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碳纤维未来的机遇(下)

放大字体  缩小字体 发布日期:2020-08-18  来源:未来智库  浏览次数:268
核心提示:体育休闲领域:市场规模稳定体育休闲领域是碳纤维最早应用的领域之一。早在 1970 年代,碳纤维就被应用于钓竿的制作。现在,在体
体育休闲领域:市场规模稳定
    体育休闲领域是碳纤维最早应用的领域之一。早在 1970 年代,碳纤维就被应用于钓竿的制作。现在,在体育休闲领域,碳纤维主要用于钓竿、高尔夫球杆、网球拍等产品的制作。传统的钓竿由竹子制成,又长又重,操作起来很麻烦。工业化生产的现代合成材料钓竿的第一代产品是玻璃钢制成的钓竿。但现在上等的钓竿需要达到尺寸便携,质量轻,硬度高的性能,以便垂钓者可以精确投掷鱼饵,及时捕捉鱼上钩的信号以及快速收线,在这方面玻璃钢杆已经无法满足消费者需求了。奥林匹克钓具公司于 1972 年首次推出了用东丽的碳纤维制成的“世纪鱼竿”,这根鱼竿的重量约为玻璃钢杆一半,真正实现了钓竿的轻量化。现在低端的钓竿采用玻璃钢或密度较差的碳纤维制成,而高端的钓竿则由碳纤维或纳米硼纤维制成,后者的主要材质仍是碳纤维,但在碳纤维素材中加入了 10%-20%的纳米硼纤维。
    高尔夫球杆同样需要高强度、轻量化的性能,因其要求能准确地将高尔夫球朝指定方向打向击打并能够达到足够远的地方。最早的高尔夫球杆由山核桃木材等天然材料制成,自 1920 年代起出现了钢铁杆,1970 年代以后碳纤维杆成为了主流球杆。现在几乎全部木制高尔夫球杆以及 65%的铁制高尔夫球杆都已经被碳纤维球杆所取代,碳纤维已成为推动高尔夫球运动发展的重要材料。
    网球拍的材料也同样经过木制、钢铁、铝合金到碳纤维的演变。碳纤维复合材料制成球拍拥有击球速度快、耐久性好、设计灵活性高等特性。美国于 1974 年首次推出碳纤维制球拍,中国台湾更是通过制造碳纤维球拍奠定了自己在全球复合材料加工技术上重要的地位,成为网球拍王国。1978 年光男公司从国外引进碳纤维复合材料制造碳纤维拍,在这之后短短的几年间,碳纤维拍不但淘汰了传统的木制球拍,还改变了世界网球拍的产销结构,职业比赛的球拍碳纤维含量可达 66%。
    自行车是近年来碳纤维在交通工具/体育休闲领域中得到很大发展的一项应用。目前铝制车架成型车的重量约为 9.5kg,而碳纤维车架成型车的重量被控制在 7kg 以下,碳纤维框架实现了相比铝框架近 30%的轻量化,在山地车和公路自行车上十分适用。此外,撑杆、弓箭、滑雪板、皮划艇等运动器材也有碳纤维的应用。
    2019 年体育休闲领域碳纤维需求为 15000 吨,同比增长 5%。体育休闲碳纤维市场产业规模稳定,市场趋于饱和,短期内不会出现快速增长或明显下滑。
 

●高压容器
    美国和欧洲国家的天然煤气罐以及用于消防及医疗用途的空气呼吸机等高压容器的制作都已经开始广泛采用碳纤维材料,日本和其他的亚洲国家也对这项应用抱有兴趣。以往的铁制气瓶重量大且重心高、安全性偏低,采用碳纤维制造的气瓶能比铁质气瓶减少约 1/3 的重量。此外,高压容器的对破裂特性要求很高,碳纤维的高比强度性能在这方面能有效发挥优势。东丽、帝人、三菱丽阳、西格里等企业都有能应用于压力容器的碳纤维产品。
    随着燃料电池突破低成本,高压氢气瓶迎来强劲需求。此外,欧美兴起的页岩气收集、运输、贮藏产业需要高压气瓶,由此推动碳纤维压力容器的需求。虽然目前碳纤维压力容器的市场不大,但却有着较大的增长空间。

