专题报告

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关于新材料在航天军工产业应用现状与发展趋势研究

一、新材料地位日益凸显

2021是十四五的开局之年,作为整个军工产业链核心位置的新材料板块有望迎来较大的发展空间。20世纪是现代科学技术飞速发展的一个世纪,其中重要的标志之一就是人类在航空航天领域所取得的辉煌成就。进入21世纪,航空航天已展现出更加广阔的发展前景,高水平或超高水平的航空航天活动更加频繁。航空航天事业所取得的巨大成就,与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的。

材料是现代高新技术和产业的基础与先导,很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用;反过来,航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展。可以说,材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用。

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航空材料既是研制生产航空产品的物质保障,又是航空产品更新换代的技术基础。材料在航空工业及航空产品的发展中占有极其重要的地位和作用。进入21世纪,航空材料正朝着高性能化、高功能化、多功能化、结构功能一体化、复合化、智能化、低成本以及与环境相容化的方向发展。

1. 机身材料:轻质化、高强度

战斗机的高空、高速和高机动能力要求飞机的结构选材必须保证足够的使用强度、刚度要求。根据《先进战斗机结构选材与制造工艺需求分析》(李航航等,2004年10月,高能束流加工技术国际研讨会),90年代后期出现了以美国F-22战斗机为代表的第四代战斗机,飞机结构采用翼身融合体结构、菱形机翼、外倾式双垂尾和大边条翼等;飞机结构材料虽然仍以金属材料为主,传统的钢材和铝合金材料的用量比例已经降低,总和不到20%。钛合金和复合材料用量均大大超过这一比例。F-22飞机这样选材的主要原因,一是为了减轻结构重量;二是为了满足高温条件下的结构使用强度要求;三是实现飞机结构的隐身要求等,该飞机的结构重量系数降到了27.8%。

材料具有较高的比强度和比刚度,就意味着同样质量的材料具有更大的承受有效载荷的能力,即可增加运载能力。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷,不仅可以增加飞行距离,而且可以提高单位结构重量的效费比。

不仅在军机领域,复合材料与钛合金在民机的不断迭代中也扮演重要角色。根据《从A350XWB看大型客机的选材方向》(陈亚莉,2009年2月,航空制造技术),在空客(AIRFP)与波音(BAUS)的客机中,复合材料与钛合金机体质量分数占比约为50%与15%。以飞机制造商空客为例,在A350XWB大型民机中,复合材料的用量提升最快,在机身、机翼与尾翼上均有大量应用,全机结构质量分数为53%,相比上一代民机A380大幅提升31pct;同时,钛合金结构质量分数为14%,相比A380提升4pct。

 2. 发动机材料:耐高温为主要发展方向

 热力学第二定律指出所有热机的热效率均有一个上限值。热效率的上限和热机输入热的温度(热源温度)及热机的环境温度(冷源温度)有关。我们可以用卡诺循环来表示理想的热机循环热效率。

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在卡诺循环中,当吸热量为Q1,放热量为Q2时,循环所作净功为W0=Q1-Q2,根据卡诺循环的热熵曲线可得卡诺循环的热效率为:η=1-T2/T1,由此可以看出,热机的输入热源温度T1越高,热机工作效率越高。因此,动力领域对工作温度要求的提升将带动相关材料的升级换代。

 航空发动机涡轮入口温度需要不断提高。喷口温度从1300K提升到1610K时,涡轮输出效率可从46.40%提升到51.60%。这要求发动机材料的升级换代,同时原来那些可以使用合金钢的零件,如压气机盘和叶片等,也需要使用高温合金。

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军用航空发动机历经五代,推重比不断提升,高温合金、陶瓷基复材是核心材料。第一代涡扇发动机出现在20世纪50年代,以英国的康维发动机、美国的JT3D发动机为代表,推重比在2左右;第二代涡扇发动机出现在20世纪60年代,以英国的斯贝MK202和美国的TF30发动机为代表,推重比在5左右;第三代涡扇发动机出现在20世纪70-80年代,以美国的F100、欧洲的RB199和苏联的AL-31F发动机为代表,推重比在8左右;第四代涡扇发动机出现在20世纪90年代,以美国的F119和欧洲的EJ200发动机为代表,推重比在10以上;第五代涡扇发动机出现在21世纪初,以美国的F135和英、美联合研制的F136发动机为代表,推重比为12-13。未来航空发动机推重比将不断提高,美国已经开启第6代航空发动机的研发,预计推重比将达到16-18。


