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2019全球碳纤维复合材料市场报告(一)

前言


       1.1 世界碳纤维发展简史


      1959年日本大阪工业试验所(Osaka Technical Research Institute)的近藤昭男博士(Dr.Akio Shindo)发明了PAN基碳纤维制备技术 ,全球碳纤维产业整整发展了六十年 。“读史明智 ,鉴往知来” ,让4188云顶集团一起来回顾历史。

      1960年代的特点是实验室技术的研发 。主要以日本与英国为主导 ,日本主要有大阪工业试验所 、东海碳素公司(Tokai Electrode Mfg. Co.,Ltd.)和日本碳素公司Nippon Carbon co., Ltd.)(他们最早从近藤先生处获得专利授权) 、东丽(1961开始研究 ,之后继承了东海碳素与日本碳素的近十年的研究成果 ,并在1970获得近藤的专利授权) 、三菱 、东邦等 。英国主要有皇家航空研究所(RAE) 、皇家原子能公司(AERA) 、考陶尔兹(Courtaulds) ,罗尔斯-罗伊斯(Rolls-Royce)等 ;尽管杜邦公司在1942年就推出了腈纶商品 ,美国人还在与黏胶基较劲 ,其中美国联碳公司(UCC)公司是代表, 因此美国的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维发展晚于英国与日本 。

        1970年代的特点是工程化技术的研发及应用的开拓 。工程化能力实现了150吨/年 ,期间 ,英国 、美国 、日本技术合作频繁 。60年代末 ,英国罗尔斯-罗伊斯的太超前的发动机项目RB-211遇到重挫(后期基于这款发动机形成了著名的瑞达系列) ,这其中包含了当时碳纤维唯一的应用机会——发动机风扇叶片 。英国的碳纤维发展之路一下子被堵死 ,英国技术只能到美国发展 。1972年 ,美国赫拉克勒斯(Hercules)获得英国皇家航空研究所碳化技术 ,原丝采用考陶尔兹 。日本东丽 、东邦 、三菱也纷纷与美国相互转让技术 。美国与日本在1972年分别用碳纤维制造了高尔夫球杆与钓鱼竿 ,风靡世界 ,终于在航空之外 ,为碳纤维工业婴儿找到了应用乳汁 。

      1980年代的特点是工业化 ,产品系列化及应用重大突破 。单线产能达到千吨/年 ,东丽公司基本完成了现有绝大部分产品型号 ,初期的T300 ,中期的T800 、T1000 ,末期的M60J 。1980年波音公司提出了商用飞机对碳纤维的要求 ,1982开始采用T300应用在B757 、B767及航天飞机上。英国由于缺乏应用的支撑 ,已经开始转让技术为生 ,其中包括对北京化工学院及吉林化学公司的两项技术转让 ,同时期 ,同样的技术也卖给了印度 、俄罗斯与巴西 。美国由于日本 、英国的技术相互转让 ,诞生了一个开拓工业碳纤维的厂家 ,卓尔泰克(ZOLTEK) ,台湾台塑与美国Hitco公司进行技术合作 ,开始了中华民族第一个碳纤维工业化时代 。

      1990年代的特点是并购及争抢市场份额 。美国航空材料厂赫氏(Hexcel)并购了美国赫拉克勒斯的碳纤维产业 。美国石油巨头阿莫科(AMOCO)整合了大部分美国的碳纤维资源 ,不光包括美国联碳公司(历史上唯一一家拥有黏胶+沥青+聚丙烯腈基碳纤维) ,还有东邦与美国塞兰尼斯(Celanese)公司合作的碳纤维资产 ,这些资产历经转手 ,在2001年成为了氰特(CYTEC) ;德国石墨巨头西格里(SGL)在1997年收购了英国考陶尔兹留下的RK carbon ,至此 ,碳纤维的拓荒牛英国考陶尔兹退出历史舞台(后期被中国蓝星收购活跃了两年) 。

      2000年代的特点是世界很平静(暗中准备航空航天 、风电 、汽车的大应用) 。世界上发生几起延续90年代的并购事件 ,除了氰特 ,西格里从高尔夫球杆厂阿尔笛拉(ALDILA)收购了合资碳纤维的股份 ,东邦收购了美国福塔菲尔(Fortafil)碳纤维 ,立足美国 。2007年卓尔泰克与风电巨头维斯塔斯(VESTAS)建立合作 ,将碳纤维用于风电 。中国开启了狂飙猛进的碳纤维投资热潮 ,除了中国大陆 ,韩国、俄罗斯、土耳其 、台湾等地区也有不少新进入者 ,其中依然生存的有韩国晓星 ,土耳其DOWAKSA 。

