碳纤维/环氧树脂复合材料改性处理

4 全球碳纤维复合材料市场

4.1 根据基体材料分布

几乎所有的碳纤维原料都将进一步加工成复合材料来使用。加工的方法就是将纤维嵌入的不同的基体中再发挥其性能，使之成为一种具有独特性能的新材料。除了许多其他优点外，碳纤维复合材料在轻量化设计方面具有特别高的潜力。根据使用环境的不同，各种金属基体（金属基复合材料，MMC），陶瓷材料（陶瓷基复合材料，CMC），或碳（碳纤维增强碳，碳/碳复合材料）都可以作为复合材料的基体材料。

然而，大多数复合材料都是由聚合物基体（碳纤维增强聚合物，CFRP）和纤维材料组合而成的。图5描述了一个CFRP所用基体材料的需求量和数量明细。CFRP最大的市场板块一般（按成交量统计）根据所使用的聚合物基体来划分。下面通过所提供的数据，来对成交量进行更详细的描述。

显然，根据交易额（约13亿美元；70%）和消耗量（约109.6kt；86.5%），大多数的碳纤维都应用于CFRP中。热固性树脂体系在CFRP市场中占据了主导地位（大约有71.5%，约9.46亿美元）。然而在过去的几年中，热塑性树脂所占的比例从2014年（约24%）开始稳步增长，2015年达到25%，2016年达到26.3 %。其他聚合物基体材料的市场份额目前仍非常小，虽然在未来，弹性体领域-例如铰链无弹性连接元件或可变型的自适应结构组件-可能会引起兴趣。非聚合物基体复合材料占据了整个市场的20%，并由此产生了较高的交易额。这主要是因为这类复合材料主要应用在比较单一的场合（如航空航天），而且这些场合都需要花费特别昂贵的费用。

总的看来，2016年全球碳纤维复合材料的需求约126.7kt，对应的总交易额约19.31亿美元。相比前一年（116.5kt；17.9亿美元），需求量增加约7.88%，交易额增加约8.76 %。

图5按需求（上图）和成交额（下）计算的全球碳复合材料市场分布（09/2017）。

根据不同基体划分，在需求量上：聚合物79.5%，10.07万吨；陶瓷7.5%，0.95万吨；碳4%，0.51万吨；金属1.5%，0.19万吨；混合和其他7.5%，0.95万吨。

根据不同基体划分，在成交额上：聚合物68.5%，132.3亿美元；陶瓷8.5%，16.4亿美元；碳13.5%，26.1亿美元；金属4%，7.7亿美元；混合和其他5.5%，10.6亿美元；其中热固性占比71.5%，94.6亿美元；热塑性占比26.3%，34.8亿美元；混合，人造橡胶和其他占比2.2%，2.9亿美元。

4.2 全球碳纤维增强复合材料的发展

如图5（原文如此，有错误？）所示，CFRP目前代表了碳纤维复合材料市场中最主要的部分。这种材料组合-基于其优良的轻量化设计潜力-将被视为一个未来几年必不可少的行业内增长引擎。相应地，全球2016年 CFRP需求量约10.1万吨，而今年，10万吨CFRP需求量的基准已经明显被超越。这相当在前一年（91kt）的基础上增长了约10.99%。这导致了在年增长率（CAGR）方面，从2010年到现在，每年增长约11.98 %。预计未来几年，CFRP还会有介于10%-13%之间的，两位数的增长。

CFRP在2016年的全球总交易额约13.23亿美元，在前一年（11.6亿美元）的基础上增长了约14.05%。

图6 全球CFRP需求量估计（按吨数计算，从2010年到2022年）

全球CFRP需求的发展与CF市场基本相似（见图1）。这在很大程度上是由于CFRP板块在CC（碳复合材料）工业中占主导地位，大部分生产出来的CF也都用于CFRP板块。我们可以通过对CF市场自2009年以来的增长特征的观察，来获取CFRP市场板块自2009年以来的增长特征，目前这个增长趋势稳定在10%-13%之间的两位数的范围。值得注意的是，在过去的几年中CFRP的成交额增长率高于CF的成交额增长率。这个差异在2016年（14.05%和8.7%）变的更加明显，可以把这个差异归因于市场的自然波动，也可以归因于是由于CFRP的高度自动化的成型工艺的发展。碳纤维的价格和利润率多年来一直保持相对稳定。与碳纤维比较起来，碳纤维增强复合材料的集中性没有那么强，它分散到很多企业中去加工完成，造成了市场竞争力大，利润空间小，但是对于促进市场的快速发展非常有利。

目前，如图中2016年呈现的情况，当年的前十大CFRP企业占据市场份额的41.32%，41.73kt（消耗碳纤维总产能的87.5%）。前5大CFRP企业占据市场份额36.3%，36.66kt（消耗碳纤维产能的69.3%）。然而必须要注意的一点是，CF的市场数据是基于Fenix理论上的CF工厂的生产能力得到的，而CFRP的市场数据是在需求量的基础上确定，其产能和需求量之间没有真正的相关性，所以当CFRP市场与CF市场比较时，由于其市场结构完全不同，市场集中度明显较低，竞争对手的规模也较大，直接来比较这些数据是没有什么意义的。

