Текущее состояние и прорывные области применения углеродного волокна

Углеродное волокно — это неорганический полимерный материал с содержанием углерода свыше 90%. Оно получают из таких сырьевых материалов, как полиакрилонитрил (ПАН), путём высокотемпературного окисления и карбонизации. В настоящее время углеродное волокно обладает самой высокой удельной прочностью и удельным модулем упругости среди высокопроизводительных волокон и занимает первое место по термостойкости среди всех синтетических волокон.

I. Текущее состояние развития углеродного волокна

(1) Появилось несколько глобальных горячих точек в области НИОКР

В последние годы в области углеродного волокна непрерывно появляются научно-исследовательские и опытно-конструкторские достижения, при этом большинство прорывов связано с США и Японией.

Последние передовые технологии сосредоточены не только на производстве углеродного волокна и методах его подготовки, но и на его применении в таких широких областях, как снижение массы автомобильных материалов, 3D-печать и материалы для генерации электроэнергии.

Кроме того, достигнут значительный прогресс в переработке и повторном использовании углеродных волокнистых материалов, а также в подготовке углеродных волокон на основе лигнина.

К числу выдающихся достижений относятся: прорыв Грузинского технологического института в области технологии углеродного волокна третьего поколения; разработка японским агентством NEDO технологии нагрева электромагнитными волнами; точное управление процессом карбонизации компанией Toray с использованием традиционной технологии формования растворов полиакрилонитрила; успешная разработка компанией Teijin-Toboku (Япония) технологии плазменной обработки поверхности, позволяющей всего за несколько секунд контролировать внешний вид и свойства углеродного волокна; исследования Нинбоского института материаловедения и инженерии, посвящённые коэффициенту сохранения прочности на растяжение углеродного волокна в условиях высокотемпературной графитизации; а также успешная разработка компанией Yonghong Advanced Materials (Тайвань) запатентованной в США технологии сверхвысокотемпературной графитизации для массового производства углеродного волокна среднего и высокого класса.

(2) Китай лидирует в мировом спросе на углеродное волокно

В 2023 году внутренний спрос на углеродное волокно достиг примерно 98,6 тыс. метрических тонн, что на 32,6% больше по сравнению с предыдущим годом. С 2008 по 2023 год темп среднегодового роста спроса составил 17,1%, что значительно превышает глобальный среднегодовой темп роста на уровне 9,8%.

К 2022 году внутренний спрос на углеродное волокно уже составлял примерно 55,1% от мирового объёма, что значительно превышает долю около 20% в предыдущие годы, делая Китай крупнейшим в мире рынком потребления углеродного волокна.

Ускоренное внутреннее замещение: в 2022 году объём отечественного производства превысил импорт. По мере ввода в эксплуатацию новых производственных мощностей отечественных предприятий по производству углеродного волокна и развития технологий темпы внутреннего замещения импорта углеродного волокна продолжают ускоряться. Из общего объёма внутреннего спроса на углеродное волокно в 98,6 тыс. тонн в 2023 году около 54,6 тыс. тонн было произведено внутри страны.

(3) Внутренняя производственная мощность превышает 100 000 тонн

Согласно статистическим данным сайта Baichuan Yingfu, по состоянию на июнь 2023 года совокупная производственная мощность отечественных производителей углеродного волокна достигла 117 тыс. тонн, что примерно на 86,6% больше по сравнению с 62,7 тыс. тонн, зафиксированными на конец 2021 года; при этом подавляющее большинство производственных линий работают без сбоев.

Группа «Цзилинь», компания «Чжунфу Саньин» и «Синьчуань Карбон Вэлли» уже превысили мощность производства в 10 тысяч тонн, что позволяет им лидировать на внутреннем рынке за счёт своих масштабных преимуществ. Благодаря государственной поддержке дальнейшего развития углеродного волокна ожидается, что к 2024 году производственная мощность Китая по выпуску углеродного волокна увеличится до 184 тысяч тонн.

