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中国•丹阳碳纤维及复合材料产业链创新发展论坛

发布时间:2021-09-26

  运行都造成巨大考验的背景下,日本、美国的知名碳纤维企业的业绩均出现大幅下滑,然而,我国碳纤维市场却逆势而上,呈现出产销双增的喜人局面。

  我国碳纤维产业今年整体取得优秀业绩背后的驱动因素有哪些?产业现阶段发展呈现出哪些突出特点?在“十四五”期间,产业进一步实现高质量发展应该把握住哪些关键点?

  11月26~27日,中国•丹阳碳纤维及复合材料产业链创新发展论坛暨2020年中国化学纤维工业协会碳纤维分会年会在江苏省丹阳市召开,会上对以上问题进行了深入探讨。

  本次会议由中国化学纤维工业协会、江苏省生产力促进中心、丹阳市人民政府共同主办,丹阳市科学技术局、中国化学纤维工业协会碳纤维分会、江苏恒神股份有限公司和丹阳市高新技术创业服务有限公司承办。

  中国纺织工业联合会副会长、中国化学纤维工业协会会长端小平;中国工程院院士蒋士成;中国科学院院士朱美芳;江苏省丹阳市委副书记、副市长许根林,副市长、开发区党工委书记束克之;工业和信息化部消费品工业司主任科员吴桐;科技部科技创新发展研究中心副处长于笑潇;中国化学纤维工业协会副会长贺燕丽、陈新伟,国家先进功能纤维创新中心主任王玉萍;江苏恒神股份有限公司党委书记、董事长李仰东,江苏恒神股份有限公司总经理钱京,以及来自国内外多家碳纤维生产和应用企业、相关高等院校和科研院所等单位的代表共同参会。

  小小的一根碳纤维,却有着“细如发丝、轻如鸿毛、强如钢铁、难比芯片、贵如黄金”的属性,也深深地激发出一批从业者的家国情怀。在产业化经历了大约15年的突飞猛进后,如今的国产碳纤维产业早已不是当初那个被“卡脖子”的品种。

  端小平列举了一组数据:2019年,我国碳纤维的产量达到了12000吨,我国市场的碳纤维总需求量达到了37840吨,比2018年增长了22%。今年,国产碳纤维的产量预计有望达到约15000吨。

  具体来看,在原丝技术方面,国家碳纤维工程技术研究中心主任、北京化工大学材料科学与工程学院教授徐樑华介绍,我国目前已形成DMSO、NaSCN、DMAc三大国产化技术体系和产业体系。其中,DMSO原丝新技术被纳入国家相关计划20年,多数国产碳纤维企业和军用碳纤维目前都采用DMSO技术;NaSCN技术的代表是上海石化和蓝星公司;DMAc技术的代表是吉林碳谷。

  产业化建设也有序推进。徐樑华介绍,产业化装备自主能力不断加强,纺丝油剂、碳纤维上浆剂、结构性能表征等配套能力进步显著,军民应用同步牵引,工程化、产业化发展势头良好,应用服务意识也不断强化。截至今年9月底,全国单线产能在千吨以上的碳纤维生产线条。

  在应用方面,呈现出市场需求牵引强劲的特点,应用领域发展非常快,较好地解决了“用出去”问题。

  相关统计数据显示,我国碳纤维市场的需求量连续几年快速增长,2017年的同比增速为20%,2018年为32%,2019年为22%。在市场总需求量中,2018年国产碳纤维的用量占比约为29%,2019年增至32%,今年仍继续增长。

  端小平指出:“整体来看,产业的市场集中度进一步提高。其中,中复神鹰、光威复材、恒神股份等龙头企业的合计年产量(碳丝)已经接近国产碳纤维总年产量的80%,且产业技术进步明显,规格和产品结构更加丰富。”

  蒋士成指出:“从2005年至今,在国家、企业、相关科研院所和行业协会的共同努力下,我国碳纤维产业实现快速发展,目前已形成年产万吨的产业规模。当前,我国不仅形成了一批具有相当市场竞争力的重点企业,其中有企业的产销量均突破千吨,而且有企业在民用领域也已实现赢利。这都表明我国碳纤维产业整体已达到国际先进水平。”

