Поточний стан та проривні застосування вуглецевого волокна

Вуглецеве волокно — це неорганічний полімерний матеріал із вмістом вуглецю понад 90%. Воно виготовляється з таких сировинних матеріалів, як поліакрилонітрил (ПАН), шляхом високотемпературного окиснення та карбонізації. На сьогодні воно має найвищу питому міцність і питому жорсткість серед високоміцних волокон і посідає перше місце за стійкістю до високих температур серед усіх синтетичних волокон.

I. Сучасний стан розвитку вуглецевих волокон

(1) З’явилося кілька глобальних центрів досліджень і розробок

У останні роки у сфері вуглецевих волокон постійно з’являються нові науково-дослідницькі досягнення, при цьому більшість проривів має американське та японське походження.

Найсучасніші передові технології орієнтуються не лише на виробництво вуглецевого волокна та методи його підготовки, а й на застосування у ширших галузях, таких як зменшення ваги автомобільних матеріалів, 3D-друк та матеріали для виробництва енергії.

Крім того, досягнуто значного прогресу у переробці та повторному використанні вуглецевих волокон, а також у виготовленні вуглецевих волокон на основі лігніну.

Серед визначних досягнень — прорив Грузинського технологічного інституту у сфері технології вуглецевих волокон третього покоління; розробка японською організацією NEDO технології нагрівання електромагнітними хвилями; точне керування процесом карбонізації компанією Toray за допомогою традиційної технології витяжки розчину ПАН; японська компанія Teijin-Toboku успішно розробила технологію плазмового оброблення поверхні, що дозволяє контролювати зовнішній вигляд та властивості вуглецевого волокна всього за кілька секунд; Нінбо-інститут технологій та інженерії матеріалів провів дослідження ступеня збереження міцності на розтягування вуглецевого волокна при високотемпературній графітизації; а компанія Yonghong Advanced Materials на Тайвані успішно розробила запатентовану у США технологію ультрависокотемпературної графітизації для масового виробництва вуглецевих волокон середнього та високого класу.

(2) Китай очолює світовий попит на вуглецеве волокно

У 2023 році внутрішній попит на вуглецеве волокно склав близько 98 600 метричних тонн, що відповідає зростанню на 32,6% у порівнянні з попереднім роком. З 2008 по 2023 рік попит зростав із середньорічним темпом зростання (CAGR) 17,1%, значно перевищивши глобальний середньорічний темп зростання на рівні 9,8%.

До 2022 року внутрішній попит на вуглецеве волокно вже становив близько 55,1% від загального світового обсягу, що значно перевищувало частку приблизно 20% у попередні роки, перетворивши Китай на найбільший у світі ринок споживання вуглецевого волокна.

Прискорене внутрішнє заміщення: у 2022 році виробництво на внутрішньому ринку перевищило імпорт. Зі зростанням нових виробничих потужностей вітчизняних підприємств, що виробляють вуглецеве волокно, та прогресом технологій темпи внутрішнього заміщення цього матеріалу продовжують прискорюватися. Із загального обсягу внутрішнього попиту на вуглецеве волокно у 2023 році, який склав 98 600 метричних тонн, близько 54 600 метричних тонн було виготовлено в Україні.

(3) Внутрішня виробнича потужність перевищує 100 000 тонн

Згідно зі статистичними даними вебсайту Baichuan Yingfu, станом на червень 2023 року загальна виробнича потужність вітчизняних виробників вуглецевого волокна досягла 117 тисяч тонн, що на близько 86,6% більше порівняно з 62,7 тисячами тонн, зафіксованими наприкінці 2021 року; при цьому переважна більшість виробничих ліній працює безперебійно.

Група «Цзілінь», компанія «Чжунфу Саньїн» та «Сіньчуань Карбон Валлі» всі перевищили потужність виробництва у 10 тисяч тонн, очолюючи внутрішній ринок завдяки своїм масштабним перевагам. Завдяки політичній підтримці подальшого розвитку виробництва вуглецевих волокон очікується, що до 2024 року потужність виробництва вуглецевих волокон у Китаї зросте до 184 тисяч тонн.

