2016年中国PAN 基碳纤维市场发展现状及应用领域分析

　　2016/9/25 10:38:14来源:中国产业发展研究网【字体：】【收藏本页】【打印】【关闭】

　　2015 年全球PAN 基碳纤维的市场需求量约7.44 万吨，以约12%的年均增长率不断扩大，其中风电占比约24%，航空航天占比约22%，体育休闲占比约15%，汽车占比约 12%。未来随着风力发电、汽车工业、飞机制造、高压容器等产业需求的大幅增长，预计到2018 年，全球PAN 基碳纤维的需求量将达到10 万吨以上，到2020 年市场需求预计将达13 万吨。根据行业媒体分析，到2022 年，全球72%的碳纤维将在各个行业普及应用，其中23%用于汽车，21%用于风能。

　　通过对比2015 年不同领域碳纤维市场需求量和金额可以发现，由于单位碳纤维价格存在较大差异，高端领域航空航天占尽了行业的“油水”，以22%的市场份额占到39%的市场金额。因此对于中国碳纤维市场需求的理想模式是：航空航天用碳纤维占到企业销售的20%，利润占到80%，而工业用碳纤维销售占80%，利润占20%。从总体上看，PAN 基碳纤维需求依然集中在航空航天、工业用途和体育休闲三大市场，但今后增长最快的领域是汽车工业，预期至2020 年其需求将达到2.2 万吨，年均增速约21%，相当于当年航空航天与军工的需求量的总和。工业用途中，压缩天然气瓶、氢气瓶和大型氢气储罐以及大型风力发电叶片和海上风电叶片将会是今后市场的主要发展方向。2011 年起全球风电市场恢复强劲增长，2017 年-2020 年将以 11%增长。新兴应用领域的不断拓展，使全球碳纤维及增强复合材料的需求量大幅增加。据有关专家预测，从2011 年到2020 年，碳纤维整体市场增速为12％，其中航空航天领域增速为15％，工业领域增速为18％，体育休闲领域增速为9％，航天航空领域与工业应用领域增速明显，体育休闲领域趋于饱和。

　　2014 年全球碳纤维在航空航天、工业应用、体育休闲三大领域的应用比例为 22: 62: 16，预计 2020 年将变为 20: 75: 5。在全球范围内，碳纤维复合材料总量的 50%以上应用于工业领域，特别是在风电叶片和汽车领域，体育休闲用品所消耗的碳纤维复合材料占比不到20%，并呈逐年下降之势。从应用领域来看，美国应用重点在航空航天，欧洲重点在工业应用，亚洲偏重于体育休闲。

　　2015 年国内PAN 基碳纤维市场需求为1.68 万吨，随着我国航天航空和工业制造的不断发展，未来几年我国碳纤维需求量将进入一个快速增长的时期，预计到2020 年国内碳纤维的需求将达2.9 万吨，年均增长速率约12.5%。

　　2014 年国内碳纤维在航空航天、工业应用和体育休闲三大领域的用量比例是4%、29%和67%，其中体育休闲占绝大多数，而在民用航空、交通工具、新能源装备、工程建设等方面的应用虽然已经开始起步，但应用水平偏低，碳纤维复合材料的设计水平不足，缺乏配套的材料，相关的应用标准体系不健全，导致应用领域窄。此外树脂、上浆剂等配套材料品种少、性能不足，复合材料用辅助原料还不能完全实现自主供给，部分品种还依赖进口等，不仅制约了碳纤维复合材料在高端制品上的应用，同时还严重影响着国产碳纤维的市场应用。

　　目前碳纤维最富有前景的应用领域是工业应用，如汽车工业，应用碳纤复合材料可以减轻重量，节约能源，增加可靠性; 风力发电是能源领域增长最快的，其叶片使用碳纤维量可观；用碳纤维加固、修复混凝土基础设施已经是一项新技术，市场前景十分广阔。随着汽车轻量化和风力发电等领域的不断发展，我国的碳纤维在工业领域的应用将越来越多，预计到2020 年国内工业领域的碳纤维需求份额将增长到50%。

　　近年，我国碳纤维市场进口产品以碳纤维、碳纤维布、预浸料及制品为主，据我国海关统计数据：2014 年我国碳纤维及制品进口量为11726.9 吨，贸易方式以加工贸易为主占59.5%，以进料加工为主占57.2%，一般贸易占35.7%。日本仍是最大的进口国，2014 年进口量为5747.1吨，占进口量的53.1%；从韩国进口的碳纤维及制品已超过台湾地区，上升到第二位，2014 年进口量为 1646.0 吨，已占进口总量的14%，原因是韩国晓星和东丽尖端材料(韩国)公司的相继投产，导致韩国进口量大幅增长，其后依次为台湾地区、土耳其、匈牙利、美国等。

