2021年復合材料市場回顧及2022展望：體育休閑及可再生能源
每年12月初，Composites World雜志均會撰寫系列文章介紹當年復合材料在不同應用領域如航空航天、體育休閑、壓力容器、可再生能源等的應用新進展情況，并對新一年的發展進行展望。本文概述了2021年復合材料在體育休閑、可再生能源領域的市場并對2022年進行了展望。
2022年體育休閑用復合材料市場展望
數十年來，從釣魚桿、曲棍球棍到休閑車（RV）和自行車，許多類型的運動器材都受益于復合材料的輕質和高性能。預計復合材料在運動器材中的應用也將繼續增長。
除了復合材料體育用品市場的支柱之外，新材料的開發也將帶來創新從而滿足日益增長的精英體育器材對高性能的需求，例如NAWA的碳納米管（CNT）增強復合材料，用于提高賽車車輪或飛機的性能，日本帝人推出的碳纖維中間材料，專門用于提高網球拍等運動設備的質量標準。另外成立于2020年的一家澳大利亞創業公司JUC Surf用回收的碳纖維制造廢料制造復合材料沖浪板。
在航空運動領域，寶馬集團子品牌BMW i于2020年11月推出了其款電動人體翼服，該翼服采用13英寸碳纖維復合材料葉輪。在水上運動方面，Cobra International因其可持續發展的技術和產品（如CocoMat椰子纖維技術和生物基沖浪板）而聞名，該公司以輕質、高性能、高科技的滑板進入了電動沖浪板市場。
自行車仍然是復合材料使用的引人注目的市場。在諸多因素的推動下，包括2020年新冠肺炎導致的停工期間，戶外運動的普及率激增，自行車需求增加。根據幾份報告，高端碳纖維車架的市場增長率也超過了13%，預計這一趨勢將持續下去。
2019年，美國Arevo公司在德國弗里德里希沙芬的2019歐洲自行車展上推出了上款3D打印碳纖維一體式生產自行車車架。2020年，該公司推出了直接面向消費者的硅谷自行車品牌Superstrata，據說這是上款采用耐沖擊一體式碳纖維框架的量身訂做3D打印自行車。繼這些成功之后，Arevo于2021年5月次推出Scotsman，這是一個新的電動踏板車品牌，其旗艦產品是定制3D打印、碳纖維/熱塑性復合材料電動踏板車。
多年來，復合材料還被用于特種、高性能運動鞋和頭盔等防護設備。特別是在過去一年中，許多公司報告了這一領域的新創新和新產品。例如，美國初創公司Carbitex Inc.開發出一種柔性熱塑性碳纖維板技術并獲得，該技術被用作運動鞋和越野鞋的小腿或其他部件，以及運動頭盔、護肩和醫療支具應用中的其他部件。德國Covestro AG公開了幾項合作，使用其碳纖維增強熱塑性Maezio材料增強跑鞋、籃球鞋等的組件。2021年9月，意大利Salewa推出了一款新型輕質登山靴，采用碳纖維/熱塑性復合材料框架，鞋頭采用Xenia materials（意大利穆索蘭特）的材料。2021年10月，意大利CRP Technology宣布其Windform SP碳纖維填充材料用于外底、中底和特殊Pleko履帶釘的羅紋。
除了鞋子，復合材料還被用于生產更堅固、更耐沖擊的頭盔，用于體育活動。近的發展包括新加坡南洋理工大學（NTU）機械和航空航天工程學院的一組研究人員與法國特種材料公司Arkema合作設計的一種成本效益高的復合材料密集型頭盔。美國Helicoid Industries Inc.也在研究和測試一種受仿生設計啟發的更輕、更耐沖擊的防護頭盔。
2022年可再生能源用復合材料市場展望
長期以來，風能市場一直被視為玻璃纖維增強復合材料（以及越來越多的碳纖維復合材料）的大市場，因為大型渦輪機和更長的風葉片的開發，需要更高性能、更輕重量的材料。
