航空航天领域 碳纤维需求爆发

国际市场研究机构Reportsnreports日前发布报告称,到2026年,全球碳纤维市 场需求将达到80亿美元,期间年复合增 率将达到10.8%。

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同时,根据中国化学 纤维协会的预测,从2015年到2020年,全球碳纤维总 需求年均增长率约12%,其中航空航天 级碳纤维需求年均增长率为15%。国内经过了前 几年的技术攻关、产能铺垫和下 游产品研发准备期。预计2017年将成为高端 碳纤维爆发元年。随着众多航空 航天型号研制期结束,批产期到来,航空航天级碳 纤维的需求将迎来爆炸式增长。

在此背景下,天星资本高端 制造及军工部投资经理朱明来发表投研报告,系统地阐述了 国内外航空航天领域碳纤维材料的需求状况和未来趋势,看好碳纤维市 场的广阔前景。以下为报告原文:

一、何为碳纤维?

碳纤维是一种 新型纤维材料,含碳量超过95%,密度是钢得1/5,比金属铝还要轻,但是强度却是钢的10倍,并且具有耐腐蚀、高模量、密度低、无蠕变、良好的导电导热性能、非氧化环境下 耐超高温、耐疲劳性好等特性,不仅具有碳材 料的固有本征特性,又兼备纺织纤 维的柔软可加工性,是新一代增强纤维,被称为 21 世纪的“黑色黄金”。目前,主流的是聚丙烯腈(PAN)基碳纤维,有分成了小丝 束碳纤维和大丝束碳纤维。小丝束碳纤维 性能优异,用于航空航天领域,又被称为“宇航级”碳纤维,而大丝束碳纤 维性能相对较差,但生产成本较低,被称为“工业级”碳纤维,。

碳纤维应用领 域主要有航空航天、风电叶片、体育休闲、汽车制造、压力容器、建筑和船舶等,其中航空航天 领域用量占比约5%,但是却贡献了39%的市场份额。下面我们主要 从国际和国内两个角度探讨在航空领域碳纤维材料的市场前景。

二、国际上航空器 轻量化设计已成为趋势

自1903年飞机问世以来,飞机机身材料 多次更换,都是向着高强度、轻量化、长寿命的方向 稳步发展。尤其近些年来,随着碳纤维复 合材料技术的突破,自2000年以来,迅速在机身材 料中占据了主体地位。以空客民航客机为例,最新型的A350客机的复合材 料占比就已经占到飞机整体材料的50%以上。

数据来源:空客官网

航空公司都是 市场化运营,对民航客机运 行成本非常敏感,飞机结构轻量 化和与之相关的“低油耗”是一直是兵家 必争之地,机体材料轻量 化能够大大降低飞行油耗。根据国际航协的数据,燃油成本大约 占航空总成本的26%,而在国内部分 航空公司,燃油成本甚至要占到40%。

在军用飞机领域,美国早在上世纪60年代,首先将碳纤维 用到了军用飞机的舱门、口盖、整流罩等非承 力或承力小的部件。80年代,军用飞机发展到垂尾、平尾等尾翼一 级的次承力部件,如F-15、F-16、F-18、幻影2000和幻影4000等均采用了复 合材料尾翼,但此时复合材 料用量依然有限。2000年之后,美国最新列装的F-22、F-35战斗机,碳纤维复合材 料占比分别为24%、40%,开始应用于机翼、机身等主要的 承力结构,此时军机结构 的复合材料化进程加速,复合材料用量 不断增加。

机种国别用量 占比典型部位时间

JAS-39瑞典30%垂尾、机翼、机身结构、舱门等1996

阵风法国30%垂尾、机翼、机身结构2000

台风英/德/意/西35%垂尾、机翼、机身结构、前翼2003

F-22美国24%垂尾、机翼、机身结构、平尾及大轴2005

F-35美国40%垂尾、机翼、机身结构、平尾、进气道2016

数据来源:《航空航天复合 材料发展现状及前景》

三、国内碳纤维发展历程

1962~1999年,技术摸索和积累阶段。本阶段以研究 所为单位,主要是科学研究为主,未实现产业化生产。

2000~2007年,技术引进阶段。随着我国碳纤 维技术水平与日本等国的差距越来越大,国内少数公司 开始引进日本技术生产低端碳纤维产品。

2007~2012年,消化吸收及疯 狂扩张阶段。碳纤维在工业 领域特别是体育器材领域大规模扩张,在碳纤维概念引导下,国内各地上马 大批碳纤维生产项目,新增大量低端产能,产品品质极不稳定,再加上日本等 国技术和价格优势对我国倾销,导致出现“有产能、无产量”的尴尬境地,低端产能严重过剩。但是本阶段通 过对日本技术的消化吸收升级,国内T300级碳纤维实现 了稳定量产。

2013~2016年,高端碳纤维蓄势阶段。在稳定T300级碳纤维批量 生产的基础上,打破美日等国 的技术垄断和出口限制,实现了T700、T800级碳纤维小规模试制,本阶段,国产碳纤维是 真正进入了要求极高的航空航天领域,处于在研的大 批战斗机、运输机、直升机、无人机以及火 箭和导弹应用了碳纤维材料。由于航空航天 产品复杂,研制周期长,本阶段主要是 高端碳纤维蓄势阶段。

2017年,高端碳纤维爆发元年。随着众多航空 航天型号研制期结束,批产期到来,航空航天级碳 纤维的需求将迎来爆炸式增长。

四、国内航空航天 级碳纤维需求持续增长

在碳纤维市场了领域,中国是后起之秀,未来市场需求 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%。

根据中国化学 纤维协会的预测,从2015年到2020年,全球碳纤维总 需求年均增长率约12%,其中航空航天 级碳纤维需求年均增长率为15%。国内经过了前 几年的技术攻关、产能铺垫和下 游产品研发准备期,自2016年开始,将迎来高速增长。

数据来源:碳纤维资讯

国内市场一个 方向军用飞机,例如像频频在 珠海航展上亮相的第四代战斗机、新一代大型运输、新型武装直升机、无人机等,结构机身、机翼等部件采 用了大量的碳纤维复合材料,随着未来几年 的批量列装,碳纤维需求量 将大幅增长。

另外,在航天领域,在高端碳纤维 技术突破的带动下,新一代火箭、导弹、卫星也将采用 复合材料,例如火箭发动机壳体、导弹发射筒、卫星结构架、太阳能电池板底板等。按美国NASA数据,航天器每减重1千克,将增加1kg有效载荷,可以节约2万美元,因此轻量化碳 纤维复合材料将能够大大降低发射成本,进而带动产业 快速发展。