【華泰軍工】軍工復材產業鏈深度報告:軍工復材需求旺盛,投資價值凸顯

2021-02-15 華泰軍工研究團隊

近年復材在國外直升機中的應用也越來越多,部分機型復材佔機體結構重量比達50%以上,甚至產生了全複合材料機體直升機(NH-90直升機),復材佔比高達95%。複合材料具有輕質、高比強度、高比剛度及可設計性強等優點,將其用於直升機結構上,可有效實現結構減重,提高飛行性能、安全性和可靠性,因此近幾十年來復材在直升機上的應用比例越來越高。據2016年發表的《直升機複合材料應用現狀與發展》文獻, RAH-66科曼奇直升機機體採用了大量的碳纖維/環氧、芳綸/環氧和蜂窩芯材,佔機體結構重量的54%;NH-90直升機復材用量佔比高達95%,採用了全複合材料機體,僅動力艙平臺及其隔板採用金屬件,其餘全部採用碳纖維複合材料、芳綸複合材料和NOMEX蜂窩芯材,旋翼系統採用了碳纖維複合材料和玻璃纖維複合材料,與全金屬結構相比,零件數量減少20%,質量減輕15%,生產成本降低10%。


我國直升機復材應用研究較早,目前國內在研和在役直升機均大量使用復材。20世紀80年代開始研發的直-9型直升機就大量採用了複合材料,主要用於主槳葉、涵道大垂尾、平尾、側端板、座艙罩等結構部件。直-11型直升機旋翼槳葉和尾槳都採用了全複合材料結構型式,槳轂星形柔性件和夾板均採用複合材料結構。直-10、直-19武裝直升機上也大量使用碳纖維材料製作的機身框架結構、直升機旋翼、機翼蒙皮和直升機尾翼部件。目前,國內在研和在役直升機均大量採用複合材料,主要應用部位有旋翼槳葉中的大梁、蒙皮、墊布、後緣條等,機體結構中的機身下構件蒙皮、座艙、動力艙整流罩、短翼、尾梁蒙皮、壁板、尾斜梁、尾段整流罩、儀錶板、遮光罩等。

 

(3)無人機應用復材比例較高,普遍高於有人戰鬥機

 

為了儘可能減重,無人機大量應用了復材,且用量普遍高於有人戰鬥機,一般在60%~80%之間。無人機具有低成本、輕結構、高機動、大過載、長航程、高隱身的鮮明技術特點,這些特點決定了其對減重有迫切的需求,複合材料的出現使無人機的減重要求得以實現。據2013年發表的《先進複合材料在軍用無人機上的應用動向》文獻,各種無人機上複合材料的用量較大,普遍要高於有人機,一般在60%~80%之間,有的甚至全結構均使用複合材料。複合材料在無人機機體上的應用發展經歷了從整流罩,到承載小的部件,例如飛機翼面的前緣、後緣壁板,到翼面的操縱面或操縱面的後緣等次承力結構,以及到主承力結構,進而到翼面盒段、翼身融合等整體一體化成型的發展歷程。

複合材料在我國多型無人機上也獲得了較大應用。哈飛與北航聯合設計的BZK-005型遠程無人偵察機機身受力骨架採用常規鋁合金鉚接結構,蒙皮及整流罩採用玻璃纖維、碳纖維、紙蜂窩等復材,機翼由全複合材料構成。「翔龍」無人機偵察機大量採用了複合材料,機身上曲線連續而光滑,機身尾部背鰭上裝有複合材料發動機艙,使得其雷達散射截面積大約為1m2,具有較好的隱身性能。「翼龍-1D」是中國新一代改良型多用途無人機,機身結構採用了全複合材料。

(4)民航客機復材應用比例不斷提升,國內C919應用復材佔比達12%

民機既強調安全性也強調經濟性,對結構減重同樣有迫切的需求,復材用量也在不斷提升,應用佔結構材料質量比可達50%。波音B787飛機(2009年12月首飛)複合材料用量達50%,主要應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、後承壓框等部位,是第一架採用複合材料機翼和機身的大型商用客機。A350XWB(2013年6月首飛)是目前複合材料用量佔全機結構重量比例最大的一種客機,複合材料佔據機體53%重量。

國產民用飛機復材用量與波音、空客的先進飛機相比差距較大。國產主線客機C919先進複合材料在其機體結構用量達到12%,其機翼構成以碳纖維複合材料為主,鋁鋰合金、鈦合金為輔,後機身和平垂尾等使用了T800級碳纖維複合材料,襟翼和雷達罩使用了玻璃纖維複合材料,艙門和客貨艙地板使用了芳綸蜂窩材料,航空發動機使用了碳纖維復材及陶瓷基復材,複合材料的使用使C919減重7%以上。

2.3、復材在航天裝備上主要用於減重和防熱

航天裝備如飛彈、火箭、高超聲速飛行器等一般飛行速度較高,飛行過程表面溫度高,對防熱要求較高。飛彈在大氣飛行速度很高(接近或者遠超過聲速),此時由於飛彈氣動加熱,其表面蒙皮及彈頭溫度會快速升高。根據駐點溫度計算公式,假設飛彈環境溫度為220K,我們初步計算了不同飛行速度下飛彈蒙皮的溫度,可以看出當飛彈飛行速度達4~10馬赫時,表面溫度範圍可達445~3173℃,隨著馬赫數的提高,表面溫度急劇上升,普通的鋁合金甚至鈦合金都難以滿足要求,例如,美國改進型超音速海麻雀飛彈在發射後8~10秒,彈體蒙皮溫度可達371℃,這種環境下2024鋁合金強度會降低90%,難以滿足要求。因此,對於高速飛行的航天裝備,需要採用各種不同類型的陶瓷材料及復材來實現防熱,如美國X-47B高超聲速飛行器使用了碳/陶瓷複合材料用來防熱,耐溫可達1700℃。


航天裝備對重量要求也較嚴格,採用先進復材能夠實現減重,對增大射程、提高精度意義顯著。據《先進聚合物基結構複合材料在飛彈和航天中的應用》文獻,戰略飛彈彈頭和上面級發動機質量每減少1kg,可使洲際飛彈射程增大20km,20世紀60年代初美國就採用玻璃鋼取代超高強度鋼成功纏繞製備了「北極星」潛地飛彈發動機殼體,使得飛彈射程增加了27%。

(1)戰術及戰略飛彈

復材在戰術彈上通常應用於彈體、彈翼、尾翼、雷達罩、進氣道等位置。美國早期的「戰斧」巡航飛彈使用了較多的複合材料部件,如頭錐、雷達罩、尾翼、進氣道等,但性能一般,當時其它戰術飛彈大多仍以金屬材料為主。20世紀80年代以來,多種戰術彈的固體發動機殼體和部分彈體蒙皮開始使用複合材料,例如,美國新一代空面巡航飛彈ACMI58- JASSM,在「戰斧」巡航飛彈的基礎上為了大幅度地降低成本減輕彈體重量,不僅彈翼、尾翼、進氣道採用複合材料,整個彈身全部艙段都採用了碳纖維複合材料,全彈減重了30%,成本降低50%。我國在亞音速岸艦、艦艦飛彈天線罩上採用了複合材料,以環氧複合材料為蒙皮,聚氨酯泡沫為芯層。

 

20世紀60年代復材就在美國的「北極星」戰略飛彈上取得了應用,此後美國的「民兵」、「海神」、「三叉戟-I」、「侏儒」、「三叉戟-II」、「MX」系列飛彈;法國的M-4、M-5飛彈;前蘇聯的SS-24、SS-25飛彈均使用了複合材料。除了飛彈本身,復材在發射筒上也有應用,能夠實現大幅減重,如美國MX飛彈的發射筒長22.4米,直徑2.5米,使用高強鋼時質量超過100噸,而使用碳纖維增強樹脂基復材後僅2噸。我國戰略飛彈發射筒也採用了部分碳纖維復材筒段,比鋁合金部件輕28%。

