碳碳复合材料应用

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碳碳复合材料应用


碳碳复合材料是最有发展前途的高温材料之一。碳碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。具有低密度、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好,以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点,是当今1650℃以上应用的少数备选材料,最高理论温度高达2600℃。碳碳复合材料由于其独特的性能,已广泛应用于航空航天、汽车工业、医学、光伏及半导体等领域,如火箭发动机喷管及其喉衬、汽车刹车片、人造骨骼及半导体铸锭炉等。

我国每年的碳纤维需求约 1.37 万吨,我国主要碳纤维应用在体育休闲领域。2008 年-2014 年,全球碳纤维市场需求从 3.6 万吨增长至 5.4 万吨,预计 2015 年将继续增至 5.9 万吨,2020 年将增至8.9 万吨。截止 2014 年底,我国碳纤维设计总产能 1.96 万吨,生产厂家 40 家,其中千吨以上的生产规模厂家 4 家,500 吨级生产规模企业 5 家。2014 年我国碳纤维总需求量约 1.37 万吨,其中体育休闲领域约占 60%,建筑领域约占 15%,其他领域约占 25%。 

图表 1、国内主要碳纤维生产企业产能

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发达国家碳纤维的主要应用领域在工业和航空等高端领域,我国的碳纤维技术水平仍有待发展。由于碳纤维的核心技术主要掌握在西方发达国家手中,我国的碳纤维技术发展总体水平偏低。全球的碳纤维产品 67%应用于工业领域,17%应用于航空领域,仅有 16%应用于体育领域。而我国碳纤维在体育休闲的应用则达到60%,恰恰表明我国的碳纤维产品水平偏低,只能主要应用于性能要求较低的体育领域,而工业和航空等高端碳纤维应用领域则难以较大的拓展。


碳碳复合材料的应用发展已经成为推动我国碳纤维工艺水平的提升的途径。由于西方发达国家对我国封锁高端碳纤维技术的输出,我国只能通过不断拓展碳纤维材料应用,在使用过程中发现问题,从而促进碳纤维工艺的改进。碳碳复合材料生产工艺过程对碳纤维的性能要求较高,逐步的采用国产碳纤维原料替代进口碳纤维产品过程中,国产碳纤维存在的工艺问题逐步的暴露出来,由此国内碳纤维厂商可有针对性的改进其生产工艺。

我国碳碳复合材料已经从军用航空应用开始往工业领域拓展。以博云新材、金博科技为代表的碳碳复合材料龙头已经成功的承担了我国大飞机 C919 的刹车副生产。碳碳复合材料在工业领域的应用空间也随着其优异性能和性价比优势而逐步发展起来。光伏及半导体行业和工业热处理行业有望成为碳碳复合材料大规模应用的突破口。

金博科技已经成为国内碳碳复合材料民用领域应用的龙头。金博科技与博云新材的技术骨干都来自中南大学粉末冶金研究院,只是金博科技侧重碳碳复合材料在民用领域的拓展,博云新材则更注重航天军工等领域的突破。目前国内碳碳复合材料民用领域主要有金博科技、西安超码等 6 家企业,主要应用领域集中在光伏和高温热处理两大领域。其中仅金博科技年销售突破 5 千万元。目前处于盈利状态的仅金博科技和烟台凯泊。



图表 2、国内碳碳复合材料生产企业概况

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我国光伏发电装机规模的高速增长及光伏业内在的成本压力给碳碳复合材料应用带来发展良机。我国已经成为全球第三大光伏发电新装机市场,2014 年全国新增并网光伏发电 10600 兆瓦,约占全球新增容量的 25%,我国累计光伏发电并网装机容量 28050 兆瓦,同比增长 60%。2015 年 1-6 月,我国光伏发电装机容量达 35780 兆瓦,仍保持较高的增长态势。 全球光伏电池制造企业前 10 强的企业中,我国占据 6 席,且前 4 名均为我国企业。当前光伏行业价格竞争激烈,成本压力非常显著,由于碳碳复合材料相比传统石墨材料具有更优异的保温性能和强度性能,采用碳碳复合材料替代传统的石墨材料制作单晶炉和多晶炉,可有效降低生产能耗和提升设备的使用寿命从而降低整个生产的成本。碳碳复合材料在光伏和半导体领域的应用市场规模保守预计超过 10 亿元。 

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高温热处理领域节能升级改造给碳碳复合材料亦带来发展机遇。高温热处理属于机械加工的四大基础工艺之一,它可以保证和提高工件的各种性能,如强度、硬度、塑性、韧性、耐磨、耐腐蚀等。汽车工业中 70%-80%的零部件需要进行热处理。铁道工业中,机车、车辆、钢轨等需要热处理。由于热处理过程中耗电量巨大,约占机械制造行业总用电量的 25-30%,采用碳碳复合材料等新型保温材料将显著降低热处理过程中的能耗水平。我国目前低能效的传统加热炉占比超过 6 成,而优质节能环保的可控气氛炉和真空炉的比例不到4成,而欧美、日本等先进工业国家的高效能加热炉占比超过80%。随着国内产业升级改造的需求兴起,碳碳复合材料在高温热处理的应用将不断拓展。国内高温热处理设备的市场规模约 80-100 亿元,保温材料在设备的造价占比约 4%,保守预计碳碳复合材料在 3 亿元左右。 




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