○燃料电池汽车发展推动储氢罐碳纤维需求增长
    各国政府大力扶持燃料电池汽车的发展,推动了用于制造燃料电池汽车储氢罐的碳纤维需求迅速增长。
    美、日、韩、法将推广氢燃料电池汽车提升到了战略层面:2018 年美国起草中西部各州替代燃料运输走廊行动计划,建立电动、燃料电池和 CNG 动力乘用车、卡车和公共汽车均可补充动力的运输路线;日本政府 2017 年 12 月 26 日正式发布了“氢能源基本战略”,主要目标包括到 2030 年左右实现氢能源发电商用化,以削减碳排放并提高能源自给率;据《韩国先驱报》2019 年 1 月报道,韩国政府发布了一份提高国内氢燃料电池电动汽车(FCEV)使用的发展路线图,目标是到 2040 年生产 620 万辆氢燃料电池电动汽车,并在全国建立 1200 座加氢站;法国发布国家氢能计划,2019 年投入 1 亿欧元用于氢能工业、交通及储能等领域。
    燃料电池汽车所用的氢燃料在常温常压下为气态,密度仅为空气的 7.14%,车载储氢技术的改进是氢燃料电池车发展的关键。将气瓶作为储存容器,通过高压压缩方式储存气态氢是应用最广泛的储氢方式。高压气态储氢容器共有四个型号,I 型为纯钢制金属瓶,II 型为钢制内胆纤维缠绕瓶,III 型为铝内胆纤维缠绕瓶,IV 型为塑料内胆纤维缠绕瓶。其中 I 型、II 型储氢容器因重量过重、储氢密度低、容易发生脆断,难以用于车载储氢;III 型、IV 型瓶由于制作内胆和保护层的材料密度低、气瓶质量轻、单位质量储氢密度增加。因此,燃料电池汽车储氢罐大多使用 III 型、IV 型这两种型号。

    欧美和日本的多家汽车公司如通用、丰田、本田已经开始使用质量更轻、成本更低、储氢密度更高的Ⅳ型储氢瓶。我国的技术水平距国外还有一定差距,现阶段用于乘用车储氢罐的成熟产品为 III 型储氢罐,Ⅳ 型储氢瓶仍处于研发阶段。
    2014 年上市的丰田 MIRAI 是世界上第一款实现商业化的燃料电池汽车。MIRAI 共有一大(117L)一小(24L)两个 Ⅳ 型高压氢气罐,外壳中层采用碳纤维复合材料。

○我国储氢罐碳纤维需求测算
    我国 2017 年发布的《节能与新能源汽车技术路线图》提出我国燃料电池汽车规模目标为:2020 年要达到 5000 辆,2025 年要达到 5 万辆,2030 年要达到百万辆。

    现阶段我国氢燃料电池汽车还局限于客车和专用车。GGII 数据显示,2019 年我国共生产氢燃料电池汽车 3018 辆,同比增长 86.41%。其中客车共 1335 辆,占 44%;专用车共 1683 辆,占 56%。预计我国氢燃料电池客车和专用车 2020-2025 年将进入区域成熟阶段,2025-2030 年将进入快速增长阶段;而燃料电池乘用车预计 2020-2025 年将会进入阶段量产阶段,2025 年后将进入商业化应用阶段。假设每辆氢燃料电池客车和专车消耗 320kg 碳纤维,2025 年氢燃料电池汽车产量达到 5 万辆,则碳纤维需求量将会达到 16000 吨,2020 年至 2025 年复合增长率达 58%。

● 土木建筑
    碳纤维是建筑补强的最佳材料,因其轻便且强度高,不需要用到重型机械就可以贴合金属板,只要在施工现场经树脂浸渍强化后就能进行施工。除了高比强、高比拉伸模量的特性外,碳纤维还具不生锈的特性,在海岸潮湿环境下,相比于易生锈的金属有不易被腐蚀的优势。日籍建筑师隈研吾与建筑材料生产商小松精练合作,利用碳纤维建造了全球首幢碳纤抗震建筑,该大楼主体以混凝土建成,以碳纤维作地基,使用了小松精练的热塑性碳纤维制成包围整幢建筑的碳纤维杆。我国南昌的生米大桥的主桥跨中桥面板及引桥梁体、匝道、桥墩桥台部位在 2017 年修复时采用了粘贴碳纤维布的施工工艺,增强了桥梁结构强度。

    欧美和日本的研究经验表明,碳纤维复合材料加固后的房屋具有良好的抗震防震效果。我国的建筑质量和震区的危房加固成效与欧美和日本相比尚有一定差距,也正因为如此,碳纤维在我国土木建筑领域的研发及应用大有可为。

 
 
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