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碳纖維復(fù)材主要應(yīng)用于航空航天、風電葉片、體育休閑等領(lǐng)域
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 中郵    2024-10-18

全球碳纖維復(fù)材需求量呈持續(xù)增長趨勢，2023 年需求量短期下滑。2023 年，全球碳纖維復(fù)材需求 17.69 萬噸，較 2022 年 20.77 萬噸下滑 15%；全球碳纖維復(fù)材收入 229.6 億美元，較 2022 年 262.1 億美元減少 12%。

需求量下滑主要由于風電葉片和體育休閑等領(lǐng)域需求減少，2023 年，風電葉片領(lǐng)域碳纖維復(fù)材需求3.08 萬噸，同比下降 42%；體育休閑領(lǐng)域碳纖維復(fù)材需求 2.89 萬噸，同比下降22%。航空航天軍工領(lǐng)域，碳纖維復(fù)材需求復(fù)蘇、價格上漲，2023 年需求 3.38 萬噸，同比增長 9%。

碳纖維復(fù)合材料主要應(yīng)用于航空航天軍工、風電葉片、體育休閑、壓力容器等領(lǐng)域。2023 年，全球樹脂基碳纖維復(fù)材需求約 17.69 萬噸，其中，航空航天軍工領(lǐng)域 3.38 萬噸，占比 19%，風電葉片領(lǐng)域 3.08 萬噸，占比 17%，體育休閑領(lǐng)域 2.89 萬噸，占比 16%。航空航天軍工領(lǐng)域，碳纖維復(fù)材性能要求高，價值量高。從市場規(guī)?？?，2023 年，全球樹脂基碳纖維復(fù)材市場規(guī)模 229.6 億美元，其中，航空航天軍工領(lǐng)域市場規(guī)模 146.2 億美元，占比 64%，體育休閑領(lǐng)域市場規(guī)模 35.9 億美元，占比 16%，風電葉片領(lǐng)域市場規(guī)模 6.2 億美元，占比 3%。

航空航天領(lǐng)域

碳纖維復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用包括用于商用飛機、無人機、軍用飛機以及公務(wù)機、直升機等各類飛機。根據(jù)《2023 全球碳纖維復(fù)合材料市場報告》，碳纖維復(fù)材在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用中，商用飛機應(yīng)用占主要份額，占比達到 36%，軍用飛機應(yīng)用占比 21%，無人機應(yīng)用占比達 18%。

商用飛機方面，復(fù)合材料已在商用飛機最主要受力部件包括機翼、機身部位得到應(yīng)用，并伴隨著客機的升級換代，用量逐步提升。波音 787 和空客 A350 的碳纖維復(fù)材用量超過 50%。國內(nèi)，大飛機 C919 上，碳纖維復(fù)材的結(jié)構(gòu)重量占比12%，寬體客機 C929 碳纖維復(fù)材用量或?qū)⒊^ 50%，達到世界先進水平。

軍用飛機方面，上世紀七十年代中期，碳纖維復(fù)材在軍機尾翼的垂直尾翼、水平尾翼等部件開始逐步使用，如 F-15、F-16、Mig-29、幻影 2000、F/A-18 等軍機。之后，開始在機翼、機身等主要受力構(gòu)件上使用碳纖維復(fù)材，如 AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、陣風、JAS-39、臺風、Su-37 等。我國第三代戰(zhàn)機殲-10 的鴨翼結(jié)構(gòu)，殲-11B 的機翼外翼段、水平尾翼和垂直尾翼及殲-20 的機身、機翼、垂直尾翼、進氣口以及鴨翼上均使用了碳纖維復(fù)合材料。我國殲20 戰(zhàn)機復(fù)材用量占比 27%。

無人機方面，碳纖維復(fù)材在各類型無人機中已有廣泛應(yīng)用。例如，美國先進RQ-4 全球鷹無人偵察機的機翼、尾翼、發(fā)動機短艙、后機身都是由碳纖維復(fù)合材料制造；AAI 公司影子無人機的機身使用碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)材,尾翼使用碳纖維或芳綸纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)材,機翼由碳纖維增強環(huán)氧樹脂復(fù)材面板-蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造。我國彩虹 4 無人機除主梁外都是由復(fù)合材料制成的,復(fù)合材料用量占比達 80%；翼龍-1E 的復(fù)合材料用量占比也達到 80%以上。

