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(3)碳纤维复合材料
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短,产生协同效应,使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。
纤维复合材料由基体材料和增强纤维材料组成:
①基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。
②增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝等。
碳纤维复合材料分类如下表所示:
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目前碳纤维复合材料以树脂基复合材料(CFRP)为主,占全部碳纤维复合材料市场份额的 90%以上。
3、公司的主要产品及用途
公司拥有碳纤维行业的全产业链布局,主要产品包括碳纤维、碳纤维织物、碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、碳纤维复合材料制品及碳纤维核心生产设备(公司具备碳纤维及碳纤维复合材料生产设备制造及生产线建设能力)等。
公司产品主要应用领域分为国防军工和民用两大板块。其中国防军工板块包括航空航天、电子通讯、兵器装备等领域;民用板块包括风电叶片、核电装备、船舶制造、重大基础设施建设、轨道交通、汽车零部件、医疗器械、高端体育休闲用品等领域。
公司母公司光威复材的主要产品包括碳纤维预浸料、玻璃纤维预浸料、碳纤维复合材料制品等,对外销售覆盖众多行业。
公司全资子公司拓展纤维的主要产品为各类型碳纤维及织物、碳纤维复合材料制品等,主要用于军工航空航天领域。
公司全资子公司光威精机具有非标设备设计和生产、压力容器和压力管道的设计和安装、对外机械加工的强大实力,目前主要为光威复材及拓展纤维提供成套生产设备的设计、制造和安装以及生产线的建设服务。
拓展纤维全资子公司光威研究院主要从事碳纤维及先进复合材料研发,目前尚未投入运营。
(1)碳纤维
聚丙烯腈(PAN)基碳纤维目前为碳纤维主流,占市场份额的90%以上,公司亦主要生产聚丙烯腈(PAN)基碳纤维。公司已规模化生产的主要产品为GQ3522(T300级)高强型碳纤维;同时成功研制了以GQ4522(T700 级)高强型、QZ5526(T800级)高强中模型、QM4035(M40J 级)高强高模型等为代表的系列化碳纤维产品。碳纤维如下图所示:
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注:白色的为碳纤维原丝,黑色的为碳纤维成品
(2)碳纤维织物
碳纤维织物是通过连续碳纤维的相互交叉、绕结等构成的片状材料,按生产工艺的不同又分为机织物和经编织物。公司主要产品包括平纹、缎纹、斜纹等各类型碳纤维机织物及经编织物。
(3)碳纤维预浸料
预浸料是原材料和最终复合材料制品之间的一种中间产品,它的制造方法主要是将连续整齐平行的增强纤维牵引,通过与树脂基体充分浸润收卷成卷材。预浸料是热压罐、模压、袋压、卷制等工艺中极其重要的中间材料。
现在预浸料生产已发展成了一种专门的工艺技术,实现了生产的专业化和自动化,是纤维复合材料技术发展的一个重要方面。
行业发展历程及现状
(1)国际碳纤维行业发展概况
国际上聚丙烯腈(PAN)基碳纤维的生产,从20世纪60年代起步,经过70 ~ 80年代的稳定发展,90年代的飞速发展,到21世纪初其生产工艺技术已经成熟。行业发展初期,碳纤维主要用于军工和宇航,经过50余年的发展,其应用领域正在向工业领域和普通民用领域扩大。
日本是全球最大的碳纤维生产国,日本的三家企业:日本东丽、日本东邦和日本三菱丽阳目前拥有全球丙烯腈基碳纤维 50%以上的市场份额。目前,世界碳纤维技术主要掌握在日本公司手中,其生产的碳纤维无论质量还是数量上均处于世界领先地位,日本东丽更是世界上高性能碳纤维研究与生产的"领头羊"。
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,约占世界总消费量的 1/3。
(2)中国碳纤维行业发展概况
① 碳纤维行业发展历程
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2008年,以国有企业为主的大量工业企业涌入碳纤维行业,但大多数企业在一些关键技术上无任何突破,生产线运行及产品质量极不稳定,导致"有产能,无产量"的现象出现;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,碳纤维需求严重依赖进口;2012年1月,国家工信部公布了新材料"十二五"规划,碳纤维"十二五"期间规划产能为 1.2 万吨/年。"十三五"产能的实现和技术的突破是碳纤维行业的主要发展方向,预计未来几年的产能建设增速将会放缓,到2022年我国碳纤维的产能在2.4万吨左右 。
② 碳纤维行业发展现状
我国碳纤维行业经过长期自主研发,打破了国外技术装备封锁,碳纤维产业化取得初步成果。但目前全行业存在关键技术落后、下游应用开发滞后、生产成本居高不下、市场竞争力较弱等突出问题。
2000年,我国只有山东、吉林等地有极少数企业涉足碳纤维产品,年生产线规模仅为几十吨,且产品水平落后。2005 年后,随着国家出台相关扶持政策,碳纤维产业驶上发展快车道。目前,我国已经培育出威海拓展纤维有限公司、中复神鹰碳纤维有限公司、江苏恒神股份有限公司等龙头企业。
2、国际碳纤维市场供给分析
(1)国际碳纤维产量及产能分析
2014年全球PAN基碳纤维产能约为12.8万吨,其中小丝束碳纤维约为9.2万吨,占72%;大丝束碳纤维约3.6万吨,占28%。根据前瞻产业研究院测算,2015年全球PAN 基碳纤维产能在13.9万吨左右,2016年在15.1万吨左右。
(2)国际碳纤维产量区域结构
世界碳纤维的生产主要集中在日本、美国、德国等少数发达国家和我国的台湾省。其中,碳纤维最大生产商日本东丽、日本东邦、日本三菱丽阳的产量合计占全球产量的一半以上。
全球碳纤维产能区域分布图如下所示:
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数据来源:前瞻产业研究院《2017-2022 年中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》
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