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【行业动态】中国大飞机量产在即,先进复合材料需求迎来井喷
来源: 时间: 2021-01-07 浏览: 961

一、复合材料产业概览

复合材料是指由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观(微观)上组成具有新性能的材料。由于比重小、比强度和比模量大的性能与耐腐蚀性、高强度与抗冲击性等特点,纤维增强材料在复合材料中的应用最广、用量最大。纤维增强复合材料根据其增强材料的种类,可被分为玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、芳纶纤维复合材料等。

玻璃纤维因其低成本、高强度,耐久性、柔韧性、稳定性高和轻质等优越的物理和机械性能而受到广泛的需求,目前占据最大的市场份额,主要用于风能、管道和储罐、电气和电子、建筑和基础设施领域。

由碳纤维和树脂制作的碳纤维增强复合材料,其比强度和比模量在所有现存的工程材料中居首位,是最理想的轻量化材料之一。同时由于碳纤维复合材料具有高比刚度、耐高低温和耐腐蚀等特性,已广泛应用于航空航天、风电行业、体育用品、汽车制造几大领域。其中,碳纤维复合材料在工业领域和航空航天领域的应用范围不断扩大,在复合材料行业占比呈上升趋势。高档次碳纤维原材料成本的降低,使碳纤维复合材料将在未来复合材料的发展与应用占据更加重要的地位,相较玻璃纤维展现出更良好的发展前景。

图表  先进复合材料产业链

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(一)复合材料加工工艺

在纤维与树脂种类确定后,纤维增强复合材料的性能主要决定于成型工艺。因此,复合材料成型加工工艺是复合材料工业发展的重要基础之一。

目前被广泛使用的复合材料成型工艺可被分为近二十种,其中主要的类型有手糊成型工艺、喷射成型工艺、树脂传递模塑成型(RTM)、袋压法成型、真空灌注成型、热压罐成型、树脂浇铸成型和拉挤成型工艺等。

复合材料中高端应用领域的成型工艺大致可分为:模压、RTM、热压罐以及真空灌注成型工艺。这四类工艺各有优缺点,可满足不同的下游市场对复合材料制品的需求。如模压与RTM成型工艺,虽所需的模具复杂、制造成本高,但可以一次成型结构复杂的制品,适应大批量、中小尺寸的复合材料加工;而真空灌注成型工艺虽然需要大量真空辅助材料,但可以降低纤维增强体的空隙率,适用于质量要求高、批量小和尺寸较大的制品,如风电叶片;热压罐工艺可得到表面与内部质量高、形状复杂的复合材料制件,但能耗较高,适合生产航空航天用的复合材料零部件。

(二)复合材料加工真空系统解决方案

为满足部分复合材料成型工艺在加工过程中对真空环境的需求,复合材料供应商会提供专业的真空系统解决方案,即由真空袋薄膜等真空辅助材料按一定的次序和结构铺叠、构建而成的真空系统,在此系统中对材料进行成型加工。

其中,真空成型工艺辅助材料,简称真空辅助材料或真空辅材,是复合材料真空灌注成型和热压罐成型工艺中必不可少的一类辅助材料的总称,主要包括真空袋薄膜、隔离膜、透气毡、密封胶带、压敏胶带、灌注软管、脱模布和导流网等材料。

(三)复合材料主要应用领域

复合材料的终端消费市场主要包括风电叶片、航空航天、体育休闲与汽车等领域。

1、风力发电

风电叶片是复合材料应用最大的领域之一。随着风电叶片的大型化发展趋势,叶片对比强度的要求更加突出,碳纤维材料的性能优势更加凸显。

中国作为风电产业最大的市场,风电市场占全球市场份额的40%以上。2020年12月,中国国家主席习近平在联合国及有关国家倡议举办的气候雄心峰会上表示,中国要在2030年将风电、太阳能发电总装机容量提高到12亿千瓦。未来预计全球和中国风电叶片产量将持续增长,风电产业的发展是复合材料市场增长的主要力量之一。

2、航空航天

近年来,国际主要民航飞机的制造对复合材料的使用比例逐渐升高。未来随着国产大飞机行业的技术进步与规模扩张,来自航空航天领域对复合材料加工产品及服务的需求将呈现出高于全球平均水平的增长速度,未来的发展将为复合材料市场带来更强劲的需求动力。

复合材料在无人机的应用也在不断深化。使用复合材料的无人机,在起飞重量、升限、巡航时间、通讯范围、内部载荷以及外挂能力等方面都能得到提升,因此无人机制造更加看重复合材料的使用。

(四)市场规模

1.全球市场规模

根据Marketsandmarkets数据显示,2020年全球复合材料市场规模将达到740亿美元,预计2025年能够到达1,128亿美元,年复合增长率8.8%。以下游市场划分,由于单价较高,航空航天领域是复合材料制件最大的终端市场,预计将以11.7%的年复合增长率从2020年的238亿美元增长至2025年的414亿美元。而以增强材料划分,Marketsandmarkets数据显示,碳纤维复合材料市场将以12.4%的年复合增长率从2020年的190亿美元增长至2025年355亿美元。据Research and markets数据显示,玻璃纤维复合材料仍占有最大的市场份额,并将从460亿美元增长至2025年的近600亿美元。