碳碳復(fù)材

碳碳復(fù)材主要有飛機剎車盤、航天零部件以及光伏熱場部件三大下游市場。飛機剎車盤的全球市場隨著民航飛機轉(zhuǎn)運量提升而穩(wěn)步增長，國內(nèi)市場有望隨著民航飛機剎車盤國產(chǎn)化實現(xiàn)更快增速。飛機剎車盤制造商包括法國的Messier-Bugatti 公司、美國的 Honeywell 公司、B.F. Goodrich 公司、Goodyear公司和英國的 Dunlop 公司，國內(nèi)飛機剎車盤制造商包括北摩高科、西安制動、博云新材等。

航天零部件市場上，碳碳復(fù)材以其耐高溫性能，用于大型固體火箭喉襯、發(fā)動機的噴管、擴散段、端頭帽等，以及戰(zhàn)略導(dǎo)彈彈頭端頭、空氣舵等關(guān)鍵熱端部件。光伏熱場領(lǐng)域，碳碳復(fù)合材料用于單晶長晶、拉制中的熱場部件，主要包括坩堝、導(dǎo)流筒、保溫筒、加熱器等部件。從事碳碳復(fù)合熱場材料的企業(yè)包括德國的 SGL 公司、日本的東海碳素公司、國內(nèi)的金博股份、天宜上佳、西安超碼、美蘭德、隆基綠能等。

體育休閑

體育休閑領(lǐng)域是碳纖維復(fù)合材料的重要市場。近年來，釣魚竿、高爾夫球桿、自行車、球拍、曲棍球棍、滑雪板、賽艇等各類中高端體育休閑用品中碳纖維的應(yīng)用呈增加態(tài)勢。在體育休閑領(lǐng)域中，對碳纖維需求量最大的方向為釣魚竿，其次為高爾夫球桿，兩者占體育休閑領(lǐng)域碳纖維需求量的 60%左右。2022 年，全球體育休閑領(lǐng)域碳纖維復(fù)材需求量 3.69 萬噸，2023 年需求量受降庫存影響降至2.89 萬噸。

壓力容器

碳纖維復(fù)合材料壓力容器以輕量化、耐疲勞、耐腐蝕、強度高等優(yōu)點，大量應(yīng)用在儲氣、儲能裝置領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的全金屬壓力容器相比，碳纖維復(fù)合材料壓力容器可設(shè)計性強的同時，質(zhì)量更輕、承載力更強，能夠使用自動化纖維纏繞設(shè)備實現(xiàn)批量生產(chǎn)。

目前，航天航空領(lǐng)域中，航天飛船及其系統(tǒng)的各種復(fù)合材料壓力容器已成為火箭發(fā)動機的液體儲存裝置和空間站宇航員的生命保證氣體供應(yīng)系統(tǒng)。民用領(lǐng)域中，上世紀 90 年代以來，復(fù)合材料壓力容器已逐步成為民用壓力容器的主流產(chǎn)品，在加氫站已廣泛利用復(fù)合材料壓力容器進行高壓儲氫。東麗預(yù)測，到 2025 年壓力容器領(lǐng)域碳纖維需求量將突破 2 萬噸,到 2030 年全球壓力容器領(lǐng)域碳纖維需求將超過 8 萬噸，增長趨勢強勁。

風電葉片

風力機葉片是風能發(fā)電機的核心部件，在工作中要承受多種外部環(huán)境的影響，因此要求葉片材質(zhì)具有良好的強度、剛度和韌性以及抗風沙、抗沖擊、耐腐蝕等性能。目前，纖維增強復(fù)合材料在風力機葉片上得到了廣泛的應(yīng)用，包括玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合材料和碳纖維增強復(fù)合材料。碳纖維在風電葉片中的主要應(yīng)用部位為主梁。

與玻璃纖維相比，碳纖維密度小、強度高、模量高出 3-8 倍，在風力發(fā)電機葉片中的應(yīng)用，能夠提高葉片剛度、降低重量；提高抗疲勞性能；使風機的輸出功率更平滑更均衡，風能利用效率提高；可制造低風速葉片和自適應(yīng)葉片。在滿足剛度和強度要求下，相比玻璃纖維復(fù)合材料，碳纖維復(fù)合材料在可減輕 30%左右。但是，碳纖維復(fù)材價格昂貴，是是玻璃纖維的 10 倍，限制了其在風力發(fā)電上的應(yīng)用范圍。

據(jù)美國 Sandia 國家實驗室預(yù)測，隨著葉片長度增長，碳纖維主梁的滲透率提升。當葉片長度大于 70m 時，碳纖維的滲透率達到 55%。隨著葉片向大型化發(fā)展，碳纖維的市場滲透率有望進一步提高。

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