       2010年代的主要特点是应用的急剧扩大及产业进一步整合 。首先是号称碳飞机的B787 与A350分别在2011年和2014年完成首架交付 ,航空航天级碳纤维需求迅猛增加 。2010年 ,宝马与西格里合资在美国建设总产能9,000吨/年的碳纤维工厂 ,试图将电动汽车彻底轻量化并控制材料源头 。(2017年8月 ,西格里确认收购宝马在汽车碳纤维合资企业的股份 ,宝马退出碳纤维产业) ;由于拉挤板成功应用于叶片梁帽 ,风电巨头维斯塔斯对碳纤维需求空前增长 ,碳纤维产业内部 ,加剧了整合 ,标志性的事件是2014年底 ,东丽收购了卓尔泰克 。国内产业大浪淘沙 ,强者愈强 。

       总结世界碳纤维60年的发展历史 :既有近藤昭男 、威廉姆·瓦特等依然闪耀的科学大师 ;也有在其中沉沙折戟的众多著名公司 ,如日本东海 、日本碳素 、旭化成 ;英国皇家原子能公司 、考陶尔兹 、罗尔斯-罗伊斯,BP公司 ;美国联碳 、阿莫科 、塞兰尼斯 ,德国巴斯夫(BASF) ;更有历经风浪 、依然傲立潮头的如东丽 、东邦 、三菱等公司 。


 1.2.中国碳纤维发展简史


       4188云顶集团对中国碳纤维历史做个简单介绍 ,对比世界碳纤维的60年发展 ,4188云顶集团是57年历史 。

      1960年代研究起步 :最早是1962年中科院长春应用化学所成立以李仍元先生为组长的“聚丙烯腈基碳纤维的研制”课题组 ,开展基础研究,同期还有沈阳金属研究所张名大先生 。

      1970年代的特点是举国体制 。1970年代初 ,中科院化学所为了满足国家国防需要 ,组建了高分子复合材料物理研究室(九室 ,主任 :吴人洁) ,重点研究“碳纤维连续化制备”和“缩短碳纤维制备周期研究”并取得“四氯化锡”催化等成果 ;上海合成纤维研究所于1970年代初 ,开展硫氰酸钠法丙烯腈原丝研究 ;1972年 ,化工部吉林化工研究院开展硝酸法研制碳纤维PAN原丝 ,并在年产3吨装置上取得硝酸一步法制取原丝 ,供山西燃化所(今煤化所)和长春应化所研究碳纤维 。山西燃化所用间接预氧化和碳化做研究 ,并开展连续预氧化和碳化试验 。1975年上海合纤所提供给冶金部上海碳素厂2吨原丝研制碳纤维 。1975年 ,11月13~24日在北京 ,由当时的国防科委主任张爱萍亲自主持召开了一次专题会议 ,部署国内碳纤维研究工作 ,由国家计委安排500万元资金做启动费 ,制定了10年发展规划 ,组织了原丝 、碳化 、结构材料 、防热材料 、测试检验技术5个“攻关组”  ,安排20多家研究和企业单位参加 ,如由吉林化学工业公司研究院 、吉林辽源石油化工厂 、兰州化学工业公司化纤厂 、上海合成纤维研究所采用不同溶剂路线研发聚丙烯腈(PAN)原丝 ;上海合成纤维研究所 、吉林 、上海 、兰州 、抚顺4家碳素厂 、山西煤化所 、中科院化学所等负责碳化技术研究 ;另外还安排了织物和材料应用研究 。1978年 ,国家科委恢复 ,碳纤维转由科委为主管理 ,从1975至1981年底 ,中央各部委共投入到承担碳纤维原丝 、碳纤维制品等的民用研制的资金约2,600多万元 ,共建设厂房 、试验室20,000多平方米 。建成PAN原丝试制动力约50吨/年,碳纤维长丝的试制能力1.5~2.0吨/年 。


