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。