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新材料之王碳纤维进口替代空间达到80

2021-11-16 来源:怀化农业机械网

新材料之王碳纤维进口替代空间达到80%

高性能纤维和复合材料,是材料科学中又一块极其重要的领域。

在这片领域中,最具代表性的就是碳纤维。碳纤维是一种主要由碳元素组成的高性能纤维,它既具有炭素材料的固有特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是一类性能神奇、用途广泛的化工新材料,有“新材料之王”和“梦幻材料”的美誉,广泛应用于航空航天、交通运输、体育休闲等产业。

在工信部《新材料产业“十二五”规划》中,碳纤维以及以碳纤维为基础的一系列复合材料不仅仅是六大发展重点之一,而且还被列入“十大重点工程”,工程目标是“到2015年,碳纤维产能达到1.2万吨,基本满足航空航天、风力发电、运输装备等需求。”

遗憾的是,当前我国碳纤维产业与国外先进国家有较大的差距,日本、美国和德国等掌握着核心技术,长时间对中国进行技术封锁并形成产品垄断,致使近年来我国碳纤维的进口率一直维持在80%以上。

不过,在国家政策扶持和研发投入支持下,我国碳纤维的研发和产业化正处于历史最好时期。

本文中要探讨的高性能纤维,主要包括了碳纤维、芳纶和玻璃纤维等三种,以及涉及以上新材料生产的行业领军企业——方大炭素和长海股份。

碳纤维进口替代空间80%

如上所述,高性能纤维主要包括碳纤维、芳纶、玻璃纤维等几大品种,其中,碳纤维由于其优异的性能和极其广泛的市场应用成为重中之重。

从碳纤维的分类看,按照原丝类型可以将碳纤维分为聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF)、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维;按照规格可以分为大丝束碳纤维和小丝束碳纤维;按照性能可以分为通用级碳纤维和高性能碳纤维。

碳纤维为什么能成为“新材料之王”?

先来看看碳纤维的特性:碳纤维的含碳量在90%以上,呈黑色,具有强度高、比模量高(强度为钢铁材料10倍,质量仅有铝材的1/2)、质轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、摩擦系数低、耐高低温等优越性能。

尤为重要的是,碳纤维是高性能复合材料中增强基材,也就是说,碳纤维是树脂基、金属基、陶瓷基复合材料等高性能复合材料(本期调查研究其他文章中会逐一探讨)最重要基材。这需要从碳纤维的产业链说起。

从碳纤维产业链来看,最上游是原丝,碳纤维处于中游,而下游是碳纤维复合材料及碳纤维复合材料产品。

其中,由聚丙烯腈原丝制得的碳纤维——即聚丙烯腈基碳纤维(PAN-CF),生产工艺比其他方法简单,而且产品的力学性能优良,用途广泛,目前产量约占全球碳纤维总产量的90%,占据绝对主流。

PAN-CF的生产成本主要包括原丝成本、电力消耗成本、氨气制备成本和人工成本等。其中原丝是碳纤维生产成本中占比最大的部分,大约占到总成本的50%-60%。

通过原丝制得的碳纤维通常不会被单独使用,按照不同的配比,碳纤维一般只通过与树脂、金属或者陶瓷等基体材料进行复合后再使用,常见的碳纤维复合材料包括碳纤维增强树脂、碳纤维增强碳基复合材料(即C/C复合材料)、碳纤维增强金属基复合材料、碳纤维增强陶瓷基复合材料等。

下游的碳纤维复合材料应用领域极其广泛:从全球来看,碳纤维在航天航空、体育休闲、一般工业应用比例分别为22%、17%、61%。

碳纤维产业链每一级的深加工,都会产生高幅度增值。业内有这样一种说法:如果生产碳纤维的利润是1,那么加工成预浸料后的利润是2-4,而加工成复合材料的利润将是4-8。也就是说,碳纤维产业链中自上而下的每一级深加工都会产生高幅度的增值。

近年来,碳纤维需求量保持了15%左右的增速。机构预测,2013年中国碳纤维需求量将达到1.66万吨,比2012年大幅增加47.6%,市场空间巨大。

具体来看,2010年我国碳纤维消费量约7800吨,约占世界总消费量的16%,约85%依赖进口。不过,我国碳纤维消费领域以中低端的体育休闲为主,占比65%,而高端领域航空航天的应用只占4%;按照2011年国内消费量1万吨、国内产量2000吨计算,进口量约为8000吨,也就是说,目前我国碳纤维进口依赖度约为80%,进口替代空间巨大。

碳纤维前景无疑一片光明,但我国碳纤维发展却依旧仍重而道远。

从碳纤维的历史来看,世界碳纤维材料研究始于20世纪60,而碳纤维材料的工业化生产则开始于20世纪70年代,并在2004年以后处于急速扩张的状态。

我国也在20世纪60年代开始研究碳纤维,基本与国外同步,但发展却非常缓慢,研制和生产水平大约相当于国外上世纪70年代末期水平,落后国外先进水平30年以上。

碳纤维的生产与其他很多新材料相似,都具有工艺流程长、技术关键点多的特点,是一种多学科、多技术的集成工艺,生产技术壁垒很高。目前,世界碳纤维技术主要掌握在日本东丽公司、东邦公司和三菱人造丝公司手中,这3家企业技术严格保密。

而目前我国碳纤维的生产,面临着原丝质量不过关、生产成本高、生产线规模小和产品质量有待提高等问题。以12K的碳纤维产品为例,国外产品当前的市场销售价格大约在150-220元/kg,而很多国内企业的生产成本都在这个价格之上。

国内涉及碳纤维产业链生产的上市公司,主要有上游原丝生产企业奇峰化纤、S上石化,碳纤维生产企业方大炭素、中钢吉炭、金发科技,下游复合材料产品生产企业博云新材、三普药业等。

另外两种重要的高性能复合纤维是芳纶和玻璃纤维。其中,芳纶包括同位芳纶、对位芳纶等产品,技术含量高,是传统氨纶材料的升级替代品。国内市场上,泰和新材是芳纶产品的龙头企业。玻璃纤维行业相对成熟,不过国内大多数企业都还停留在生产初级的玻纤纱阶段,长海股份拥有玻璃纤维上中下游比较完整的产业链和配套,最值得关注和跟踪。

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