隨著各國政府和組織努力實現新的、更嚴格的減排和可再生能源目標，特別是海上風能和其他類型的可再生能源，無論是在研發實驗室還是在開發中的新項目中都在繼續增長。
根據風能理事會（GWEC）2021年9月發布的年度海上風電報告，2020年海上風電容量穩步增長，裝機容量為61 GW，其中以市場占比高。然而，GWEC指出，海上風電需要以更快地速度增長才能達到碳排放目標。
根據美國清潔能源協會（ACP，前身為美國風能協會AWEA）提供數據，在美國，太陽能發電在其可再生能源中占據大的容量份額（54%），其次是陸上風電（23%）、海上風電（14%）和電池儲能（9%）。目前，根據ACP 2021年第二季度的報告，美國清潔電力總運營容量超過180216MW，與2020年同期相比，今年上半年清潔電力新增量增長了17%。
在海上風電方面，美國喬·拜登總統計劃到2030年部署30 GW的海上風電（比美國目前運營的一個海上風電場的30 MW有所增加）。2021年5月，拜登政府還批準了美國水域的個大型海上風電項目——馬薩諸塞州沿海的800MW葡萄園風能項目。ACP報告預計到2026年，14個項目的海上風電運行容量將達到9112MW。此外，據《紐約時報》報道，拜登在10月13日宣布了一項計劃，計劃在美國幾乎整個海岸線上開發大型風力發電廠，這是政府項利用海上渦輪機發電的長期戰略。
風力渦輪機的規模也在不斷增加。二十多年前，當個大規模商業風力發電系統上線時，風電場由額定功率為1MW或以下的渦輪機組成，帶有玻璃纖維增強葉片，長度通常在10到15米之間。如今，海上6至9MW的渦輪機，葉片長度為65-80米，已成為標準。2021年，維斯塔斯宣布其15MW、115米長的葉片V236用于海上風電，臺預計將于2022年安裝。隨著渦輪機的發展，復合材料也越來越多地融入到其他組件中，例如Suzlon Group（印度浦那）針對大型渦輪機的優化復合材料機艙蓋設計。
此外，隨著風力渦輪機變得越來越大，葉片長度不斷增加，翼梁帽中的碳纖維加固（作為風力渦輪機轉子葉片的加固構件）已成為一種有效的方式，可以減輕總體重量，增加葉片剛度，以防突然陣風時塔架撞擊。
風葉開發的新的研究工作包括使用增材制造（AM，3D打?。┯糜陲L葉模具或終使用的風葉部件，例如來自美國緬因大學先進結構和復合材料中心（UMAN-ASCC）正在進行的項目，使用基于生物材料的3D打印風葉模具；美國橡樹嶺實驗室（ORNL）、通用電氣業務部門和其他部門正在進行的直接3D打印風葉尖端的項目。然而，隨著時間的推移，風力渦輪機葉片會磨損或老化，必須更換。作為回應，該行業正越來越多地討論如何處理退役復合材料渦輪葉片的解決方案，尤其是如何回收退役復合材料渦輪葉片。幾家風電行業的領導者已經宣布計劃逐步采用完全可回收的葉片和渦輪機。例如，西門子Gamesa在2021年7月宣布，其目標是重新設計其所有渦輪機，以確保到2040年100%的可回收渦輪機市場。丹麥?rsted A/S于2021年6月宣布其計劃回收或再利用其在范圍內退役的所有海上風電葉片。維斯塔斯表示，到2040年，該公司將生產零廢物風力渦輪機。通用電氣可再生能源公司）已與威立雅北美公司合作，回收通用電氣美國陸上渦輪機的風葉。
學術機構和企業也在推動風力葉片回收的研究和開發。2021年，該領域新公布的研究項目和財團包括CETEC（熱固性環氧復合材料循環經濟）倡議；由 10 個合作伙伴組成的 DecomBlades 財團；Aker Offshore Wind（Lysaker，挪威）、Aker Horizons（挪威）和斯特拉斯克萊德大學（蘇格蘭）之間關于 GFRP 風力葉片回收開發的諒解備忘錄 (MoU )；以及 GE Renewable Energy 和LafargeHolcim之間的合作伙伴關系 （瑞士楚格）探索將風力葉片材料回收成水泥等建筑材料。