 

我們認為,未來復材在飛彈中的應用將會不斷增長。隨著先進增強材料和樹脂基體的性能改進和成本不斷降低,先進複合材料有可能越來越多地替代飛彈傳統的金屬材料,從而大幅度地降低武器系統的重量,提高作戰效能。

(2)運載火箭

運載火箭應用先進複合材料的主要部件是固體發動機(固體助推器和上面級發動機)殼體、箭體級間段、箭上衛星支架、有效載荷支架上以及可重複使用天地往返飛行器蒙皮等。近年我國已經在多種型號的運載火箭,特別是上面級結構中廣泛採用復材,有效地減輕了上面級結構質量,對提高運載火箭發射有效載荷的能力具有十分明顯的效果。例如,在「開拓者-1」小型運載火箭的第四級發動機採用了高性能碳纖維殼體;長徵火箭(CZ-2C、CZ-2E、CZ-3A)的衛星接口支架和有效載荷支架(前後端框、環框、殼段、彈簧支架、井字形梁)採用了碳纖維增強環氧樹脂基復材。

(3)衛星

 

目前衛星的主要結構部件(太陽能電池陣、有效載荷、本體結構、桁架)都普遍採用了高性能複合材料。衛星使用複合材料對減輕質量的作用非常明顯,一般說來,每減輕1kg衛星質量,就可使發射質量減輕100kg,因此衛星上應用復材較為廣泛,尤其是高模碳纖維的應用較多。1993年發射的9顆Intelsat-7衛星中,先進複合材料已佔其結構質量的50%。我國衛星從20世紀80年代中後期起,複合材料結構件用量迅速增加,使得衛星結構質量不斷減輕。

2.4、復材在艦船領域的應用

複合材料質量輕、可設計性高、抗腐蝕性強,是未來追求更大有效負載、更強綜合隱身能力、更低全壽期費用艦船裝備的最佳材料選擇之一。複合材料普遍質量輕、強度高,比強度高於船體鋼和鋁合金等傳統造船結構材料,可有效提高艦船的穩定性、航速及運載能力;易於製成流線型及其它複雜形狀;耐腐蝕性能優於傳統金屬材料;能通過增強內部構件在阻尼振動下的穩定性而減少噪音的產生;可減少雷達反射截面達到隱身效果;非磁性,不容易被魚雷和水雷探測到;能很大程度上降低艦艇的熱學特徵;能根據需要改變基體和增強體來達到特定的目標。由於複合材料具有的這些特性,使複合材料成為理想的船用材料。


複合材料在艦艇中的應用起步較晚,但用複合材料替代部分金屬材料已經成為未來艦艇發展趨勢,復材在艦艇上的應用也從非承力結構件向次承力結構件和主承力結構件演變。複合材料在國外海軍艦船上層建築中的應用始於20世紀60年代中期,最初用於製造巡邏炮艇上的炮艇甲板室。70年代後,獵雷艇的上層建築也開始採用複合材料,如芬蘭皇家海軍的快速巡邏艇「勞馬」號。90年代後,複合材料開始應用於艦船的全封閉式桅杆/傳感器系統。隨著複合材料應用效果逐步得到各海軍強國的認可,複合材料在艦艇上的應用已經呈現出從非承力結構件向次承力結構件和主承力結構件演變、由個體試驗性應用向全面推廣應用的趨勢。目前,國外新型驅逐艦如美國DDG 51驅逐艦、DDG 1000驅逐艦,英國45型驅逐艦等都是先進樹脂基複合材料應用的典型平臺。一些艦艇用傳統金屬材料結構件正在被複合材料結構件替代,包括中小型水面艦艇艇體;大型水面艦船上層建築、艙壁、螺旋槳、推進軸和舵;水面艦艇內部設備和零件,如熱交換器、設備基座、閥、泵、管路、護欄;潛艇的非耐壓殼體、聲納導流罩、舵、水平翼、推進系統、基座、潛望鏡、魚雷發射管等等。

複合材料在國內外民用船舶領域也有較為廣泛的應用。複合材料是中小型船艇,特別是高速艇、高性能艇最合適的結構材料,在國內外民船領域,諸如遊艇、漁船、救生艇、交通艇和高性能船艇等中獲得了廣泛的應用。

與國外相比,目前我國船用複合材料應用範圍和規模仍然較小。20世紀70年代中期我國曾研製過一艘總長近39米的掃雷試驗艇。20世紀90年代以來,隨著技術發展與工藝引進,我國採用複合材料生產了大量遊艇、帆船、救助艇,以及公安、武警、海監、海關等航速較高的巡邏艇、執法艇、緝私艇等準軍事艇,但迄今為止還未設計建造一艘高科技含量的復材軍用艦艇。在複合材料船舶構件方面,我國在20世紀60年代末成功研製了複合材料聲納導流罩,並應用於潛艇,發展至今已形成較為成熟的應用。20世紀80年代後期研製開發了複合材料雷達天線罩、水雷殼體並投入使用,20世紀90年代成功研製了應用於大型水面船舶的複合材料桅杆等。

2.5、復材在陸軍裝備中的應用

 

復材在坦克與裝甲車輛上的應用主要包括裝甲及行動系統,目的是降低重量和提高抗打擊性能。復材在坦克裝甲車輛上的應用始於20世紀70年代,蘇聯T-64A是最早使用復材裝甲的主戰坦克,現今由玻纖、凱芙拉、碳纖維等作為增強材料研製出的復材裝甲與同等防護級別的金屬材料裝甲相比,復材的使用可以使車體和炮塔結構的綜合性能提高30%~50%,重量減輕40%~45%。在行動系統,如坦克履帶、負重輪、託帶輪、扭力軸等方面,復材充分發揮了減重效果。如美軍25t輕型坦克裝甲戰車採用的陶瓷增強鋁基復材履帶使坦克總重量減輕1噸;M113型坦克戰車中使用的玻纖/環氧基復材的負重輪,不僅比傳統材料減重30%,還能極大程度地減少地雷爆炸帶來的損害。M60坦克中採用碳纖維/環氧樹脂復材替代鋼製扭力軸減重達65%以上。坦克發動機用活塞頭、活塞連杆、調速齒輪、推進杆體等金屬部件,採用樹脂基復材製造將比傳統的金屬構件減重30%以上。

復材在火炮上主要應用於炮管,目的是減重以提高機動性。國外已將高強度纖維樹脂基複合材料製成火炮身管、炮管熱護套、搖架、牽引杆和其他部件,可以大幅降低火炮重量從而提高其機動性能。以火炮炮管用複合材料為例,美國用石墨/環氧複合材料製備轉膛炮的加長身管替代傳統金屬加長身管,在提高了火炮射擊精度的同時,也實現了減重37%。


復材在輕武器上的應用較為廣泛,主要目的也是為了減重。20世紀七八十年代,樹脂基複合材料逐步取代了傳統金屬材料,用於製備槍械的彈匣、套筒、發射機座、瞄準器、刺刀座、扳機、連發阻鐵等部件口。如20世紀70年代蘇聯的AR-24突擊步槍,就採用了玻纖增強酚醛複合材料製造彈匣,比金屬彈匣輕28.5%;美國M60型7.62mm通用機槍採用樹脂基複合材料彈鏈,質量比金屬彈鏈輕30%。此後,為了進一步減輕重量,提高精度和耐久性,碳纖維/環氧基複合材料製造的復材槍管問世,如德國採用纏繞成型方法在陶瓷內管上纏繞金屬絲增強環氧樹脂成型機槍槍管。

