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环球体育登录平台:2022年我国高性能纤维及复合材料产业链全景图及上中下游市场剖析

发布时间:2022-10-08 06:58:07 来源:环球体育登录 作者:环球体育登录平台

  高性能纤维是指具有特殊的物理化学结构、性能和用途,或具有特殊功能的化学纤维,一般具有极高的抗拉强度、杨氏模量,同时具有耐高温、耐辐射、抗燃、耐高压、耐酸、耐碱、耐氧化剂腐蚀等其他特性,被广泛应用于航空航天、国防军工、交通运输、工业工程、土工建筑、乃至生物医药和电子产业等领域。

  高性能纤维复合材料是以高性能纤维作为增强材料,树脂作为基体,通过加工成型得到的复合材料,具有质轻、高强高模、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强、易加工成型等优异性能。

  我国高性能纤维及复合材料行业产业链上游主要由增强材料、基体材料和生产设备等产业组成,中游主要由复合材料、金属基复合材料、纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料等产业组成,下游主要为市场应用,如军工装备、汽车工业、环保、信息通信、建筑加固、风电叶片、医疗器械、体育休闲。

  增强材料:碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚纤维、聚四氟乙烯纤维、氧化铝纤维、玄武岩纤维

  2、高性能纤维及复合材料行业产业链中游:复合材料、金属基复合材料、纤维增强树脂基复合材料、纤维增强陶瓷基复合材料

  3、高性能纤维及复合材料行业产业链下游:军工装备、汽车工业、环保、信息通信、建筑加固、风电叶片、医疗器械、体育休闲

  高性能纤维及其复合材料主要包括碳纤维、有机纤维、陶瓷纤维及其复合材料,是结构轻量化的首选材料,也是极端服役环境不可替代的功能材料。在世界各国一系列重大科技工程和研究计划的推动下,全球高性能纤维及其复合材料前沿技术不断取得突破,产业化步伐也逐渐跨入成熟发展阶段。我国高性能纤维及复合材料在我国相关部委的支撑和推动下,经过数十年发展,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,技术与产业发展均取得了可喜成绩。

  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。

  在芳纶纤维方面,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、产业规模逐年扩大,积累了一定工业化经验

  2019年,我国碳纤维的需求量约为3.8×10 4 t(见图1),但超三分之二用量为国外碳纤维;我国碳纤维运行产能约为2.6×10 4 t,实际销量约为 1.2×10 4 t。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。

  我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。高性能纤维及其复合材料产业也由开拓推广期向快速扩张和稳定成长期迈进,复合材料应用领域由航空、航天、兵器等扩展到了风力发电、轨道交通、汽车等众多民用领域;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、青海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。

  新材料产业是国家战略性新兴产业的重要组成,对实现我国创新驱动发展具有重要的支撑作用。高性能纤维及其复合材料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。

  由于具有优异的性能,复合材料已经广泛应用于各个领域,而本期系列文章将全面盘点复合材料的主要应用领域,其中包括:航空航天、汽车工业、建筑、能源、储能、基础设施、海洋、管道和储罐、体育与娱乐、运输等十大领域。

  欧洲空客(Airbus)和美国波音(Boeing)等主要航空原始设备制造商已显示出在航空领域大规模应用复合材料的潜力,而美国宇航局(NASA)则一直在寻求复合材料制造商为火箭和其他航天器提供创新的复合材料解决方案。

  作为最大的复合材料终端应用市场,汽车行业对复合材料并不陌生。除了开创性的车辆设计,复合材料还有助于使车辆更轻、更省油。汽车需要可靠、同步的机构,其部件能够承受摩擦、腐蚀和温度波动。

  复合材料已经广泛用于一系列汽车结构零部件,从前照灯的前照灯外壳到发动机罩下的电气和隔热部件,再到汽车车身外部零件、内部结构和装饰部件。以下列举复合材料在汽车零部件中的常见应用:导流板和扰流板、进气歧管、电池外壳和盖、保险杠和保险杠横梁、气缸盖(如气门、摇臂、凸轮)盖、车窗/天窗框架、前端格栅开口板、前向前照灯的壳体、隔热板(例如发动机、变速器)、支柱和覆盖物。

  建筑界在对复合材料的理解和使用方面正经历大幅地增长。复合材料在大型项目中为建筑师和设计师提供了高性能和价值,并且它们在商业和住宅建筑中的使用越来越多。

  多功能储能复合材料 (MESC)是通过将电池层嵌入结构中,互锁铆钉固定电池层,有助于提高机械性能。实验测试显示:MESC 可具有与其他材料相当的电化学行为。而与软包电池相比,在 60% 的封装效率下,MESC 获得了 15 倍的机械刚度。

  严格意义上基础设施与建筑两者无严格区分,近年来随着新型、低成本、高性能结构复合材料的出现,基础设施建设已进入了一个新阶段。纤维增强塑料 (FRP) 不仅可以在许多承重结构中代替钢材,而且用内部或外部粘合的纤维增强塑料 (FRP) 加固混凝土梁也已被证明是可行的。

  耐腐蚀特性是碳纤维在基建领域备受青睐的主要因素之一。碳纤维不会腐蚀生锈,因此碳纤维混凝土层可以减薄很多,因为不需要像钢芯一样考虑防腐,这样极大减少了建筑物的混凝土使用量,同时还附带其它益处,譬如减少成本,加快施工进度,缩短干燥时间等。此外,因为具有良好的导电性,碳纤维可用于屏蔽电磁干扰,可以传递楼宇参数信息,成为智能楼宇不可分割的一部分。

  通过制造能够利用可持续能源的结构,复合材料在可再生能源中的使用将发挥越来越重要的作用。与金属结构相比,重量更轻、运输和安装成本更低,最重要的是,结构整个生命周期内的维护成本更低,这些因素已经将复合材料定位为事实上的材料,可为大型项目提供经济的解决方案。

  几十年来,FRP 复合材料已成功用于海洋应用领域,例如雷达罩和质量结构、超级游艇、工作船和休闲船。最近,FRP已用于不太知名的应用,例如轴承、螺旋桨、商业舱盖、排气装置和顶部结构。

  复合材料管道系统在化工厂中的应用已经超过 25 年。20世纪70年代,复合材料在工业应用中的使用变得广泛。如今,复合材料管道和储罐的安装在地上和地下、商业、市政和住宅应用中呈上升趋势。随着新化工设施的开发和旧设施的扩大,低成本天然气正在进一步扩大市场。

  一直以来,碳纤维在体育用品领域的表现都很突出,从赛车到滑雪、高尔夫、垂钓以及网球,碳纤维均得到广泛应用。随着碳纤维日益普及以及价格回落,已在体育用品中得到更多应用。

  运输行业有一种趋势是使用更大的车辆。无论是公共汽车、火车还是铰接式卡车,想法都很简单:携带更多的货物。面临的挑战是找到安全承载更大负载的方法,同时节省燃料并减少对环境的影响。复合材料为这一挑战提供了令人印象深刻的答案。

  长期以来汽车和运输行业在复合材料市场中占有较大份额,该行业致力于遵守严格的法规,例如美国和欧洲政府制定的平均燃油效率(CAFE)标准和欧洲排放标准(EES)。为了减少对全球气候造成不利影响的二氧化碳(CO2)排放,这些地区的汽车制造商正在集中精力生产具有复合材料的轻型汽车,以符合政府法规并提高汽车的燃油效率。


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