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复合材料产业集群的发展路径

从产业集聚看,复合材料产业主要呈现三条增长路径,新产品驱动、新技术驱动和新生态驱动。

文|东滩智库

新材料是战略性新兴产业发展的基石,全球三分之二的创新都是基于材料领域的创新。复合材料作为新材料中不可分割的一部分,广泛应用于国民生活的各个领域,市场前景广阔。近年来,随着碳纤维复合材料、3D打印复合材料等的热捧,复合材料市场的发展愈发受到广泛关注,尤其是行业中下游的制品领域更是备受青睐,已成为当下万亿级创业风口。

一、复合材料的特性和应用

复合材料及应用是新材料产业的重要方向,是一个国家尖端技术发展水平的重要标志。复合材料是由基质和增强剂随机复合而成,具有耐热、耐腐蚀、高强度、轻质等特点,可设计性强;复合材料及应用产业体系庞大,产品种类众多,应用领域广泛,向下游的延伸空间巨大。

复合材料最先是在军用飞机结构件上得到成功应用,后逐渐在民用飞机波音、空客等干线客机中的应用比例越来越高。目前,除了航空航天、汽车、风电、建筑等领域外,复合材料在体育休闲、医疗器械、游艇、化工防腐等领域也开始得到广泛的应用。

在汽车、建筑、工业设备、基础工程等领域,复合材料未来替代传统材料的发展空间非常大;随着航天、新能源、节能环保、高端装备等战略性新兴产业发展,高性能复合材料蕴含巨大的商机。同时,复合材料行业也是许多高度垂直的市场,如航空航天、风电叶片、电子产品、汽车(结构件、电池)、石油和天然气、体育休闲用品、公共事业设施(电缆、管道)、其他工业应用(储罐、轨道转向架)、建筑桥梁等行业,不同行业对复合材料产品的需求差别很大。

2013-2019全球碳纤维分领域需求增速情况

以碳纤维为例,全球超50%的碳纤维材料应用在工业领域,2019年风电叶片、航空航天、体育休闲及汽车工业领域应用占比74%,从2013-2019全球碳纤维分领域需求增速情况来看,汽车零部件领域市场实现快速增长,航空航天、风电叶片等领域具备较大的发展潜力,体育休闲用品的应用市场增长放缓。从产值看,航空航天领域应用以高端碳纤维为主,其销售额占全球碳纤维市场产值的比重接近一半。

二、复合材料产业发展特征

目前,高性能纤维及复合材料产业以日本、美国、欧盟为优势主体。在全球复合材料产业重心由欧美发达国家转向亚洲的大趋势下,中国成为亚洲复合材料增长最快、最大的生产和消费国。风能、大型飞机、汽车工业、建筑业、造船、环保等,成为我国复合材料市场的主导力量。

近十年来,我国复合材料产业持续向前发展,产量已经连续十年居世界首位,超过全球总产量的30%,但大部分为中低端产品。2019年中国复合材料制品总产量445万吨,同比增长3.5%,规模以上企业主营业务收入同比增长34.2%,利润总额同比增长50.2%。由此可见,我国复合材料产业的产品结构和附加值都在不断提升。

1、核心技术驱动

复合材料的研发及工程化应用依赖新原理、新方法、新技术、新工艺以及新装备的综合运用,以基础材料技术和产业化装备技术为主。以碳纤维及其复合材料为例,我国复合材料落后国外先进企业一代以上,航空航天等高端应用主要依靠进口。在国外高端技术加强管制的背景下,只有颠覆性突破前沿创新技术、规模化稳定制备技术、增强复合材料技术、复合材料应用技术等,同时降低产品成本,才能实现碳纤维及其复合材料产业的更大发展。

2、成果转化活跃

国内复合材料企业与高校、科研院所等合作建立工程技术中心、联合实验室等,形成了良好的产学研互动,如中复神鹰、吉林化纤等行业龙头,均与各大高校、科研院所存在合作。地方政府也通过搭建研发平台等方式与科研机构形成了广泛的合作,科技成果转化非常活跃。产业园区更是通过与研究机构和公共技术平台、企业技术中心、工程技术中心等开展深度合作,构建从研发到转化的“无缝双向车道”。

3、纵横扩张裂变

复合材料优势企业主要通过扩张裂变实现快速成长。一方面,复合材料企业涉足下游应用领域和上游关键材料的研发,甚至跨行业从事复合材料的设计、复合材料的检测等服务业领域;另一方面,复合材料企业进入其他复合材料领域,如热固性复合材料企业发展热塑性复合材料等。汽车、飞机、风电等行业的龙头企业也进军复合材料行业,进行各领域复合材料的应用研究。典型如鹰游集团已建立中复神鹰碳纤维、碳塑复合材料、碳纤维自行车等多家公司。

