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碳纤维:借新能源东风,从“跟跑”变“领跑”

日期:2022-12-05    来源:高端碳材料

国际风力发电网

2022
12/05
17:39
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关键词: 风电材料 碳纤维叶片 风电叶片

“黑色黄金”

在材料产业中,有这样一种“黑色黄金”,其比重不足钢的1/4,强度却是钢的10倍。换个说法,其单位重量所体现出来的强度是钢的40倍。这就是实至名归的新材料之王——碳纤维。

碳纤维是指含碳量在 90%以上的无机高分子材料,用聚丙烯腈(沥青或粘胶)等做原料, 经过高温氧化、碳化等环节而生成,是目前高性能纤维中具有最高的比强度、比模量的纤维,且耐高温也是最好的,主要应用在军工和工业等领域。

▲图源未来智库

碳纤维已成为理想的轻量化材料,碳纤维的分类标准有很多,目前分类标准主要有:原丝种类、丝束规格和力学性能。

碳纤维的诞生

1879年,爱迪生发明了以碳纤维为发光体的白炽灯,这是最早商业化的碳纤维。他将富含天然线性聚合物的椴树内皮、黄麻、马尼拉麻和大麻等定型成所需要的尺寸和形状,并对其进行高温烘烤;受热时,这些由连续葡萄糖单元构成的纤维素纤维被碳化成了碳纤维。

▲图源今日看点

早期的碳纤维没有结构强力,易碎,实用性差。20世纪初,人造纤维的出现,推进碳纤维再次发展,把碳纤维技术引入“再发明”时代。

到了20世纪中后期,聚氯乙烯、聚酰胺和聚丙烯腈等化学纤维的商业化,为美国开创高性能碳纤维技术的基础科学研究提供了前提。自此,高性能碳纤维基础科学研究和工业化技术研发进入了高峰期。

碳纤维发展迅速

近10年来,国产碳纤维的市场需求和产能都在飞速的增长,这与我国政策和经济社会的发展密不可分。经济快速发展给国产碳纤维产业注入了源源不断的血液,同时也为未来10年的国产碳纤维发展创造了有利的条件。

▲图源中商产业研究院

究其根本,大概有以下三点:

其一,新能源产业进入政策红利期

全球范围内的能源结构调整促生了新能源产业,近十余年来,我国新能源产业的发展速度惊人,几乎每年都以30%的超常规速度增长,并成为全球风电和光伏发电规模最大、增速最快的国家。

国务院《新时代的中国能源发展》白皮书提出大力推进低碳能源替代高碳能源、可再生能源替代化石能源等战略举措,这预示着新能源产业正迎来更多政策红利。

“十四五”期间,清洁能源的开发利用又将上一个新台阶。预计到2030年,非化石能源消费比重将达到25%左右,接下来能源增量70%以上以非化石能源为主。

在新能源汽车、光伏、风电这类经济转型最受益的新能源产业中,碳纤维复合材料也在扮演着重要角色,风电叶片、光伏载板、新能源汽车零部件都是碳纤维应用的典型案例。

其二,工业产业结构正面临转型升级

近几年来,我国一直在大力推进产业结构的转型升级,促进工业企业不断优化产业结构,通过政策调整、市场调控等方式将低附加值、低品牌化、低技术含量的企业逐步淘汰掉。与此同时,工信部也在狠抓落实节能降耗、减排治污工作,旗帜鲜明地推动工业向绿色转型。

在绿色发展的号召下,一大批企业在积极通过设备升级、技术创新、产能优化等手段实现节能减排。例如,纺织、印刷、造纸以及锂电池制造等企业在生产设备中采用碳纤维复合材料辊替代传统的金属辊,通过碳纤维复合材料的轻量化和高性能实现降低能耗、减少企业生产经营成本。

其三,世界军备竞赛的压力增大

因外部压力的增大,发达国家对军工产品与技术的管控和封锁日益严格,国家的军工装备必须实现自主可控。在外部动荡因素增多的情况下,国内的军工行业正在进行“跃层式”发展。在这个特殊时期,军工行业面临着更为紧迫而有利的发展机遇,无论是基本面还是资金面,军工行业都具备了持续上涨的基础。

