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行业·国产碳纤维放量 突破点是高铁,高铁+碳纤维=“中国速度
发布日期:2019-10-17  来源:碳纤维生产技术  浏览次数:348
 
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       2018年,国产碳纤维实际产出0.9万吨,但产能高达2.6万吨,产能利用率仅为35%。由于缺乏市场的牵引,国产碳纤维用不起来,导致国产碳纤维产量表现较低。
  在全球范围内,碳纤维的四大应用行业是航空航天、风电叶片、体育休闲、汽车,四大行业碳纤维需求量的占比分别为24%、23%、15%、14%。航空航天领域碳纤维的单价最高,按照金额计,航空航天领域碳纤维交易金额占全行业的50%。
  而在国内碳纤维需求主要来源于相对低端的体育休闲领域,中国市场目前碳纤维的两大应用行业是体育休闲与风电叶片,碳纤维需求量占比分别为44%、23%,航空航天领域消费量占比不到5%。
  在航空航天领域,C919不放量,国产碳纤维的需求就不会放量;在汽车领域,碳纤维受制于高成本,在未来三、五年内很难放量应用。
  那么,国产碳纤维如果要放量,未来应用领域的突破点在哪里?
  答案是,未来三、五年内,能对国产碳纤维产生每年万吨以上需求的领域,只有高铁。
  在高铁中,碳纤维的应用如上图所示(图片来自中车青岛四方公司副总工程师的演讲PPT),如果碳纤维在高铁中的应用得到充分发展,复合应用材料在高铁材料中的比例可以达到30%。
  碳纤维的领域应用需要标准体系的支持。在民用飞机和汽车、风电、体育器材领域,大量使用国外的碳纤维,因为这些领域的标准体系就是按照国外已有产品的性能制定的,应用端的标准体系就决定了对国产碳纤维的有量有限。
  在这些已有的应用领域,国内应用端设计的能力太弱,设计的知识产权都在国外的手里,应用端的标准体系是基于国外产品性能建立的,国产碳纤维性能要去完全对标国外产品,竞争是很难的。
  但在高铁领域,中国高铁近90条线、近3万公里线路,在线高铁车辆3000多组,规模占到世界的三分之二以上,高铁应用端的规模主要就在中国。因此,碳纤维在高铁领域的应用,中国完全有条件也有需要产生自己的标准化体系,从而为国产碳纤维的应用放量创造条件。
  以中国高速动车3500组车的规模估算,碳纤维复合材料份额若占到30%,将产生50万吨需求,若推广至城轨车辆共约100万吨,即使只有10% 的应用,也有约30万吨。若能良性发展,预计共可形成每年3~5万吨市场规模。因此,碳纤维在高铁领域的应用一旦突破,每年就会产生对国产碳纤维万吨以上的需求,中国高铁领域的国产碳纤维每年潜在需求量超过目前国产碳纤维的全部产量。
  中国的碳纤维复合材料的应用目前处于一个瓶颈期,标准、应用、产量的整体突破点,最有希望的就是高铁领域。未来三、五年内,国产碳纤维应用规模能否有万吨级的质变,突破点在高铁,而且只有高铁。
  时速350公里,时速400公里,世界高铁史上首次实现时速420公里交会和重联运行……
  近几年来,由我国自行设计研制、全面拥有自主知识产权的中国高铁频频亮相,不断刷新国际社会对中国高铁的认知。目前,我国铁路投入运营的动车组已有2395余组,居世界首位,安全运行里程超过37.4亿公里。通过对引进技术的消化吸收和根据实际情况大胆创新,中国高铁在短短十数年里呈现出系统技术全面、造价低、建设速度快等优势,用“中国速度”展示着“中国制造”的魅力与实力。
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       业内人士大多知道,碳纤维这种性能优越的高新材料在高铁“中国速度”中起到了不容忽视的作用,其对高铁的意义主要表现在以下两个方面:一是实现高铁车身轻量化。碳纤维重量轻,密度仅1.78克/立方厘米,和塑料差不多,但它的强度比钢材要高7倍以上,大量使用碳纤维零部件,可以减少传统钢结构在高铁车身中所占的比重。高铁整体的超轻量化,有利于减少行驶时所受到的阻力,直接降低能耗,减少二氧化碳的排放,最终实现速度的提升。
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      二是增加了高铁运行的安全性。高铁的运行速度越快,对车体各部位的耐久性要求也越高,例如,2010年底,“和谐号”CRH380A在京沪高速铁路先导段枣庄至蚌埠间线路上进行联调联试和综合试验时跑出了486.1公里的时速,但这种高时速对列车轴承的冲击非常大,在冲击最高速之后,列车上的所有轴承几乎都要重新更换。虽然现在国家对高铁实行降速,但是一般的高铁时速也都在200公里以上,这就需要有强耐受力的材料保障高铁的运行安全。碳纤维材料强度高达3600MPa,特别是用碳纤维制成的方向盘,机械强度和抗冲击性相比普通材料分别提高35%和20%以上。整车强度理论上也比普通材料的车身至少强上20%-30%,同时不惧酸碱盐等化学物质的腐蚀,使用寿命长。
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       另外,高铁需要在较短时间内跨越温差较大的地域,从冰天雪地的哈尔滨到春意融融的广州,短时间内经历较大的温差需要保持零部件的零变形,这对普通材料来说是个巨大的挑战,但是这对于碳纤维来说,则是其强项。目前,碳纤维复合材料既可以应用于列车内饰、受电弓和设备舱等非承载、次承载部件,也可以应用于车体、转向架这类主承载部件。
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      在高铁制造对碳纤维表现出明显需求态势时,不少碳纤维加工制造企业也及时瞄准了高铁这一市场,主动对接产业,无锡威盛新材料科技有限公司就是推动碳纤维复合材料在高铁领域大规模应用的典型代表。该公司深入研究具有自主知识产权的复合材料及批量化制造技术,特别是在针对高铁产业的碳纤维结构件的开发方面有卓越的表现。例如,运动和静止两种不同状态对阻燃材料的要求完全不同,目前的高铁列车平均速度每小时大于200公里,这样的行驶速度会产生过大的摩擦力而使温度显著升高,这就对车身及相关构件的耐高温性和阻燃性提出很高的要求。碳纤维原丝是在2000-3000摄氏度的高温中预氧化、碳化而成的,能够耐高温上千摄氏度。但是在具体的应用中,碳纤维原丝主要是以碳纤维复合材料的形式出现的,因此,必须使该复合材料在发挥原丝优异性能的同时,还兼具其它方面的特性,以达到高铁环保、安全等方面的高标准。
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       当前,中国的高铁建设正处于繁荣时期,通过多年的努力和积淀,中国已全面掌握高速铁路的核心技术,行业总体水平已跻身于世界先进行列。交错密布的轨道上,高铁风驰电掣般的“中国速度”代表着“中国制造”已经走在自主知识产权引导发展的道路上。在此过程中,碳纤维新材料的运用不仅推动着高速列车行驶的轻量化,也将带动高铁制造业实现全新的变革,进一步提升“中国速度”。
 
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