Рынок полимерных композиционных материалов. Тенденции и перспективы

Введение

Мировой рынок композитов (композитные/композиционные материалы) (КМ) в последние годы динамично развивается. По оценкам международных экспертов мировой рынок композитов в 2019 году составил более 99 млрд долл. в стоимостном выражении и 12,0 млн. т. в натуральном выражении. Эксперты считают, что до 2027 года рынок композитов будет расширяться на 6.8% в год и по стоимости возрастет до 112 млрд долл [1].

Прошедший 2020 год стал исключительным в силу глобального кризиса и его масштабов. Композитные материалы, как и все, пострадали от его последствий, и нет никаких признаков, указывающих на то, что ситуация быстро изменится после того, как кризис утихнет.

Согласно данным, опубликованным в отчете [2], в 2021 году мировой рынок продемонстрирует более низкий рост, чем ожидалось, из-за низкого спроса со стороны автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также из-за перебоев с сырьем. Неустойчивость цен на нефть отрицательно сказывается на ценах на сырье. Однако, ожидается, что спрос на применение композиционных материалов в секторе потребительских товаров останется высоким, несмотря на пандемию. Строительная отрасль и автомобильная промышленность наиболее сильно пострадали из-за ситуации с Covid-19. Ожидается, что их медленное восстановление будет препятствовать росту рынка композитов в целом в долгосрочной перспективе. Вместе с тем использование композитов в аэрокосмической промышленности за последние несколько докризисных лет существенно увеличилось. Производители самолетов начали активно внедрять композиты на основе термопластичных связующих, таких как полиэфирэфиркетон и полиэфиримид. Эти связующие весьма привлекательны, учитывая всемирный тренд на экологичность и перерабатываемость КМ, так как композиты на основе вышеназванных связующих обладают способностью к вторичному использованию. Так, например, в начале 2020 года компания Marshall Advanced Composites получила контракт на сумму 95 млн. фунтов стерлингов на производство панелей отделки кабины сотопластом на основе термопласта для лайнера С-130J Super Hercules.

Устойчивый спрос во всем мире на композиционные материалы демонстрируют и судостроительные отрасли. Причем, в этих отраслях отчетливо прослеживается тенденция перехода от стекловолокна и полиэфирных смол к углеволокну и эпоксидным связующим. Это связано с потребностью еще большего снижения веса корпуса судна.

Еще один тренд, который становится все чаще заметен — это использование технологии 3D печати для маломерного судостроения. Так, в октябре прошлого года в университете американского штата Мэн специальная комиссия зафиксировала сразу три рекорда Гиннесса: создание самого крупного в мире 3D-принтера для печати полимерных прототипов, 3D-печать самого крупного цельного объекта и печать самой крупной лодки. Патрульный катер длиной 7,6 м и весом около 2,3 т появился на свет всего за 72 часа. Принтер, на котором его создали, позволяет печатать объекты длиной до 30 м (ширина 6,7 м, высота 3 м) со скоростью 227 кг материала в час [3].

Движущие факторы развития рынка КМ

Высокие темпы развития рынка полимерных композиционных материалов (ПКМ) определяются широким спектром их свойств, превосходящих свойства традиционных материалов, а также вариативным подходом к созданию изделия, начиная с моделирования его структуры, свойств и формы и заканчивая выбором технологий производства.

Например, авиастроительная, автомобильная отрасли и ветроэнергетика нуждаются в разных композитных материалах и разных подходах. Это определяется требованиями к характеристикам изделий, нормативными актами, пороговыми значениями стоимости. Например, материалы, затраты и технологические процессы в аэрокосмической отрасли существенно отличаются от используемых в автомобильной промышленности. Именно композиты могут предоставить такой широкий выбор по связующим, армирующим элементам, процессам переработки и отделки.