許多研發工作也將重點放在使風機葉片本身更加可回收上。例如，2021年9月7日，西門子Gamesa宣布推出可回收葉片，該產品據稱是上款可回收的風機葉片，可用于海上商業用途?？苫厥杖~片使用了一種新的樹脂配方，以便于回收工作。
有的也正在探索重新調整整個葉片結構的用途，而不是將組件分解到其他地方重新使用。例如，波蘭公司Anmet已開發出將風葉重新用作人行天橋甚至家具的方法。在其他渦輪機部件上使用可回收或更可持續的材料的工作也正在進行。例如，Greenboats GmbH（德國不來梅）、Sicomin（法國馬蒂格斯堡）和Bcomp（瑞士弗里堡）的合作伙伴Greenboats GmbH建造天然纖維復合材料短艙的項目是2021年JEC創新獎的終入圍者。
還有其他可再生能源部門也在使用復合材料的，例如一種很有前途的海洋能源技術是波浪能轉換器（WEC），該設備利用海浪運動發電。2021年，CorPower ocean（瑞典斯德哥爾摩）建造了其纖維纏繞玻璃纖維增強復合材料（GFRP）的個全尺寸原型，浮標形狀的WEC，該公司希望到2025年將其擴大到工業規模的海洋能源農場。其他復合材料密集型可再生能源技術包括潮汐渦輪機葉片，或淡水水力發電渦輪機葉片，如Kinetic NRG（澳大利亞黃金海岸）開發的螺旋形設計。2021年設計、制造、檢測公司?ireComposites、海洋可再生能源解決方案公司ORPC和愛爾蘭國立戈爾韋大學啟動了一個項目，以開發和銷售由全回收碳制成的潮汐渦輪機箔纖維復合材料。（作者：錢鑫博士）
2022年體育休閑用復合材料市場展望
數十年來，從釣魚桿、曲棍球棍到休閑車（RV）和自行車，許多類型的運動器材都受益于復合材料的輕質和高性能。預計復合材料在運動器材中的應用也將繼續增長。
根據市場研究公司Lucintel于2020年6月發布的體育用品市場報告，預計到2023年，體育用品用復合材料的市場規模將達到5.79億美元，預計2018年至2023年的復合年增長率將達到3.2%。包括沖浪板、滑雪板和滑雪板、自行車、球拍、高爾夫球桿、曲棍球棒和釣魚桿等系列產品中都孕育了復合材料的發展機遇。在預測期內，碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料仍將是大的細分市場，玻璃纖維復合材料也將經歷適度增長。Lucintel預測，在這段時間內，滑雪板和滑雪板仍將是銷量大的應用，而高爾夫器材的規模大，在預測期內，釣魚竿的增長幅度大。
除了復合材料體育用品市場的支柱之外，新材料的開發也將帶來創新從而滿足日益增長的精英體育器材對高性能的需求，例如NAWA的碳納米管（CNT）增強復合材料，用于提高賽車車輪或飛機的性能，日本帝人推出的碳纖維中間材料，專門用于提高網球拍等運動設備的質量標準。另外成立于2020年的一家澳大利亞創業公司JUC Surf用回收的碳纖維制造廢料制造復合材料沖浪板。
在航空運動領域，寶馬集團子品牌BMW i于2020年11月推出了其款電動人體翼服，該翼服采用13英寸碳纖維復合材料葉輪。在水上運動方面，Cobra International因其可持續發展的技術和產品（如CocoMat椰子纖維技術和生物基沖浪板）而聞名，該公司以輕質、高性能、高科技的滑板進入了電動沖浪板市場。
自行車仍然是復合材料使用的引人注目的市場。在諸多因素的推動下，包括2020年新冠肺炎導致的停工期間，戶外運動的普及率激增，自行車需求增加。根據幾份報告，高端碳纖維車架的市場增長率也超過了13%，預計這一趨勢將持續下去。
