2008-5-8 碳纤维的应用及市场需求分析.doc

碳纤维的应用及市场需求分析碳纤维由有机母体纤维(例如黏胶丝、聚丙烯腈或沥青)采用高温分解法在1 000-3 000的惰性气体下烧制完成，其结果是除碳以外的所有元素都被去除。碳纤维呈黑色，密度比金属铝低，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性。既有碳材料“硬”的固有特征，又兼备纺织纤维“柔”的可加工性，是新一代军民两用新材料，广泛应用于航空、航天、交通、体育休闲用品、医疗、机械、纺织等各领域。碳纤维产业在发达国家支柱产业升级乃至国民经济整体素质提高方面发挥着重要作用，对我国产业结构的调整和传统材料的更新换代也有重要意义。1 碳纤维的主要用途1.1 高科技领域由于碳纤维复合材料密度低、刚性好和强度高，成为一种先进的航空航天材料。我国对碳碳烧蚀材料相关的科技问题进行了深人地研究，其研究成果已在导弹发射管、固体火箭发动机壳体、卫星和飞船上等得到应用。1.2 飞机和汽车制造我国自行研制的碳纤维复合材料刹车预制件，其性能已全面达到国外水平。采用这一预制件技术所制备的国产碳碳刹车盘已批量装备于国防重点型号的军用飞机，并在B757-200型民航飞机上使用，在其他机型上的使用也正在实验考核之中，并将向坦克、高速列车、高级轿车、赛车等推广使用。1.3 体育休闲用品我国在20世纪80年代初开始研制碳纤维复合材料体育运动器材。1987年，中山大学与东莞玻璃钢厂合作研制成功了碳纤维玻璃纤维混杂增强环氧树脂的蜂窝夹层结构四人皮艇。但高尔夫球杆、钓鱼杆、渔线轮、网球拍、羽毛球拍、自行车架等仍是碳纤维的主要用途。1.4 碳纤维加固建筑结构我国从1997年开始从国外引进碳纤维复合材料加固混凝土结构技术，并开始进行相关研究。由于其巨大的技术优势，在短短的时间内很快形成研究和工程应用的热点。目前国内已有数十个高校和科研院所先后开展了碳纤维加固建筑结构的研究，并取得了一批接近国际先进水平的研究成果。同时，已完成碳纤维复合材料加固工程近百项。由于我国具有世界上最为巨大的土木建筑市场，碳纤维加固建筑结构的应用将呈现不断增长的趋势。1.5 碳纤维复合材料抽油杆据预测，至2008年有8-10更新或新增的抽油杆用碳纤维复合材料抽油杆取代，共需碳纤维320-420 t。至2010年如果按15的取代量计算，则碳纤维消耗量可达624t。1.6 风力发电机叶片当前世界上风力发电机组的发电机额定功率越来越大。与其相适应的是，风机叶片尺寸也越来越大。为了减少叶片的变形，在主承力件如轴和叶片的某些部位采用碳纤维来补充其刚度。“十五”期间，仅我国的装机总容量就已达到1.5GW，因而碳纤维在风力发电机叶片上的应用前景看好。2 聚丙烯腈基(PAN基)碳纤维发展状况2.1 世界发展状况2.1.1 生产情况 2000-2003年，世界PAN基碳纤维总产能约为31.0 kta，其中24K以下“小丝束”(Conventional Tow简称CT)约占四分之三，而24K以上的“大丝束”(LargeTow简称LT)约占四分之一，该期间基本没有新的生产能力形成。 2004-2005年世界碳纤维总产能略有增加，为35.60-37.40kta。 由于欧洲空中客车A380及波音公司7E7客机大量使用碳纤维的商机出现，世界各碳纤维制造商纷纷抢先实施扩产计划。 日本TohoTenax公司准备扩大其完全控股的德国子公司Tenax纤维股份有限公司(Tenax公司)的碳纤维产量。新的生产线建成投产后，可新增产能1.50 kta，TohoTenax公司碳纤维总的生产能力提高到9.10kta。