复合材料在将来有哪些发展前景

发展前景

随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。

复合材料是指由两种或两种以上不同物质以不同方式组合而成的材料，它可以发挥各种材料的优点，克服单一材料的缺陷，扩大材料的应用范围。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。

尽管新冠疫情持续蔓延，令行业面临诸多挑战，但到去年年底，有迹象表明，与复合材料行业相关的汽车和交通等众多领域开始复苏。运输业在虽然结构转型还远未完成，但目前行业已经开始正视挑战。然而，航空业目前还未恢复到以前水平，如今，航空航天的未来比以往任何时候都更依赖于其创新能力。

汽车工业：在未来几年内突破2017年的高水位线

与新冠疫情相关的停产对2020年的轻型汽车供需产生了极大的负面影响。2020年初的制造业停产使对材料的需求骤然停止，新冠疫情流行对经济影响进一步降低了全球对新型乘用车的需求。尽管到夏季恢复生产并且需求恢复高于预期，但2020年全球产量比上年依然下降20％。汽车用复合材料的销售量也相应下降，降至约35亿磅。

轻型汽车生产的恢复将是渐进的，并具有明显的地区差异。中国是首先受到冠状病毒影响的大市场，预计到2022年将完全恢复到2017年的水平。欧盟和北美等成熟市场的汽车需求在新冠疫情大流行之前有所放缓，并且在2025年之前恐怕难以恢复到2017年的水平。对于随市场涨跌的汽车商品供应商来说，复苏之路将是漫长而缓慢的。

幸运的是，许多复合材料不是商品，由于它们在成本、重量和性能方面与竞争材料相比具有明显优势，因此市场份额正在增加。由于二氧化碳排放和燃油经济性的法规监管，对轻质材料的需求超过了市场的增长。在2021年至2030年之间，欧洲二氧化碳排放限制将收紧60%以上。美国可能会重新考虑暂停奥巴马时代的燃油经济性标准，这可能需要在2020年至2025年之间将车队燃油经济性提高23％。

使用轻质材料（包括复合材料）可以帮助原始设备制造商OEM满足法规要求，保持消费者的吸引力。从2008年到2018年，先前的效率法规帮助复合材料在汽车应用中每年增加2％，鉴于当前的法规环境，这种趋势可能会持续下去。

然而，仅靠轻质材料并不能使OEM满足较高的燃油经济性要求。因此，汽车制造商计划在未来几年内部署一种新的混合电动汽车动力系统。这将包括大量增加混合动力、电池电动和燃料电池汽车，以补充内燃机。电动汽车的兴起为电池盒、氢燃料箱和其他要求轻量化和耐腐蚀的部件中的复合材料创造了机会。

此外，在设计这些新车时，可以利用零件整合的机会。这些因素可能使复合材料在未来十年中占据更多的汽车材料用量份额，并将有助于推动汽车复合材料的总销量在2023年之前超过2017年的水平。

复合材料行业的增长潜力可通过将汽车产量和汽车复合材料的销量指数化以2017年为基准年并预测到2025年的需求来进行说明。如果复合材料继续像过去十年那样以每年高于市场2%的速度增长，到2023年，汽车复合材料的产量将超过基准年的2017年，但全球汽车产量预计不会在2025年之前恢复到2017年的水平。

尽管2020年对于汽车行业和复合材料制造商来说是艰难的一年，但汽车复合材料的长期前景是光明的。根据成本、重量和性能方面的价值，该行业将在未来几年内突破2017年的高水位线。

2020年新冠疫情给许多行业和生活方方面面带来了重大影响和破坏，汽车和复合材料行业也不例外，两者都受到了新冠疫情的巨大影响，其影响将在未来几年内显现出来。然而，对于复合材料制造商而言，有一个好消息是，预期的汽车行业复苏、全球环境监督和电动汽车的激增将为复合材料和轻质汽车材料提供很有前途的前景。

航空航天：以创新为基础的技术解决方案对于其成功至关重要

在过去的几年里，航空航天业受到了一系列事件的巨大影响，最显著的是波音737 Max的停飞和新冠疫情流行。2020年11月18日，美国联邦航空局局长Steve Dickson取消了2019年3月13日发布的波音737 Max停飞令。但是期间的18个月给整个行业带来了巨大损失。