  徐樑华也指出:“尤其是‘十三五’期间,我国碳纤维产业发展得非常快,快到我们今年在制定‘十四五’发展规划的时候觉得不好写,但这是个好事。而且,回想10年前,碳纤维产业的加入者还是比较激动的,现在则普遍比较理性。整体看,技术和产业发展的格局都非常健康。”

  此外,产业当前还呈现出其他一些新特点。端小平指出,一是产业结构进一步调整,以龙头企业为代表,开始布局中西部地区。我国主要碳纤维企业布局中西部已成一种必然,中西部地区已经吸引了中复神鹰、光威复材等龙头企业投资。接下来,中西部将成为大规模化生产碳纤维的重要基地接下来,碳纤维企业去中西部地区投资,不仅能获得相对东部地区更低的电价,还能获得更多政策和相关资源支持。二是国有资本加大进入国产碳纤维行业的力度,成为目前的一种趋势,双方在优势方面形成互补,但也需要注意,“如果国有和民营资本不能形成互补,也将面临新的考验。”

  端小平强调:“今年,在疫情背景下,我国碳纤维行业却交出了一份优异的成绩单,对社会经济复苏发挥了重要作用,这就是对抗疫最大的贡献。”

  中国复合材料集团专家张定金也指出:“今年,相比国际知名碳纤维企业经营业绩的普遍下滑,我国碳纤维龙头企业的业绩逆势而上,仍然保持快速增长势头。”

  依据日本东丽发布的2020财年一季度(4月~6月)业绩报告,期内,其销售收入为454亿日元,同比下降26.2%;其中,航空航天领域的销售收入为174亿日元,同比下降40%;其利润为17亿日元,同比下降73%。

  美国赫氏复材今年1~3季度实现销售收入12.07亿美元,同比下滑32.6%;其中,航空领域的收入为6.57亿美元,同比下降42.9%;航天领域的收入为3.29亿美元,与上年同期基本持平;工业领域的收入为1.82亿美元,同比下降25.1%。

  而今年前三季度,我国碳纤维上市企业光威复材的营收同比增长22.49%,达到16.03亿元;归属于上市公司股东的净利润同比增长18.06%,达到5.24亿元。

  在造成国产碳纤维目前供不应求的多个原因中,来自风电市场需求的快速增长十分关键。“风电市场需求来得太猛烈,大家都在群情激昂谋发展。”吉林化纤集团公司董事长宋德武这样感慨。

  记者了解到,吉林化纤集团今年的碳纤维销量大幅增长,其中,用于风电市场的大丝束碳纤维销量增长最为突出;产品有八九成都是供应风电市场的江苏澳盛复合材料科技有限公司,今年的碳纤维用量预计将超过1万吨,去年的用量则是7000多吨。

  钱京也表示,目前在恒神股份的碳纤维总销量中,风电市场销量排第二,2019年的销量约为400吨。

  事实上,国产碳纤维今年这种“供不应求”的态势,在2019年就已显示出来了。端小平介绍,2019年,我国大丝束碳纤维呈现出“供不应求”的状态,我国市场上风电领域的碳纤维用量达到了13800吨,较2018年大幅增长97%。

  另根据《风能北京宣言》的目标,预计到2030年,我国风电至少要达到8亿千瓦,年均复合增长率达12%。

  对此,中材科技风电叶片股份有限公司高级工程师牟书香表示,随着风电行业的快速发展,风电机组越来越大,叶片长度也越来越长,行业竞争也愈演愈烈,持续降低度电成本成为整个风电上下游企业共同的目标。碳纤维复材则具有刚度大、强度高、密度低等优势,是满足大型叶片“轻质高强”要求的理想材料。

  “未来,风电市场需要进一步加大国产低成本碳纤维的批量、稳定供应,风电叶片和碳纤维产业也需要协同创新,通过智能制造助推碳纤维风电叶片提质增效。”牟书香说。

  不过,端小平也提醒企业:“国产碳纤维的可持续发展,要不断开拓新应用市场,要避免对风电市场的过度依赖。”

  今年,随着中美贸易摩擦加剧,我国需要进口的跟碳纤维相关的设备遭到“封锁”。我国民用航空领域的相关企业需要的一些设备无法进口,便开始在国内寻找外协合作企业,恒神股份被“选中”了。