二、钛合金:性质优良的“万能金属”

 1. 高性能航空耗材,形成“一超多强”格局

 钛金属具有低比重和高比强度的特性,其合金在航空航天领域对于提升飞行器推重比有重要意义,近年来受到广泛使用。除军工、航空航天领域之外,钛合金还较多应用于化工、冶金、医疗、体育休闲等领域。

 钛产业链主要分为有色金属和化工涂料两条,有色金属链为:钛精矿→四氯化钛→海绵钛→钛锭/钛合金→钛材,化工涂料链为:钛精矿→四氯化钛→钛白粉。两个领域上游共用钛铁矿、金红石等资源。

 全球钛材消费量与航空航天业的发展息息相关。自2000年以来,我国钛材需求主要集中在中低端的石油化工领域,随着2016年中国“十三五”规划的制定以及国防军队现代化的“三步走”战略的更新,航空航天领域用钛量不断提升。对于军用钛材而言,由于军工行业的特殊性,需接受国防科工局监管,采用严格的行政许可制度,对产品质量的要求更苛刻,在钛材“高均匀性、高纯净性、高稳定性”方面提出更高的要求。2019年中国钛材总消费量达6.9万吨,其中航空航天用钛量约为1.2万吨,占总消费量的17%。我们认为,虽然近年来中国航空航天、船舶制造、海洋工程等高端用钛占比持续优化,但是与全球钛材需求结构相比,高端用钛占比依旧偏低,未来增量空间广阔。

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2021年起中国“十四五”规划和军队现代化建设正式进入加速期,航空航天、军工装备等高端领域用钛大幅提升,2019年中国钛材总产量为7.5万吨,同比增长18%。从产品组成上来看,板材为主要产品,产量达3.9万吨,同比增加9%,占据钛材产量的52%。虽然中国高端钛材制造能力近年来高速发展,但仍无法完全满足下游军品钛材的旺盛需求,部分钛材仍需从乌克兰、哈萨克斯坦等国进口。2019年中国钛材总进口量达8116吨,小幅下滑7%。其中,技术要求较高的薄钛板、片、带常年处于净进口状态,2019年净进口1823吨,较2018年增长3%。

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 2. 军用市场:新机置换进行时,高端钛材市场广阔

目前中国军品钛材主要应用在军事战机,军用战机中钛合金主要应用于两个部位:

1)航空发动机:作为飞机的心脏,发动机不仅要承受极大的应力和高温,同时还要保证高推重比(推力/质量)。发动机压气机盘、叶片、高压压气机转子、压气机机匣等部件均采用钛合金材料。

(2)飞机机体及紧固件:钛在中等温度下高强度、耐腐蚀、质量轻等特性完美满足机身用料的要求,起落架部件、大型锻造机翼结构件、机身蒙皮、隔热罩等均采用钛合金制造。同时飞机上采用许多碳纤维复合材料,钛合金与碳纤维增强的复合材料弹性模量匹配、热膨胀系数相近;并具有很好的化学相容性,不易发生电位腐蚀。

我国军机在数量上与美国存在较大差距,具有显著的总量提升需求。军用飞机是直接参加战斗、保障战斗行动和军事训练的飞机的总称,是航空兵的主要技术装备。

据《WorldAirForces2021》统计,截至2020年美国现役军机总数为13232架,在全球现役军机中占比为25%,而我国现役军机总数为3260架,在全球现役军机中占比仅为6%。按各个细分机型来看,战斗机是我国军机中的主力军,总数为1571架,但数量不到美国同期的60%,且其他机型的数量都远落后于美国,具有显著的总量提升需求。

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3. 民用市场:亚太地区需求强劲,C919放量在即

 全球客机市场空间广阔,中国及亚太地区交付预计快速增长。

 根据中国商飞公司市场预测年报(2020-2039),2019年全球喷气式机队共有客机共23856架。从全球历史交付量而言,以空客为主的欧洲市场和以波音为主的北美市场占总市场的份额较大,分别占比全球总份额的20.27%和27.99%。中国和亚太地区(除中国)分别占比16.62%和16.02%,中国已成为亚太地区接近半数以上的客机交付国家。预计2020-2039年中国及亚太地区将在民航领域快速发展,占据全球约41.6%的客机交付量。