图表  全球复合材料市场规模(增强材料种类)

单位:亿美元

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图表  全球复合材料市场规模(应用领域种类)

单位:亿美元

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据Stratview Research数据,全球真空辅材市场在2016年已达到7.75亿美元,并预计以7.27%的年复合增长率在2022年达到11.82亿美元。航空航天用真空辅材与风电叶片用真空辅材将占据绝大部分的市场,据市场数据预测,会在2020年分别达到4.26和3.09亿美元。

图表  全球真空辅助材料市场规模

单位:亿美元

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 2、中国市场规模

据市场数据预计,2020年中国复合材料市场将达到2,231.10亿元人民币,预计在2025年可超过3,500亿元。其中,由于中国航空航天产业高速扩张,中国航空航天复合材料市场的增速将高于世界平均水平。

图表  中国复合材料市场规模

单位:亿元

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图表  中国航空航天与风电领域复合材料市场规模

单位:亿元

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中国玻璃纤维复合材料市场规模超过世界市场的一半以上,2020年为2,052.30亿元,预计将在2025年达到2,558.66亿元,年复合增长率4.51%。而中国碳纤维复合材料市场将高速增长,以14.07%的年复合增长率从2020年的321.65亿元提升至2025年的621.12亿元。

图表  中国玻璃纤维与碳纤维复合材料市场规模

单位:亿元

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中国真空辅材市场集中度较高,2019年与2020年快速增长。尤其是全球真空辅材产能在2020年受到新冠肺炎疫情影响较大,出现部分国际订单转移至国内厂商的利好情况。同时由于国内风力发电与航空航天产业的发展推动,以产品的生产所在地为依据计算,预计2020年国内复合材料真空辅材市场规模将达到15.31亿元人民币,并以16.90%的年复合增长率增长至2025年的33.42亿元。其中,航空航天用真空辅材市场将由2020年的6.46亿元,以19.31%的年复合增长率于2025年达到15.61亿元。

图表  中国真空辅助材料市场规模

单位:亿元

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二、产业洞察

(一)双循环格局加快国家产业政策支持

先进复合材料是国家鼓励的基础性战略性新兴产业。由于国际贸易与政治不确定性增加,中国国内国际产业双循环格局战略被提出,力求实现军事和民用重大装备的自主保障。因此,近年来国家和地方政府出台多项产业政策,支持先进复合材料全产业链结构升级,复合材料产业进入新的变革与发展期,具有先进研发实力与良好产业协同能力的企业,将会在这一轮的变革中迅速成长。

(二)热塑性预浸料进口替代需求迫切,国产化道路已开启

预浸料是复合材料制造加工过程中重要的半成品,发展先进的预浸料制备技术与设备将极大促进复合材料成型工艺的发展。日、德、美等发达国家在碳纤维增强热塑性预浸料制造技术方面已经实现量产化,中国国内市场普遍被国外企业产品占据。由于应用行业发展迅速,进口热塑性预浸料昂贵的价格已成为制约下游市场进一步成长的重要因素,国内下游厂商对国产热塑性预浸料的需求日益增长。

因此,国内部分有技术实力与市场远见的行业企业,开始布局大尺寸热塑性预浸料的研发与量产,努力开展国产化,打破国外公司垄断。

(三)航空航天复合材料加工外包比例快速提升

国际成熟的飞机制造公司利用企业外部资源以快速响应市场需求的“横向一体化”模式兴起,在民机制造领域,机体制造商的一些合作伙伴也开始从低端零部件加工耗材生产商升级为专业化的零部件制件与装配服务供应商。而随着国产飞机制造产业的兴起,国内主要机体制造商也逐渐开始进入生产外包阶段,将部分零部件制件与装配工作外包给上游企业。

未来,航空航天市场将在复合材料,尤其是碳纤维复合材料产业生态链上,占据更加重要的位置,而航空航天复合材料加工外包比例快速提升,成为构建国产大飞机产业链的重要方式。国内军民用航空需求释放,推动主机厂供应商管理模式转变,航空零部件加工产业迎来重要发展机遇。

(四)中国大飞机项目量产在即,推动复合材料国产供应体系快速发展

2020年11月,国产大飞机C919进入局方审定试飞阶段,标志着2021年中国民用大飞机将进入大规模量产与实际交付阶段,中国民用航空制造业即将进入全面发展阶段。由于国产大飞机已获得了庞大的市场订单(截止2019年8月,C919订单总量已达815架,2020年底有望破千架),先进复合材料制件需求将得到快速释放。

随着技术发展,传统的金属材料正在被先进复合材料所代替,复合材料用量已成为新一代民机先进性的重要标志。结合当今国际主流民用大飞机机型对复合材料使用的案例(如空中客车的A350复合材料使用比例超过50%,而C919这一比例只有12%),今后中国国产飞机的复合材料使用比例有较大提升空间,未来发展前景良好。

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