  据了解,我国企业当前仅拥有数台自动铺带机和自动铺丝机,恒神股份则同时拥有先进的自动铺带和自动铺丝两种设备。随着先进航空零部件自动化制造的需求不断增长,我国对自动铺放设备的需求也逐渐增加,但此前基本上依赖进口的自动铺放设备,今年却遭遇了“国际封锁”。在此背景下,中国商飞开始对国内碳纤维及复材企业进行考察,寻找合作企业,评估、构建外协供应体系。

  今年夏天,中国开始对恒神股份进行自动铺带设备鉴定、特种工艺评审和外协供应商资质认证。钱京解释:“我们的供应,首先要做到符合中国商飞的民机供应规范。”10月,恒神股份完成了所有认证工作,正式成为了中国商飞的产品供应商。

  其实,哪有什么“从天而降”的机会,机会从来都是留给有准备的企业。今年之所以能够被中国商飞“选中”,是因为恒神股份的坚持和把工作做在了前面。

  钱京介绍,大约在2015年前后,公司花了近亿元进口了1台自动铺丝机和1台自动铺带机。把机器买回来后,公司进行了大量工艺探索。“投资需要走在前面,技术和工艺的积累也都需要一个漫长的过程。自动铺带机适合做曲率比较小的产品,比如机身壁板、垂尾等,自动铺丝机可实现大曲率复杂零部件。”

  “当时,公司已经意识到,随着劳动力短缺和用工成本逐年高企,自动铺带机和铺丝机未来将成为一种选择。而且,利用机械手进行自动化铺带、铺丝,能够大大提高铺贴效率。但这类自动化工艺是跟我国航空工业的发展程度是密切关联的,实事求是地说,自动化设备买回来后利用率一直不高。但现在,机会来了。”钱京补充说,“从明年起,随着开始承接中国商飞的外协工作包,我们的自动铺带机的利用率将会提高。并且,恒神近期将要承担国产宽体飞机一个大型结构部件的研制,会使用公司自己的自动铺丝机和碳纤维复合材料。”

  钱京进一步介绍,用到的是公司研发生产的中模碳纤维HF40(T800级)。公司目前已具备HF40湿法纺丝和干喷湿纺生产工艺技术,产品包括6k和12k,已开展了多批次性能验证,性能数据离散性小,产品质量稳定。公司还把HF40与自主研发的高温高韧性环氧树脂、双马树脂,以及改性聚酰亚胺树脂匹配,研发出应用于航空领域的多款预浸料产品。其中,高温高韧性环氧树脂(EH918)匹配HF40(T800级)碳纤维的预浸料体系EH918/HF40,主要应用于民用大型飞机结构部件,该预浸料可满足自动铺带及铺丝工艺。此外,公司还开展了CR929后机身压力框、帽型加筋壁板等典型结构部件的试制,其预浸料的复合材料性能和工艺性均满足相关要求。目前,HF40(T800级)碳纤维已为相关项目及应用市场供货约300吨。

  其实一直以来,航空市场都是国际知名碳纤维企业产品的重点应用市场,尤其是民用航空市场,备受重视。这一次,我国企业面临的被动封锁,却在客观上加速了国产碳纤维及其复材企业融入我国民用航空市场的步伐。

  “公司T700级碳纤维的产能目前为1500吨/年,T800产品的合计年产能为1800吨。在公司目前的碳纤维年销量中,45%供给航空领域,其他应用市场还包括风电、能源、船舶、光伏、氢能、建筑补强等。接下来几年,航空市场对公司碳纤维及复材营收‘盘子”的贡献预计会进一步扩大。”钱京说。

  此外,会议期间,中国化学纤维工业协会碳纤维分会换届,钱京当选为新一任轮值会长。身为“80后”,钱京成为该分会自成立以来最年轻的轮值会长;恒神股份还与远景能源有限公司签订了战略合作协议,双方接下来将在风电叶片用低成本大丝束碳纤维开发、碳纤维拉挤板等领域展开深入合作。