(IV) Розрив у якості та продуктивності між вітчизняними та американськими/японськими вуглецевими волокнами звужується

У вуглецевій промисловості вуглецеве волокно, що містить більш ніж 48 000 ниток у пучку (позначається як 48K), зазвичай класифікується як вуглецеве волокно великого пучка, тоді як волокна з 1 000 до 12 000 ниток у пучку (1–12K) відносять до вуглецевого волокна малого пучка.

У порівнянні з вуглецевим волокном малого пучка, основна перевага вуглецевого волокна великого пучка 48K полягає в його здатності значно підвищувати як продуктивність на один нитку, так і якість та ефективність вуглецевого волокна за однакових умов виробництва, що, у свою чергу, дозволяє знизити витрати на виробництво.

Однак наразі вітчизняне виробництво вуглецевого волокна переважно сконцентроване у діапазоні 1–12K, що означає, що ринком домінує вуглецеве волокно малого товщини. Через більш високі витрати, пов’язані з вуглецевим волокном малого товщини, підприємства на нижніх ступенях ланцюга постачання меншою мірою схильні до його використання.

Раніше технологія виробництва вуглецевих волокон великого товщини переважно належала кільком провідним компаніям США, Німеччини та Японії. Однак з введенням у експлуатацію першої в Китаї власної виробничої лінії потужністю 10 000 тонн на рік з виробництва вуглецевих волокон великого товщини 48K на промисловій базі вуглецевих волокон Sinopec Shanghai Petrochemical Китай офіційно розпочав індустріалізацію виробництва таких волокон. Цей крок змінить нинішню ситуацію, коли Китай повністю залежить від імпорту вуглецевих волокон великого товщини та стикається з хронічним дефіцитом поставок, що сприятиме розвитку вітчизняної галузі вуглецевих волокон.

II. Основні сфери застосування вуглецевого волокна

(1) Економіка низької висоти

28 березня цього року Міністерство промисловості та інформаційних технологій, Міністерство науки та технологій, Міністерство фінансів і Адміністрація цивільної авіації Китаю спільно оприлюднили «План реалізації інноваційного застосування загальноавіаційного обладнання (2024–2030)», який передбачає створення ринку низькошвидкісної економіки обсягом у трильйон юанів до 2030 року.

Композити з вуглецевого волокна мають такі переваги, як легкість, висока міцність та стійкість до корозії, і вже давно використовуються у аерокосмічній галузі. У 2023 році світовий попит на вуглецеве волокно склав 115 000 метричних тонн, при цьому 19,1% цього попиту припало на аерокосмічну та оборонну промисловість.

За повідомленнями, як Xpeng Huitian’s Traveler X2, так і «Shengshi Long» компанії Fengfei Aviation вже почали масово використовувати вуглецево-вуглепластикові композити. Безпілотний пасажирський літак EH216-S від EHang — перший, що отримав сертифікат типу та стандартний сертифікат летучості від CAAC — також використовує епоксидні вуглецево-вуглепластикові композити.

(4) Розрив у якості та продуктивності між виробленою в країні вуглецевою фіброю та такою, що виготовляється у США та Японії, поступово зменшується.

У вуглецевій промисловості пучки вуглецевого волокна, що містять більш ніж 48 000 ниток (позначаються як 48K), зазвичай класифікуються як вуглецеве волокно великого товщини, тоді як пучки, що містять від 1 000 до 12 000 ниток (1–12K), класифікуються як вуглецеве волокно малого товщини.

У порівнянні з вуглецевим волокном малого пучка, основна перевага вуглецевого волокна великого пучка 48K полягає у його здатності значно збільшити як продуктивність виробництва на один нитку, так і якість та ефективність вуглецевого волокна за однакових виробничих умов, що, у свою чергу, дозволяє знизити витрати на виробництво.