 据中国商飞预测,2020-2039年全球将有40664架新机交付,价值约5.96万亿美元,用于替代和支持机队的发展。其中,涡扇支线客机交付量为4318架,价值约为0.23万亿美元;单通道喷气客机交付量为29127架,其占交付总量三分之二以上,价值约为3.44万亿美元;双通道喷气客机交付量将达7219架,总价值约为2.30万亿美元。到2039年,预计全球客机机队规模将达44400架,是现有机队的1.86倍。

 面对波音、空客公司高度占据市场的既有格局,受益于本土较大的需求空间,预计未来C919、ARJ21等机型将保持一定的追赶态势。根据中国商飞公司市场预测年报(2020-2039),预计2020-2039年中国将累计交付8725架新机,其中双通道客机占21.41%,共计1868架;单通道客机占比高达68.05%,共计5937架;余下10.54%为920架支线客机。2020-2039年,C919和ARJ21机型市场总规模达到7320亿美元,约合人民币超4万亿。

 与军用战机类似,民用客机中钛材同样应用于机体以及航空发动机两大部位。虽然钛合金结构占比整体低于军用战机,但由于空机质量大,单架客机钛材用量显著高于军用战机。根据《THE TRADE AND EMPLOYMENTIMPLICATIONS OF ANEWAIRCRAFT LAUNCH: THE CASE OF THE BOEING 7E7》(David Pritchard and Alan MacPherson,2003年12月,Canada-United States Trade Center),波音787梦幻客机钛合金结构占比达15%,机身钛合金用量约为8.5吨—10吨。中国首款具有自主知识产权的单通道涡扇喷气客机C919,机翼机体上共有二十多个钛合金零部件包括锻件、厚板、薄板、管材等,钛合金结构占比为9.3%,用量约为1.9吨。

 结合中国商飞《民用飞机市场预测年报(2020-2039)》,2020-2039年C919大飞机(单通道客机)民用市场带来钛合金需求量约11280吨。根据中国航空新闻网,2021年第一架国产大飞机C919取得适航证后或将交付给东方航空公司,随着国产大飞机的正式交付,民用航空钛材市场将实现从“零”到“一”的飞跃。

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三、高温合金:重点关注军用发动机需求

 1. 高温合金,为高温而生

 传统钢铁在300摄氏度以上会软化,无法适应高温环境。为了追求更高的能量转化效率,热机动力领域需要的工作温度越来越高。高温合金因此孕育而生,在600摄氏度以上的高温环境中还可以稳定工作,并且技术不断进步。

 高温合金按合金的主要元素分为铁基高温合金、镍基。根据智研咨询,2018年以产品工艺区分,镍基高温合金产量占比为80%,铁基高温合金产量占比14.3%,钴基高温合金产量占比5.7%。

 高温合金是航空发动机的关键材料。根据钢研高纳(300034CH)招股说明书,高温合金从诞生起就用于航空发动机,是制造航空航天发动机的重要材料。发动机的性能水平在很大程度上取决于高温合金材料的性能水平。在现代航空发动机中,高温合金材料的用量占发动机总重量的40%~60%,主要用于四大热端部件:燃烧室、导向器、涡轮叶片和涡轮盘,此外,还用于机匣、环件、加力燃烧室和尾喷口等部件。

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我国高温合金产业目前处于成长期,产业链企业未来发展空间广阔。我国高温合金生产企业数量有限,生产水平与美国、俄罗斯等国有较大差距,但近些年在产能与产值上皆有明显提升,炼石航空、西部超导等多家公司高温合金产能项目在建设投产中。

 军用高温合金处于持续升级中,研发能力是高温合金企业的立足之本。以抚顺特钢,钢研高纳为首的国内老牌高温合金企业科研根基扎实。其中,抚顺特钢的变形高温合金市场和技术优势明显,而钢研高纳铸造高温合金国内顶尖、研发能力卓越。以万泽股份为代表的新兴高温合金企业,业务覆盖面广,同时也注重新型高温合金的研发。