  “我们碳纤维行业正式进入‘80后’时段,这也体现出行业发展的新特点——有能力、有魄力、有活力。”该分会第三任轮值会长宋德武笑着说。

  无论是航空还是风电,都属于碳纤维的应用市场。相比产业化初期面临的“如何量产”的难题,当前,国产碳纤维实现突破性发展更要解决好“用出去”问题,也就是“需求牵引”。

  而在“用出去”的过程中,碳纤维需要与基体材料复合使用,充分发挥其优异性能。当前,市场上使用最广的是碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP),它在航空航天特别是飞机制造业领域应用广泛,也是生产武器装备的重要材料。复合材料的“低成本”制造技术,则是目前国际复合材料技术领域的核心问题之一。

  徐樑华介绍:“复合材料的成本构成一般包括碳纤维成本、树脂基体成本,以及复合材料制备过程中的成本,包括模具效率、成型能耗和纤维预制体等。”

  常州宏发纵横新材料科技股份有限公司总经理谈昆伦介绍,复合材料的低成本制造技术包括材料技术低成本、设计技术低成本和制造技术低成本,涉及多种复合材料成型技术,如纤维、编织、缠绕、模压、拉挤、RTM等。

  但是从现阶段的实际情况看,徐樑华指出:“在应用中,已经不再是国产碳纤维价格贵的问题,而是国产碳纤维复合材料价格贵。当然,如果相关下游应用领域目前还嫌国产碳纤维贵,那也可以说这些领域其实是不需要用碳纤维的。”

  那么,国产碳纤维复材接下来如何进一步实现低成本化?可以从实现技术和协同机制两个方面共同去突破。

  从碳纤维材料本身的成本看,大丝束技术是目前国际市场上公认的碳纤维低成本制造技术之一。比如,日本东丽研发生产的拉伸强度为3530MPa、拉伸模量为230MPa的T300级3K小丝束碳纤维,当前每公斤的价格约为380元。而西格里研发生产的拉伸强度为4000MPa、拉伸模量为240MPa的CT50-4.0/240-E100级50K碳纤维,当前每公斤的价格约为120元。

  在材料之外,谈昆伦介绍,复合材料的低成本技术包括二维/三维低成本织造技术、预浸料低成本技术、复合材料低成本成型技术和自动化装备技术等。比如,低成本预浸料技术的路线包括三个方面:一是纤维成本低、效率高的大丝束碳纤维展纤技术;二是单向及多轴向大克重预浸;三是固化特性和流动特性优化的树脂体系的开发,包括低温固化体系和满足非热压罐(OOA)工艺要求(真空条件下的固化后低孔隙率)。

  “不管做什么材料,都需要应用牵引,需要对产业链条进行成本控制。企业要从纤维、中间材料(织物/预浸料)、快速成型工艺、自动化加工量产设备等全产业链方面,努力降低复材的制造成本。”谈昆伦说。

  在协同机制方面,徐樑华建议:“产业链要组建起协同机制解决若干问题,综合解决性能、价格贵、使用价值的问题。下一步,我们的碳纤维生产企业要去帮助复合材料企业降成本。从实际情况看,碳纤维企业每公斤产品的成本如果要降10元钱是很难的,但是复材企业的成本要降10元钱是很容易的。”

  此外,复材的设计能力和的性能也是关键点。徐樑华指出,国内多数应用行业目前缺乏碳纤维复合材料设计能力,“用不好”问题突出,成为一种“难言之隐”。同时,复合材料性能不均衡问题待解决。

  碳纤维树脂基复合材料的性能包括拉伸性能、冲击/CAI和压缩性能,与高性能铝合金材料相比,其拉伸模量和压缩模量仍待极高。“我国对于碳纤维复材的拉伸性能和压缩性能重视还不够。”徐樑华说。

  “接下来,针对风电、汽车、轨交、航空航天等不同应用领域的应用需求,企业应该努力找到性能和价格之间的平衡点。”多名业内人士都这样说。

  “5年后,我国的碳纤维产量预计将达到5万吨,但前提是,要能把握住高质量和低成本两大关键点。碳纤维的高质量,是指要能满足复合材料的应用要求;低成本则包括碳纤维及其复合材料都要能实现低成本。”徐樑华说。

  在新工艺和新技术方面,朱美芳介绍,碳纤维未来发展的新工艺是无需预氧化的新前驱体工艺;碳纤维复材的发展趋势则包括干纤维、三维编织、快速固化预浸料自动化铺层技术、冲压或注塑成型法快速制备碳纤维零部件技术等。