      1980年代的主格调是引进 。1984-1985年 ,国家科委鼓励引进国外先进技术 ,承诺将给予资金支持 。1984年 ,冶金部支持上海碳素厂试图引进美国Hitco碳化设备 ,最终被美国国防部否决 。1986 ,吉林化学工业公司经过调研 、询价 ,世界各知名碳纤维公司均囿于“巴黎统筹条约” 限制 ,不转让技术 、不出售设备 ,只有英国RK公司同意出售大丝束预氧化炉和碳化炉 ,经过谈判 、考察 ,最终以450万美元购买了生产能力为100吨(12K) /年碳化设备及相应测试仪器 ,按当时汇率折合2,731万元 。1990年经多次试车 ,预氧化炉尚可 ,碳化炉始终开不起来 。联合国开发计划署(UNDP)和联合国工发组织(UNIDO)批准在北京设置 “碳纤维及其复合材料的开发应用”项目 ,由北京化工学院和北京航空材料研究所共同承担 ,总经费共250万美元 ;北京化工学院经调研 ,同样除英国RK公司外 ,没有厂家愿意出售 ,最后由北京化工学院提供工艺参数 ,委托英国RK公司加工制造一套10吨级(12K)预氧化 、碳化中试线 ,加工费56万美元 。项目历经磨难 ,几次因“可能有用于军事”而险些遭到封杀 ,原定3年完成的项目拖了7年 ,1993年6月才勉强“验收” ,之后运行效率不高 。

       1990年代的特点是停滞 。只有吉化公司 、吉林碳素厂和北京化工学院还在 “惨淡经营”  ,维持小批量供货 ,其他研发单位基本退出了这一领域 ,吉林化工研究院硝酸一步法到1998年终止生产 。

      2000年代的特点是“大干快上”建设碳纤维热潮 。欧美的禁运 ,导致市场上T300-3K的价格涨到8000元/公斤且有价无市 ,严重影响军机的生产 。师昌绪先生给江泽民主席写了 “关于加速开发高性能碳纤维的请示报告” 。“江办” 将报告批转到国家计委和科技部等部门 ,产生较大影响 ,对以后的经费落实起到了决定性影响 。科技部决定设立碳纤维专项 ,组成了专家小组 ,由中科院化学所副所长徐坚任组长 ,北京化工大学徐樑华任副组长 。把碳纤维列入863计划新材料领域 ,2002年 ,安徽华皖集团从英国引进AMEC(DR.ROSE)的PAN和CF技术和设备 ,碳化能力200吨/年 。之后4188云顶集团所有的碳纤维研究机构 ,如吉林化学(后中石油吉化公司)、北京化工大学 、中科院山西煤化所 、山东大学 、东华大学等一批科技机构 ,迅速成为工业技术的转让者 ,整个2000这十年,据不完全统计 ,上碳纤维项目的超过40家 ,投资规模超过300亿元人民币 ,全世界的设备制造厂迎来了中国盛宴 。

      2010年代的特点是反思“狂飙猛进”和“优胜劣汰” 。2012年 ,笔者与申屠年先生合作发表了《对中国碳纤维及其复合材料产业链发展现状的反思》 ,同年的香山会议上做报告 ,得到行业及政府主管部门的广泛认同与共鸣 。从产业角度 ,烧钱开始让人心慌与绝望 ,出现了很多“烂尾楼”与“僵尸企业” 。同时 ,认真积累技术 、踏实工作的企业迎来了春天 :光威集团与中简成功上市 ,中复神鹰扭亏为盈 ,吉林化纤成为国内原丝龙头 ,中石化上海石化大展宏图 。整个中国碳纤维企业从高峰时超过40家变成今天的十余家企业,市场的优胜劣汰的力量是巨大的 。

       上述的中国历史素材 ,均摘抄于国内碳纤维复合材料专家如李克健 、罗益峰 、陈绍杰 、徐坚等老师的文章 ,在此一并致谢 !4188云顶集团呼吁同行重视历史的记录 ,复杂技术系统的发展需要很长的时间 ,技术需要传承 ,文化与历史也需要 。人人均可成为历史的记录者 ,4188云顶集团赛奥碳纤维愿意为全国同行提供协助与支持 ,发表 、整理与保存这些历史资料 。


