广阔的市场前景
作为复合材料行业用量最大、最为主流的增强材料,玻璃纤维在2018年法国JEC复合材料展上的展示可以说是“润物细无声”:相比较受欢迎的碳纤维,玻璃纤维的各项生产技术已趋成熟,行业集中度也越来越高,市场份额保持着稳步增长的趋势。纵观整个展会,无论是耐腐蚀管道和储罐、船艇和风力涡轮机叶片,还是汽车、航空、建筑、基础设施等采用的复合材料,都仍以玻璃纤维增强为主。GrandViewResearch公司发布的报告称,截至2025年,全球玻璃纤维市场规模预计将达到212.7亿美元。据估计,玻璃纤维市场出现增长,得益于使用轻量化汽车零部件所带来的经济效益及环保效益。此外,建筑业及风能发电等设施也大量使用玻璃纤维,预计也将触发新一轮的市场增长。
全球碳纤维市场被细分为聚丙烯腈基(PAN)、沥青基和粘胶基碳纤维三大块,其中PAN基碳纤维是未来发展速度最快的分支。英国Reportbuyer公司发布的最新全球碳纤维市场调查报告指出,2022年,全球碳纤维市场将达到46.5亿美元。研究者预测期间的年均增长率高达11.1%。从销售量看,2022年全球碳纤维市场的销售量将达到14.3万吨,年均增长率13%。碳纤维需求量的大幅增长得益于其在风力发电机、汽车、航海/游艇制造、海洋工程,以及航空航天与国防工业的用量增长。报告同时预测,受到航空航天、国防、汽车、风电和体育休闲领域对碳纤维需求量不断增长的影响,北美洲将成为未来几年中碳纤维需求量最大的地区。
高性能树脂基复合材料性能优越,耐磨性强、强度高,适合飞机部件的生产,同时在轻质高强零部件制造方面也正在对汽车产业产生着影响。商用和民用航空在内的航空业强劲增长,是未来几年推动高性能树脂基复合材料市场增长的首要因素。美国市场研究机构GlobalMarketInsights公司的最新调查报告称,2025年高性能树脂基复合材料的全球市场规模将达到170亿美元。对高性能复合材料需求的持续增长,主要是将其用于汽车零部件、风机叶片、航空部件、船艇结构和电导体等的制造。环氧树脂则因具有良好的粘接性能和出众的防水特性在船艇制造方面得到了广泛应用。此外,由于同时具有高电阻、阻燃性及优异的力学性能,未来几年,高性能树脂必将在电子材料和金属连接方面获得广泛应用,同时对高性能树脂基复合材料市场的发展起到积极的推动作用。
新技术产品迭出
随着下游应用对复合材料性能不断提出新的要求,复合材料行业企业不懈坚持超越自我,在复合材料及产品的研发和生产技术与设备创新方面持续焕发出新的活力。欧文斯科宁(OwensCorning)推出了用于FFF/FDM3D打印机的XSTRANDTM系列材料。据欧文斯科宁介绍,这种新型高性能复合材料线材将“重新定义增量制造性能”,满足制造业对功能原型的需求,其强度和韧性高于碳纤维填充ABS、纯PP和标准PA6的产品。
佳斯迈威公司作为一家历史悠久的玻纤生产商,和伯克希尔哈撒韦公司重点推出了ThermoFlow系列短切原丝等产品,ThermoFlow系列短切原丝能够在聚丙烯中提供优质的模塑后机械性能及高度耐清洁剂的性能。此外,佳斯迈威还推出了用于复合材料SMC的MultiStar和用于复合材料BMC的StarStranCS,其SMC产品与金属产品相比可以降低50%的能量消耗和二氧化碳排放,其设计性和功能性也更强。
目前中国风电行业即将迎来新的竞价上网时代,降本增效已经成为风电产品开发的重要关注点。整机厂商为提高竞争力,现有型号两年左右会退出市场,这对叶型更迭提出了更高的要求。中复连众公司着眼于市场的现有需求,从减轻叶片重量、多元化海陆通用两个方面重新定位了LZ72.5-4.X的叶片开发。公司开发的海陆通用型风机叶片LZ72.5-4.X的风轮直径148米,叶片长度72.5米,重量20.5吨。
装备水平的提升与发展对复合材料工业来说至关重要,不断延伸的应用市场大大提高了对装备自动化与智能化的需求。视觉识别技术被业界认为是未来的工艺流程技术趋势,交给大数据系统完成,过程非常方便,极大地提高了运营效率。加拿大Virtek视觉国际公司的视觉定位系统,集创新视觉科技和激光投影技术于一体,激光模板投影速度指数级提升,IRIS配备Virtek的全新革命性视觉定位系统(VPS)、创新“FlashAlign”功能,以及出色的升级激光谱线可视性,显著提升了激光制导装配的效能。
