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碳/碳復(fù)合材料,碳纖維的應(yīng)用下一風(fēng)口

近年來(lái),隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電穩(wěn)步發(fā)展,作為直拉單晶硅熱場(chǎng)材料的碳/碳復(fù)合材料需求大增。2022年太陽(yáng)能發(fā)電可實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng),更進(jìn)一步刺激碳/碳復(fù)合材料的需求。碳/碳復(fù)合材料目前處于供不應(yīng)求狀態(tài),毛利率不低于60%,將成為繼風(fēng)電之后又一碳纖維應(yīng)用風(fēng)口。
文/蘇格拉偉(微信號(hào):zahawe)
2013年5月,我離開(kāi)了濟(jì)南工作的公司,赴杭州讀博士后。在濟(jì)南,這是一家做太陽(yáng)能光伏熱場(chǎng)材料的高新技術(shù)企業(yè),主要做碳/碳復(fù)合材料、碳纖維保溫氈(固化碳?xì)郑?、石墨材料部件的生產(chǎn),主要應(yīng)用領(lǐng)域是太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)鏈中的直拉單晶硅爐和多晶硅鑄錠爐內(nèi)部件。
這完全是計(jì)劃之外的安排,在此之前重來(lái)沒(méi)考慮過(guò)離開(kāi)這個(gè)行業(yè),也沒(méi)想過(guò)離開(kāi)濟(jì)南這座城市和這家公司。
因?yàn)?,在這半年之前,2012年12月,我剛博士畢業(yè),從碩士到博士的課題,一直都是直拉單晶硅爐用熱場(chǎng)材料的研究。涉及碳纖維保溫氈、固化碳?xì)帧⑻?碳復(fù)合材料、碳材料高純化處理、防護(hù)涂層等等。我的課題和公司業(yè)務(wù)高度吻合,所以從2009年開(kāi)始,我的課題研究都是在企業(yè)做的。也得以和吳羽化學(xué)、西格里、東海炭素等先進(jìn)碳材料企業(yè),學(xué)到很多。
但是2012年下半年之后,太陽(yáng)能光伏市場(chǎng)經(jīng)歷歐美的“雙反”打擊,反壟斷反傾銷,打的中國(guó)光伏熱場(chǎng)材料情勢(shì)急轉(zhuǎn)直下。
當(dāng)時(shí),中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)鏈處于兩頭在外的狀態(tài),先進(jìn)技術(shù)被歐美企業(yè)控制,市場(chǎng)也在歐美國(guó)家。作為依靠補(bǔ)貼生存的太陽(yáng)能光伏行業(yè),面對(duì)這樣的打擊,似乎沒(méi)有任何招架之力。而且,中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷過(guò)2007和2010年飛速發(fā)展,已經(jīng)是產(chǎn)能過(guò)剩狀態(tài),更是加劇了行業(yè)洗牌。
2013年的太陽(yáng)能光伏行業(yè)處于單晶硅和多晶硅同時(shí)發(fā)展的格局,當(dāng)時(shí)多晶硅光伏轉(zhuǎn)換效率雖然沒(méi)有單晶硅高,但是成本有很大的優(yōu)勢(shì)。單晶硅工藝采用的是直拉單晶硅工藝,成本高,但是光伏轉(zhuǎn)換效率有優(yōu)勢(shì)。
直拉單晶硅爐內(nèi)已經(jīng)采用了大量碳素?zé)釄?chǎng)材料,包括石墨加熱器、石墨坩堝、石墨保溫桶、碳/碳復(fù)合材料螺栓螺母、碳/碳復(fù)合材料的保溫桶、固化碳?xì)直夭牧稀⒐枵羝g等等。
圖片