(IV) Разрыв в качестве и эксплуатационных характеристиках между отечественным углеродным волокном и волокном производства США и Японии сокращается.

В углеродно-волоконной промышленности углеродное волокно с более чем 48 000 нитей в пучке (обозначаемое как 48K) обычно относят к категории крупнопучкового углеродного волокна, тогда как волокно с 1 000–12 000 нитей в пучке (1–12K) классифицируют как мелкопучковое углеродное волокно.

По сравнению с углеродным волокном малого кластера основное преимущество углеродного волокна крупного кластера 48K заключается в его способности существенно повысить как выход на один нитевидный элемент, так и качество и эксплуатационные характеристики углеродного волокна при тех же условиях производства, что, в свою очередь, позволяет снизить производственные затраты.

Однако в настоящее время отечественное производство углеродного волокна в основном сосредоточено в диапазоне 1–12 тыс. нитей, то есть на рынке преобладает мелкотоннажное углеродное волокно. Вследствие более высоких затрат, связанных с мелкотоннажным углеродным волокном, предприятия downstream менее склонны к его внедрению.

Ранее технологии производства углеродного волокна крупной пряди в основном контролировались несколькими ведущими компаниями США, Германии и Японии. Однако с вводом в эксплуатацию первой в Китае отечественной производственной линии по выпуску углеродного волокна крупной пряди марки 48K мощностью 10 тыс. тонн на Шанхайской нефтехимической углеродно-волокнистой промышленной базе компании Sinopec Китай официально приступил к индустриализации производства углеродного волокна крупной пряди. Это событие позволит изменить сложившуюся ситуацию, при которой Китай полностью зависит от импорта такого волокна и сталкивается с хроническим дефицитом его поставок, тем самым стимулируя рост отечественной углеродно-волокнистой отрасли.

II. Ключевые области применения углеродного волокна

(1) Экономика низких высот

28 марта текущего года Министерство промышленности и информатизации, Министерство науки и технологий, Министерство финансов и Гражданское управление гражданской авиации Китая совместно опубликовали «План реализации инновационного применения оборудования общего назначения в сфере авиации (2024–2030 годы)», в котором предлагается к 2030 году сформировать рынок низкоуровневой экономики объёмом в триллион юаней.

Композиты на основе углеродного волокна обладают такими преимуществами, как низкий вес, высокая прочность и коррозионная стойкость, и уже давно применяются в аэрокосмической отрасли. В 2023 году мировой спрос на углеродное волокно составил 115 тысяч метрических тонн, при этом 19,1% этого спроса пришлось на аэрокосмическую и оборонную промышленность.

Согласно сообщениям, как беспилотный летательный аппарат Traveler X2 компании Xpeng Huitian, так и «Шэнши Лун» компании Fengfei Aviation уже начали в широком масштабе использовать углеродные композитные материалы. Беспилотный пилотируемый летательный аппарат EH216-S компании EHang — первый, получивший сертификат типа и сертификат стандартной летной годности от Китайского управления гражданской авиации — также использует углеродные композиты на эпоксидной основе.

(4) Разрыв в качестве и эксплуатационных характеристиках между отечественным углеродным волокном и аналогичными продуктами США и Японии постепенно сокращается.

В углеродно-волоконной промышленности пучки углеродного волокна, содержащие более 48 000 нитей (обозначаемые как 48K), обычно относят к категории крупноточечных углеродных волокон, тогда как пучки, содержащие от 1 000 до 12 000 нитей (1–12K), — к категории мелкоточечных углеродных волокон.

По сравнению с углеродным волокном малого кросста, основное преимущество углеродного волокна крупного кросста 48K заключается в его способности существенно повысить как производительность на один нитевидный элемент, так и качество и эксплуатационные характеристики углеродного волокна при тех же условиях производства, что, в свою очередь, позволяет снизить производственные затраты.