 2. 航空发动机用高温合金性能不断发展

·铁基高温合金:我国高温合金体系的一大特色

由于我国资源缺镍少钴,铁基高温合金的研制、生产和应用成为六七十年代的一道绚丽的风景线。根据《GH1040铁基高温合金》(刘哲等,2019年4月,热处理技术与装备)以及《高温合金-特殊钢丛书》(黄乾尧,2000年4月,冶金工业出版社),大量应用至今的有GH1140、GH2135、GH1040等铁基合金。

铁基高温合金使用温度较低(600~850℃),一般用于发动机中工作温度较低的部位,如涡轮盘、机匣和轴等零件。但铁基高温合金中温力学性能良好,与同类镍基合金相当或更优,加之价格便宜,热加工变形容易,所以铁基合金至今仍作为涡轮盘和涡轮叶片等材料在中温领域广泛使用。

·镍基高温合金:变形/铸造/新型合金逐代升级

镍基高温合金一般在600℃以上承受一定应力的条件下工作,它不但有良好的高温抗氧化和抗腐蚀能力,而且有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度,以及良好的抗疲劳性能。主要用于航天航空领域高温条件下工作的结构部件,如航空发动机的工作叶片、涡轮盘、燃烧室等。

镍基高温合金按制造工艺,可分为变合金、铸造高温合金、新型高温合金。镍基铸造高温合金在发动机中主要用于涡轮导向叶片,工作温度可达1100°C以上,也可用于涡轮叶片,其所承温度低于相应导向叶片50-100°C。

随着耐热合金工作温度越来越高,合金中的强化元素也越来越多,成分也越复杂,导致一些合金只能在铸态上使用,不能够热加工变形。并且合金元素的增多使镍基合金凝固后成分偏析也严重,造成组织和性能的不均匀。采用粉末冶金工艺生产高温合金,就能解决上述问题。因为粉末颗粒小,制粉时冷却速度快,消除了偏析,改善了热加工性,把本来只能铸造的合金变成可热加工的形变高温合金,屈服强度和疲劳性能都有提高,粉末高温合金为生产更高强度的合金产生了新的途径。粉末高温合金主要用于制造高推比先进航空发动机的涡轮盘,也用于生产先进航空发动机的压气机盘,涡轮轴和涡轮挡板等高温热端零部件。

钴基高温合金:抗腐蚀等特殊领域前景广阔

钴基高温合金的抗氧化性能较差,但其抗热腐蚀能力比镍好;钴基高温合金的高温强度、抗热腐蚀性能、热疲劳性能和抗蠕变性能也比镍基高温合金更强,适用于制造燃气轮机导向叶片、喷嘴等。

我国由于资源限制,目前研制了K40、GH188和L605等钴基合金,使用范围有限。2001年以后,通用电气在钴基高温合金方面的研究主要集中在将钴基合金作为制备燃气涡轮机的基材材料,并在合金表面制备涂层如热障涂层以提高耐侵蚀性能。

由于材料方面的限制,钴元素在地球上储量较少,价格较为昂贵。目前钴基研究的热度有所下降,很多科研研究也停留在数字建模试验等理论阶段。

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3. 一代军机一代合金,发动机用高温合金或进入快速放量期

发动机对温度的要求不断提升。高推重比需要更高的喷口温度,需要工作温度更高的材料支撑。在世界高温合金的发展历程中,发动机叶片和盘件材料分别经历了变形、铸造、定向、单晶四个阶段。适应温度从600°C逐步提升至1100°以上。

最新发动机的两片一盘的制备,取用的都是最先进的高温合金材料。涡轮叶片和导向叶片的结构性材料以单晶高温合金和定向金高温合金为主。由于叶片横截面都很薄,而横截面尺寸越小,蠕变断裂强度就越低,但是定向晶消除了易于形成裂纹的横向晶界,因此持久性能、冷热疲劳性能能及薄壁性能大幅提升,而单晶由于消除了一切晶界,性能改善更加明显,蠕变断裂强度降低幅度最小,因此是目前最能满足叶片工作要求的材料。

