實現(xiàn)碳纖維在主要市場領(lǐng)域的應(yīng)用

J. Sellier， W. P. D. Jesus

StrucTeam有限公司(英國)

2013年以來，碳纖維(CF)市場每年平均增長11.1%。這種快速增長的材料已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。2019年，碳纖維在航空航天、汽車和風能領(lǐng)域占據(jù)了65%～70%的市場份額，并且仍在增長(圖1)。

圖1 全球碳纖維市場需求(2019年)

1 復雜的供應(yīng)鏈

碳纖維增強碳復合材料/碳纖維增強聚合物(CC/CFRP)的供應(yīng)鏈雖然很復雜，但可以分為原料制造、中間材料制造、結(jié)構(gòu)件制造和終端用戶這4個主要部分(圖2)。

原料制造涵蓋玻璃纖維、碳纖維、熱固性和熱塑性樹脂、芯材和消耗品的生產(chǎn)。一般來說，這一原料市場通常是與化工行業(yè)有緊密聯(lián)系的中/大型公司。

圖2 碳纖維和碳復合材料/碳纖維增強聚合物的供應(yīng)鏈

中間材料的制造是上述原材料到可加工形式的轉(zhuǎn)化。中間材料種類繁多，例如紡織用無卷曲織物、機織物、編織物、預浸料、拉擠和長絲纏繞成型層壓板及其他復合物。盡管這部分的供應(yīng)鏈是分散的，但有一些強大而成熟的領(lǐng)導企業(yè)。尤其是對于纖維制造商來說，將下游制品分配給多個專業(yè)中間商是非常常見的。

零件制造商通過標準的工業(yè)加工，如灌注成型、預浸料成型、樹脂轉(zhuǎn)移模塑(RTM)成型、拉擠成型和長絲纏繞成型等，將原材料或中間材料轉(zhuǎn)變復合材料結(jié)構(gòu)，并最終制備成復合材料結(jié)構(gòu)件。結(jié)構(gòu)件制造商是一個相對分散的群體。先進材料具有很多優(yōu)點，并且可以采用上述任何形式的工藝產(chǎn)品進行交付。尤其是與風能、航空航天和汽車領(lǐng)域合作的大型供應(yīng)商，特別受益于這些材料。

不同市場領(lǐng)域的終端用戶有所不同，但通常以較大的公司和原始設(shè)備制造商為代表，如風力渦輪機、航空航天和汽車制造商、造船廠、承包商或運動器材供應(yīng)商等。

2 分類

碳纖維可分為兩個不同的類別。瀝青前驅(qū)體碳纖維在市場中占有很小份額(不適用于大絲束纖維)，而PAN(聚丙烯腈)基碳纖維持有最大的市場份額(適用于大、小絲束)。1 K～24 K小絲束(每束絲的纖維千位量)是高端產(chǎn)品，約占62%的市場份額，應(yīng)用于航空航天、豪華汽車、石油和天然氣行業(yè)(圖3)。小絲束碳纖維在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用特別普遍，空客350和波音787結(jié)構(gòu)中含有大約50%碳纖維復合材料。小絲束碳纖維在該領(lǐng)域的應(yīng)用還在繼續(xù)增長。24 K及以上的大絲束碳纖維是工業(yè)級的，市場份額為38%。這個等級的碳纖維廣泛用于風能、工業(yè)、批量生產(chǎn)的汽車、鐵路和建筑等行業(yè)。

圖3 按照前驅(qū)體類型和絲束尺寸對碳纖維進行分類

3 大型原始設(shè)備制造商對需求的影響

雖然飛機制造商主要使用小絲束產(chǎn)品，但大絲束產(chǎn)品具有更高的性價比，工業(yè)部門更注重成本，所以對大絲束產(chǎn)品的需求正在增長(圖4)。值得注意的是，75%的大絲束產(chǎn)品僅分配給了2個制造商。如果這些行業(yè)的其他原始設(shè)備制造商采用大絲束碳纖維供給，將成為一個極具挑戰(zhàn)性的市場。

圖4 按應(yīng)用領(lǐng)域劃分的碳纖維需求

因此未來幾年碳纖維產(chǎn)能的增長仍是該行業(yè)的關(guān)鍵指標，尤其是大絲束碳纖維產(chǎn)品。

4 碳纖維需求與潛在應(yīng)用

各領(lǐng)域終端用戶的意見至關(guān)重要，須充分考慮他們在實施項目解決方案時所面臨的挑戰(zhàn)。這涉及很多工程學科，但同時能夠產(chǎn)生產(chǎn)品需求并建立相應(yīng)供應(yīng)鏈市場。

如前所述，分散的中間產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)件制造商，讓任何項目供應(yīng)鏈的建立都很困難，特別是對于碳纖維這種價格至關(guān)重要的應(yīng)用項目。

目前，業(yè)界已經(jīng)能夠輕松供應(yīng)需求量在10 t至100～200 t之間的碳纖維產(chǎn)品。碳纖維市場已經(jīng)成熟，對于兩倍于該數(shù)量的供應(yīng)量也能夠消化。但是，該行業(yè)的未來和發(fā)展取決于風能和汽車行業(yè)等大客戶。為了滿足更大數(shù)量需求的項目，必須通過與碳纖維制造商進行高度戰(zhàn)略性的交易合作獲得數(shù)千噸的碳纖維，以確保產(chǎn)能和長期供應(yīng)。這些大型項目的出現(xiàn)推動了該行業(yè)的發(fā)展。

5 先進材料的高效工作流程

產(chǎn)品應(yīng)用的開發(fā)依賴供應(yīng)鏈環(huán)境，所需的工程工作需要圍繞3個關(guān)鍵專業(yè)領(lǐng)域展開，包括設(shè)計工程、材料工程和加工工程。

終端用戶面臨著在材料、加工以及設(shè)計這3個領(lǐng)域的交叉空間開展工作的挑戰(zhàn)。先進材料的高效工作流程要確保最終產(chǎn)品符合特定用途，同時也是技術(shù)與供應(yīng)鏈的最佳組合。

為了適應(yīng)客戶不斷變化的需求，英國考斯的StrucTeam公司采用了完善的技術(shù)完備水平(TRL)理念。TRL最初由美國國家航空航天局(NASA)開發(fā)，并被許多主要的原始設(shè)備制造商使用，它的數(shù)值范圍可以判斷技術(shù)的成熟度和進入市場的準備情況。對于工業(yè)復合材料，需確定未來5年的目標，可將TRL的前3個階段進行合并，如圖5所示。因此建議在早期階段對供應(yīng)鏈能力進行評估。

圖5 StrucTeam公司采用的技術(shù)完備水平理念圖示

6 結(jié)論

碳纖維及其復合材料產(chǎn)品在市場各領(lǐng)域中的應(yīng)用在不斷加強。工業(yè)級大絲束碳纖維的需求不斷增長，為該行業(yè)創(chuàng)造了很多機會。盡管業(yè)內(nèi)正在為這種增長做準備，但肯定會面臨較大挑戰(zhàn)。前期論證、有力的工程和供應(yīng)鏈可行性研究，以及對供應(yīng)鏈主要參與者之間的成功案例的借鑒，對于管理各方目標以及迎接各項挑戰(zhàn)至關(guān)重要。