　　2014 我国碳纤维消耗量为13753 吨，约85%依赖进口。从 2014 年进口产品应用分类来看，体育休闲类产品占进口量的45.6%，工业应用占26.3%，航空航天领域占 4.7%。体育休闲和工业领域是进口碳纤维及其制品应用的主要去向，其中工业应用领域份额逐年扩大，未来将是碳纤维主要的应用方向。

　　1、到2015 年航空航天用碳纤维比2011 年增长约 109%达到16 千吨，预计到2020 年达到27 千吨。碳纤维将在航空航天领域以多种应用趋势成为喷气飞机发动机、涡轮发动机、涡轮等主要的结构材料。统计显示，碳纤维复合材料在小型商务机和直升飞机上的使用量占 70% -80%，军用飞机占30% - 40%，大型客机占15% - 50%。美国军用飞机AV-8B 改型“鹞”式飞机所用碳纤维约占飞机结构重量的26%，使整机减重9%。我国直-9 型直升机复合材料占60%，主要是碳纤维复合材料。日本OH-1“忍者”直升机，机身40%是碳纤维复合材料，桨叶也是碳纤维复合材料。

　　民用领域，世界最大飞机欧洲空客A380 使用的复合材料是结构重量的25%，碳纤维复合材料占结构重量的22%；空客A350 碳纤维复合材料的占比达到了52%；美国波音B787 复合材料质量比例高达50%，机身、尾翼采用碳纤维层合结构，升降舵、方向舵保留碳纤维夹芯结构; 波音777 客机全机碳纤维用量在7 吨左右; 正在推出的波音B777X 碳纤维复合材料占比也超过了50%，减重效果可节省大约20%的燃料；中国商飞C919 第一阶段采用10% - 15%的碳纤维复合材料，第二阶段将采用23% - 25%碳纤维复合材料，与俄罗斯合作的C929 预计将达到50%。C919 要与波音和空客竞争，减重是必然选择，而碳纤维是减重的不二之选。

　　宇航工业上，碳纤维多用作导弹防热材料及结构材料，如导弹发射筒、固体火箭发动机( 壳体、喷管与连接部件)、导弹鼻锥与大面积防热层；卫星的构架、天线、太阳能翼片底板、卫星-火箭结合部件; 航天飞机与高速飞行器的机头、机翼前缘和舱门、大面积防热盖板等制件的抗氧化材料。航天飞行器的重量每减少1 kg，就可使运载火箭减轻500 kg。采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量，减轻发射重量，节省发射费用或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度。

　　2、2015 年全球体育体闲领域的碳纤维需求量达到了11.5 千吨，占世界碳纤维总需求量的15%左右，预计未来几年该领域碳纤维需求量的年均增速约为9%。体育休闲是我国碳纤维的主要消费领域，年消耗量约5000 吨，约占碳纤维市场的18% - 20%，2007 年-2014 年间的年均增长率保持在3%左右。

　　碳纤维复合材料在高尔夫球杆、网球拍、钓鱼竿、自行车、赛车、滑雪板等高档文体用品中广泛应用，碳纤维复合材料制作的高尔夫球杆比金属杆减重近 50%。2009 年浙江力霸皇集团有限公司生产的一体式竞赛型碳纤维自行车较铝材减重40 %。钓鱼竿、羽毛球拍、滑雪板、高尔夫球杆等体育用品的碳纤维67%是大丝束，随着大丝束价格的降低和性能提高，碳纤维使用量还将继续增加。

　　3、目前，全球生产的石油70% - 80%被用作汽车燃油，减少汽车燃油用量是改善全球气候问题的重要组成部分，世界多个国家和地区已经对汽车二氧化碳排放量进行了严格限制。美国国家高速公路管理局（NHTSA）已经在着手对乘用车及轻型载货汽车公司平均燃料经济性（CAFE）标准进行改革，2015 年CAFE 标准要求汽车制造商燃效值达到35.5 英里/加仑，这一指标到2025 年将逐步飒升至54.5 英里/加仑，几乎是当前的2 倍。欧盟的汽车二氧化碳排放量限制标准则要求乘用车二氧化碳排放量从目前的130 g/km 减少到2020 年的95 g/km。