我国涡轮叶片用高温合金从变形合金逐渐升级到单晶合金。20世纪50年代,第一代发动机的推重比为3-4,燃气温度为800-1050°C,涡轮叶片材料选用使用温度较低的变形镍基高温合金,其承温能力在700-900°C;20世纪70年代前后,第二代推重比5-6的发动机选用使用温度较同一成分变形高温合金高30°C左右的镍基铸造高温合金,其使用温度达950°C左右;到20世纪80年代,消除了横向晶界的定向凝固高温合金得到了广泛应用,其使用温度较同一成分等轴晶铸造合金高20-30°C,第四代发动机的叶片承温能力达980°C左右;20世纪90年代至21世纪初,第五代发动机采用了消除了一切晶界的镍基单晶高温合金,由于其使用温度又比定向凝固柱晶合金有进一步大幅度提高,最高温度可达1050-1100°C,因而得到了广泛应用。

军机的换代伴随着高温合金的升级。第一代涡喷发动机的核心材料是变形高温合金,核心材料工作温度650°C,到第四代的涡扇发动机,核心材料工作温度已经达到了1200°C,采用了单晶高温合金。历代军机的换代一直伴随着发动机核心材料——高温合金的升级。高温合金的升级需要研发的支持。在航空工业的发展需求牵引下,中国高温合金先后研制出了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱晶和单晶合金体系。上述高温合金的相继问世,不断地推动航空工业向前发展。

据前瞻产业研究院发布的研究数据,发动机占军用飞机成本的25%,材料成本占发动机成本的50%,而高温合金占材料成本约35%。

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根据华泰军工《航天军工:大国复苏,军工崛起》(2021年3月5日)报告,我国2021年-2030年新增军机合计约4940架,其中以歼10、歼11、歼15为代表的三代机新增1440架,以歼16为代表的三代半战斗机新增600架,以歼20为代表的四代机新增800架。根据以上假设,2021-2030年单发三代机共新增2040架,双发四代机共新增800架。

 根据美国安全研究中心发布的报告,美军三代战机F-15、F-16的制造成本分别为6500万和4000万美金。美军第四代战机F-22、F-35A、F-35C的制造成本分别为2.5亿、1亿、1.3亿美金。

 我们以双发战斗机对标美军F35A、F15战斗机平均8000万美金造价;单发战斗机对标美军F16战斗机4000万美金造价;按美金:人民币=1:6.5,发动机成本占整机25%,原材料占发动机成本占比50%,高温合金占原材料成本35%计算,采购比1:1.2计算。2021-2030年军机扩编将带来高温合金规模约497亿人民币。

 高温合金另一主要市场为发动机的维修换新。结合《World Airforces 2021》,截至2020年我国歼10保有量260架,歼11保有量315架,歼15保有量45架,歼20保有量19架。考虑到军队的保密措施,我国战斗机实际数量或略高于《World Airforces 2021》保有量数据,我们预计到2030年,三代机与四代机的保有量预计在3000架左右,其中单发三代半机约2000架,双发四代机约1000架。根据中国产业信息网预测,2019年军用飞机整机采购成本和生命周期内维修成本的比例接近1:1,我们假设发动机使用寿命为10年。战斗机售后维修成本中,发动机维修占比最高达到45%。其中双发战斗机对标美军F35A、F15战斗机8000万美金造价,单发战斗机对标美军F16战斗机4000万美金造价,按美金:人民币=1:6.5,发动机成本占整机45%,发动机1:1.2采购比计算,2021-2030年军用发动机维修市场规模达到7020亿元。根据前瞻产业研究院,原材料占发动机成本50%,高温合金占原材料比重70%,故2030年飞机保有量达到稳态后,我国高温合金年均维修市场规模约295亿人民币。

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根据以上测算,2021-2030年军机列装扩编是军用高温合金市场的主要增量点,总规模约为497亿元,2030年军机换代基本完成后,维修需求是高温合金市场的主要贡献点,年均市场规模达到295亿元。我们假设2021-2030军机列装数量平均分布,年均49.7亿元,那么2030年高温合金总市场规模约为345亿元。结合智研咨询,2020年我国高温合金市场规模达到231亿元,其中航空航天部分占比55%,约为127亿元。2021-2030年我国军用高温合金市场规模CAGR约为10.5%。

 