В статье [4] сделано предположение, что перспективными будут композиты не столько с высокими свойствами, сколько с достаточно низкой стоимостью изготовления (автор называет их cost-performance composites). Для многих областей техники высокие свойства материалов желательны, но это не является главным критерием их применимости. Большинство композитов для гражданского сектора попадает в категорию cost-performance, и здесь существует очень большой рынок, который еще мало освоен. Основной путь снижения стоимости изделий из композитов - развитие высоко производительных технологий их изготовления.

Усилия автомобилестроителей по созданию все более легких транспортных средств стимулируют потребление композитов. Например, в США приняли стандарты потребления топлива автомобилями к 2025 году. Это цифра на уровне 4–5 литров на 100 км. Сейчас более 100 моделей автомобилей уже используют композиты армированные углеволокном. Еще одна тенденция в автомобилестроении — это полный переход на термопластичные связующие.

Потребление композитов на душу населения по странам, кг [1]

Сдерживающие факторы развития рынка КМ

Строгая экологическая политика, а также ограничение и запрет на свалки — это то, что сдерживает рост потребления композитов. Сегодня все более широко используется такое понятие как оценка жизненного цикла, как части процесса выбора материала, которое ограничивает потребление материалов с неперерабатываемыми отходами.

Вторым сдерживающим фактором широкого внедрения композиционных материалов является его цена. Автор исследования [5] считает, что для снижения себестоимости материалов нужно в несколько раз увеличить потребление композиционных материалов. Однако за последние 10 лет во всем мире не смогли приблизиться к снижению стоимости материала.

Региональные лидеры

Структура рынка ПКМ по странам в 2019 году в стоимостном выражении [1]

По мнению экспертов [1, 6] Азиатско-тихоокеанский регион имеет наибольшую долю рынка в области ПКМ, в том числи и благодаря растущей экономике Китая и Индии. Растущий спрос ожидается в таких отраслях как автомобилестроение, аэрокосмос, оборонная промышленность, строительство, электроника. В 2019 г. на азиатский рынок приходилось 48% от мирового рынка в натуральном выражении и 43% – в стоимостном, при этом только на китайский рынок 28% от мирового рынка в натуральном выражении или 3,4 млн т.

Оценка мирового рынка полимерных композиционных материалов, млрд $ [1]

Северная Америка станет вторым доминирующим регионом из-за выраженного спроса со стороны оборонной и аэрокосмической промышленности. Новейшие самолёты Airbus более чем на 50% состоят из композитов, по сравнению с 2–5% в прошлые десятилетия. Рынок Северной Америки с объемом 3,1 млн т занимает 26% от мирового рынка в натуральном выражении и 30% — в стоимостном. К слову, на рынок Южной Америки приходится 2% от мирового рынка, или 0,3 млн т [7].

Ожидается, что Европа станет композитным лидером в области автомобилестроения. Тренд на электромобили и экологические нормы требует более легких материалов и более скоростных технологий изготовления. На европейский рынок приходится около 20% от мирового рынка, как с точки зрения объема, так и стоимости.

Структура рынка ПКМ по типу армирующего компонента (а) и типу полимерной матрицы (б) [1]

Резюмируя, можно сказать, что мировой рынок композиционных материалов насыщен инновационной продукцией и имеет широкие горизонты развития. При этом к основным тенденциям, формирующим его емкость и структуру, можно отнести следующие:

• рост спроса со стороны инновационных сфер экономики — авиастроения, автомобилестроения, судостроения, ветроэнергетики и др.;
  
• улучшение технологических и экологических характеристик известных видов связующих и волокнистых наполнителей;
  
• расширение использования компьютерного моделирования и проектирования изделий из композиционных материалов [8].
  