此外，在新冠疫情大流行期间，波音公司和空中客车公司都不得不暂时关闭其设施。正如预期的那样，波音和空中客车公司都在为大幅降低生产率和降低订单而苦苦挣扎。

随着航空航天工业的复苏，以创新为基础的技术解决方案对于其成功至关重要。利用计算机功能的项目继续推动复合材料制造业在航空航天领域的发展，其中包括集成计算材料工程（integrated computational materials engineering，ICME），它可以利用不同模型框架之间的数据流进行数字制造，3D打印部件及其完整性认证验证的差距越来越大，而通过使用分析学可以弥补这一差距。

借助ICME，航空航天制造商可以在涵盖整个组织的框架中看到敏捷性的显著优势。复合材料是理想的材料系统，可以驱动建模、分析或数字孪生方法增加价值，在这种方法中，复合材料成分、添加剂及其形态的复杂性不仅在成分选择方面而且在制造工艺方面都带来无数的性能差异。当通过计算可以显著减少客户要求与FAA认证之间的时间时，这就显得格外重要。

美国现代化新型技术和优先考虑事项的交叉点一直集中在高超音速、太空和网络安全领域，后者给整个航空航天供应链带来了巨大挑战，尤其是对保护信息的需求。从2020年11月30日开始，美国国防部（DOD）引入了一种自我评估方法，要求DOD供应链量化并报告其当前的网络安全合规性。在创新方面，政府机构继续促进初创技术开发商与一级航空航天公司之间的合作。空军AFWERX计划就是一个例子，该计划促进了整个行业、学术界和军队之间的联系。

对这些新兴技术至关重要的是材料的进步，基于马赫数5到马赫数20之间最恶劣的空间环境中生存的材料的需求，导致对增材制造用陶瓷基复合材料的研究和投资有所增加。为了在航空航天领域站稳脚跟，复合材料行业可以借鉴在聚合物基复合材料和金属基复合材料中获得的经验教训，利用ICME工作流程为陶瓷基复合材料的模型驱动设计提供依据。此外，将专家知识转换为基本的2×2正交实验设计，在同一试验中比较传统材料，将为使用新的复合材料和制造方法建立信心。

尽管基础指标历来包括高强度重量比、耐腐蚀和耐化学腐蚀性能，但新的行星外空间要求在极端高温和低温下都具有长周期服役能力。如美国航空航天学会（AIAA）标准指导委员会（SSC）等机构资源服务为标准制定做出了贡献，这将有助于使航空航天利益相关者之间的测试和其他活动标准化。

总之，航空航天的未来比以往任何时候都更依赖于其创新能力。这将需要政府、主要机构、供应链和初创公司利益相关者之间的综合发展。每个利益相关者在平衡合规性和业务模式中断以确保反弹方面将发挥重要作用。

玻璃纤维：2021年的前景更加光明

由于新冠疫情影响，2020年是复合材料行业的危机年，因为疫情引发了现金流和需求危机、供应链中断和工人安全问题。虽然2020年充满挑战，但2021年的前景似乎更加光明。

2020年初，美国复合材料行业起步相当不错，并显示出与2019年相似的良好增长迹象。到3月底，新订单推迟甚至被取消。在第二季度，特别是在4月和5月，疫情流行影响最大，导致了自大萧条以来最严重、最剧烈的经济收缩。夏季有超过2000万人失业，各行各业的工厂也被关闭。运输、建筑和海运业受到的打击最大，导致2020年第二季度美国玻璃纤维的需求与2020年第一季度相比减少了20％。

但是，2020年下半年成为经济和复合材料行业复苏最快的时期。自2020年7月以来，在刺激计划和工厂重新开张的推动下，美国复合材料行业的各种最终用途行业的需求开始增长，包括汽车、船舶和建筑行业。因此，与2020年第二季度相比，美国玻璃纤维市场在2020年第三季度增长了约23%。