四、碳纤维:制造全环节技术壁垒高

1. 航空航天核心材料,技术壁垒较高

 碳纤维是由有机纤维(主要是聚丙烯腈纤维)经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料纤维。碳纤维的含碳量在90%以上,具有强度高、比模量高(强度为钢铁的10倍,质量仅有铝材的一半)、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高低温等优越性能,是军民用重要基础材料,应用于航空航天、体育、汽车、建筑及其结构补强等领域。相比传统金属材料,树脂基碳纤维模量高于钛合金等传统工业材料,强度通过设计可达到高强钢水平、明显高于钛合金,在性能和轻量化两方面优势都非常明显。然而碳纤维成本也相对较高,虽然目前在航空航天等高精尖领域已部分取代传统材料,但对力学性能要求相对不高的传统行业则更看重经济效益,传统材料依然为主力军。

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碳纤维按不同的原材料分类,可以分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维或粘胶基碳纤维。PAN基碳纤维的原料来源丰富,且其抗拉强度其他二者优越,因此PAN基碳纤维应用领域最广。根据智研咨询,2018年我国PAN基纤维产量份额占90%以上。沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维的用途较为窄、产量小。通用级沥青碳纤维强度和模量较低,主要应用于保温材料领域;高性能沥青基碳纤维多用于航空航天的工程材料。粘胶基碳纤维主要用于制作耐烧蚀和隔热材料。

 现代碳纤维材料始于军用,目前航空航天为重要应用领域。现代的碳纤维是一种含碳量在90%以上的无机高分子纤维,具有良好的柔软性,且纵轴方向的强度很高,具有超强的抗拉力,属于新一代增强纤维,且碳纤维化学性质稳定,对高温耐受能力强,不易被腐蚀,是大型整体化结构的理想材料。与常规材料相比,碳纤维复合材料可使飞机减重,并有能力克服金属材料容易出现疲劳和被腐蚀的缺点。我国军用碳纤维产业链企业主要有中航高科、光威复材、中简科技等,其中中航高科偏下游,主要为航空复材产品;光威复材实现全产业链布局,为碳纤维产业龙头;中简科技布局偏上游,产品技术含量相对更高。

 完整的碳纤维产业链包含从一次能源到终端应用的完整制造过程。从石油、煤炭、天然气均可以得到丙烯,目前低油价形势下,原油制丙烯的成本最优;丙烯经氨氧化后得到丙烯腈,丙烯腈聚合和纺丝之后得到聚丙烯腈(PAN)原丝,再经过预氧化、低温和高温碳化后得到碳纤维,并可制成碳纤维织物和碳纤维预浸料,作为生产碳纤维复合材料的原材料;碳纤维经与树脂、陶瓷等材料结合,形成碳纤维复合材料,最后由各种成型工艺得到下游应用需要的最终产品。

 碳纤维制备过程中,质量过关的原丝是产业化的前提。碳纤维的强度显著地依赖于原丝的致密性和微观形态结构,质量过关的原丝是实现产业化的前提,是稳定生产的基础。目前,比较常用的纺丝工艺是湿法纺丝、干湿法(干喷湿纺)纺丝。在致密性方面,干喷湿纺纺丝工艺是高性能碳纤维原丝的主流制备方法,且成本相比于湿法较低。据《PAN基碳纤维生产成本分析及控制措施》(马祥林等,2015年7月,纺织导报),在同样的纺丝装备及能源消耗条件下,干湿法纺丝的综合产量是湿法纺丝的2-8倍,PAN基碳纤维丝束的生产成本可降低75%。干喷湿纺中,纺丝液从喷丝孔喷出形成细流后,先经过一段空气层(1-20厘米),再进入凝固浴,在凝固浴中完成固化,可实现高速纺丝,用于生产高性能的纤维,同时具有干法和湿法的优点。干喷湿纺也是当前国际碳纤维巨头的主要纺丝方法,日本东丽(3402JP)的主流型号T700、T800、T1000碳纤维都是采用干喷湿纺制备而成。截止2019年,国内企业的碳纤维大部分仍采用湿法纺丝制备,顶尖龙头已成功掌握干喷湿纺工艺。