「80歲以後本可以少管點事,但我心有不甘,仍想抓一抓碳纖維。如果中國碳纖維上不去,國防安全就無保證,我將死不瞑目」——師昌緒院士(2000年初)

3.1、按原材料不同分為三種,其中PAN基碳纖維佔據主流

碳纖維性能優良,廣泛應用於航空航天等國防領域。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量纖維材料,是由片狀石墨微晶沿纖維軸向方向堆砌而成,經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維複合材料以其輕質、高比強度、高比剛度、抗疲勞、耐腐蝕、便於大面積整體成形等優點,以及獨特的可設計性,廣泛應用於國防領域,為武器裝備的輕量化、高性能化、長壽命等發揮了關鍵作用,其用量也已成為武器裝備先進性的標誌之一。

碳纖維按原材料的不同主要分為粘膠基、瀝青基和聚丙烯腈基(PAN)碳纖維三類,其中PAN基碳纖維佔據主流。由粘膠纖維製取高力學性能的碳纖維必須經高溫拉伸石墨化,碳化效率低,技術難度大,設備複雜,成本較高,產量較低,產品主要為耐燒蝕材料及隔熱材料所用;由瀝青製取碳纖維,原料來源豐富,碳化收率高,但因原料調製複雜、產品性能較低,亦未得到大規模發展;由聚丙烯腈纖維原絲製得的高性能碳纖維,生產工藝相對簡單,而且產品的力學性能優良,用途廣泛,因而自20世紀60年代問世以來,取得了長足的發展,其產量約佔全球碳纖維總量的90%以上,成為當今碳纖維工業生產的主流。

(1)PAN基碳纖維


PAN基碳纖維的製備過程主要包括PAN原絲製備、預氧化、碳化、後處理四個階段。

(2)瀝青基碳纖維

 

瀝青基碳纖維是航空航天工業不可缺少的工程材料。瀝青基碳纖維的研究開發始於20世紀50年代末期,60年代初由日本群馬大學研製成功,60年代末在日本吳羽化工工業公司實現工業化生產。瀝青基碳纖維雖然抗壓強度及加工性能遜於PAN基碳纖維,但具有優良的傳熱性能、導電性能、高模量和極低的熱膨脹係數,使其在軍工及航天領域發揮著獨特作用。瀝青基碳纖維的製備一般包括原料調製、縮聚反應、紡絲和碳化等流程,合成碳纖維的關鍵步驟是前驅體的縮聚反應和碳纖維的高溫碳化反應。

目前能規模生產瀝青基碳纖維的公司主要是日美企業,通用級瀝青基碳纖維產需均衡。通用級瀝青基碳纖維的生產企業主要是日本吳羽化工工業公司,能批量生產高性能瀝青基碳纖維的主要是日本三菱化學公司、日本石墨纖維公司和美國BP公司。我國瀝青基碳纖維開發從20世紀70年代初期開始,上海焦化廠、中科院山西煤化所先後開展過研究,並取得一定研究成果。據《碳纖維複合材料》文獻2017年1月報導,全世界瀝青基碳纖維需求量約2000噸,產量約2000噸,國際市場基本均衡;國內通用級瀝青基碳纖維產能約100噸,產需也基本平衡。

(3)粘膠基碳纖維

 

粘膠基碳纖維生產成本高,且整體性能指標比PAN基碳纖維差,因此應用有限。粘膠基碳纖維是以粘膠纖維為原料,在低溫熱處理後,於非氧化氣氛中進行800℃以上的高溫熱處理,最終製得以碳為主要成分的纖維材料。生產粘膠基碳纖維的工藝流程較長、工藝條件苛刻、炭化收率較低、不適合大批量生產、成本高,同時粘膠基碳纖維的整體性能指標比PAN基碳纖維要差,因此其應用受到了限制。

粘膠基碳纖維的獨特性能使其在國防等領域得到應用,雖然產量低,但也難以完全被淘汰。粘膠基碳纖維的獨特性能主要表現在:密度低,比一般PAN基和瀝青基碳纖維密度小15%左右,所制復材更易實現輕量化;屬於大伸長型碳纖維,韌性好易於深加工;由於是從天然纖維素轉化而來,生物相容性好;鹼和鹼土金屬含量低,抗氧化和熱穩定性好,耐燒蝕。雖然粘膠基碳纖維加工工藝苛刻、產量低,但這些獨特性能使其適合應用於防熱隔熱保溫場景以及醫用生物材料等,因此粘膠基碳纖維難以完全被淘汰。例如,美國和俄羅斯均利用粘膠基碳纖維作為復材的增強材料,用於洲際戰略飛彈彈頭的大面積防熱材料。目前俄羅斯在粘膠基碳纖維開發研究及應用上整體居於世界之首,美國聯合炭化公司和希特柯公司在粘膠基碳纖維生產方面也具有一定實力。

3.2、PAN基碳纖維按力學性能不同分為三類,在國防領域應用各有側重

 

按力學性能不同,可將碳纖維分為高強型碳纖維、高模型碳纖維以及高強高模型碳纖維。以東麗公司的產品為例,其主要生產三大系列碳纖維,即高強T系列、高模M系列、以及兼備高強高模的MJ系列,其中高強型包括T300、T600、T700、T800和T1000;高模型炭纖維主要有M30、M40和M46,市場流通的高模炭纖維主要是M40;高強高模型的炭纖維主要有M46J、M50J、M55J、M60J和M65J等。

不同類型碳纖維在國防領域均有應用,但應用重點不同,高強型主要用於航空領域,高模型主要用於航天領域。第一代碳纖維為標準模量碳纖維,以東麗公司的T300和赫氏公司的AS4碳纖維為代表,主要用於航空次承力構件,如T300主要用于波音737等型號的次承力構件,AS4應用在早期F-14戰鬥機的平尾等部位。第二代高強碳纖維以東麗公司的T700、T800、T000和赫氏公司IM7、IM8、IM9系列為代表,主要用於航空主承力構件,如T800大量用於A350、波音787等飛機機翼機身的主承力結構,IM7大量用於美國的「三叉戟」Ⅱ潛射飛彈及F-22、F-35戰鬥機等。然而二代高強碳纖維由於模量偏低,且碳纖維材料脆性大,易導致複合材料結構部件的疲勞損傷,限制了武器裝備性能的提升,因此美日等國都在研究第三代高強碳纖維,其中東麗目前已研製出第三代碳纖維T1100G碳纖維,正進入產業化階段。在航天領域,衛星結構設計在滿足強度的條件下主要解決剛度問題,要求碳纖維具備一定強度的同時還具備高模量或超高模量,因此高模型碳纖維主要用於航天領域。高強高模型碳纖維能在保持高模量下,兼有高的拉伸強度、壓縮強度和斷裂伸長率,在航空和航天領域都能作為主承力結構件應用。

3.3、日美PAN基碳纖維技術及產業化處於領先地位

 