军工产业的不断突破需要长周期、高投入的技术研发支撑,高性能先进复合材料一直是军工装备的宠儿,成本高但是性能强的碳纤维复合材料军工零部件在这个特殊时期获得了大幅度的应用增长。

碳纤维在我国的发展现状

在发达国家,碳纤维产业对支持产业升级乃至国民经济整体素质提高方面都发挥了重要的作用。我国于60年代末与国外基本同步开始了PAN基碳纤维的研制,但由于种种原因进展十分缓慢,同比发达国家落后了近30年。

2009年,国内碳纤维产业多年来发展落后缓慢的局面得以改变,生产企业和投资基地都在不断增多,行业的发展从此进入了一个全新的时期。但是与发达国家相比,我国目前的碳纤维生产能力(特别是高端产品)与国际水平还存在相当的差距,真正国产化还需要一个漫长的过程。

目前,国内碳纤维生产厂家在企业专有技术、人才资源、生产成本、营销网络等方面尚不具备与国外企业抗衡的能力,但国产碳纤维的成功开发,平抑了碳纤维的市场价格,促进了碳纤维及制品的应用。碳纤维复合材料制品以其质轻高强的特点,随着其生产低成本化,将在国内民航、石油开采、风力发电、压力容器等行业大量应用,成为行业新的增长点,在新能源“风光氢”的需求驱动下,碳纤维的消费量也将与日俱增,碳纤维及其复合材料风潮再起。

大丝束碳纤维

长期以来,我国主要在小丝束碳纤维方面实现了突破。随着我国首个万吨级48K大丝束碳纤维工程第一套国产线在中国石化上海石化碳纤维产业基地投料开车,并生产出性能媲美国外同级别产品的合格产品,我国大丝束碳纤维也从关键技术突破、工业试生产、产业化,成功走向规模化和关键装备国产化,一举破除了我国碳纤维生产和装备受制于人的被动局面。

数据显示,2021年全球碳纤维需求量约为11.8万吨,其中大丝束碳纤维需求量为51400吨,占比约43.5%。2021年我国碳纤维需求量达到6.24万吨,较2020年增加27.7%,占全球碳纤维需求量的53%。专家表示,碳纤维在新能源、风电、光伏、汽车、体育用品等下游市场的应用需求将逐渐爆发, 渗透率不断提升。

▲图源中国石化

业内专家称,中国碳纤维行业正处于快速发展阶段,根据目前各企业已宣布的投资扩产计划,如果所有建设项目可以顺利投产落地,“十四五”末期,中国新增碳纤维产能将达21万吨以上,其中新增大丝束碳纤维产能达17.6万吨,中国大丝束产能扩张时代将随之开启。

碳纤维市场及其未来的应用

根据赛奥碳纤维《2016—2021全球碳纤维复合材料市场报告》,从全球的维度来看,碳纤维需求量从2016年的7.65万吨增至2021年的11.8万吨,复合年均增长率(CAGR)为9.02%,2021年同比增速从2020年的3.05%提升至10.42%,2025年预计全球需求量达20万吨。

2021 年国内碳纤维需求中,进口碳纤维供应量为 3.3 万吨,占总需求量的 53%,可以看 出我国碳纤维仍以进口为主,但进口比例持续下降,2021 年进口同比增速仅为 9.15%;国产碳纤维供应量为 2.9 万吨,占需求量的 47%,国产占比较 2020 年的 38%增长 9 个百 分点,且 2021 年国产碳纤维增速为 58.54%,远超过进口增速,说明国内企业在碳纤维 生产方面取得突破,国产替代趋势明显。

▲“飞扬”外壳为碳纤维复合材料,图源中国石化

从应用领域来看,2021年全球和国内碳纤维的主要应用领域均是风电叶片。2021年全球碳纤维需求量占比前三的领域分别是风电叶片(27.97%)、体育休闲(15.68%)和航空航天(13.98%);而国内占比前三的领域分别是风电叶片(36.07%)、体育休闲(28.05%)和碳/碳复材(11.22%)。风电叶片、体育休闲、航空航天、碳/碳复材等领域的需求占据了碳纤维市场需求的主要部分。


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