2019年，美國Arevo公司在德國弗里德里希沙芬的2019歐洲自行車展上推出了上款3D打印碳纖維一體式生產自行車車架。2020年，該公司推出了直接面向消費者的硅谷自行車品牌Superstrata，據說這是上款采用耐沖擊一體式碳纖維框架的量身訂做3D打印自行車。繼這些成功之后，Arevo于2021年5月次推出Scotsman，這是一個新的電動踏板車品牌，其旗艦產品是定制3D打印、碳纖維/熱塑性復合材料電動踏板車。
多年來，復合材料還被用于特種、高性能運動鞋和頭盔等防護設備。特別是在過去一年中，許多公司報告了這一領域的新創新和新產品。例如，美國初創公司Carbitex Inc.開發出一種柔性熱塑性碳纖維板技術并獲得，該技術被用作運動鞋和越野鞋的小腿或其他部件，以及運動頭盔、護肩和醫療支具應用中的其他部件。德國Covestro AG公開了幾項合作，使用其碳纖維增強熱塑性Maezio材料增強跑鞋、籃球鞋等的組件。2021年9月，意大利Salewa推出了一款新型輕質登山靴，采用碳纖維/熱塑性復合材料框架，鞋頭采用Xenia materials（意大利穆索蘭特）的材料。2021年10月，意大利CRP Technology宣布其Windform SP碳纖維填充材料用于外底、中底和特殊Pleko履帶釘的羅紋。
除了鞋子，復合材料還被用于生產更堅固、更耐沖擊的頭盔，用于體育活動。近的發展包括新加坡南洋理工大學（NTU）機械和航空航天工程學院的一組研究人員與法國特種材料公司Arkema合作設計的一種成本效益高的復合材料密集型頭盔。美國Helicoid Industries Inc.也在研究和測試一種受仿生設計啟發的更輕、更耐沖擊的防護頭盔。
2022年可再生能源用復合材料市場展望
長期以來，風能市場一直被視為玻璃纖維增強復合材料（以及越來越多的碳纖維復合材料）的大市場，因為大型渦輪機和更長的風葉片的開發，需要更高性能、更輕重量的材料。
隨著各國政府和組織努力實現新的、更嚴格的減排和可再生能源目標，特別是海上風能和其他類型的可再生能源，無論是在研發實驗室還是在開發中的新項目中都在繼續增長。
根據風能理事會（GWEC）2021年9月發布的年度海上風電報告，2020年海上風電容量穩步增長，裝機容量為61 GW，其中以市場占比高。然而，GWEC指出，海上風電需要以更快地速度增長才能達到碳排放目標。
根據美國清潔能源協會（ACP，前身為美國風能協會AWEA）提供數據，在美國，太陽能發電在其可再生能源中占據大的容量份額（54%），其次是陸上風電（23%）、海上風電（14%）和電池儲能（9%）。目前，根據ACP 2021年第二季度的報告，美國清潔電力總運營容量超過180216MW，與2020年同期相比，今年上半年清潔電力新增量增長了17%。
在海上風電方面，美國喬·拜登總統計劃到2030年部署30 GW的海上風電（比美國目前運營的一個海上風電場的30 MW有所增加）。2021年5月，拜登政府還批準了美國水域的個大型海上風電項目——馬薩諸塞州沿海的800MW葡萄園風能項目。ACP報告預計到2026年，14個項目的海上風電運行容量將達到9112MW。此外，據《紐約時報》報道，拜登在10月13日宣布了一項計劃，計劃在美國幾乎整個海岸線上開發大型風力發電廠，這是政府項利用海上渦輪機發電的長期戰略。
風力渦輪機的規模也在不斷增加。二十多年前，當個大規模商業風力發電系統上線時，風電場由額定功率為1MW或以下的渦輪機組成，帶有玻璃纖維增強葉片，長度通常在10到15米之間。如今，海上6至9MW的渦輪機，葉片長度為65-80米，已成為標準。2021年，維斯塔斯宣布其15MW、115米長的葉片V236用于海上風電，臺預計將于2022年安裝。隨著渦輪機的發展，復合材料也越來越多地融入到其他組件中，例如Suzlon Group（印度浦那）針對大型渦輪機的優化復合材料機艙蓋設計。