這些碳素材料是其他材料無(wú)法替代的。以直拉單晶硅爐內(nèi)的坩堝為例,高純硅料要在1500℃左右熔融,需要用石英坩堝承載,但是石英坩堝高溫強(qiáng)度太低,不足以承載200-300公斤的硅料,所以外邊必須套一個(gè)石墨坩堝,作為承載部件。這里就完全發(fā)揮出碳材料的優(yōu)勢(shì)了,因?yàn)樘疾牧鲜俏ㄒ灰环N在高溫下力學(xué)性能不降反升的材料。
2013年的直拉單晶硅爐坩堝直徑只有24-28寸,裝載硅料少,石墨材料可以完全承受這個(gè)載荷。石墨材料主要就是等靜壓石墨。
到了2021年,情況發(fā)生了翻天覆地的變化。
2021年的直拉單晶硅爐坩堝直徑達(dá)到了36寸,裝載硅料更多了,一次可以裝在700-800公斤硅料。要求碳素坩堝尺寸變大了、強(qiáng)度也要提高。這時(shí)候等靜壓石墨成本就急劇升高了,逐步被碳/碳復(fù)合材料代替。
等靜壓石墨被碳/碳取代還有更重要的原因。因?yàn)榈褥o壓石墨是脆性材料,它的斷裂是沒(méi)有先兆的,所以,萬(wàn)一發(fā)生坩堝損壞,熔融的硅料會(huì)把爐底燒穿。而碳/碳復(fù)合材料,是碳纖維增強(qiáng)碳基體復(fù)合材料,不會(huì)發(fā)生脆斷的事故,安全性大大提高。
大尺寸等靜壓石墨成本升高,慢慢接近碳/碳復(fù)合材料成本,安全性又低,被取代就理所當(dāng)然了。所以,目前直拉單晶硅爐內(nèi)碳素結(jié)構(gòu)材料,還剩加熱器還在采用導(dǎo)電率高的石墨材料,其他的逐步被碳碳復(fù)合材料替代。
除了石墨方面的原因,碳/碳復(fù)合材料能夠替代石墨材料另一個(gè)原因,就是碳/碳這幾年技術(shù)飛速發(fā)展。關(guān)于碳/碳復(fù)合材料的制造技術(shù),我們以后再說(shuō),單說(shuō)市場(chǎng)價(jià)格,以前一公斤碳/碳復(fù)合材料市場(chǎng)價(jià)格在2000-3000元,現(xiàn)在已經(jīng)降到1100-1200元每公斤了。極大地降低了太陽(yáng)能光伏發(fā)電組件每瓦成本。
現(xiàn)在,全球太陽(yáng)能光伏市場(chǎng),中國(guó)占了70%以上。核心技術(shù)也掌握在中國(guó)企業(yè)手里。十年前兩頭在外的格局不復(fù)存在了,取而代之的是中國(guó)的領(lǐng)導(dǎo)地位。而且原來(lái)高能耗、低價(jià)值的企業(yè),經(jīng)歷了2012-2013年的洗牌,逐漸集中在隆基系、晶科系、中環(huán)系、晶澳系、協(xié)鑫系、京運(yùn)通系等幾大企業(yè)。
其中隆基系主要包括隆基綠能科技股份有限公司、銀川隆基硅材料有限公司、麗江隆基硅材料有限公司、寧夏隆基硅材料有限公司、保山隆基硅材料有限公司、隆基(古晉)有限公司、寧夏隆基半導(dǎo)體材料有限公司;晶科系主要包括晶科能源有限公司、新疆晶科能源有限公司;
中環(huán)系主要包括天津鑫天和電子科技有限公司、天津環(huán)歐國(guó)際硅材料有限公司等;
晶澳系主要包括晶澳太陽(yáng)能有限公司、包頭晶澳太陽(yáng)能科技有限公司、邢臺(tái)晶龍新能源有限責(zé)任公司、邢臺(tái)晶龍電子材料有限公司、寧晉晶興電子材料有限公司、河北晶龍陽(yáng)光設(shè)備有限公司、北京晶澳太陽(yáng)能光伏科技有限公司、寧晉松宮電子材料有限公司、河北寧通電子材料有限公司、河北寧晉松宮半導(dǎo)體有限公司等;
協(xié)鑫系主要包括寧夏協(xié)鑫晶體科技發(fā)展有限公司、江蘇協(xié)鑫硅材料科技發(fā)展有限公司、江蘇協(xié)鑫軟控設(shè)備科技發(fā)展有限公司、河南協(xié)鑫光伏科技有限公司等;
京運(yùn)通系主要包括烏海市京運(yùn)通新材料科技有限公司、北京京運(yùn)通科技股份有限公司等。
2022年,中國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。這是巨大的進(jìn)步,因?yàn)榭空a(bǔ)貼的時(shí)代已經(jīng)結(jié)束了,太陽(yáng)能這種清潔能源能夠自給自足的可持續(xù)發(fā)展了。
這也是為什么中國(guó)提出2060年實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)很大的原因。因?yàn)椋?yáng)能發(fā)電能夠脫離補(bǔ)貼,可持續(xù)發(fā)展之后,迎來(lái)的將會(huì)是指數(shù)級(jí)別的增長(zhǎng)。
單晶硅在與多晶硅競(jìng)爭(zhēng)多年后,逐漸淘汰多晶硅的市場(chǎng)。
作為生產(chǎn)單晶硅的直拉單晶硅工藝,已經(jīng)成為主流。而碳/碳復(fù)合材料,是直拉單晶硅爐內(nèi)的重要材料,而且是一種耗材,每1-2年就要更換的,將迎來(lái)更快速的發(fā)展。
碳/碳復(fù)合材料,是以碳纖維增強(qiáng)碳基體的材料,碳纖維用量逐年快速增長(zhǎng)。目前的碳/碳復(fù)合材料處于供不應(yīng)求狀態(tài),毛利率不低于60%,正是處于風(fēng)口趨勢(shì)的初始狀態(tài)。
研究了這么多年光伏熱場(chǎng)材料,非常欣喜看到這個(gè)市場(chǎng)走出陰霾,走向光明,頗有守得云開(kāi)見(jiàn)月明的心情。
以后,再對(duì)碳碳復(fù)合材料、碳纖維保溫氈、石墨材料這些熱場(chǎng)材料展開(kāi)來(lái)討論。
關(guān)于成本、關(guān)于制造工藝、關(guān)于發(fā)展趨勢(shì)、關(guān)于市場(chǎng)、關(guān)于核心技術(shù)問(wèn)題,有太多話想說(shuō)了。

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