美国先进复合材料制造创新研究所(IACMI)宣布了一项集成健康监测功能的智能复合材料压力容器(SCPV)技术开发项目。这项技术合作的目标是开发结构可预测、低成本的智能复合材料压力容器(SCPV),集成可靠健康监测的同时不影响安全性。该项目利用智能光纤传感器技术,以优化碳纤维转化并整合该技术,实现疲劳相关性能的按需反馈。该过程开发的方法将为结构健康监测系统与碳纤维复合材料压缩气瓶行业的整合开辟新的机会。项目成果可以使私营企业通过对大批量应用开发复合材料压力容器所使用的材料和工艺进行有效测试来创新制造过程。
马其顿Mikrosam公司的复合材料机器人解决方案系列——Tauris、Libra和Discovery等系列自动纤维铺放机(AFP)和自动预浸带铺放机(ATL)可以为多种材料提供双向铺放工艺。这些设备均可以根据需求进行定制,并且与热塑性、热固性和干纤维铺放工艺相兼容。此外,该公司一个集成的AFP和FW(纤维缠绕机)工作单元,可以减少将产品从一台机器(FW工艺)转移到另一台机器(AFP工艺)所需的时间。
追求可持续发展
随着“绿色环保”“低碳经济”和“可持续发展”的理念越来越深入人心,复合材料行业也越来越重视原材料、生产工艺和产品在全生命周期内对环境的影响。复合材料行业企业都倾力在绿色、环保、改性上做足文章,以契合上游产品的需求。可回收的热塑性复合材料和天然纤维的应用,以及复合材料废弃物的回收利用等,在复合材料领域的重要性也日渐凸显。
荷兰先进复合材料制造商滕卡特公司(TenCate)的Cetex热塑性复合材料技术,可以支持复合材料制造过程从工程设计到报废回收的所有阶段。项目包括开发回收流动层的想法,其主要内容是将回收的热塑性复合材料集成到供应链中。滕卡特公司表示,将团状模塑料的设计自由度与增强热塑性层压板的机械性能相结合,利用了在零部件制造和报废时获得的多余材料,实现了接近100%的零件利用比率。
帝人公司推出的一款单向热塑预浸料,机械性能强且稳定,有着较高的耐腐蚀性与耐溶解性,可以进行常温保存或运输,具有低可燃性、低烟、低毒等特点,符合健康、安全与环境的要求,同时稳定的性能使材料可以回收多次利用;一款热塑性加固层压板,可采用不同的铺叠顺序和特殊表层,譬如玻璃织物适用于防腐或青铜网适用于防雷,具有机械性能强、低毒性等特点,在加工方面,有着较大的产品规格,适用于大容积,大器型的加工;一款涂有热塑聚合物的机织织物,可适用于复杂零件设计。这三款产品可应用于航空航天、医疗器械、汽车制造、工业生产、石油与天然气开采设备等众多领域。
剑麻纤维、黄麻纤维、亚麻纤维等天然纤维能够有效增强复合材料,同时其绿色环保价值也值得引起重视。瑞士Bcomp公司推出的多种天然纤维材料织物、PowerRibs天然纤维增强材料及其复合材料,与其他传统复合材料相比,powerRibs材料具有出色的阻尼性能,并提供具有竞争力的价格。Bcomp公司为GT公司用集成LED做的轻质再生纤维车顶是其明星产品之一,powerRibs和ampliTex在保持刚度的情况下,制成的车身更轻、更安全,同时可降低环境污染及降低成本。
总部设在美国科罗拉多的新技术公司Vartega开发出一种新型碳纤维回收工艺,这将推动可持续发展和普及碳纤维。这个回收工艺每年可以从垃圾填埋场转移数千吨垃圾,并为下游的消费者提供更便宜的碳纤维产品,它具有与原始碳纤维相同的机械性能。Vartega发明了自己的3D打印机灯丝,里面含有回收的碳纤维,它的打印质量非常好,操作比较简易而且拥有与新材料同样好的性能。该产品已经进入市场。Vartega也致力于汽车行业的再生碳纤维应用,其中包括在注射成型、引擎罩下及内外部车身面板等方面的应用。
英国ProdriveComposites公司开发了一种可回收复合材料部件的工艺,在不损失原始部件性能的同时,可以满足未来新部件的使用寿命要求。公司将该工艺命名为P2T(初级到三级),不仅简化了回收流程,而且使得复合材料拥有满足三个或更多使用寿命周期的潜力。该工艺方法的基础是使用反应性热塑性树脂代替更常见的热固性树脂,塑料单体在纤维存在下与催化剂反应,形成固化的层压板。P2T工艺生产的复合材料可以多次循环使用。P2T工艺还兼容定制纤维铺放(TFP)技术,许多优秀的复合材料生产商正在采用这种技术。
高强度窗帘杆材料玻纤棒
树脂基复合材料