其中，小丝束7.80kta，大丝束1.30kta。 日本三菱人造丝公司与欧洲的SGL公司合作，在2005年扩大0.50kta的产量，并于同年扩大其美国Grafil子公司的产量0.50 kta，使其总产量可达至，j 5.70-5.90kta。 日本东丽公司计划投资550亿日元，在日本、美国和法国扩大碳纤维生产能力，使PAN基碳纤维从目前的13.90 kta提高到17.90 kta，以满足世界的需求增长。在国内的爱媛县新建一套0.40kta碳纤维装置，2008年1月使该基地的生产能力增加到7.30 kta；2008年12月使在美国的东丽碳纤维美洲公司的生产能力从3.60 kta增加到5.40kta；2007年8月在法国的碳纤维合资公司生产能力从2.60 kta增加到3.40 kta，到2008年12月进一步提高到5.20kta。2.1.2 需求状况从2004年起，碳纤维市场突然紧缺，出现了供不应求局面，价格随之急剧上涨。日本东邦公司对2003年所做的调查报告作了全面修正，按其新的统计和预测修正数据，2004年约达17.4kt，2005年约达20.0kt，2006年约达21.7 kt。该数据与碳纤维的总用量相比偏低很多。有专家分析认为，东邦的数据是指12K以下小丝束数据(详见表1)。表1 日本东邦tenax对世界碳纤维总用量的统计 kta年份航空航天体育休闲工业产业合计20003.833.714.1711.7120013.104.7l5.9513.7620023.044.566.6914.2920033.224.587.5715.3720043.554.649.2017.3920053.954.6811.1419.9720064.424.7012.5921.712.2 我国发展状况2.2.1 生产情况 我国碳纤维的研制从20世纪60年代起，由中科院长春应用化工所率先开始研究。之后山西煤炭化学研究所、吉林炭素厂、兰州炭素厂、上海硅酸盐研究所、上海炭素厂、广州陶瓷厂、辽源石油化工厂、上海合成纤维研究所、安徽大学等单位相继加入研究。 目前，国内碳纤维的生产厂家及其产品情况如表2所示。 表2 我国聚丙烯腈基碳纤维的生产能力 ta生产厂家产 品设计能力备 注吉林炭素厂1KCF20已生产10年兰州碳纤维厂3KCF30甘肃郝氏碳纤6KCF60维有限公司12KCF70吉林化工研究院碳纤维厂1KCF110引进的生产线，已报废山东威海拓展纤维公司1KCF10获发改委支持上1 kt碳纤维生产线，目前尚未投产。3K30扬州汇通新合纤材料有限公司12KCF10-30863专项支持大连兴科碳纤维有限公司12kCF320原丝靠进口，自己无生产能力山西煤化所 1KCF3-5 中试阶段安微蚌埠华皖12K200已建成集团2.2.2 需求状况 2005年国内消耗碳纤维量在3 891t左右，体育休闲约占82，军工约占3.2(见表3)。 中国碳纤维市场上的主导产品是T-300(12K)、T-700(12K)及其织物(含预浸料)。此外，每年还从日本等国进口一定数量相当于T-300、T-800等1K、3K、6K小丝束碳纤维及其织物，进口少量高模量和高模高强碳纤维如M-40、M-55J、M-60J等品种。 表3 中国碳纤维需求统计和预测 ta年份20022003200420052010军工456599125263体育休闲29003000310032003500加固建筑70140230350850抽油杆122765120480碳碳复合材料9143046220其他5102050200合计304132563544389155133 投入碳纤维研制的风险与机遇3.1 风险 (1)总体发展缓慢，无规模生产能力 我国碳纤维发展比较缓慢，年产量约150 t，生产企业有吉林碳素厂、兰州碳纤维厂、甘肃郝氏碳纤维有限公司、山东威海拓展纤维公司等企业。