4.3 碳纤维复合材料需求按区域成交量分布

2017年9月预估全球碳纤维复合材料的需求量为12.67万吨。图15和图16预估这个领域一共将产生19.31亿美元的交易额。所有亚洲区域（包括太平洋区域和日本在内）的数据也都包含在内。

图6 全球碳纤维复合材料需求及所占比例（07/2017）

如图6所示，根据不同区域划分为：北美4.77万吨，38%；欧洲4.39万吨，34%；亚太地区（包括日本）3.03万吨，24%；其他地区0.48万吨，4%。

图7 全球碳纤维复合材料交易额（07/2017）

如图7所示，2017年9月预估碳纤维复合材料的总交易额为193.1亿美元。根据不同区域划分为：北美62亿美元，32%；欧洲60亿美元，31%；亚太地区（包括日本）55亿美元，29%；其他地区15亿美元，8%。

可以看出，碳纤维复合材料地区的全球营业额在三个地区之间的分布几乎相等。这种分布与图13所示的全球碳纤维需求有很好的对应关系，这是因为几乎所有生产出来的碳纤维都用于制造碳纤维复合材料。碳纤维复合材料市场需求量的增长与CF市场需求量相比，不仅增长总量相似，而且对其需求的区域细分也非常类似，参照前一年的需求量，亚洲地区有了13.06 %的强势增长（2015：26.9kt），其他地区也有7.67%（北美；2015：44.3kt）和7.8 %（西欧；2015：40.8kt）的显著增长。其余国家和地区的增长率大约为4%（2015：4.6kt）。如图13和图14所表明的那样，这一发展趋势主要归因于整个亚洲碳市场的经济结构。与此同时，2016年，一些大的碳纤维生产商已在各自相关国家有了比较大的碳纤维生产能力，这些能力显然超出了它们国家自身的要求。基于这种现实情况，随着时间的推移，国内对复合材料原材料的需求只会有所增加。除此之外，还有强有力的政府项目支持，如韩国政府（东北亚经济中心）的与之相关的活动-例如Hyosung宣布的投资计划等。此外，经济保护措施也可能导致未来的亚洲地区碳纤维制造企业，通过战略协作伙伴关系解决国内产能过剩问题或形成利益共同体。有鉴于此，预计CFRP这一布局分布在接下来的几年中将会继续深入下去。

4.4碳纤维复合材料需求的分布-按应用成交量

2017年全球碳纤维复合材料的年需求量约126.7kt，与之相关的交易额约为19.31亿美元。图17和图18描述了碳纤维复合材料应用领域的分布情况。

图8 全球碳纤维复合材料需求量分布-按应用领域划分（09/2017）

如图所示（2017年9月预估），碳纤维复合材料的总需求量为12.67万吨。根据不同应用分布为：航空，航天（包括国防）3.793万吨，30%；汽车2.788万吨，22%；风能1.633万吨，13%；体育休闲1.497万吨，12%；建筑0.601万吨，5%；其他2.358万吨，18%。

图9 全球碳纤维复合材料成交额分布-按应用领域划分（09/2017）

如图所示（2017年9月预估），碳纤维复合材料的总金额为193.1亿美元。根据不同应用分布为：航空、航天（包括国防）116.6亿美元，60%；汽车24.2亿美元，13%；风能15.9亿美元，8%；体育休闲13.6亿美元，7%；建筑4.4亿美元，2%；其他18.6亿美元，10%。

显然，与往年一样，航空航天部门目前仍旧是碳纤维复合材料成交额中最重要的部分。尽管其碳纤维复合材料的需求量（37.93kt；30%）仅比汽车行业的碳纤维复合材料需求量（27.88kt；22%）略高，但其成交额却占了全球碳纤维复合材料市场总营业额的约60%，这是相当高的。这主要是因为其更高的质量要求和检测成本，航空领域的贡献主要来自A350、A380、B777和B787等项目，其增长率在2015年-2016年之间维持在约8%[6][13][14]。此外，目前在太空旅行运载火箭方面，碳纤维复合材料也很活跃。无论是falcon9（SpaceX）还是Ariane6（ESA/ASL），在设计时都参考大比例地使用碳纤维复合材料[15]。例如，Ariane6的碳纤维复合材料火箭助推器正在设计开发，随后由MT（奥格斯堡、德国）和AVIO（科莱弗洛，意大利）制备[16]。亚洲国家和地区也在努力扩大自身的国家航空航天计划。除了印度的大规模投入以外，中国也对此领域产生了浓厚兴趣，例如中国商飞的C919项目，2017年05月已经成功的实现了首飞，这将对空客A320和波音B737带来竞争。与此同时，太空旅行计划也正在有力地推动了中国自己的空间站建设。