在2020年第四季度，美国玻璃纤维市场保持强劲，11月的增长率与2019年11月相比约为5%。到2020年底，玻璃纤维市场无法从大流行中完全恢复过来，预计将下降约6％，需求降至24.4亿磅，而2019年为25.9亿磅。冠状病毒对整个价值链的影响都是不规律的，汽车、管道和储罐、航空航天和海洋应用呈显著下降趋势，而风能、电气和电子以及建筑业仍保持良好发展态势。

风电行业是2020年的一个亮点，尽管由于供应链瓶颈、跨境运输问题和政府的限制在3月和4月暂时放缓，但风能产业仍实现了两位数的增长。总体而言，市场增长是因为风电场开发商急于在年底预期到期之前及时开工，以获得生产税抵免资格。

COVID-19迫使高管们重新思考复合材料行业的未来。在某些细分市场中，过剩的产能加剧了缓慢的复苏，如航空航天业。波音公司首席执行官Dave Calhoun估计，航空旅行需要2至3年时间才能恢复到COVID之前的水平。

消费者对可持续性的意识也越来越高，这促使行业参与者在材料和复合材料零件的生产中探索绿色材料、可再生能源和回收技术。此外，大多数部门越来越多地使用数字技术来改变工作和劳动力。

在去年12月批准的新刺激方案和冠状病毒疫苗的帮助下，Lucintel预计2021年第1季度和第2季度在美国玻璃纤维行业中将有良好的复苏。汽车、住房、管道和储罐、电气和电子产品、消费品和海洋的有利趋势将导致2021年玻璃纤维市场以8%至10%的速度增长，达到或超过2019年的需求水平。

碳纤维：所有细分市场都具有巨大增长潜力

自2010年以来，全球碳纤维市场已从不到4万吨增长到2019年的10万吨以上。在此期间，碳纤维增长平稳且不间断，每年增长速度达到10％到12％。

但是2020年，随着COVID-19大流行来袭，全球碳纤维几乎在一夜之间发生了变化。2020年，全球对碳纤维的需求总计约为10.5万吨，仅比2019年增长1％，预计在2021年，增长幅度也仅为1％。

碳纤维市场受到许多领域应用增长的推动，例如航空航天、风能、体育用品、船舶、汽车、压力容器等。在2020年之前，所有这些细分市场的增长率以及整个行业的增长率都在稳步上升。

但是随着2020年初边境的关闭，国际航空旅行停止，飞机停飞，飞机制造商大幅削减了生产率，碳纤维行业似乎在瞬间失去了动力。碳纤维在航空航天领域的应用占工业总量的20%以上，占行业价值的40％。商业航空业的放缓严重影响了碳纤维行业，要恢复到疫情之前的水平可能要花费数年的时间。

尽管航空航天方面的消息令人沮丧，但2020年并非所有的都是坏消息。当人们学会了居家工作和在家附近度假时，一些市场表现良好，如在2020年，体育用品的需求跃升了30％至40％，风力涡轮机的安装按计划继续比上一年增加了20％。
按照最终用途市场划分，2020年碳纤维应用市场细分大致如下：
风能—23％；
航空航天—20％；
体育用品—12％；
汽车—10％；
压力容器—10％；
用于注塑塑料和其他短纤维应用的复合材料—8％；
建筑和基础设施—8％；
其他细分市场—9％

正如疫情之前的时期一样，随着新应用和项目的投产，碳纤维的所有细分市场都具有巨大的增长潜力。在新冠疫情暴发之前，碳纤维具有吸引力的潜在长期大趋势保持不变。碳纤维的优点——刚度、高强度重量比、耐腐蚀性、导电性等——至今仍然有效。为了实现增长，碳纤维和CFRP零件必须同时具有技术和经济效益。

因此，人们对推动碳纤维整体需求的各个行业和应用有着不同的看法，有些行业下滑，有些行业则会上涨。那些已经收缩的领域尤其是航空航天领域，导致碳纤维行业的总量在2020年看起来相对平稳，预计2021年只会有非常温和的增长。但是，长期前景更为乐观。在未来几年内，可以合理预期碳纤维行业将再次恢复较强劲的同比增长。

