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高性能纤维复合材料及其他前沿新材料市场分析
发布时间:2021-07-30
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高性能纤维市场发展现状

 

高性能纤维是引领新材料技术与产业变革的排头兵,广泛应用于航空航天、轨道交通、舰船车辆、新能源、健康产业和基础设施建设等重要领域,集军事价值与经济价值于一身,是各国军事发展与经济竞争的焦点之一。

 

目前国内已突破基本型(T300级)碳纤维的研制、工程化及航空航天应用关键技术,实现重点型号的自主保障;突破了湿法高强型(T700G级)碳纤维的研制和工程化关键技术,完成了部分装备的应用研究;开展了高强中模型(T800H级)碳纤维的工程化及其应用关键技术攻关,已进入重点型号考核验证和试用阶段;开展了高强高模碳纤维研发,M40级碳纤维已应用于航天领域,M40J级碳纤维进入地面考核验证阶段,突破了十吨级M55J碳纤维关键技术;基本突破了系列民用干喷湿纺碳纤维产业化技术,正在进行高端碳纤维的攻关、应用研究和民用领域的应用推广。在沥青基碳纤维方面,突破了高纯可纺中间相沥青和连续高导热沥青基碳纤维(P120级)制备关键技术。

 

芳纶纤维方面,突破对位芳纶和杂环芳纶关键技术,建成多套工业化装置。基本型对位芳纶(Kevlar29级)实现稳定批量生产和供应,高强型对位芳纶(Kevlar129级)实现国产化供应,在光缆、胶管、防弹等领域实现批量应用;杂环芳纶产品性能达到俄罗斯Armos同等水平,在固体火箭发动机、高端防弹等领域实现批量应用。UHMWPE纤维实现与国际优势企业比肩,不仅可以部分替代进口,而且具备一定出口创汇能力。PI纤维断裂强度达到3.5GPa,模量140GPa,实现了耐高温型、高强高模型PI纤维的商品化。国内科研机构陆续突破连续碳化硅纤维及其复合材料的工程化制备技术,开展了工程应用验证,同时也初步建立了氧化铝纤维、氮化硅纤维、系列陶瓷前驱体等验证试验线。

 

经过数十年发展,在国家有关部委的大力支持下,通过各类科技项目实施、专项能力建设和国家级创新研究机构设立等措施,中国高性能纤维技术与产业发展取得许多可喜成绩。下面让我们一起来看看高性能纤维各细分领域的发展状况:

 

1.超高分子量聚乙烯纤维

 

地区冲突拉动超高分子量聚乙烯纤维需求不断增长。超高分子量聚(UHMWPE)纤维,是由相对分子质量在100万-500万的聚乙烯所纺出的纤维。近年来,世界各地冲突加剧、国家安全意识提升,军事装备、安全防护等行业增加了对高强度、高性能等超高分子量聚乙烯产品的需求。据前瞻产业研究院统计,未来2-5年,UHMWPE年需求量将稳定在10万吨以上,总需求预计达到68.3万吨。

 

后发先至,中国超高分子量聚乙烯纤维产业发展迅速。中国超高分子量聚乙烯纤维起步较晚,但发展迅速,去年中国超高分子量聚乙烯纤维行业总产能约4.1万吨,占全球总产能的60%以上。

 

2.碳纤维

 

碳纤维优点显著,下游应用领域众多。碳纤维(Carbon Fiber,简称CF)是由有机纤维(粘胶基、沥青基、聚丙烯腈基纤维等)在高温环境下裂解碳化形成碳主链机构的无机纤维,是一种含碳量高于90%的无机纤维。碳纤维具有目前其他任何材料无可比拟的高比强度(强度比密度)和高比刚度(模量比密度),还具有低比重、耐腐蚀、耐疲劳、耐高温、膨胀系数小等特性,被誉为“新材料之王”,广泛应用于国防工业以及高性能民用领域,主要包括航空航天、海洋工程、新能源装备、工程机械、交通设施等,是一种国家亟需、应用前景广阔的战略性新材料。

 