Рынок ПКМ в России

В 1980-х годах СССР занимал третье место в мире по применению композитов, однако в 1990-е годы развитие отрасли практически остановилось. C начала 2000-х и вплоть до сегодняшнего дня Россия постепенно возвращается в число важнейших игроков рынка новых материалов. Повышается уровень технических показателей. Мы переходим от производства сотен тонн композитов в год к тысячам тонн. Темпы роста российского рынка композитов в докризисный период составлял — 8–10% (мировой темп сегодня – порядка 4-6%). К сожалению, пока Россия занимает вместе с Африканским континентом порядка 4% мирового рынка. Но есть явные предпосылки того, что в скором времени наша страна войдет в пятерку стран-лидеров [9].

В нашей стране композиционные материалы применяются в автомобильной и сельскохозяйственной технике, железнодорожном машиностроении, строительном секторе, кораблестроении и т. п. Так, на транспортное машиностроение приходится ~15 тыс. т композитов, главным образом при производстве автомобилей «КамАЗ», LADA, модернизированной техники «Кировец» серии К-744Р, «Урал Next», а также подвижных локомотивов (электропоездов, тепловозов), вагонов метро серии 81-765/766/767 «Москва» (дальнейшее развитие – вагоны серии 81-760/761/763 «Ока»). Кроме того, в инфраструктуре железнодорожного транспорта растет потребление композитных водоотводных лотков, шпал, изолирующих накладок (суммарно ~4 тыс. т). В строительном секторе увеличивается производство композитной арматуры (13,7 тыс. т в 2018 г., что на 2,4 тыс. т больше, чем в 2016 г.), светопрозрачных конструкций, стеклопластиковых труб (по данным ACG, в 2016 г. в России было произведено 24 тыс. т труб из стеклопластика).

В оборонной промышленности основной объем потребления ПКМ приходится на военное судостроение – главным образом при изготовлении минных тральщиков проекта 12700, корветов проекта 20380, а также стеклопластиковой тары для боеприпасов (~1600 т в 2019 г.). Высок объем их потребления при производстве изделий для военной авиационной техники (>150 т), стрелкового вооружения и т. п. [1].

Автор [5] выделил 5 отраслей промышленности, где ожидается быстрый рост применения углекомпозитов, благодаря востребованности в конечных изделиях. В сегменте ветроэнергетики прогнозируется 2-3-кратный рост к 2030 году, благодаря постоянному увеличению длины лопасти. Взрывной рост рынка беспилотников и дальнейший рост в гражданской авиации обеспечит рост в 2–2.5 раза. Легкость и надежность спортивного инвентаря — устойчивый сформировавшийся тренд, в рамках которого идет постоянная замена не только традиционных материалов, но уже и полимерных композитов на основе стекловолокна на более легкий прочный углепластик.

Вместе с тем, объемы производства и потребления композитов в развитых странах мира и в России несопоставимы по масштабам и отличаются на порядок. Потребление композиционных материалов на душу населения колеблется в мире между 4 и 10 кг, в России данный показатель на 2019 г. составил ~0,5 кг (в 2013 г. 0,3 кг) [8]. Объем российского рынка ПКМ к 2019 году достиг показателя в 57,9 млрд руб. в стоимостном выражении и >70 тыс. т в натуральном выражении, что практически в 2,5 раза больше, чем в 2013 г.

Столь неблаговидное положение российской композитной отрасли объясняется многими причинами, среди которых недостаточность российского сырья для композитов, и отсутствие отечественного оборудования. Сдерживает развитие отрасли и длительный процесс сертификации отечественных разработок (3 года и более), а также отсутствие нормативной документации применения композитных материалов в ряде отраслей экономики. Еще один фактор, который негативно сказывается на росте производства композиционных материалов — импортозависимость. Из-за границы ввозятся оборудование и основное сырье — смолы, отвердители, наполнители для сэндвич-структур, препреги. Хотя российские производители обеспечивают потребности рынка в стекло- и углеволокне (а в производстве редкого базальтового волокна страна вообще выступает мировым лидером), ситуация со связующими гораздо сложнее. В области полиэфирных смол, использующихся в массовом сегменте, усилия по импортозамещению принесли свои плоды [10]. Ожидаемый в 2021 году запуск производства малеинового ангидрида компанией СИБУР на заводе в Тобольске в среднесрочной перспективе может стать значимым фактором для снижения сырьевой импортозависимости и развития внутреннего выпуска полиэфирных смол. Мощность нового предприятия составит 45 тыс. тонн [11].