Однако в настоящее время отечественное производство углеродного волокна в основном сосредоточено в диапазоне 1–12K, то есть на рынке преобладает мелкотоннажное углеродное волокно. Поскольку мелкотоннажное углеродное волокно стоит дороже, это сдерживает интерес предприятий downstream к внедрению углеродного волокна.

Ранее технологии производства углеродного волокна крупной пряди в основном контролировались несколькими ведущими компаниями США, Германии и Японии. Однако с вводом в эксплуатацию первой в Китае отечественной производственной линии по выпуску углеродного волокна крупной пряди марки 48K мощностью 10 тыс. тонн на Шанхайской нефтехимической углеродно-волокнистой промышленной базе компании Sinopec Китай официально приступил к индустриализации производства углеродного волокна крупной пряди. Это событие позволит изменить сложившуюся ситуацию, при которой Китай полностью зависит от импорта такого волокна и сталкивается с хроническим дефицитом его поставок, тем самым стимулируя рост отечественной углеродно-волокнистой отрасли.

II. Ключевые области применения углеродного волокна

(1) Экономика низких высот

28 марта текущего года Министерство промышленности и информатизации, Министерство науки и технологий, Министерство финансов и Гражданское управление гражданской авиации Китая совместно опубликовали «План реализации инновационного применения оборудования общего назначения в сфере авиации (2024–2030 годы)», в котором предлагается к 2030 году сформировать рынок низкоуровневой экономики объёмом в триллион юаней.

Композиты на основе углеродного волокна обладают такими преимуществами, как низкий вес, высокая прочность и коррозионная стойкость, и уже давно применяются в аэрокосмической отрасли. В 2023 году мировой спрос на углеродное волокно составил 115 тысяч метрических тонн, при этом 19,1% этого спроса пришлось на аэрокосмическую и оборонную промышленность.

Данные свидетельствуют о том, что летательные аппараты Traveler X2 компании Xpeng Huitian и «Шэнши Лун» компании Fengfei Aviation уже начали широкое применение углеродных композитов. Беспилотный пилотируемый летательный аппарат EH216-S компании EHang — первый аппарат, получивший сертификат типа и сертификат стандартной летной годности от Китайского управления гражданской авиации — также использует углеродные композиты на эпоксидной основе. Ожидается, что углеродные композиты станут основным материалом для изготовления фюзеляжей будущих изделий.

(II) Спорт и досуг

Углеродное волокно широко используется в сфере спорта и досуга. Спортивное снаряжение — такие как клюшки для гольфа, удочки, теннисные ракетки, бадминтонные ракетки, велосипеды, лыжные палки, сноуборды, мачты для виндсерфинга и корпуса лодок — является основным потребителем углеродного волокна. По оценкам, ежегодный мировой объём производства рыболовных удилищ из углеродного волокна составляет примерно 20 миллионов пар.

Углеродное волокно также применяется в повседневных предметах, таких как бытовая техника — аудиосистемы, обогреватели для ванных комнат и конвекторы — а также в электронных устройствах, например в мобильных телефонах и ноутбуках. Кроме того, углеродное волокно используется в других водных видах спорта, таких как гребля и соревновательная гребля.

(3) Ветровая энергия и фотогальваника

Если рассмотреть спрос на нижнем уровне цепочки создания стоимости в китайской отрасли углеродного волокна, то наибольшие доли в структуре спроса сегодня приходятся на секторы спорта и досуга и лопасти ветряных турбин — 30,9% и 23,5% соответственно.

С истечением срока действия патентов на ключевые технологии компании Vestas, быстрым расширением отечественной индустрии углеродного волокна в Китае и её постоянными усилиями по снижению издержек и повышению эффективности, стремительным проникновением офшорной ветроэнергетики и тенденцией к производству более крупных ветряных турбин — при совокупности этих благоприятных факторов ожидается, что углеродное волокно для применений в ветроэнергетике в Китае получит ещё больший потенциал развития, продолжая стимулировать рост внутреннего спроса на углеродное волокно.