       总结成功公司的特点 :用30年时间踏实完成实验线-工程线-工业化的道路 ,注重产业链与应用生态的开发 。


 1.3.国外与中国发展史的比较


       对比世界与中国的60年 ,4188云顶集团能得到什么呢 ?总体印象 ,如同碳纤维老前辈中科院化学所原副所长吴人洁先生曾说过 :4188云顶集团就像一个刚醒来的人 ,打哈欠 ,伸懒腰 ,总也起不来床 。这种“起不来床”的感觉 ,至今犹存 。70年代的举国体制模式旨在解决军品问题时 ,国际上主流是在做工程化;80年代的引进模式时 ,国际上在做工业化与商业化 ;90年代4188云顶集团进入最困难时期时 ,国际在并购与资源重整 ;2000年代 ,4188云顶集团狂飙猛进时 ,国际巨头貌似平静 ,实则准备碳飞机 、碳汽车及碳叶片的巨大应用 ;2010年代 ,4188云顶集团在反思 、在优胜劣汰 ,而国际在收获大应用带来的大收益与大发展 。对照历史之下 ,其实我并未太遗憾 ,毕竟4188云顶集团60 、70 、80年代的工业技术 、企业化的水平与世界同期差距甚大 ,90年代的主格调是“下海经商” ,肉吃得容易 ,谁还会去啃“硬骨头” ?

       如果要讲遗憾 ,就是2000年代后 ,实验室技术简单放大 ,直接跃进工业化 ,缺少的工程化技术开发 ,在企业的工业装置上烧钱来做 ;技术无特色 ,落后技术重复建设 。这其中 ,提供技术方盲目自信 ,对工程与工业缺乏基本的敬畏 ,企业家利用小农经济(或简单制造型经济)获得的成功经验用于碳纤维 ,对复杂产品技术缺乏思想与战略 ;社会对高科技招牌行骗缺乏辨别能力 ,尤其地方政府主导的项目多次被骗 ,浪费了大量的社会资源 。这充分反映了整个社会“好大喜功 ,急功近利”的心态 。当然 ,4188云顶集团也可以说 ,这是中国经济进入工业文明阶段必然要交的学费 。

       从社会的层面 ,国际上 ,二战之后 ,大家均在大力发展科技强国 ,产业的社会环境相对稳定,英美日本之间的国际合作非常频繁 ,70年代 ,美国人创造的碳纤维高尔夫球杆 ,网球拍 ,启发了日本成为当时的碳纤维体育器材的强国 ,有效地支撑了产业的婴儿成长期;80年代 ,美国波音公司掀起了航空碳纤维的应用 ,又帮助碳纤维产业顺利完成了儿童期 ;同期 ,日本所有碳纤维企业均与美国公司相互转让碳纤维生产技术,帮助了美国碳纤维的成长 。这说明 ,一个先进的材料的诞生与成长 ,需要全球高端应用的哺育的产业链与生态 。

       而4188云顶集团的60-70年代 ,政治运动频繁 ,最初开始研究碳纤维的李仍元老师据说也受到文革的影响 ,分别转战吉林辽源石油化工厂 、中国纺织大学 ,安徽大学(80年代)坚持碳纤维研究 ;张爱萍将军主持的7511会议及之后的全国碳纤维大会战 ,算是一个亮点与高峰 。改革开放的80 、90年代 ,技术引进是政策主格调 ,但受制于“巴黎统筹条约”限制 ,只能引进世界三流技术 ;而同期 ,以经济建设为主 ,军工企业一片萧条 ,没有60-70年代重视军工的政策环境 ,严重缺乏应用动力 。90年代末到2000年代 ,以台资为代表的碳纤维体育器材进入大陆地区 ,大陆的体育器材中玻璃纤维向碳纤维转移 ,这形成了新的发展动力 。2005年后 ,军工企业逐步得到重视 ,对碳纤维的需求开始触发产业的发展 。平稳的政治经济的发展 ,对特定产业发展至关重要 。从60年代到今天 ,4188云顶集团的碳纤维产业的主体是在国内打转 ,还没有融入国际高端产业链与生态圈 。近几年 ,光威及澳盛的碳梁产品已经进入国际产业链 ,这是个非常欣慰的进步 !