　　实现汽车节能减排主要有四条途径：1、改善发动机，提高燃油效率，此方法减排效果最明显，但技术难度大、耗资多，对汽车产业链带动不明显；2、采用轻量化技术和材料，此方法效果好，易实现，可以带动原材料和零部件等汽车产业上下游的发展；3、提高汽车空气动力学性能，降低滚动阻力，该方法适合于赛车类的部分车型；4、提高动力传动效率，减小能量专递损失，但损失不可避免，此方法节能效果一般。

　　可见，轻量化技术是汽车降低油耗、减少排放、提高新能源汽车续航里程最有效工程途径之一，而采用高性能纤维增强复合材料部分代替传统金属材料是目前汽车实现轻量化最有效的方法。研究显示，汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%-8%，而汽车整车质量减少100kg，油耗降低(0.3-0.6) L /(100 km)，加速性能提升8%-10%，制动距离缩短2-7 m。随着新能源汽车的发展，新的能源系统带来的车身重量显著增加，以纯电动汽车电池系统的重量为例，普通电池系统净增加整车质量250-400 kg。因此，汽车轻量化发展势在必行。

　　碳纤维复合材料用于汽车轻量化的优势在于其比强度和比模量高，密度小，在等刚度或等强度下，相比于钢可减重50%以上，相比于镁铝合金可减重30%左右；高强抗冲击性和极佳能量吸收能力（比金属材料高4-5 倍），安全性能更佳；钢和铝的疲劳强度一般为抗拉强度的30%-50%，而碳纤维复合材料可达70%-80%，抗疲劳性能优异；吸振能力强，振动阻尼高，同种条件下轻合金停止振动需9s，而碳纤维复合材料仅需2s；结构整体成型，可设计性强等等。因此，碳纤维复合材料汽车轻量化技术不仅能实现节能减排，还能提高车辆的安全可靠性、加速性能、灵敏性、稳定可控性等，是汽车轻量化技术的主流趋势。

　　2015 年全球碳纤维汽车市场需求量达到了8700 多吨，预计到2020 年将超过2 万吨，未来五年年均增速高达21%，将成为增长最快和需求最大的领域之一。随着碳纤维技术的进步，材料成本价格将逐步降低，性价比的提高使得碳纤维材料应用在未来将不在局限于高档、豪华车型，在未来数年的时间里会逐步向一般车型发展。据日本金沢工业大学预测，未来10 年全球汽车市场将大幅增长，2025 年全球汽车产量将达到1.5 亿辆，这将是复合材料迈进汽车轻量化市场的大好机会。

　　2015 年我国汽车产销总体平稳增长，汽车全年产量为2450.33 万辆，同比增长3.3%，全年销量为2459.76 万辆，同比增长4.7%，连续7 年蝉联全球第一，创历史新高，预计2016 年销售增长率为6.5%，汽车销量或达2620 万辆。新能源汽车领域表现抢眼，2015 年我国新能源汽车产量达34.05 万辆，销量33.11 万辆，同比分别增长3.3 倍和3.4 倍，超过美国一跃成为全球最大的新能源汽车市场，预计2016 年新能源汽车产量可达57 万辆，同比增长67%。我国汽车领域的发展为国内汽车轻量化提供了广阔的市场空间。

　　4、2015年全球的风电新增装机容量首次突破60000 MW，达到了63013 MW，同比增长22%。全球风电累计装机容量达到432419 MW，累计同比增长17%。据欧洲风能协会预测，到2020年全球风电装机将占总电量的12%，风力发电已从“补充能源”向“战略替代能源”转变。未来风力发电将向大功率、长叶片、轻量化方向迈进，当风力机超过3 MW、叶片长度超过40 米时，碳纤维己成为必然选择。

　　风电设备的叶片、机舱罩是采用复合材料的主要部位，碳纤维复合材料叶片是风机轻量化及大型化的必然趋势。一台风机按12 吨计算，碳纤维用量0.6 吨/片，则风机消耗碳纤维 1.8吨/台。“十一五”期间，我国建成了30 个100 MW 级的风电项目，实现了30000 MW 的中长期发展目标，新增装机约6000 台/年，碳纤维需求量10800 吨/年。2015 年我国风电新增装机容量为30500 MW，同比增长31.5%，累计装机容量达到145104 MW，同比增长26.6%。如果以2 MW 的碳纤维风力电机进行估算，2015 年新增风力电机15250 台，则碳纤维容量可达2.7万吨，市场潜力巨大。而2016 年后，我国风电领域将继续保持较快增长，为碳纤维行业的发展提供了强有力的保障。