К сожалению, проекты производства эпоксидных смол (ЭС) пока остаются лишь на бумаге. Спрос на эпоксидную смолу в отечественной промышленности был и остается высоким. Но если во времена СССР наши предприятия производили 10-12% от мирового объема ЭС, то с начала нулевых и до сих пор этот продукт и сырье для него закупаются исключительно за рубежом — в Европе, Китае, Индии. Это связано с тем, что в конце 90-х гг. крупные отечественные производства эпоксидных смол прекратили свое существовании и Россия практически ушла с этого рынка. В то время как за границей индустрия смол развивалась ускоренными темпами.

Сейчас в России существует несколько небольших производств эпоксидных смол. Объемы выпускаемой ими продукции очень малы. Глобальная реанимация производства эпоксидной смолы требует больших инвестиций. И возможна лишь в том случае, если государство возьмет курс на усиленную поддержку и развитие химической отрасли в целом [12].

В целях снижения зависимости России от неблагоприятного импорта в 2014 году в Министерстве промышленности и торговли Российской Федерации была сформирована программа импортозамещения, включающая в себя отраслевые планы по преодолению критической зависимости от импорта, в том числе был разработан и уже боле двух лет реализуется план мероприятий по импортозамещению в химической промышленности, содержащий 136 импортозамещающих проектов, в том числе проектов по выпуску продукции, необходимой для производства композитных изделий (углеродные волокна, эпоксидные смолы).

Для решения задач, определенных в стратегиях развития российских интегрированных структур по созданию перспективных образцов сложных технических систем, и принимая во внимание тенденции развития материалов в мире, определены «Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года», одобренные решением Научно-технического совета Военно-промышленной комиссии при Правительстве Российской Федерации (решение от 2.12.2011 г. № НТС (ВПК)-27прс). Для ПКМ в качестве наиболее актуальных определены следующие направления [13]:

• «умные» конструкции;
  
• интеллектуальные, адаптивные материалы и покрытия;
  
• металломатричные и полиматричные композиционные материалы;
  
• полимерные композиционные материалы.
  

Для прикладных исследований основное внимание будет уделено следующим приоритетным комплексным проектам:

• разработка термостойких полимерных матриц для высоконагруженных композиционных материалов с повышенной стойкостью к ударным нагрузкам с рабочей температурой до 400°С;
  
• исследования биополимеров и полимеров на основе природных материалов для создания ПКМ по экологически безопасным технологиям, а также поиск путей их утилизации или вторичной переработки и разработка полимерных основ для материалов, обладающих функциями самозалечивания, механохромными свойствами; связующих на основе жидкокристаллических полимеров, полимерных матриц, модифицированных наночастицами;
  
• ПКМ с nD-армированием;
  
• разработка конструкционных углепластиков и стеклопластиков (на основе различных матриц, в том числе термопластичных, и текстурных форм наполнителей, в том числе природного происхождения) с высоким сопротивлением статическим, повторно-статическим, динамическим нагрузкам; гомогенных органопластиков на основе анизотропных арамидных структур, получаемых путем направленной ориентации макромолекул в аморфной полимерной фазе;
  
• освоение новых технологических решений по механической обработке конструкций из ПКМ, основанных на подборе материалов и геометрической формы инструмента, разработке специальных смазочно-охлаждающих жидкостей и параметров обработки (скорости резания, глубины резания, скорости подачи и т. д.), при отказе от двухстадийной (черновая обработка–чистовая обработка) в пользу одностадийной технологии, а также исследование альтернативных (гидроабразивная и лазерная) технологий обработки;
  
• создание интеллектуальных ПКМ второго поколения на основе угле- и органопластиков с функцией беспроводного мониторинга напряженно-деформированного состояния и адаптацией к эксплуатационным воздействиям;
  
