实现碳纤维在主要市场领域的应用

J. Sellier， W. P. D. Jesus

StrucTeam有限公司(英国)

2013年以来，碳纤维(CF)市场每年平均增长11.1%。这种快速增长的材料已在许多领域得到应用。2019年，碳纤维在航空航天、汽车和风能领域占据了65%～70%的市场份额，并且仍在增长(图1)。

图1 全球碳纤维市场需求(2019年)

1 复杂的供应链

碳纤维增强碳复合材料/碳纤维增强聚合物(CC/CFRP)的供应链虽然很复杂，但可以分为原料制造、中间材料制造、结构件制造和终端用户这4个主要部分(图2)。

原料制造涵盖玻璃纤维、碳纤维、热固性和热塑性树脂、芯材和消耗品的生产。一般来说，这一原料市场通常是与化工行业有紧密联系的中/大型公司。

图2 碳纤维和碳复合材料/碳纤维增强聚合物的供应链

中间材料的制造是上述原材料到可加工形式的转化。中间材料种类繁多，例如纺织用无卷曲织物、机织物、编织物、预浸料、拉挤和长丝缠绕成型层压板及其他复合物。尽管这部分的供应链是分散的，但有一些强大而成熟的领导企业。尤其是对于纤维制造商来说，将下游制品分配给多个专业中间商是非常常见的。

零件制造商通过标准的工业加工，如灌注成型、预浸料成型、树脂转移模塑(RTM)成型、拉挤成型和长丝缠绕成型等，将原材料或中间材料转变复合材料结构，并最终制备成复合材料结构件。结构件制造商是一个相对分散的群体。先进材料具有很多优点，并且可以采用上述任何形式的工艺产品进行交付。尤其是与风能、航空航天和汽车领域合作的大型供应商，特别受益于这些材料。

不同市场领域的终端用户有所不同，但通常以较大的公司和原始设备制造商为代表，如风力涡轮机、航空航天和汽车制造商、造船厂、承包商或运动器材供应商等。

2 分类

碳纤维可分为两个不同的类别。沥青前驱体碳纤维在市场中占有很小份额(不适用于大丝束纤维)，而PAN(聚丙烯腈)基碳纤维持有最大的市场份额(适用于大、小丝束)。1 K～24 K小丝束(每束丝的纤维千位量)是高端产品，约占62%的市场份额，应用于航空航天、豪华汽车、石油和天然气行业(图3)。小丝束碳纤维在航空航天领域应用特别普遍，空客350和波音787结构中含有大约50%碳纤维复合材料。小丝束碳纤维在该领域的应用还在继续增长。24 K及以上的大丝束碳纤维是工业级的，市场份额为38%。这个等级的碳纤维广泛用于风能、工业、批量生产的汽车、铁路和建筑等行业。

图3 按照前驱体类型和丝束尺寸对碳纤维进行分类

3 大型原始设备制造商对需求的影响

虽然飞机制造商主要使用小丝束产品，但大丝束产品具有更高的性价比，工业部门更注重成本，所以对大丝束产品的需求正在增长(图4)。值得注意的是，75%的大丝束产品仅分配给了2个制造商。如果这些行业的其他原始设备制造商采用大丝束碳纤维供给，将成为一个极具挑战性的市场。

图4 按应用领域划分的碳纤维需求

因此未来几年碳纤维产能的增长仍是该行业的关键指标，尤其是大丝束碳纤维产品。

4 碳纤维需求与潜在应用

各领域终端用户的意见至关重要，须充分考虑他们在实施项目解决方案时所面临的挑战。这涉及很多工程学科，但同时能够产生产品需求并建立相应供应链市场。

如前所述，分散的中间产品和结构件制造商，让任何项目供应链的建立都很困难，特别是对于碳纤维这种价格至关重要的应用项目。

目前，业界已经能够轻松供应需求量在10 t至100～200 t之间的碳纤维产品。碳纤维市场已经成熟，对于两倍于该数量的供应量也能够消化。但是，该行业的未来和发展取决于风能和汽车行业等大客户。为了满足更大数量需求的项目，必须通过与碳纤维制造商进行高度战略性的交易合作获得数千吨的碳纤维，以确保产能和长期供应。这些大型项目的出现推动了该行业的发展。

5 先进材料的高效工作流程

产品应用的开发依赖供应链环境，所需的工程工作需要围绕3个关键专业领域展开，包括设计工程、材料工程和加工工程。

终端用户面临着在材料、加工以及设计这3个领域的交叉空间开展工作的挑战。先进材料的高效工作流程要确保最终产品符合特定用途，同时也是技术与供应链的最佳组合。

为了适应客户不断变化的需求，英国考斯的StrucTeam公司采用了完善的技术完备水平(TRL)理念。TRL最初由美国国家航空航天局(NASA)开发，并被许多主要的原始设备制造商使用，它的数值范围可以判断技术的成熟度和进入市场的准备情况。对于工业复合材料，需确定未来5年的目标，可将TRL的前3个阶段进行合并，如图5所示。因此建议在早期阶段对供应链能力进行评估。

图5 StrucTeam公司采用的技术完备水平理念图示

6 结论

碳纤维及其复合材料产品在市场各领域中的应用在不断加强。工业级大丝束碳纤维的需求不断增长，为该行业创造了很多机会。尽管业内正在为这种增长做准备，但肯定会面临较大挑战。前期论证、有力的工程和供应链可行性研究，以及对供应链主要参与者之间的成功案例的借鉴，对于管理各方目标以及迎接各项挑战至关重要。