4、创新机会丰富

复合材料在新技术、新工艺、新应用、新融合以及回收利用等领域,都呈现较多的创新机会。从2019年研发热点看,有复合材料技术创新如纳米级连续孔结构的多孔碳纤维等,制备技术创新如连续玄武岩纤维单元池窑生产技术等,复合材料应用创新如碳纤维复合芯导线、碳纤维复合材料无人机等,与3D打印结合如连续纤维3D打印技术的新型玄武岩纤维复合材料等,复合材料回收利用如碳纤维材料回收利用加工成非织造碳纤维毡等。

三、如何打造复合材料产业集群

从产业集聚看,复合材料产业主要呈现三条增长路径,新产品驱动、新技术驱动和新生态驱动。

最早的产业发展,大多源于某类产品制备技术的突破,实现产品规模化稳定量产和进口替代,如脱胎于鹰游纺机的中复神鹰碳纤维,2005年开始碳纤维技术攻关,2008年建成千吨级SYT35(T300级)碳纤维生产线,从而开启了连云港碳纤维产业的发展。目前,中复神鹰已成长为国内碳纤维行业的龙头企业,系统掌握了T300级、T700级、T800级千吨级技术和T1000级、M30级、M35级、M40级百吨级技术。

复合材料的原材料主要是化工和冶金等常规原料,其发展主要依赖于技术创新突破,以碳纤维为例就是原丝、碳纤维、复合材料及其制备机械技术。一个地区复合材料产业的发展壮大,主要依靠具有研发优势的龙头企业,延伸其上下游产业链,发挥自身资源优势和科研力量,形成产学研技术创新联盟,从而带动整个复合材料产业的发展。

复合材料新技术特别是原创技术的开发,难度高、周期长、投资大,需要与应用开发形成联动发展、实现产业迭代。一种有效的路径,是建立基于核心复合材料技术的产业孵化基地,面向丰富的创新机会、应用场景,招引“应用产品创新研发企业”、“行业知名品牌销售企业”,形成“核心材料自主研发-行业产品创新设计-品牌合作快速销售”的产业共同体经济。

1、延伸下游

复合材料本身产业链短,但下游应用领域广阔。所以,瞄准下游应用领域,主动对接、主动出击,促进汽车、航空航天等领域的大型企业涉足复合材料产业,进行资金和技术的投入,对复合材料产业的快速发展尤为重要。在能源领域,发展烟气脱硫装置、输变电设备等在内的清洁、可再生能源用复合材料;在汽车领域,发展碳纤维增强复合材料在汽车底盘及刹车片、GMT片材在保险杠、仪器表、发动机罩等部件上的应用。此外,可以不断延伸复合材料在游艇、体育休闲领域以及道路、桥梁、房屋等基础设施中的应用开发。

2、嫁接设计

航空航天复合材料、汽车复合材料、包装复合材料等产业化过程中都需要工业设计行业的加入,以满足人们个性化的发展需求,而技术和材料的运用对工业设计的成败影响重大,复合材料也被广泛运用到工业设计中。在发展复合材料产业的时候,可借助工业设计来带动复合材料产业的发展。首先,在复合材料产业发展先期,可引进相关工业设计人才和企业,促进复合材料相关产品的设计和开发;另一方面,鼓励汽车、航空航天、船舶等领域的企业,进行复合零部件的设计,发展工业设计服务业,把复合材料推向应用市场。

3、促生裂变

发展壮大复合材料产业,单纯依靠复合材料企业数量的增长来提高市场占有率是远远不够的。在产业发展初期,可抓住相关产业升级的机遇,促进行业龙头企业涉足复合材料领域。如吉林化纤集团是生产粘胶纤维、腈纶等产品的大型化纤企业,后进军碳纤维领域,现已成为我国碳纤维原丝生产的龙头企业。在复合材料产业形成规模后,可促进复合材料企业与高校、科研院所以及下游应用领域企业实现对接,合作裂变出新的企业,涉足复合材料新的领域,拓宽复合材料产业链,促进复合材料产业集群的发展。

案例链接:威海市复合材料产业集群

威海市依托光威复材等行业龙头企业,通过建立碳纤维及其复合材料产业技术研究院、复合材料产业集群子基金等举措,通过产业延链、补链、强链,中小企业梯次跟进,实现了从上游科研到下游应用的全链突破,2019年复合材料产业集群实现主营业务收入227.8亿元。

光威复材为国内碳纤维行业龙头企业,已经搭建起上下游一体化全产业链条,产品广泛应用于航空航天、电子通讯、兵器装备、核电装备、船舶制造、风电叶片、轨道交通、高端体育休闲用品等领域,在户外装备、鱼竿渔具等领域设立子公司。光威复材依托碳纤维产业园设立碳纤维产业孵化园区,对碳纤维及其复合材料制品领域的尖端技术、产品和人才进行开发、孵化和吸收。

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