三种碳纤维在性能上各有所长。碳纤维具有高强度、高模量、低密度、耐高温等一系列优异的性能,三种原丝制造的碳纤维具有一定的通性,但在具体的性能上各有所长。

 

碳纤维的需求量稳定增长,近年呈加速趋势。2008年全球碳纤维需求量36.4千吨,前年达到92.6千吨,十年间的平均增长率为9.8%,且近年来增长率有所提升,2015-前年间的增长率分别为28%、15%、7%、10%,平均而言高于此前的增长率。若按每年10%的增长率计算,预计2019与今年全球碳纤维的需求量将分别达到101.9与112.1千吨。

 

国内碳纤维的需求以加速趋势增长。前年国内碳纤维需求达到31千吨,占全球碳纤维需求的33.48%,对比2017年的23.5千吨,增速达到32%,同期全球碳纤维需求的增长率约为10%。2008-2018十年间,国内碳纤维的需求量从8.2千吨增长至31千吨,年均增长率达到14.22%,高于9.8%的世界平均增长率;自2015年以来,国内碳纤维需求的增长率始终维持在较高水平,并有加速上升的趋势。若按14%的增长率计算,预计到今年,国内碳纤维的需求将达到40.29千吨。

 

3.对位芳纶

 

对位芳纶性能优异,民用、军用领域应用较广。对位芳纶的强度是钢的3倍、强度较高的涤纶工业丝的4倍;初始模量是涤纶工业丝的4-10倍、聚酰胺纤维的10倍以上。对位芳纶稳定性高,在150℃下收缩率为零,在高温下仍能保持较高的强度,如在260℃温度下仍可保持原强度的65%。对位芳纶应用领域包括防护服装(主要为防弹装备)、航空航天、汽车工业、光缆增强等,间位芳纶应用领域包括防护服装(主要为阻燃装备)、工业过滤、工业制毡、汽车工业等。

 

生产条件严苛,垄断严重。生产可供使用的、性能优良的高分子芳纶纤维缩聚物的条件较为严苛,对仪器设备要求较高,因此鲜有企业具备大量产业化生产能力。由于芳纶材料技术壁垒高、研发周期长的特点,世界芳纶产业集中程度较高,全球芳纶产业几乎由美国杜邦、日本帝人、中国泰和新材、韩国可隆四家公司垄断。

 

对位芳纶产能不足,进口依赖程度高。国内对位芳纶需求量为约1万吨,而实际产能仅仅2000吨,进口依存度约为87%,对位芳纶需求缺口大,进口依赖严重。单兵防护装备、航空航天领域等国防领域的需求较高,且暂无较好替代材料,目前中国对位芳纶产能不足,性能也未达到最优。

 

高性能纤维产业规模逐年扩大,积累了一定工业化经验

 

去年,中国碳纤维的需求量约为3.8×104t,但超三分之二用量为国外碳纤维;中国碳纤维运行产能约为2.6×104t,实际销量约为1.2×104t。国产小丝束碳纤维实现销售约7000t,并在逐步扩大市场份额,其余为国产大丝束碳纤维。中国超高增长需求的主要驱动者是风电叶片市场,为国内碳纤维企业带来了难得的发展机遇。

 

在芳纶纤维方面,中国建成了多条千吨级对位芳纶生产线,去年中国对位芳纶产量达到2800t,今年预计将达到5000t;间位芳纶产能超15000t,产量达到11000t,中国成为间位芳纶的主要生产国之一。去年我UHMWPE纤维产能约为33000t,产量为23000t,出口为3355t,产品具有一定的国际竞争力。

 

中国高性能纤维复合材料应用技术日趋成熟,应用部位由次承力构件扩大到主承力构件,由单一功能材料向多功能、结构功能一体化转变,有效缓解了国家重大工程、国防重点装备的迫切需求。高性能纤维产业也由开拓推广期向快速扩张和稳定成长期迈进,产业规模不断扩大,如国内碳纤维销售额达30亿元规模,优势企业近年陆续在内蒙古、台湾等中西部地区投资扩产工程,这将对中西部地区科技与经济发展起到积极的带动作用,支撑新兴产业的区域均衡发展。(来源:网络)

 

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