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碳纤维复材件价值量是纤维的5倍,航空装备升级带来单机用量提升

发布时间:2020-12-04  来源:立鼎产业研究网  点击量: 1988 

航空航天占比材碳纤维复材63% 市场空间,单价也远高于其他领域。碳纤维复材目前多用于航空航天等高端制造市场,对低端制造市场渗透有限。2019 年,全球航空航天碳纤维复材市场达 108.5亿美元,占总市场份额 63%。航空航天复材单价高,均价 300 美元/千克,是体育用品单价的 5 倍,汽车、船舶、容器、建筑等产品单价的 6~8 倍,风电碳梁单价的 16 倍。

2019 全球树脂基复材销售收入(10 亿美元)


来源:赛奥碳纤维

不同领域产品复合材料减重效益比较


来源:赛奥碳纤维

航空航天飞行器减重经济效益明显且用量大,因此该领域是碳纤维复材最理想的目标市场。经测算,碳纤维复材可对民机使用带来极大经济效益,50%的复材使用能使A320在生命周期中节降1.1亿元能耗成本。成本收益平衡点为1.7万元/千克,远高于目前市场价格。对于高性能军机,碳纤维复材使用带来的不仅仅是经济效益的提升,对载弹量、机动性能、巡航里程等关键参数同样有显著的增强。上述原因整体导致了航空航天领域对材料价格的敏感度较低,最先大规模应用碳纤维复材。对于轨道交通市场,碳纤维复材的收益平衡点单价不到千元,对于现有复材工艺链的成本控制能力是一个挑战。而汽车领域碳纤维复材的收益平衡点单价仅75元,因此短时间内很难做到大规模批量应用,目前更多是作为装饰板或者个别部件减重应用。

纤维后端复合和加工环节市场空间庞大,是纤维价值量的5 倍。根据赛奥碳纤维统计,2019年全球航空航天市场碳纤维均价60美元每公斤,加工为复材制件后达到300美元每公斤,中间的复合(预浸料)和固化(复材制件)增值240美元每公斤,其中预浸料的价值约为纤维价值的2倍,复材件价值约为预浸料的2倍。这一现象在航空航天及体育用品领域表现最为明显,前者主要是工艺复杂、质量标准严格带来的较高生产成本,后者主要面向高端消费和竞技体育,这两大市场均表现出较高的品质要求和相对不高的价格敏感性。

各领域碳纤维及树脂基复材平均价格(美元/千克)


来源:赛奥碳纤维

军机碳纤维复材单机用量逐年提高,已成为主要结构材料。在航空领域,碳纤维复材相对于铝合金不仅有较好的减重效益,其整体成型技术还可有效减少连接,提高结构可靠性和气动性能。随着复材性能逐步提升,制件工艺水平发展,航空复材的使用量逐步提升:20世纪70年代初,复材主要用于非承力件,如舱门、口盖、整流罩以及襟副翼、方向舵等,用量不到2%20世纪70年代中,主要用于垂尾、平尾等尾翼一级的次承力部件;20世纪80年代,开始应用于机翼、机身等主要的承力结构,以FA-18复材机翼研制成功为里程碑,用量已提高到13%20世纪90年代以来,美国等发达国家的先进战斗机无一例外大量采用复材结构,包括垂尾、平尾、机身蒙皮以及机翼壁板和蒙皮等,如F18E/F战斗机的复材用量占飞机总重量的19%F22可达24%F3536%EF200043%

碳纤维复合材料在各机型中的使用比例


来源:复合材料及其在飞机结构中的应用

民机碳纤维复材用量同样呈现快速提升趋势,A350/B787  用量已经超过 50% 。民机碳纤维复材的使用可有效提高经济性、舒适性和环保性。1969 年,美国波音公司 B747 客机上复材用量达到 2吨,约占飞机结构总重 2.5%;之后 B777A320A322A330A340 等机型将复材应用于垂尾、平尾等部位,约占结构重量的 11%2005 A380 超大型客机,复材被大量用于中央翼、外翼、垂尾、平尾后承力框等部位,整机复材用量达到了 25%。在新一代 A350XWBB787 机型中,客机机翼、机身、垂尾、平尾等部位均采用复合材料制成,用量占总结构重量的 50%,提高燃油效率20%,客舱舷窗尺寸增大 30%

全复材直升机及无人机为重要发展趋势。碳纤维复材在直升机旋翼系统以及机身已经得到广泛应用,1970 年第三代直升机采用全复材旋翼桨叶,1980 年第四代直升机在机体中大量应用复材,可达 35%-50%。近年来出现全复材直升机,如NH-90 复材用量超过 95%,仅动力舱平台及其隔板采用金属件,其余全部采用碳纤维复材、芳纶复材和 NOMEX 蜂窝芯材,与全金属结构相比,零件数量减少 20%,质量减轻 15%,生产成本降低 10%。在无人机领域,美国 RQ-4“全球鹰”机翼、尾翼、发动机短舱、后机身采用碳纤维复材,复材用量占比 65%。“捕食者” MQ-1 全机除机身大梁采用金属外,几乎全部采用复合材料,用量约为结构总重的 92%

我国现役军民航空器复材用量不高,但近年来随着装备换代用量开始快速提升 。我国四代机之前的战斗机型号,复材应用范围仅限于尾翼、鸭翼等次承力结构上,歼 7Ⅲ上复合材料用量仅为 2%,歼 XX 6 %左右。三代半及四代机复材用量有了明显突破,有望超过美军 F22 24%的用量。国产民机起步较晚,复材使用量偏低,总体呈上升趋势,商飞单通道干线客机 C919 12%,中俄合作研制的 C929 复材使用可达 51%。在直升机和无人机领域,我国复材使用有较大突破。在研和在役直升机均大量采用复合材料,主要应用部位有旋翼桨叶中的大梁、蒙皮、垫布、后缘条等。BZK-05 蒙皮及整流罩采用玻璃纤维、碳纤维、Nomex 纸蜂窝等复材结构,机翼也由全复材构成。“彩虹 4”无人机机体除了主梁,其他部分都是由复合材料制成,质量比例超过 80%


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