摘要:碳纖維技術(shù)能夠極大提升航空設(shè)備的性能,本文介紹碳纖維復(fù)合材料的產(chǎn)業(yè)價值及其在航空制造中的應(yīng)用,以及航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的市場需求,分析了碳纖維航空復(fù)合材料的發(fā)展前景。
碳纖維是由有機纖維在高溫環(huán)境裂解碳化形成碳主鏈結(jié)構(gòu),含碳量在90%以上的無機纖維,其外形柔軟,質(zhì)量輕于鋁,強度大于鋼鐵,耐高溫性能居化纖之首,還具有耐摩擦性能。碳纖維根據(jù)原絲、力學性能以及用途等具有不同的分類。
碳纖維是一種增強型纖維材料,通常不單獨使用,而是制成碳纖維復(fù)合材料(CFRP),完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應(yīng)用的完整制造過程,可以簡單劃分為原絲生產(chǎn)、氧化碳化、中間材料和復(fù)合材料四個環(huán)節(jié)。
碳纖維下游產(chǎn)品增值幅度大 ,其中航空復(fù)合材料增值最多
碳纖維90%的性能取決于原絲,原絲品質(zhì)差(表面孔洞、沉積、刮傷以及單絲間黏結(jié)等),很難在后續(xù)工序中消除,從而遺傳給碳纖維,導(dǎo)致產(chǎn)品性能較差,PAN原絲作為目前全球碳纖維的主要原料,是生產(chǎn)高品質(zhì)碳纖維的技術(shù)關(guān)鍵。原絲也是碳纖維成本的主要組成部分,理論上消耗2kg的PAN原絲能生產(chǎn)出1kg的碳纖維,原絲占PAN基碳纖維成本的51%左右。
碳纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)流程復(fù)雜,技術(shù)難度大,越到下游附加值越高。碳纖維目前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括體育休閑、汽車、風電葉片、航空航天等領(lǐng)域,其中應(yīng)用于航空領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料的附加值最大,從40元一公斤的原絲到8000元一公斤的航空復(fù)合材料,價值增長至原絲的200倍,對于碳纖維生產(chǎn)企業(yè)來說,積極開發(fā)應(yīng)用于航空領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料,能夠大幅提高企業(yè)的盈利能力。
飛行器制造材料的輕量化設(shè)計能夠大幅降低油耗,有數(shù)據(jù)表明,民用飛機減重1kg能夠節(jié)省約3000美元的燃料,并且飛行器的飛行速度加快,它對于制造材料的強度和抗變形能力有著極高要求,飛行器用的制造材料一直朝著輕量化和高強度的方向發(fā)展。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)量、高強度等特點,作為配件制造材料能夠比相同體積的鋁合金結(jié)構(gòu)減輕30%的重量,因而受到航空制造業(yè)的青睞。
在航空制造領(lǐng)域,碳纖維復(fù)合材料早已成為了不可或缺的制造材料,且在飛機結(jié)構(gòu)材料占比越來越高,目前碳纖維復(fù)合材料在飛機上的應(yīng)用部位和用量已經(jīng)成為衡量飛機結(jié)構(gòu)先進性的重要指標。20世紀60年代,美國首次將碳纖維復(fù)合材料用于制造飛機的一些承力小或者非承力部件,80年代開始發(fā)展使用碳纖維復(fù)合材料制造軍用飛機的一些次承力部件。隨著技術(shù)進步,碳纖維復(fù)合材料在軍機制造的用量不斷增加,而且已經(jīng)應(yīng)用在機翼、機身等主承力結(jié)構(gòu)。
在民用飛機領(lǐng)域,具有代表性的波音787最新型大型民用客機的碳纖維復(fù)合材料用量比例達50%,空客A350的碳纖維復(fù)合材料占比達到52%。其他飛機制造方面,2015年開啟全球飛行之旅的“陽光動力2號”太陽能飛機,碳纖維復(fù)合材料占比已高達80%。
飛機需求拉動,碳纖維的市場前景廣闊
根據(jù)波音預(yù)測,2014-2033年全球?qū)⑿略?6770架客機, 2013-2020年間全球?qū)γ裼每蜋C的需求量的年復(fù)合增長率為3.57%。在民用客機的需求拉動下,航天航空用碳纖維將保持穩(wěn)定的增長,預(yù)計到2023年,全球航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維的需求量有望超過3萬噸,碳纖維航空復(fù)合材料的市場前景十分廣闊。
碳纖維下游產(chǎn)品眾多,增值幅度大,其中航空復(fù)合材料附加值最高;碳纖維復(fù)合材料因其輕質(zhì)高強的特點,成為航空領(lǐng)域不可或缺的制造材料,民用飛機的需求拉動碳纖維產(chǎn)量保持增長趨勢,碳纖維航空復(fù)合材料市場前景廣闊。