除甘肃郝氏碳纤维有限公司年产70 t的生产线外，其余几家实际产量都在10t上下，远远达不到国内生产企业的需要。国外碳纤维生产线的生产能力在200ta以上，而我国至今还没有一条百吨级碳纤维生产线，这也是我国工业化开发的差距之一。因此，我国碳纤维的开发虽取得阶段性成果，但尚未实现大规模产业化生产。(2)原丝生产技术未掌握 我国碳纤维的生产和使用尚处于起步阶段，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，国内用量的90以上靠进口。研制碳纤维，原丝是关键。在纤维生产成本中，原丝占50-60，投资成本中，原丝占80，而且原丝质量对成品碳纤维的好坏具有举足轻重的作用。因而原丝质量一直是制约我国碳纤维工业规模化生产的瓶颈。国产原丝和碳纤维所含碱、碱土金属和铁的含量比国外大得多，它们的存在不仅影响聚合和纺丝的稳定性，而且在高温碳化过程中逸走而残留下孔隙。另外，碳纤维长期以来被视为战略物资，发达国家一直对外实行封锁。 40多年来，我国一直没有掌握高品质聚丙烯腈的合成技术，没有生产出适合于制备高质量原丝的原料聚丙烯腈。这已经成为阻碍发展高性能碳纤维的关键问题之一，极大地限制了我国碳纤维的发展。 (3)成套技术引进可能性小由于碳纤维是战略物资，因而引进有一定难度。对适合于军事应用的碳纤维的引进尤为困难，特别是航天用碳纤维，如高强型的T-1000、高模高强型的M-55J、M-60J等，欲想引进碳纤维成套生产技术可能性很小。3.2 机遇 (1)市场潜力大 碳纤维及其原丝的巨大发展前景，高额利润及高附加产值，为碳纤维的投入提供了很充分的理由。目前，我国每年使用碳纤维量约在3 kt，占世界碳纤维用量的13.6，而且以10-15的速度稳步增长，市场潜力巨大。有资料显示，国内碳纤维的需求缺口较大，存在严重的供不应求。如目前我国PAN基碳纤维的需求量达1.30-2.30kta，预计2010年达5.60 h。而目前国内现有PAN基碳纤维的生产能力仅为144 ta，且由于产品性能低和价高等原因，大多没有达到满负荷生产。“十五”期间引进的年产400 t的碳纤维及原丝等项目，即使按预期顺利建成并投产，国内的生产能力仍不到需求的三分之一。因此可以说现在即时投入碳纤维研制，是一个良好机会。 (2)可以依托腈纶生产经验 近十几年，我国的腈纶行业有了较大的进步，腈纶生产能力大大提高。最大的腈纶生产企业已具有150kta以上的生产能力。并积累了几十年的工程技术经验，培育了一支力量雄厚的高素质技术队伍，已具有研制PAN基碳纤维的基础优势。日本碳纤维三大主要生产企业都具有腈纶生产经验这一得天独厚的优势。这种优势对PAN原丝到PAN基碳纤维的开发和实质性生产将起到良好的作用。 (3)机会蕴育于风险中 碳纤维行业投入大，不确定因素多，加上国外的技术保密，有许多方面需要靠国内技术人员自行探索、研究，这显然是风险。但如果不及时下决心投入研制，就可能丧失大好时机。以往国外掌握高技术的公司往往采用先高价控制，一旦国内掌握技术后，立即大幅度降价，使国产技术被扼杀在摇篮中。这种做法在需求量剧增的市场情况下是无效的。因此，应趁当前世界碳纤维市场出现空前大好形势之时，抓住最佳时机，才能以较低风险进入碳纤维领域。 4 结论 碳纤维的制造是一门多学科交叉、多技术集成的系统工程，质量的提升涉及到方方面面。可以利用多