 碳纤维技术发展至今已经历三代变迁,同时实现高的拉伸强度和弹性模量是目前碳纤维研制过程中的技术难点。近年来日美从两条不同技术路径在第三代碳纤维上取得技术突破,并有望在未来5-10年内实现工业化生产,对于提高战机、武器的作战能力意义重大。东丽利用传统的PAN溶液纺丝技术使得碳纤维强度和弹性模量都得到大幅提升,通过精细控制碳化过程,在纳米尺度上改善碳纤维的微结构,对碳化后纤维中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等进行控制。以当前东丽较为先进的碳纤维制品T1100G为例,T1100G的拉伸强度和弹性模量分别为6.6GPa和324GPa,比T800提高12%以及10%,正进入产业化阶段。美国佐治亚理工学院从原丝制备工艺入手,利用创新的PAN基碳纤维凝胶纺丝技术,通过凝胶把聚合物联结在一起,产生强劲的链内力和微晶取向的定向性,保证在高弹性模量所需的较大微晶尺寸情况下,仍具备高强度,从而将碳纤维拉伸强度提升至5.5~5.8GPa,拉伸弹性模量达354~375GPa。

 2. 军用需求空间广阔,下游市场以CFRP为主

碳纤维复合材料是指至少有一种增强材料是碳纤维的复合材料,其中最常见的是树脂基碳纤维复合材料(CFRP)。由于CFRP比强度、比弹性模量等机械性能,以及耐疲劳性、稳定性等相比传统材料有明显优势,因此在很多领域内对金属材料,尤其是轻质金属材料形成竞争取代的局面。CFRP应用场景广泛,在航空航天和体育休闲领域率先形成大规模市场,而随着21世纪以来碳纤维及其复合材料制造成本不断下降,在汽车制造、风力发电等领域应用比例在不断提高。

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根据《2019年全球碳纤维复合材料市场报告》公布的数据显示,2019年中国碳纤维的总需求为37840吨,对比2018年的31000吨,同比增长了22%,其中,进口量为25840吨(占总需求的68%,比2018增长了17.5%),国产纤维供应量为12000吨(占总需求的31.7%,比2018年增长了33%),2019年的中国市场的总体情况供不应求,无论是进口还是国产纤维。

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同时,在航空航天领域中,商用飞机需求贡献最大,2019年商用飞机所需碳纤维达到1.62万吨,占比约70%。商用飞机碳纤维应用市场的影响因素主要有三个:一是波音737系列停飞停产,国际航空器市场形成巨大的不确定性;二是新的单通道飞机平台,是否会同双通道飞机B787、A350一样,广泛地使用碳纤维;三是数量是双通道飞机10倍的单通道飞机,会采用何种复合材料工艺。

 此外,根据《航空航天复合材料发展现状及前景》(唐见茂,2013年8月,航天器环境工程),军用旋翼机的螺旋桨及机体结构也大量使用复合材料,如V-22“鱼鹰”倾转旋翼机所用复合材料占结构质量的40%以上,包括机身、机翼、尾翼、旋转机构等,共用复合材料超过3000kg。欧洲最新批次的“虎”式武装直升机结构部件的复合材料用量高达80%,接近全复材结构。相对而言,军用运输机上复合材料用量不多,如C-17占8%、C-130J仅占2%,但空客A400M军用运输机上采用全复合材料机翼,复合材料用量占飞机空载时结构质量的35%。

 我们根据美国三代机及以上机型数量测算,结合智研咨询预测,2021-2030年中国新增军机4940架左右,其中歼20空机重量18吨,生产800架,需求将达到1944吨,歼11空机重量10吨。此外,考虑军用直升机约600架,空机重量5吨;大型运输机及加油机等200架,空机重量60吨,碳纤维比例10%。按照结构重量占50%计算,同时参照智研咨询及《航空航天复合材料发展现状及前景》(唐见茂,2013年8月,航天器环境工程)对各型号军机碳纤维比例的统计,我们预计2021-2030年我国新增军机的碳纤维需求量约为6524吨。

 3. 碳碳复合材料:新型刹车材料,军用市场前景明朗

碳/碳复合材料是以碳纤维为增强体,以化学气相沉积炭或树脂炭为基体的复合材料,主要用作刹车盘。刹车盘是以摩擦材料设计技术和制备技术为核心的刹车制动类产品,用于飞机、坦克装甲车辆和高速列车的刹车制动。

在“最严酷着陆停止”实验中,即考虑其他刹车系统都损坏的情况下,飞机机轮刹车可吸收超300兆焦耳能量,温度短时间内快速上市至千度以上,因此飞机对刹车盘材料耐高温性及稳定性、减少变形等方面都有严格的要求。