日本東麗公司是全球碳纖維產業執牛耳者。1961年日本大阪工業研究所近藤昭男博士用美國杜邦公司的奧倫為原料成功研發出PAN基碳纖維。1967年日本東麗公司研製出適合製造碳纖維的共聚聚丙烯腈原絲,此後於1971年建成年產12噸的第一代碳纖維試驗生產線,此後擴產並命名為T300。1984年東麗研製成功T800H碳纖維(第二代碳纖維),其強度較T300碳纖維提高了近56%,模量較T300碳纖維提高了近28%。1986年,成功研製T1000G碳纖維,其模量與T800H碳纖維相同,其強度較T800H碳纖維提升了16%。2014年3月,東麗成功研發出兼具高強度高模量的T1100G碳纖維(第三代碳纖維),其強度較T800H碳纖維提升了20%,模量提升了10%,2017年6月強度又由6600MPa更新至7000Mpa,目前正在進行產業化。東麗公司高強型碳纖維實現了以T300、T800和T1100G為代表的三代碳纖維的跨代發展。在高模碳纖維方面,東麗公司也開發出多種高模纖維及高強高模纖維。

東麗此前以生產高性能的小絲束碳纖維為主,通過併購ZOLTEK公司,進軍低成本的大絲束碳纖維細分產業。2015年東麗收購了美國ZOLTEK(卓爾泰克)公司,ZOLTEK是世界上首先研製生產廉價且高性能大絲束碳纖維的公司。大絲束碳纖維價格比小絲束碳纖維要低,如飛機結構件常用的3K碳纖維國際售價約50美元/kg,而ZOLTEK的48K大絲束碳纖維售價僅12-15美元/kg。2018年,ZOLTEK公司宣布將擴大其位於匈牙利及墨西哥的產能,分別由1萬噸/年增加到1.5萬噸/年,由5000噸/年增加到1萬噸/年,一旦完成擴產計劃,ZOLTEK公司的大絲束碳纖維總產能將提升至2.5萬噸/年。

 

除了日本東麗公司外,東邦人造絲和三菱人造絲等公司業發展自己的技術,進行了碳纖維的工業化生產。目前日本擁有完備的人造絲基、PAN基、瀝青基和中間相瀝青碳纖維產業,佔據著各細分技術的制高點,掌控著高端產品市場。

 

美國PAN基碳纖維產業化落後於日本,但仍具有較強實力。美國擁有可保障軍用的技術、產品和產能,但產品性價比優勢不如東麗,HEXEL(赫克塞爾)公司是美國最大的碳纖維研製生產企業,產品在軍機中取得大量應用。HEXEL公司生產的碳纖維共有三個系列九個牌號,分別是:AS系列的AS4C、AS4和AS4D;IM系列的IM4、IM6、IM7、IM8和IM9以及UHM系列的高模UHM石墨纖維。其中AS系列炭纖維的抗拉強度在3860~4207MPa,比日本東麗公司的T300的抗拉強度高,與T300J或T600S相近;IM系列炭纖維的抗拉強度在4138~6343MPa,與東麗公司的T600S、T700S、T800H和T1000G相當。HEXEL公司生產的碳纖維已經大量應用於A400M運輸機、RAH-66「科曼奇」直升機、F-22戰鬥機、F-35C戰鬥機以及洲際飛彈,其中F-22戰鬥機採用了IM7纖維應用於機翼、機身等主承力構件,復材用量佔比達到24.2%。

碳纖維市場行業集中度高,日本三家企業產能佔全球總產能近一半。據《2017全球碳纖維複合材料市場報告》統計,2017年,全球碳纖維理論產能為14.71萬噸,其中日本三家企業產能合計7.02萬噸,佔比47.72%,具備絕對的領先優勢。中國大陸2017年理論產能為2.6萬噸。

3.4、我國PAN基碳纖維研發起步不晚,但目前與國外存在較大差距

我國碳纖維研發起步不晚,但徘徊較久。國產PAN基碳纖維技術研發始於20世紀60年代,但由於工藝基礎薄弱、裝備技術落後等原因,製備的碳纖維質量低下、性能穩定性差,國產化技術長期徘徊在低水平狀態,這一階段的國產碳纖維不能作為結構複合材料的增強體使用,主要用於製備功能複合材料。1996年開始,北京化工大學實現了有機溶劑體系製備具有圓形截面高強碳纖維原絲技術的突破,中國石油吉林石化公司以此為基礎開始了工程化技術研究,國產PAN基碳纖維製備技術成功實施轉型。

 

在「一條龍」項目牽引下,國產碳纖維技術發展迅速,威海拓展率先實現高強型碳纖維產業化,高強中模、高強高模碳纖維也先後研發成功。2002年,在以師昌緒先生為代表的材料界前輩強有力推進下,863計劃設立碳纖維技術研究專項,自然科學基金也支持開展碳纖維相關基礎研究。2005年國家推行碳纖維製備與應用的「一條龍」管理模式,在航天703所和航空工業601所的牽引下,國產碳纖維製備與應用技術高效快速發展,解決了國防重大裝備用國產碳纖維材料的「有無」問題,初步實現了關鍵材料的自主保障。2006年威海拓展開始建設中國首條千噸級碳纖維生產線,2009年建成投產,此後相繼開發出多種型號碳纖維。目前國內已經能夠規模化生產T300級、T700級、T800級碳纖維,具備國產替代能力,並已經研製成功T1000、T1100級高強中模碳纖維和M55J、M60J高強高模碳纖維。

2017年國內碳纖維理論總產能達2.6萬噸/年,但銷量/產能較低,高端應用較少。中國現有20餘家PAN基碳纖維生產企業和6家碳纖維研究單位,已建成的碳纖維產能達2.6萬噸/年,在建的生產線建成後將達到10萬噸/年以上。據賽奧碳纖維統計,2017年國內碳纖維企業銷量大約7400噸,銷量/產能僅28%,顯著低於全球平均的57.2%,且產品在高端領域應用偏少,導致國內碳纖維企業盈利能力較差。

光威復材及中簡科技的碳纖維產品已在軍工領域取得應用。據楚江新材公告,光威復材規模化生產的GQ3522型(T300級)碳纖維,性能指標與日本東麗相當,已在軍工航空航天領域穩定供貨;中簡科技公司規模化生產的ZT7系列(高於T700級)碳纖維,性能指標高於日本東麗的T700級碳纖維和T300級碳纖維,2014年全面應用於航空航天領域,進入批量穩定生產階段,ZT7系列國產高性能碳纖維首次真正應用在我國自主研發的航空航天裝備上,打破了國外對高性能碳纖維的封鎖和限制。

3.5、碳纖維增強複合材料在國防領域應用廣泛

 

(1)碳纖維增強樹脂基複合材料應用較廣,已用於承力結構件

 

碳纖維增強樹脂基複合材料是指以有機合成樹脂為基體,高性能碳纖維為填充物複合而成的複合材料,具備輕質高強、耐高溫、耐腐蝕、熱力學性能優良等特點,能夠滿足航空航天結構件的使用要求,在衛星、火箭、軍用飛機、民用飛機上均獲得了較為廣泛的應用。

航空領域,國外多種機型上都有應用,且應用的比例越來越高,國內也在多個機型上取得應用。目前軍用飛機上使用的碳纖維主要是T300級和T700級小絲束碳纖維,碳纖維增強樹脂基複合材料的應用可降低飛機重量,有助於提升飛機機動性於與作戰半徑,在戰鬥機、轟炸機、直升機和無人機上的應用越來越多,如F-16戰鬥機在進氣道斜板、平尾和垂尾等結構採用了碳纖維/環氧樹脂複合材料,蒙皮採用了碳纖維/雙馬來醯胺複合材料。此外,雖然普通碳纖維不具備吸波功能,但異形截面碳纖維和異形結構的複合材料具備吸波能力,再配合吸波塗層可以用來製造隱身結構材料,如美國B-2隱身轟炸機及F-22隱身戰鬥機均使用了碳纖維增強樹脂基復材。據2017年發表的《炭纖維複合材料》著作:隨著國內先進樹脂基複合材料性能的提高,製造技術的不斷成熟,國內的碳纖維增強樹脂基複合材料也在直升機、殲擊機和大型飛機上取得了應用。