Однак наразі вітчизняне виробництво вуглецевого волокна переважно сконцентроване у діапазоні 1–12K, що означає, що на ринку домінує вуглецеве волокно малого товщини. Оскільки вуглецеве волокно малого товщини коштує дорожче, це зменшило зацікавленість підприємств на нижній смузі ланцюга впровадження вуглецевого волокна.

Раніше технологія виробництва вуглецевих волокон великого товщини переважно належала кільком провідним компаніям США, Німеччини та Японії. Однак з введенням у експлуатацію першої в Китаї власної виробничої лінії потужністю 10 000 тонн на рік з виробництва вуглецевих волокон великого товщини 48K на промисловій базі вуглецевих волокон Sinopec Shanghai Petrochemical Китай офіційно розпочав індустріалізацію виробництва таких волокон. Цей крок змінить нинішню ситуацію, коли Китай повністю залежить від імпорту вуглецевих волокон великого товщини та стикається з хронічним дефіцитом поставок, що сприятиме розвитку вітчизняної галузі вуглецевих волокон.

II. Основні сфери застосування вуглецевого волокна

(1) Економіка низької висоти

28 березня цього року Міністерство промисловості та інформаційних технологій, Міністерство науки та технологій, Міністерство фінансів і Адміністрація цивільної авіації Китаю спільно оприлюднили «План реалізації інноваційного застосування загальноавіаційного обладнання (2024–2030)», який передбачає створення ринку низькошвидкісної економіки обсягом у трильйон юанів до 2030 року.

Композити з вуглецевого волокна мають такі переваги, як легкість, висока міцність та стійкість до корозії, і вже давно використовуються у аерокосмічній галузі. У 2023 році світовий попит на вуглецеве волокно склав 115 000 метричних тонн, при цьому 19,1% цього попиту припало на аерокосмічну та оборонну промисловість.

Дані свідчать, що літак Traveler X2 компанії Xpeng Huitian та «Шенші Лун» компанії Fengfei Aviation уже масово використовують композити на основі вуглецевого волокна. Безпілотний пасажирський літак EH216‑S компанії EHang — перший, який отримав сертифікат типу та стандартний сертифікат льотної придатності від CAAC — також використовує епоксидні композити з вуглецевого волокна. Очікується, що композити на основі вуглецевого волокна стануть основним матеріалом для фюзеляжів майбутніх продуктів.

(II) Спорт і відпочинок

Вуглецеве волокно широко застосовується у сфері спорту та відпочинку. Таке спортивне обладнання, як клюшки для гольфу, вудки, ракетки для тенісу та бадмінтону, велосипеди, лижні палиці, сноуборди, мачти для віндсерфінгу та корпуси човнів — основні користувачі вуглецевого волокна. За оцінками, світовий обсяг виробництва вуглецевих вудок становить приблизно 20 мільйонів пар на рік.

Вуглецеве волокно також застосовується у повсякденних предметах, таких як побутова техніка — наприклад, аудіосистеми, обігрівачі для ванної кімнати та простірні обігрівачі, — а також у електронних товарах, таких як мобільні телефони й ноутбуки. Крім того, вуглецеве волокно використовується у інших водних видах спорту, зокрема в академічному веслуванні та змагальних гонках на човнах.

(3) Вітрова енергетика та фотоелектричні системи

Дивлячись на попит униз за ланцюгом у китайській галузі вуглецевих волокон, секторами, які наразі займають найбільші частки попиту, є спорт і відпочинок та лопаті вітрових турбін, з відповідними частками 30,9% і 23,5%.

Зі закінченням терміну дії патентів на ключові технології компанії Vestas, стрімким розширенням вітчизняної індустрії вуглецевих волокон у Китаї та її постійними зусиллями зі зниження витрат і підвищення ефективності, швидким просуванням офшорної вітроенергетики й тенденцією до виробництва більших вітротурбін — у поєднанні з цими численними сприятливими факторами — очікується, що вуглецеве волокно для вітроенергетичних застосувань у Китаї набуде більшого потенціалу розвитку, продовжуючи стимулювати зростання внутрішнього попиту на вуглецеве волокно.