至于碳纤维行业的产能，全球碳纤维生产商的铭牌产能合计约为16万吨，足以满足当前需求。一些生产商正在计划增加新的工厂和产能，以满足日益增长的未来需求。最后，必须牢记，碳纤维仍处于早期发展阶段。飞机是通过手工制造的，每天只有一两架；其他应用稍高一些，但仍然没有自动化。与之相比，汽车的批量生产速度超过每分钟一辆。如今，碳纤维仍主要用于小批量应用，尚未实现“大量生产”。

总而言之，新冠疫情给碳纤维行业带来了一定的打击，但这只是暂时的。尽管在这不平凡的一年里发生了很多事情，但碳纤维的未来还是充满希望的，未来几年的发展也将会十分有趣。

建筑与基础设施：建设有所缩减，可能是行业的转折点

当人们在谈论复合材料主要应用领域时，建筑工业往往不是位居榜首，但它却一直在发展。全球建筑经济是世界上最大的建筑经济体之一，也是最大的资源和能源消费领域之一，它同样也是最大的污染源之一，这些因素共同推动了对可持续发展的全面需求，复合材料在其中可以发挥作用。

根据《全球建筑展望》和牛津经济研究院发布的《2030年全球建筑》，预计到2030年，全球建筑业产值将增长85％，达到15.5万亿美元，其中大部分增长将集中在美国、中国和印度。麦肯锡全球研究所报告称，到2025年，全球20个最大的城市将需要3600万套新住房。

建筑业的其他研究表明，美国23%的空气污染、40%的水污染和50%的垃圾填埋场垃圾都是建筑业造成的。此外，美国绿色建筑委员会说，建筑物和建筑项目每年约占全球能源消耗的40％。

复合材料在建筑中的作用是多种多样的，从窗框和木材增强到复合材料钢筋和纤维增强混凝土。无论使用哪种材料，复合材料的轻量化、设计灵活性和耐用性优势都有助于加快施工速度，提高建筑的可持续性得分。

以阿拉伯联合酋长国（UAE）迪拜正在建设的未来博物馆为例，这座78米高的建筑有七层楼，里面有一个环形外壳，位于三层裙楼顶上。圆环的外立面包括1024块阻燃复合材料板，每个面板均覆盖有不锈钢，具有独特的3D形状，并融合了模制的阿拉伯文字。

在美国纽约州布鲁克林，增材制造复合材料帮助加快了45层高的One South First和相连的10 Grand的建设速度，这些建筑位于Domino Park内。这些建筑物包括一个复杂的混凝土立面，需要通过浇口预制数百个混凝土框架。Gate聘请了添加剂工程解决方案公司（AES）来帮助制造用于塑造混凝土框架的模具。在部分生产中，AES选择了LNP Thermomp AM复合材料，一种高模量、低翘曲的材料，由SABIC提供的短切碳纤维增强ABS树脂材料。

由于新冠疫情的到来，2021年的住宅建设和公共建设都会有所委缩。大多数基础设施和公共建筑的建设将受到政府实体的预算平衡、税收和收费收入的下降以及与大流行相关的未预算支出的限制。在短期内，只有少数非住宅利基市场看起来很有希望。其中包括对许多类型的现有设施进行翻新，以适应与冠状病毒相关的要求。此外，在医院和疗养院之外需要更多的设施来提供医疗、筛查和测试。学校建设可能是部分例外。随着更多家庭的搬迁，对新建和改建或扩建学校的需求将不断增长。

新冠疫情的流行增加了对替代稀缺的现场熟练工人的方式的需求。在某种程度上，复合材料和产品可以替代现场制造，或者由经验较少或技能水平较低的工作人员更快地安装，即使产品本身成本更高，对复合材料的需求也将不断增长。

因此，对于承包商而言，2021年可能是充满挑战的一年。但这可能标志着希望打入建筑市场的复合材料制造商的转折点。

复合材料的主要宗旨是为了达到某种要求并能尽可能的节约成本。别说未来，现在的情况就相当的好。例如五金，纯铜，纯铝，纯铁都几乎不会拿来做产品了，取而代之的都是合金铜，合金铝，钢材（钢材就是合金的，含有多种金属元素和碳成分）。塑胶方面的合金应用也有很多，例如，PC/ABS ,PC/PBT,ABS玻纤增强，PC玻纤增强等等一系列合金产品。复合材料在我们的生活中无处不在了。