 

在航天領域,碳纖維增強樹脂基復材在飛彈發動機殼體、飛彈彈體、火箭發動機殼體、衛星天線及本體結構等位置取得了應用。高強中模炭纖維複合材料已經廣泛應用於洲際飛彈一、二、三級發動機売體和新一代中程地地戰略飛彈發動機売體,如美國的「侏儒」小型對地洲際飛彈的三級發動機燃燒室殼體、發動機殼體已經採用炭纖維環氧樹脂製成,美國陸軍研製的小型動能飛彈也開始應用炭纖維/環氧樹脂複合材料。據《炭纖維複合材料》著作報導:我國在各類戰略和戰術飛彈上也大量採用碳纖維複合材料作為發動機噴管和整流罩等防熱材料。

(2)碳纖維增強炭基復材主要用於飛機剎車盤及航天耐燒蝕材料

炭/炭複合材料是碳纖維增強炭基體複合材料,具備密度低、比模量和比強度高、高溫性能好、熱膨脹係數低、耐高溫、耐熱衝擊、耐腐蝕、摩擦磨損性能好等一系列優異性能,已廣泛應用於航空、航天、核能、化工、機械等各個領域,其中航空制動應用最多。

 

在航空領域,主要作為制動材料應用於飛機剎車盤,替代傳統的粉末冶金剎車盤。早期的飛機剎車片使用的是合金盤,炭/炭複合材料使用壽命比粉末合金盤高3~4倍,而密度僅為合金的1/3,高溫下摩擦係數和力學性能穩定,維修方便,在國外軍民用飛機上已經廣泛使用,目前已有40種以上的民用飛機和20多種軍用飛機使用了炭剎車盤,如民機中的波音747/757/767/777/787、空客A300/310/318/319/320/340,以及軍機中的美國F系列戰鬥機、幻影戰鬥機等都使用了炭/炭複合制動材料剎車裝置。

 

在航天領域,主要作為耐燒蝕材料應用於火箭發動機噴管及喉襯等位置。炭/炭複合材料已經在航天領域的應用主要是作為耐燒蝕材料,已成功應用於製造太空梭的機翼前緣、鼻錐、貨艙門、固體火箭發動機尾噴管和喉襯等構件。如美國在DeltaIII運載火箭RL10B-2的上級發動機上成功地應用了炭/炭複合材料部件;美國MX洲際飛彈的全部三級,三叉戟飛彈的一、二級,美國偵察兵飛彈第三級等均採用了炭/炭複合材料作為發動機喉襯。據2017年發表的《炭纖維複合材料》著作報導:我國已將炭/炭複合材料喉襯應用於固體火箭發動機。

(3)碳纖維增強其他基體復材種類較多,部分在國防領域取得了應用

 

碳纖維還可以與其他多種基體進行複合,如陶瓷基體、金屬基體、橡膠基體等等,種類較多,其中部分材料在國防領域取得了應用。

 

碳纖維增強陶瓷基複合材料具有優異的高溫力學性能和熱性能,在惰性環境中超過2000℃仍具能保持強度、模量等力學性能不降低,比炭炭複合材料具有更好的抗氧化性、抗燒蝕性,覆蓋的使用溫度和壽命範圍寬,在航空發動機、燃氣輪機、高速剎車盤和空間飛行器中取得了應用。例如,C/SiC復材目前已在美國NASA的X-38空天飛行器上作為鼻錐及其附件使用,並已試飛成功;歐洲阿里安-4第三級液氫/液氧推力室噴管採用了C/SiC;法國將C/SiC復材應用於狂風戰鬥機M88發動機的噴嘴瓣和外襟翼。

 

碳纖維增強金屬基複合材料通常選擇鋁、鎂、鎳、鈦及其合金作為基體材料,材料性能取決於所選組分的特性、含量及分布等,通常具有高比強度、高比模量、良好的導電及導熱性能、熱膨脹係數小、尺寸穩定性好、耐磨性好、良好的斷裂韌性和抗疲勞性能等,在國防領域也取得了應用。例如,碳纖維增強鋁基復材在NASA空間望遠鏡中作為大型天線支杆。

3.6、碳纖維軍用需求旺盛,未來增長潛力大

 

軍機處於批產上量拐點,新一代軍機復材佔比提升明顯,對碳纖維需求量有有望大幅增長。根據World AirForce 2018的數據,美國擁有軍機總數達13407架,其中戰鬥機為三代+四代的組合;而中國擁有軍機總數為3036架,為美國的23%左右,其中戰鬥機為二代機+三代機+極少量四代機的組合。和美國相比,中國的軍機水平在質量和數量上均存在較大的差距,面臨較為迫切的更新換代的需求。而且我國新一代軍機的復材用量提升明顯,四代機復材用量佔結構件重量比例達20%,三代機僅10%,我們認為,新機型的批產將會帶動碳纖維需求的大幅提升。

 

陸海空天飛彈需求大,航天領域對碳纖維需求有望持續上升。火箭軍是我國戰略威懾的核心力量和大國地位的戰略支撐,是維護國家安全的重要基石,其裝備建設歷來備受關注。抗戰勝利閱兵和建軍九十周年閱兵中,火箭軍裝備均作為壓軸方陣出場,密集的裝備展示也凸顯了我國火箭軍裝備技術成熟,開始大規模進入現役。火箭軍按照「以作戰的方式訓練、以訓練的方式作戰」的要求,近年來常態開展部隊戰備拉動和作戰流程檢驗演練,先後組織40餘次重大演訓任務,並與戰區、其他軍種聯手,展開突擊攻防、聯合行動30多場次,發射飛彈數百發。目前,所有飛彈旅組織過紅藍對抗演練、具備獨立發射能力,擔負戰備值班任務部隊全時保持高度戒備狀態,發射單元彈在架上、隨時待發。2018年4月26日下午,在國防部例行記者會上,國防部新聞局局長、國防部新聞發言人吳謙大校宣稱,解放軍的火箭軍部隊已經列裝東風-26型飛彈。該型飛彈經過試裝試用和作戰檢驗,具備了整建制裝備部隊的條件,授裝後已正式進入火箭軍戰鬥序列。我們認為,高強度的訓練消耗和新裝備批量列裝部隊,軍用航天防務裝備進入產業上升期,有望提升對軍用碳纖維的需求

 

艦船裝備復材應用比例較低,未來復材比例提升有望增加對碳纖維的需求。國外艦船應用復材量較高,例如美國在大型驅逐艦(DDG1000)上層建築上大量採用了複合材料,大幅降低了艦艇的雷達反射截面積,提升了艦艇隱身能力。而我國目前艦艇應用復材量仍較低,上層建築主要是金屬件,未來隨著復材技術的發展,以及裝備設計能力的加強,有望在新型艦艇上提升復材應用比例,進而增加對碳纖維及其復材的需求。

4. 碳化矽纖維:打破封鎖實現量產,有望開啟下遊廣闊空間 

「航空發動機的工作環境是長時強氧化環境,纖維必須抗氧化。目前國際上用的是高性能碳化矽纖維,國內沒有該產品,國際對中國嚴密封鎖。這類戰略性物資,各國都獨立發展,中國也要自主研發。我相信中國近期會有自己的碳化矽纖維」——張立同院士(2008年)

4.1、碳化矽纖維按耐溫性能可分為三代

 