此外，隨著風力渦輪機變得越來越大，葉片長度不斷增加，翼梁帽中的碳纖維加固（作為風力渦輪機轉子葉片的加固構件）已成為一種有效的方式，可以減輕總體重量，增加葉片剛度，以防突然陣風時塔架撞擊。
風葉開發的新的研究工作包括使用增材制造（AM，3D打?。┯糜陲L葉模具或終使用的風葉部件，例如來自美國緬因大學先進結構和復合材料中心（UMAN-ASCC）正在進行的項目，使用基于生物材料的3D打印風葉模具；美國橡樹嶺實驗室（ORNL）、通用電氣業務部門和其他部門正在進行的直接3D打印風葉尖端的項目。然而，隨著時間的推移，風力渦輪機葉片會磨損或老化，必須更換。作為回應，該行業正越來越多地討論如何處理退役復合材料渦輪葉片的解決方案，尤其是如何回收退役復合材料渦輪葉片。幾家風電行業的領導者已經宣布計劃逐步采用完全可回收的葉片和渦輪機。例如，西門子Gamesa在2021年7月宣布，其目標是重新設計其所有渦輪機，以確保到2040年100%的可回收渦輪機市場。丹麥?rsted A/S于2021年6月宣布其計劃回收或再利用其在范圍內退役的所有海上風電葉片。維斯塔斯表示，到2040年，該公司將生產零廢物風力渦輪機。通用電氣可再生能源公司）已與威立雅北美公司合作，回收通用電氣美國陸上渦輪機的風葉。
學術機構和企業也在推動風力葉片回收的研究和開發。2021年，該領域新公布的研究項目和財團包括CETEC（熱固性環氧復合材料循環經濟）倡議；由 10 個合作伙伴組成的 DecomBlades 財團；Aker Offshore Wind（Lysaker，挪威）、Aker Horizons（挪威）和斯特拉斯克萊德大學（蘇格蘭）之間關于 GFRP 風力葉片回收開發的諒解備忘錄 (MoU )；以及 GE Renewable Energy 和LafargeHolcim之間的合作伙伴關系 （瑞士楚格）探索將風力葉片材料回收成水泥等建筑材料。
許多研發工作也將重點放在使風機葉片本身更加可回收上。例如，2021年9月7日，西門子Gamesa宣布推出可回收葉片，該產品據稱是上款可回收的風機葉片，可用于海上商業用途?？苫厥杖~片使用了一種新的樹脂配方，以便于回收工作。
有的也正在探索重新調整整個葉片結構的用途，而不是將組件分解到其他地方重新使用。例如，波蘭公司Anmet已開發出將風葉重新用作人行天橋甚至家具的方法。在其他渦輪機部件上使用可回收或更可持續的材料的工作也正在進行。例如，Greenboats GmbH（德國不來梅）、Sicomin（法國馬蒂格斯堡）和Bcomp（瑞士弗里堡）的合作伙伴Greenboats GmbH建造天然纖維復合材料短艙的項目是2021年JEC創新獎的終入圍者。
還有其他可再生能源部門也在使用復合材料的，例如一種很有前途的海洋能源技術是波浪能轉換器（WEC），該設備利用海浪運動發電。2021年，CorPower ocean（瑞典斯德哥爾摩）建造了其纖維纏繞玻璃纖維增強復合材料（GFRP）的個全尺寸原型，浮標形狀的WEC，該公司希望到2025年將其擴大到工業規模的海洋能源農場。其他復合材料密集型可再生能源技術包括潮汐渦輪機葉片，或淡水水力發電渦輪機葉片，如Kinetic NRG（澳大利亞黃金海岸）開發的螺旋形設計。2021年設計、制造、檢測公司?ireComposites、海洋可再生能源解決方案公司ORPC和愛爾蘭國立戈爾韋大學啟動了一個項目，以開發和銷售由全回收碳制成的潮汐渦輪機箔纖維復合材料。（作者：錢鑫博士）