汽车行业无论在需求量还是在成交额上，都占据了碳纤维复合材料第二大市场的位置，其中领军企业将是BMW和SGL的合资公司。在BMW i系列项目中，已经成功地证明碳纤维复合材料应用于汽车部件上是完全可能的，这也证明了通过使用碳纤维复合材料来实现汽车的轻量化设计（用于新能源车尤其是电动车）的潜力非常之大。2015年，BMW i3的销售接近24000台，BMW i8的销售接近5500台，预计到了2018年，BMW i3的销售将接近33000台[17]。可以预见，到2021年，BMW的i-portfolio将发展到新的i-next模型，其模式将非常接近BMW5er系列，并且将消除电动汽车和传统能源车之间存在的差距。电动的或者混合动力版本的X3和MINI也将投放到市场，虽然在这一阶段没有完全的复合结构车身计划，但根据目前的观点，在i系列个别组件上使用碳纤维复合材料车部件积累的经验，将会被转移到全碳纤维复合材料车身计划中。这样的转移已经在宝马7er系列上，通过技术结合金属件和碳纤维件的有机结合（即所谓的“碳核心技术”）得以成功实现，2016年，实现了6.4万台的销售量，长期的销售目标有望达到10万台[18]。在未来几年，Volvo也将迎来令人振奋的发展，他们的XC90，V90，S90车型将使用复合材料板簧，该板簧将用玻璃纤维增强材料制备。通过Benteler-SGL和Henkel之间的合作，基于高压RTM工艺的双组分聚氨酯树脂体系Loctite MAX2已开始得到应用[19]。此外，Hyun-dai和Hyosung合作开发的Intrado型号车（Crossover / SUV），在未来几年对碳纤维复合材料也特别感兴趣。相关的概念车模型已经在2014展示过，该车采用了大量的碳纤维复合材料组件，其中很多组件是在axontex系统的帮助下，由纤维编织工艺制备的。所用碳纤维主要来自韩国的Hyosung（tansome纤维）[20][21]。根据已宣布的投资情况，该型车有望较早地进入市场。总之，在2015年-2016年之间，汽车行业有望达到一个12%的交易额增长率和9%的需求量增长率。

参照上年的数据，风电行业也经历了一个强劲的增长约11.5%（成交额）和12.7 %（需求量）。原因是由于目前能源转换的要求进一步增强，以及对大型风力发电厂的兴趣日益增强。特别是在欧洲和亚洲，人们越来越重视实现遏制气候变化的目标，而可再生能源将在其中发挥重要的作用。几乎所有的新一代大型风电叶片都在大量使用碳纤维复合材料，特别是在拉压弦（专业词汇？待定）部分。

根据所给的数据，这个图标不能将每一个领域都详细的显示出来，例如在医疗技术领域对于碳纤维复合材料的需求就被归纳在“其他”栏中。

图19显示了2022年，按应用范围细分，全球碳纤维复合材料需求量的预测。假设汽车行业内部的需求增长将继续保持较高水平，那么它将在2020年底前超过航空航天部门（包括国防）的需求。也就是说，在2020年底，约23.9万吨、30%的CFRP需求是来自于汽车行业。紧随其后的三个应用领域，受其基本配置的影响，增长潜力基本一致。“体育休闲”和“建筑”领域在这里表现出一定程度的疲软，因此为获得更高份额，必须寻找新的应用创新点。这里应该指出的是，理论上，碳纤维复合材料应用潜力大、使用量大的领域是很多的，尤其是在建筑行业。因此，只要能找到几个应用创新点，图19所显示的、略显保守的预测就可以轻松被超越。

图10 全球碳纤维复合材料发展趋势（按应用领域划分，09/2017）

根据2016年全年碳复合材料用量的12.67万吨和对应193.1亿美元成交额，可以简单的计算出碳复合材料的单价为152US$/kg。相应的，根据CFRP用量的10.1万吨和对应11.52亿美元成交额，可以简单的计算出CFRP的单价为131US$/kg。即使这些数字的实际意义很小，但仍然可以由此获得市场的总体轮廓。因此，最好的跨行业公斤价格只能在这个平均值附近的频率分布之内。根据图中的数据，可以确定碳纤维复合材料市场的下列特定应用区域的成本价格：

每个应用领域的成本又是不同的，例如：航空航天（包含国防）的平均价格为307USD/kg，风能领域为97USD/kg，体育休闲为91USD/kg，汽车领域最低，为87USD/kg。

正如预期的那样，航空航天部门的CFRP平均价格最高。另一方面，汽车应用的平均价格最低的，但鉴于目前高昂的汽车价格压力，汽车的CFRP平均价格还是出奇的高，这在一定程度上可以归因于非常昂贵的奢侈品汽车部件的应用。对于风能方面则必须指出，这里所示的平均价格只描述了风电叶片本身中的碳纤维部分，它所占的比重对于整个风电系统来说非常小。运动休闲领域平均价格在作者的预期范围内。它是由大致相等的高价位领域（尤其是高尔夫）应用和低成本领域的具体应用（曲棍球、棍棒，滑雪板，自行车）共同构成的。虽然上述所示的平均价格不完全可靠，但是它对各自行业的价格给出了一个概念性的指导，与前一年相比，在未来几年内，除了汽车行业（前一年：86USD/kg）外，其他行业的CFRP平均价格水平都会略有下降。