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与钢刹车盘相比,碳刹车盘的突出优点是:

(1)减轻了刹车装置的重量:根据《C/C复合材料在制动系统的应用及发展》(程皓等,2020年3月,炭素),炭刹车盘的密度为1.75g/cm3-1.80g/cm3左右,与金属刹车相比,可节省40%左右的结构重量。刹车力矩平稳,刹车时噪声小,飞机性能明显改进。

(2)提高了刹车盘的使用寿命:根据《C/C复合材料在制动系统的应用及发展》(程皓等,2020年3月,炭素),在同等使用条件下的磨损量约为金属刹车的1/3-l/7,使用寿命是金属刹车的5-7倍。一般军机上的使用寿命约1000次起落,客机的使用寿命2000~3000次起落。磨损到极限后,炭刹车盘还可以通过整体粘接、“二合一”铆接等修复方式进行维修,继续延长使用寿命,降低成本,提高经济性。

(3)工作温度高:根据《某民用飞机碳刹车动力实验》(张强等,2007年3月,江苏省航空航天学会飞行器专业委员会2007年学术年会),当使用温度上升到775°C时,碳/碳复合材料的比强度仍保持不变,钢材料则有显著降低,钢刹车盘的最高使用温度不超过900°C,温度高于900°C时,钢刹车盘会发生粘结现象。碳/碳复合刹车材料在2000°C的高温下也不会熔化,不会发生粘结现象,也没有明显的翘曲变形。

 (4)刹车平稳:碳刹车系统中的碳刹车机轮和防滑控制系统配合使用,可以保证恒定的打滑量并及时释放刹车能量,并且在高温下刹车盘也不易损坏,从而保证了刹车过程的平稳。

 由于碳/碳复合材料具有密度低、耐高温、抗腐蚀、摩擦磨损性能优异、抗热振性好及不易发生突发灾难性破坏等一系列优点,现已成为航空制动装置的首选刹车材料。现代的高性能民用客机,如波音747、波音757、波音767、空客系列、麦道系列等都采用碳/碳复合制动材料刹车装置。随着我国经济的不断发展和经济全球化的深入,整个航空业呈现出快速发展的趋势,国内营运机队数量及规模的不断扩大,给民航产品业务发展带来了巨大的机遇。而飞机刹车盘作为耗材,每次在磨损到标后都需要进行更换,市场需求量很大,目前主要依赖于进口。国外主要的碳刹车盘制造商有法国赛峰公司(SAFFP)、美国联合航空运输公司(UALUS)、霍尼韦尔(HONUS)与英国的美捷特(MGGTLN)公司。国外公司(OEM件)采用短纤维模压工艺生产碳刹车盘,具有良好的摩擦磨损性能,但是其力学性能相对偏低。

 为了进一步提高碳刹车盘的力学性能,以提升刹车材料及飞机的安全性,以北摩高科、西安制动为代表的国内公司采用整体针刺毡联合化学气相沉积工艺制备碳刹车盘,最终实现碳刹车盘国产化。

 根据北摩高科招股说明书,军用飞机主机轮装配数量约为战斗机4个/架,加油机3个/架,运输机12个/架,武装直升机4个/架,教练机3个/架,结合智研咨询对我国军机2021-2030增量的预测,2030年新装机主机轮市场总容量有望达到48332余个。单价方面,由于国内该产品单价涉及国家机密暂无公开披露,我们参考国外航空设备采购网站skygee的碳/碳刹车系统(Aircraft Braking Systems 5011809-3 Carbon Brake)标价为15万美元,约合90万人民币。考虑到国产产品的成本优势以及国外刹车系统按组装完成后售卖,有一定的溢价,我们按照刹车盘+主机轮60万人民币/套的单价估算,2030年增量市场稳定后,预计军用飞机每年更换一次主机轮,2030年刹车系统市场规模有望达到290亿元。根据《WorldAir Forces 2021》,我国目前有维修价值的二代、三代战机和各类通用机型保有量约为3365架,按照北摩高科招股说明书的主机轮装配数量测算,2020年军机刹车主机轮需求约为21272套。2021-2030刹车系统市场规模CAGR约为8.6%。


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