航空航天和尖端武器的發展對高溫結構材料提出了新的要求。新型航空太空飛行器與尖端武器熱端部件,要求材料具有優異的比強度、比模量、抗衝擊性以及極端環境下的耐高溫能力。金屬及合金材料已難以滿足新的要求,先進陶瓷基複合材料(CMC)具有高強輕質、抗衝刷、抗腐蝕、耐高溫等優異性能,能夠滿足新裝備的使用要求。CMC要求增強纖維具有耐高溫、抗氧化、抗蠕變和耐腐蝕等特點。

 

碳化矽纖維是高性能復材理想的增強纖維材料。常見的複合材料增強纖維包括有機纖維、玻璃纖維、碳纖維、氧化物陶瓷纖維及以碳化矽為代表的非氧化物陶瓷纖維。有機纖維因耐熱溫度不超過500℃而不能用於高性能CMC,普通玻璃纖維因熔點或軟化點低於700℃而同樣無法在高性能CMC中應用;碳纖維雖然在情性氣氛下耐溫性能可高達2800℃,但在氧化氣氛下高於450℃時會發生嚴重降級,抗氧化性能差極大地限制了其在氧化環境中的應用;氧化鋁、氧化鋯以及玄武巖等氧化物陶瓷纖維的耐熱溫度均不超過1200℃,同時其密度大、熱膨脹係數高等不足均限制了其應用;SiC纖維作為目前發展最成熟且己實現商品化的非氧化物陶瓷纖維,具有耐高溫、抗氧化、較高的抗拉強度、良好的抗蠕變等優異性能,並且與陶瓷基體相容性良好,同時SiC纖維集結構、防熱、吸波等功能於一身,是一種理想的高性能複合材料增強纖維。

SiC纖維及其製品性能優異,屬於關鍵戰略材料,國外長期對國內實行嚴密的技術封鎖。碳化矽(SiC)纖維是以有機矽化合物為原料經紡絲、熱解而製得具有β-碳化矽結構的無機纖維,從形態上分為晶須和連續碳化矽纖維兩種,碳化矽纖維具有優異的力學性能、抗氧化性能、高溫穩定性、電性能可調性以及與金屬和陶瓷基體之間良好的物理化學相容性,在航空、航天、兵器、船舶和核工業等領域具有廣泛的應用前景,是發展高技術武器裝備的關鍵戰略材料之一。由於SiC纖維重要的戰略意義以及軍事敏感性,美日等國均從戰略高度投入巨資研究與開發耐高溫SiC纖維及其複合材料,SiC纖維歷來也是國外對我國的禁運產品。

 

SiC纖維發展至今已有三代,其中第三代碳化矽纖維耐溫性能最好。按照SiC纖維的熱穩定性可將其分為三代,一代碳化矽纖維為高氧高碳SiC纖維,氧含量10%以上(氧是由於原絲採用氧化交聯而引進的),自由碳含量15%以上,在1000℃以上纖維內部會發生化學反應,生成SiO2和氣相CO,會導致纖維產生孔洞損傷,力學性能嚴重降低,因此在有氧環境下其使用溫度一般不高於1000℃;二代為低氧(約0.5%)、高碳(約20%自由碳)含量SiC纖維,由於原絲採用無氧電子束交聯,氧含量顯著降低,該纖維使用溫度提高到1200℃以上,但是過剩的碳降低了纖維的高溫抗氧化性和蠕變性;三代為近化學計量比SiC纖維,只有少量游離碳和痕量氧,氧含量約為0.2%,C/Si比約為1.05-1.08,少量碳過剩是為了保證纖維不富矽,避免嚴重影響其高溫性能,三代碳化矽纖維具有優異的抗氧化性能和抗蠕變性能,使用溫度可達1600℃,顯著拓寬了其在航空航天熱端構件領域的應用。

4.2、先驅體轉化法是目前工業化製備SiC纖維的主要方法

 

先驅體轉化法是目前比較成熟且已實現工業化生產的方法,是國內外工業化製備SiC纖維的主要方法。碳化矽纖維的製備方法主要有先驅體轉化法、化學氣相沉積法(CVD)、微粉燒結法(PS)、活性碳纖維碳熱還原法(CR,又稱化學氣相反應法)等。其中CVD法製備的SiC纖維純度高、強度高、模量高,但製備成本高、生產效率低,難以實現大規模生產,且直徑偏粗編織困難,不利於複雜復材構件的製備;PS法製備的SiC纖維高溫抗蠕變性能好,但纖維強度較低且直徑偏粗,美國Carborundum公司曾嘗試用此法生產,但目前已停產;CR法工藝簡單、成本較低,但纖維的強度和模量均不高,可編織性差,不利於工業化應用;先驅體轉化法製得的陶瓷纖維具有良好的力學性能與細直徑,適於工業化批量生產,相應降低了製造成本(成本約為CVD法的1/10),且性能的改進與提高潛力大,成為製備高性能纖維較為理想的方法,因此目前日本碳公司(NipponCarbon)、宇部興產公司(UbeIndustries)、美國DowCorning公司、德國Bayer公司等均採用先驅體轉化法作為製造工藝路線,但不同公司採用的技術細節仍有差異。

原絲不熔化處理及高溫燒成是較為重要的工藝環節,對纖維性能影響較大。先驅體轉化法通常包括先驅體的合成、先驅體的熔融紡絲、將原絲進行不熔化處理(是為了防止纖維在熱解過程中發生熔融),以及不熔化纖維的高溫燒成(不熔化纖維在真空或惰性氣體中加熱至1200~1500℃,側鏈的甲基與氫同時脫出後只留下矽-碳的骨架,形成β-碳化矽結構的纖維)等四大工序,其中聚碳矽烷(PCS)原絲的不熔化處理及高溫燒成是較為重要的兩個工藝環節。早期的工藝採用氧化法對PCS原絲進行不熔化處理,但得到是含氧量較高的一代SiC纖維,高溫下拉伸強度下降明顯。此後採用電子束輻射交聯技術進行不熔化處理後,得到了低氧的二代SiC纖維,高溫性能較好。

 

隨著技術進步,SiC纖維的性能和製備成本都在不斷提升。第一代SiC纖維的典型代表為通用級的NicalonNL202,在1000℃時仍然有良好的熱穩定性;第二代典型代表為Hi-Nicalon,在1300℃以下時具有較好的熱穩定性;第三代典型代表為Hi-NicalonS和Tyranno系列,在1300℃以上也具有較好得熱穩定性。總體來看,SiC纖維從第一代發展到第三代,其製備溫度和熱穩定性最高溫度都在向著更高方向發展,纖維氧含量降低,密度升高,直徑降低,纖維生產成本大大增加。先驅體轉化法製備工藝中有不同的技術方向,不同技術路線的成本差異較大,但總體來看三代SiC纖維成本明顯高於一代和二代。

4.3、日本率先開展研究,我國與美德同期起步,但進展同比落後

 

日本最先開展SiC纖維的科研及生產。1975年和1976年,日本東北大學矢島教授先後發表文章提出了聚碳矽烷(PCS)的合成方法,以及由PCS經熱分解轉化製備SiC纖維的結果,隨後日本碳公司與宇部興產公司先後購買了矢島教授關於SiC纖維和含鈦SiC纖維製造的專利。1982年日本碳公司生產了第一批工業化的碳化矽纖維Nicalon100系列,隨後又推出了Nicalon200系列纖維,成為了一代SiC纖維的典型代表;1987年宇部興產公司以聚鈦碳矽烷(PTCS)為先驅體,採用空氣交聯技術製備出了含鈦SiC纖維並實現了產業化,命名為「TyrannoLox-M」。此後,兩家公司不斷改進原材料、工藝流程及參數,相繼實現了一代、二代及三代SiC纖維的產業化。