　　随着风机叶片的加长，玻璃纤维复合材料叶片已不能满足性能要求，大丝束碳纤维复合材料叶片不仅在风机强度和刚度等力学性能方面都满足要求，而且轻量化、耐腐蚀的特征也成为海上风能叶片的需求。国外已展开大丝束碳纤维风电叶片的应用，维斯塔斯（Vestas）生产的V-90 型3.0 MW 风机叶片与玻璃纤维相比减重32%，成本下降16%。歌美飒（Gamesa） 生产的长达44 m 的2.0 MW 风机叶片采用碳纤维/环氧树脂预浸料，质量仅7000 kg。南通东泰生产的2 MW 碳纤维风机叶片主梁，既保证叶片高强度，又顺应了大型化、轻量化方向。荷兰戴尔佛理工大学研制的直径120 m 风机叶片，梁结构采用碳纤维重量减轻40%。

　　目前碳纤维主要应用在风机的主梁结构，未来3 年风机功率将从2 MW 向5 MW 过渡，而主梁会采用碳纤维/玻璃纤维混合的方式以实现性价比最大化。

　　5、80 年代初在欧美、日本和澳大利亚等国开始大力研究与应用，主要在桥梁、海工构筑物、非磁性建筑物等工程方面，其中桥梁方面应用较多。我国在1996 年前后开始研究应用，主要有碳纤维复合材料片材、筋及型材、预应力索、拉索、吊杆等，因其良好的抗疲劳性，在大跨度索桥、系杆拱桥中广泛应用。用碳纤维管制作的桁梁构架屋顶，比钢材轻50%左右，而且碳纤维做补强混凝土结构时，不需要增加螺栓和铆钉固定，对原有混凝土结构扰动较小，施工简便。

　　6、混配模成型（Molding & Compound）严格讲不是一个应用市场，而是指一种成型工艺但由于这种工艺涉及的应用面广，所以把它归类成一个应用分类。混配（Compound）主要是指非连续碳纤维增强塑料。主要以磨粉、短切和长碳纤维形态增强塑料基体，用于提升复合材料制品的力学性能、静电性能、电磁屏蔽性能以及热性能。通过双螺杆的混配，预成型增强塑料颗粒，再通过注塑或模压工艺做成零件，广泛应用于电子电气、办公设备、体育休闲、交通工具等。

　　模成型（Molding）主要是指片状模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）和团状模塑料（Bulk Molding Compound，BMC）。这类材料是纤维与热固性基体混配后形成的，再通过模压工艺完成零件制造。制品广泛应用于汽车、电子电气、化工装备、船舶等领域，通常是成型形状比较复杂的零件。

　　非连续碳纤维复合材料在满足制成品力学性能的前提下，以牺牲部分碳纤维性能为代价，换取和实现了优良的成型工艺、低成本和高产能，从而更好的满足了工业领域对产品高性价比的市场需求。

　　7、2014 年，压力容器市场最大的看点是丰田宣布燃料电池企业的量产化，由此将带来高压氢气瓶对碳纤维的需求。与此同时，无论是氢气的存储、转运和加气站的容器，都将对碳纤维的需求产生拉动作用。

　　另一个正在欧美兴起的市场，是页岩气的收集和转运到液化站大型容器的需求。有些在资源储量达不到架设管道的气田，就需要高压容器收集后对这些气体进行输送。这个市场的兴起，无疑也会带动对碳纤维需求的增长。

　　8、目前，船舶领域市场对碳纤维的需求主要是竞赛类船舶及附件，超豪华游艇及军事用途的船舶，以及各类船舶的桅杆。对于竞赛类船舶，减轻质量的价值相当巨大，据国外同行透露，每减轻1 kg 价值1 万美元。随着我国水上竞技项目的发展以及公众的跟随效应，将对碳纤维形成新的需求。全球各大海军强国加强了对碳纤维复合材料的使用，我国海军也不例外。希望以此能拉动更多的碳纤维需求。

　　由于全球碳纤维领域的关键技术一直被日本和美国的公司所垄断，一定程度上影响了碳纤维领域专利数量的进一步增长，但随着碳纤维在电缆、风力发电、交通用品、航空航天用品等领域的广泛应用，越来越多的国家开始重视碳纤维领域的研究，碳纤维领域专利数量增长速度从2007 年开始大幅提高，于2014 年超过6000 件/年，创历史新高。

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