  来自终端应用市场的需求驱动将有哪些?对此,张定金结合日本碳纤维协会发布的相关报告和日本东丽“AP-G2022中期管理计划”指出,将主要体现在四个方面。

  一是风电领域,将加速大丝束碳纤维生产设备的建设。厂家为提高发电效率,风叶长度会增加,为提高模量,降低风叶重量,将会加速用碳纤维材料来替代。中国则是世界上最大的风电市场,目前,我国碳纤维企业正以风电市场为一个重要目标,加速扩能。

  二是氢能瓶,将以开发新工艺、规模化为目标,满足需求。预计2021年后,燃料电池车将开始量产,氢气瓶领域对碳纤维的需求将进一步增长;预计2022年,燃料电池车的生产量将超过5万台。

  三是燃料电池,它可以用于汽车,在商务汽车、叉车、航天、飞车等领域也会扩大使用。

  四是民用航空飞机,尤其是针对下一代“梦幻飞机”的材料研发,将给碳纤维和复材带来很大机会。二氧化碳减排和基体轻量化的趋势,将增大对碳纤维复材的需求。未来20年,预计飞机用碳纤维的需求量将增加1倍,尤其是单通道飞机的碳纤维用量将增加。

  “当梦幻飞机实现后,将会给碳纤维带来很大的产业机会。”张定金表示,“预计到2025年,全球碳纤维市场的需求量将增加到21.65万吨。”

  无疑,如何把握住这些新工艺、新技术以及新的重大需求,接下来也将成为摆在我国碳纤维龙头企业面前的重要课题。

  还值得注意的是,一边是对新应用领域的开拓,另一边则是对既有产品实现循环再利用。如何努力实现“循环利用的产业化”,www.480155.com也是我国碳纤维产业接下来践行可持续发展必须面对的课题。

  南通复源新材料科技有限公司总工程师、上海交通大学化学化工学院副教授杨斌指出,碳纤维复材在应用快速扩大的同时,也面临着不溶、不熔、处理困难,制造过程中的报废率高(约为30%~50%),传统的直接填埋方式造成严重浪费等多个“痛点”。从碳纤维到预浸料织物,再到复合材料零部件和最终产品,产业链各环节都会产生废弃物。2019年,国内碳纤维的报废量大约为8300吨。

  “南通复源2019年完成了生产线建设,建成了年处理能力达1500吨的产线。”杨斌还介绍,公司采用(无氧)裂解技术,实现了对碳纤维的工业化回收,能处理来自航空航天、体育休闲、汽车、风电、压力容器、电子电器边角料和报废料等多个领域的碳纤维复材。而且,再生碳纤维能够被二次利用,应用领域包括航空内饰、汽车零部件、电子电器和机械设备等。

  “碳纤维及其复材是高价值产品,做好回收再利用,是对每一位碳纤维人的致敬。”杨斌感慨。

  如果从产业整体看,“十四五”期间,我国碳纤维产业还需要把握好哪些思路?端小平指出:一是要制定符合我国市场特性和国产碳纤维特点的自主标准体系,但同时又不能过分强调独立;二是要重视原料和辅料的自主保障,特别是大丝束原丝和树脂;三是上下游要紧密合作,不断提高纤维品质,开发新产品,继续加大应用市场开拓,进一步缩短与碳纤维领先国家的差距;四是要理性投资,稳步发展,要避免低水平、同质化竞争,企业要深耕细作各自的细分市场,形成良性的互动和竞争,避免出现第二轮产能过热;五是逐步提高回收再利用率,提高再利用水平,保护环境,践行社会责任。

  “碳纤维与常规纤维行业不一样,它是有一定的进入门槛的,同时,客户存在很大粘性,所以行业可能会出现‘强者恒强’的竞争态势。对于新进入市场者和行业外的资本来说,应该认清碳纤维行业的这一特点。这些年,当年的一批碳纤维企业中,关的关、停的停。在第一轮市场洗牌中,很多人往往看到的是成功者的影子,而失败者则容易被淡忘。产业当前正迎来新一轮发展,但大家不应忘记,之前那些头破血流的企业是怎么倒下来的,各类资本还是要谨慎投资。”端小平强调。