 

美德等國在日本的工藝基礎上進行了改進和創新,也實現了產業化。面對日本企業在SiC纖維開發上獲得的成功,美國和德國也不甘落後,除了應用日本的SiC纖維開展了大量SiC纖維復材製備技術研發之外,也開始研發SiC纖維的製備技術,並進行了工藝創新。例如,美國DowCorning公司以PCS為先驅體,在SiC纖維製備過程中引入硼,再在1800℃高溫下燒結製得含硼的多晶SiC纖維,纖維的強度和模量高,耐熱性能好,並已製得連續纖維,工業化產品命名為「Sylramic」;德國BayerAG公司則另闢蹊徑,基於無定型纖維的思路,在1990年代和成了新型的聚硼氮烷(PBSN)先驅體,並經熱分解轉化製得了在2000℃仍能維持無定型態的SIBN3C纖維,其力學性能及耐熱性俱佳,並已製得連續纖維,工業化產品命名為「Siboramic」。

國防科大是國內最早開展先驅體轉化法製備SiC纖維、含鈦SiC纖維的單位,技術實力較強。早在1980年國防科大就開展了SiC纖維製備技術研究,近40年來,對SiC纖維的製備路線、關鍵原料的合成、製備工藝技術以及生產線建設等開展了一系列研究並取得了重大進展,目前主要開發了KD-I型第一代SiC纖維(綜合性能接近日本Nicalon纖維水平)、KD-II型第二代SiC纖維、KD-S型與KD-SA型第三代SiC纖維,同時針對不同功能需求成功研製了吸波SiC纖維和透波纖維。KD-SA是含鋁SiC纖維,KD-SA纖維在空氣中具有更加優良的高溫抗氧化性能,1300℃熱處理100小時後強度保留率為55%,遠超過Hi-Nicalon(23%)。

 

廈門大學特種先進材料實驗室在西工大張立同院士的指導下,於2002年開始低氧高碳型連續SiC纖維的製備研發,2004年該實驗室突破纖維製備關鍵技術,定長纖維的性能接近日本同類產品水平,此後開始連續SiC纖維的產業化研究。

 

中科院寧波材料所及中南大學目前也突破了第三代SiC纖維製備技術。據中科院官網介紹,中科院寧波材料技術與工程研究所特種纖維事業部SiC纖維研究團隊從2015年初開始承擔研製第三代碳化矽纖維的任務,目前已自主研發了紡絲設備,在連續碳化矽纖維研製方面取得重要進展,打通了從先驅體製備、熔融紡絲、不熔化到燒成整條技術路線,下一步將進一步改進工藝,實現高性能連續碳化矽纖維的製備。據中南大學官網介紹,中南大學航空航天學院於2016年與湖南博翔新材料有限公司合作建設高性能碳化矽纖維及其複合材料湖南省工程實驗室,目前實驗室已成功製備出第三代摻雜碳化矽纖維,製備出的連續碳化矽纖維使用溫度達1250℃(空氣氣氛下)。

4.4、日本企業是全球SiC纖維主要生產廠家,國內工業化生產處於起步階段

 

國外三代SiC纖維均已實現產業化,日本NipponCarbon公司和UbeIndustries公司是國際市場最主要的SiC纖維生產廠家,總產量佔到全球的80%左右。國外第一代、第二代和第三代SiC纖維均實現了工業化生產,其中NipponCarbon公司的純SiC纖維(牌號Nicalon)和UbeIndustries公司的含鈦、含鋯、含鋁等類型的SiC纖維(牌號Tyranno)產量均達到100噸級,且基本保持穩定。美國DowCorning公司研製成功含硼的SiC纖維,牌號為Sylramic,目前該技術已轉給美國COI陶瓷公司,產量不詳。德國BayerAG公司的SiBN3C纖維,尚未有工業化生產的報導。

 

2013年GE公司預測,未來10年對陶瓷基復材的需求將遞增10倍,並於2016年投資建廠生產SiC纖維及復材。2016年6月,GE航空集團從日本NGS先進纖維公司獲得纖維生產技術許可,投資2億美元在亨茨維爾新建了兩個SiC材料工廠,其中一個生產SiC纖維,另一個利用SiC纖維製備陶瓷基複合材料,工廠計劃於2020年投產。一旦完全投產,兩個工廠每年分別能夠生產10噸SiC纖維和20噸SiC纖維增強複合材料。GE正在努力將SiC基複合材料渦輪葉片應用在GE9X、LEAP-X1C、F414改型等新一代航空發動機上。

 

國內SiC纖維產業化已取得顯著進步,但仍處於起步階段,與日本等發達國家差距較大。據中航復材專家於2016年12月發表的《連續碳化矽纖維增強碳化矽陶瓷基複合材料研究進展》文獻介紹:「國內SiC纖維產業化發展主要包括「十一五」和「十二五」兩個五年計劃,研製單位主要包括國防科技大學、廈門大學(含火炬電子科技股份有限公司)和蘇州賽力菲陶纖有限公司。在國家大力支持和相關科研單位的努力下,已經實現了第一代SiC纖維工程化生產,突破了第二代SiC纖維研製關鍵技術。目前國內第二代SiC纖維處於中試階段,生產能力達到1噸/年。總體而言,國內SiC纖維研究基礎較弱,雖然取得了顯著進步,但在質量穩定性和工業化能力方面與日本等發達國家的先進水平差距巨大。」

 

國防科大是國內最早建立SiC纖維中試生產線的單位,解決了有無問題,但產能有限。20世紀90年代,國防科大完全自主建立了年產100kg級的KD-I型連續SiC纖維中試生產線,後又擴展到年產500kg,並已供應給航空、航天、兵器等部門,在航空發動機、空間碎片防護等領域得到了應用。此後,國防科大又建立了年產1噸級的KD-II型纖維中試生產線,KD-II纖維具備良好的編織性能,可以用於編織內錐體、迴轉體與銷釘等構件,也已批量供應航空、航天、兵器等部門應用。

賽力菲是國內最早開展SiC纖維產業化的企業,產品結構豐富,一代SiC纖維已批量生產。蘇州賽力菲陶纖有限公司與國防科技大學馮春祥教授合作,在蘇州建廠進行連續SiC纖維產品的開發,產品涵蓋陶瓷前驅體聚碳矽烷、連續碳化矽纖維、預製體、陶瓷微納米粉體及製品、高性能納米陶瓷/金屬複合材料精密構件等。2013年1月,公司的「年產5噸聚碳矽烷的製備技術」和「年產噸級連續碳化矽纖維的製備技術」通過了江蘇省國防科技工業辦公室組織的成果鑑定。據賽菲集團董事長2012年在文獻《連續SiC纖維製備技術進展及其應用》中報導:「公司的連續SiC纖維以『賽力菲-SLF』商品名銷售,其中SLF-I纖維含氧量在15%-20%之間,SLF-II纖維含氧量在7%-12%之間,連續SiC纖維的長度為500m,束絲根數1k,直徑13微米,單線年產已達到1噸連續SiC纖維的生產規模。」

寧波眾興引進國防科大二代SiC纖維製備技術,產線於2017年底建成。寧波眾興新材料科技有限公司成立於2016年,當年8月與國防科大籤署了技術轉讓合作協議。據公司官網,2017年11月產線建設完成,並生產出第二代碳化矽纖維;2017年12月,10噸級第二代連續碳化矽纖維量產生產線通過驗收。

火炬電子從2014年開始布局CASAS-300材料產業化,目前已具備產業化能力。據公司2017年年報,目前公司CASAS-300特種陶瓷材料產業化項目進展順利,已完成5噸/年的產能建設,2018年上半年收到三個特種陶瓷材料相關項目收入合計2576萬元,項目建設和市場前期開發進展順利。