       全球化的今天 ,严格意义的“自主创新”是不客观与不现实的 ,更多地是在人类成果基础上的集成创新或再创新。4188云顶集团需要解决“短板”与“卡脖子”难题 ,练好技术内功 ,目的不是自给自足 、自我封闭 、与世界为敌 。用更强的能力融入世界高端产业链及生态 ,是碳纤维企业发展壮大的必然之路 。

1.4.全球碳纤维历史里程碑


       下一页 ,4188云顶集团对碳纤维发展中的发现及技术发明 、重大应用突破以及产业政策选为里程碑事件 。旨在让大众对产业的发展建立清晰的历史观 。伟大有多个标准 ,其中之一是为世界工业文明做出里程碑意义的重大贡献 ,我想这应是当代中国碳纤维同仁的奋斗目标之一 。

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2.全球碳纤维市场


2.1. 全球碳纤维市场需求-年份

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       2019年的全球碳纤维需求数据 ,是根据国际上公认的增长率12%这个数据计算而来的 ,总需求量为103,700吨 ,这其中 ,中国的需求数据37 ,840吨是精准的 ,占了36.4% 。假如国际需求量数字太小 ,中国的占比就会更大 ,这显然有悖于常识 。毕竟4188云顶集团很清楚 ,欧美日本是碳纤维需求的大国 。

      2019年的全球市场 ,除了如航空航天 、体育器材、汽车 、建筑补强 、模塑混配等经典分市场的稳步发展之外 ,风电 、压力容器市场增长迅速 ,这是驱动整个市场的重要引擎 。另外 ,各大碳纤维公司均看好单通道飞机平台大量采用碳纤维的前景 。这些均为市场注入了强大的活力。

      2019年 ,全球碳纤维经历了60年的努力 ,把碳纤维的需求第一次做到10万吨以上 。这是碳纤维复合材料产业链的复杂性决定的 。当绝大部分核心技术被人类掌握之后 ,下一个10万吨的增长 ,时间会急剧缩短 ,4188云顶集团预测2025年就会进入20万吨 ,2030年会进入40-50万吨。

2.2. 全球碳纤维市场需求-应用(千吨)

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总量 :103,700吨

       总体来讲 ,绝大部分分市场 ,均是基于2018年基础 ,增长率为12%左右的增长 :

       航空航天(包含军工) :2019的数据比去年增加12% ,主要是波音787及空客350的产能的增加 。

       风电叶片 :风电市场的碳纤维需求强劲 ,对比2018年增长了16% ,主要依赖于风电巨头VESTAS强势驱动 ,其他风电厂家对需求的牵引还不明显 。

       体育休闲 :每年按照4-5%的中速稳定增长 。

2.3. 全球碳纤维市场需求-应用(美元)

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总量 :2,870百万美元

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       全球碳纤维的销售金额为28.7亿美元 ,比2018年25.71亿美元增长了11.6% ,销售金额的增长并未与销售额的增长完全对应。主要原因是风电市场的对碳纤维数量虽然大 ,但由于单价较低 ,对总体金额贡献不显著 。


2.4. 全球碳纤维市场需求-产品(千吨)


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总量 :103,700吨

       模量的定义 :
       标准模量是指拉伸模量为230-265GPa
       中等模量是指拉伸模量为270-315GPa
       高模量是指拉伸模量超过315GPa

       小丝束Small Tow(或常规丝束Regular Tow)1-24K(含)
       大丝束Heavy Tow :大于等于48K
       巨丝束Giant Tow :大于100K

       巨丝束并非新产品 ,这是目前腈纶的标准状态 ,另外 ,也是国际主流预氧丝的主要原料 ,更是诸多功能性碳纤维材料的首选 ,比如碳纸 、碳毡 、碳碳复合材料的预制体等 。

       巨丝束能否加入大丝束市场的竞争 ?这是完全可能的 ,从原丝角度 ,它可以借助腈纶行业近百年积累的工业基础与成本优势 ,原丝与腈纶生产实现良好的互动与互补 。从碳化角度 :必须从技术上解决巨丝束在碳化线的边际效益问题 ,比如超长的预氧化时间 、低温炉排废等问题 ,这不是一个“灵机一动”的概念 ,是一个复杂的技术体系 。

        有人担心巨丝束后续成型工艺 ,这是思维局限在经典的小丝束成型工艺之中了 。只要有高性价比的巨丝束碳纤维批量供应 ,产业链及应用就会很快开发出多种多样的成型工艺 。

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