• разработка интеллектуальных ПКМ третьего поколения с изменяемой формой, адаптирующихся к внешним воздействиям благодаря введению актюаторных элементов, действие которых основано на различных физических принципах;
  
• прикладные исследования по изготовлению опытных образцов новых материалов, позволяющих копировать функции биологических объектов с помощью технических систем;
  
• разработка технологий прогнозирования свойств, моделирования и реализации современных процессов конструирования и производства изделий из композиционных и функциональных материалов нового поколения с использованием цифровых методов, совместимых с CAD/CAM/CAE и PLM системами;
  
• проведение исследований и испытаний материалов для их общей квалификационной оценки и подготовки нормативной базы, обеспечивающей освоение их серийного производства [14].
  

Статья была впервые опубликована в Вестнике Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна. Серия 1. Естественные и технические науки, № 2. 2021

Список использованных источников

1. Дориомедов, М.С. Российский и мировой рынок полимерных композитов (обзор), / М.С. Дориомедов // Труды ВИАМ. – 2020. – № 6-7 (89). – С. 29-37;
   
2. Market Research Peport // Fortune Business Insights [Электронный ресурс]. – 2020. -ноябрь. – 197 с. URL: www.fortunebusinessinsights.com (дата обращения: 26.05.2021);
   
3. 3D Today // Один 3D-печатный катер и три рекорда Гиннесса [Электронный ресурс]. – 2019. – 13 октября. – URL: 3dtoday.ru (дата обращения: 26.05.2021);
   
4. Зеленский, Э.С. Армированные пластики. Современные конструкционные материалы / Э. С. Зеленский, А. М. Куперман, Ю. А. Горбаткина, В. Г. Иванова-Мумжиева, А. А. Берлин, // Российский химический журнал. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева). – 2001. – т. XLV. – № 2;
   
5. Umatex Росатом // Тренды и драйверы в композитах [Электронный ресурс]. – 2020. – 9 декабря. – URL: umatex.com (дата обращения: 26.05.2021);
   
6. Kordsa the reinforcer // A Review of the Global Composites Market and Turkish Composites Market [Электронный ресурс]. – URL: /www.reinforcer.com (дата обращения: 27.05.2021);
   
7. Market Research Peport // Fortune Business Insights [Электронный ресурс]. – 2020. -апрель. – 180 с. URL: www.fortunebusinessinsights.com (дата обращения: 26.05.2021);
   
8. Гавриленко, В.А. Композиты 21 века: возможности и реальность / В.А. Гавриленко // Neftegaz.RU. – 2019. – № 2. – С. 30-33;
   
9. Ассоциация «Технет» // Интервью с профессором и заведующим кафедрой химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, председателем совета директоров ГК УНИХИМТЕК, генеральным директором АО «Институт новых углеродных материалов и технологий» В.В. Авдеевым [Электронный ресурс]. – 2020. – 30 апреля. – URL: technet-nti.ru (дата обращения 27.05.2021);
   
10. РБК // Композиты на марше [Электронный ресурс]. – 2018. – 26 февраля. – URL: plus.rbc.ru (дата обращения: 27.05.2021);
    
11. Информ Агенство Девон // Возможности и барьеры для композитной отрасли России [Электронный ресурс]. – 2021. – 25 января. – URL: iadevon.ru (дата обращения 27.05.2021);
    
12. Нефть капитал // Производство эпоксидной смолы в России: быть или не быть? [Электронный ресурс]. – 2020. – 7 декабря. – URL: oilcapital.ru (дата обращения: 28.05.2021);
    
13. Каблов, Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ РФ по реализации «Стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и технологии. – 2015. – №1 (34). – С. 3–33;
    
14. Раскутин, А.Е. Стратегия развития полимерных композиционных материалов // Авиационные материалы и технологии. – 2017. – № S. – С. 344-348.