4.5、SiC纖維增強複合材料製備技術逐漸成熟,促進產品應用

 

SiC纖維能夠編織成織物,也可以與金屬、樹脂、陶瓷等進行複合製備成復材,在航空航天等多個領域應用潛力大。SiC纖維直徑細,韌性好,易於編織成平紋、斜紋、菱形、透孔等平面織物,也可以通過2.5D、三維編織成各種規格平板、工字梁、T型梁、管材、棒材、纖維繩以及其他變截面立體織物等,還可以製成各種規格的SiC纖維氈。另外,還可以通過與樹脂、金屬、陶瓷進行複合製成復材。具體來看,SiC纖維增強金屬基複合材料可以代替金屬材料達到輕質高強的效果,例如,纖維體積含量為30%的SiC纖維增強Al基複合材料,彎曲強度和拉伸強度較高,同時減重40%,可用於製造飛彈的尾翼炮管等;SiC纖維與環氧樹脂組成的複合材料與碳纖維相比具有較高的壓縮強度和衝擊強度,以及優異的耐磨損性,還具有優異的電性能,可使其廣泛應用於雷達天線罩和飛行器的結構材料以及各種結構吸波材料。SiC纖維增強陶瓷基複合材料主要應用於火箭和飛機噴氣發動機的耐熱部件、太空梭的隔熱瓦等。

 

連續SiC纖維增強碳化矽陶瓷基複合材料(SiCf/SiC)製備技術已經趨於成熟,部分技術成果已經成功應用到航空發動機熱端部件上。SiCf/SiC常用的製備技術主要包括化學氣相滲透法(CVI)、聚合物浸漬裂解工藝(PIP)、熔體浸滲工藝(MI)等,其中MI工藝優勢明顯,是SiCf/SiC複合材料低成本、工程化技術較為理想的選擇。

國外SiCf/SiC複合材料製備技術較為成熟,國內也已突破相關工藝。日本是開展PCS和連續SiC纖維研究最早的國家,其PIP製備工藝優勢顯著;德國和美國利用MI技術實現了SiCf/SiC複合材料構件的批量化生產;法國以CVI技術為主,技術水平國際領先。中航工業復材中心和西北工業大學分別採用PIP工藝和CVI工藝進行SiCf/SiC複合材料的研製,上海矽酸鹽所和中南大學在MI工藝方面取得了顯著的技術突破,總體來看,目前我國已經具備構件研製和小批量生產能力,但在產業化方面與西方發達國家尚存在明顯差距。

 

4.6、目前主要用於製備高溫結構復材、高溫隱身材料和先進核能材料

 

美日等國已在高端裝備中開始使用SiC纖維及SiC纖維增強複合材料,主要應用於製備高溫結構復材、高溫隱身材料和先進核能材料。日本與美國已經實現高性能連續SiC纖維的工業化生產,並應用於航空/航天發動機燃燒室、噴口導流葉片、渦輪葉片、渦輪殼環、尾噴管,空天飛行器機翼前緣、舵面,高超音速武器推進系統以及核燃料包殼管等部位。

SiC纖維製備的高溫結構材料主要用於航空航天領域,包括發動機的熱端部件(主要用於燃燒室和渦輪)及飛行器的熱防護系統等。航空發動機要求提高推重比和降低燃料消耗,根本措施是提高渦輪進口溫度和降低結構重量,這就要求將航空發動機高溫結構材料從高溫合金、單晶向陶瓷基複合材料轉變。在高溫環境下,SiCf/SiC複合材料不僅能保持優異的比強度,還可以減輕渦輪葉片重量,減少冷卻裝置,且與高溫合金葉片相比,具有更強的耐熱腐蝕能力,對提升航空發動機推重比具有重要意義,GE公司和P&W公司使用SiCf/SiC復材製備燃燒室襯套,在1200℃環境下工作時間可以超過10000小時;GE航空開發出SiCf/SiC復材燃燒室火焰筒,能在1200℃環境下工作9000小時以上;GE和R-R公司聯合為F-35戰鬥機研製的F-136發動機採用了SiCf/SiC複合材料第三極低壓渦輪導向葉片,目前已有10萬小時以上的測試記錄。

2015年2月10日,美國GE公司在F414渦扇發動機驗證機上成功驗證了世界首個旋轉低壓渦輪構件,為SiCf/SiC復材在航空發動機和燃氣輪機上的應用指明了方向。2015年6月16日,法國賽峰集團設計的陶瓷基複合材料尾噴管搭載CFM56-5B發動機完成了首次商業飛行,通過適航認證,標誌著航空發動機高溫部件採用SiCf/SiC合材料的時代來臨。

 

熱防護方面,日本以SiCf/SiC復材作為空天飛機HOPE-X的平面翼板及前沿曲面翼板等熱保護系統;法國以SiCf/SiC復材作為空天飛機HERMES的蓋板隔熱層;洛馬公司採用SiCf/SiC復材開發出來的耐熱瓦已有3萬餘塊用於美國哥倫比亞號太空梭上,應用效果良好,自1981年以來哥倫比亞號共成功執行任務近30次。

 

SiC纖維具有半導體特性,是雷達波吸收的重要材料,同時具有高溫抗氧化性,適合用作高溫隱身材料,可用於製造隱身飛機和巡航飛彈的頭錐、尾翼、魚鱗板及尾噴管等。如法國「幻影2000」戰鬥機的M53發動機魚鱗板內側及尾噴管,美國洛馬公司生產的F-22隱身戰機的四個直角尾翼。

連續SiC纖維因其良好的輻照穩定性,被認為在先進核能領域也具有廣闊的應用前景,目前SiC基SiC纖維複合材料(SiCf/SiC)在核聚變反應堆的設計中己被採用,主要是用在包層的第一壁、流道插件、控制棒以及偏濾器等部件上。如日本的DRREAM和A-SSTR2包層概念設計選用SiCf/SiC複合材料作為第一壁/包層結構材料;歐盟的PPCS-C的包層概念設計採用SiCf/SiC複合材料製造流道插件;美國的ARIES-AT的偏濾器設計中採取SiCf/SiC複合材料作為結構材料。

4.7、國產纖維量產及復材製備技術逐漸成熟,有望開啟下遊廣闊市場空間

 

國產纖維的量產及復材製備技術的逐步成熟,有望帶動下遊應用的快速增長。目前第三代SiC纖維的性能已基本滿足實際應用的需要,以第三代SiC纖維作為增強體的陶瓷基複合材料(CMC)研究已經廣泛展開,不僅可應用於航空航天發動機的耐熱部件、可重複使用運載器的熱防護材料系統和高超音速武器推進系統等,在核能、高速剎車片、燃氣輪機熱端部件、高溫氣體過濾和熱交換器等領域也有廣泛的應用潛力。隨著第一代、第二代、第三代SiC纖維的量產,以及復材製備技術的逐步成熟,未來有望帶動航空、航天、核電等下遊應用的快速增長。

 

我國已開展發動機用SiC纖維復材研究,實現了發動機的減重。據2017年7月1號《解放軍報》報導,某民企採用連續碳化矽纖維材料製作某型號發動機噴口調節片,將耐高溫性能提高了150度,重量減輕了8公斤。我們認為,未來伴隨著國產發動機的批產上量,以及新一代戰鬥機的研製推進,對SiC纖維及其復材的需求將會逐步提升

5. 石英纖維:航空航天產業發展,帶動需求快速上升 

石英纖維是指二氧化矽含量達99.95%以上,絲徑在1~15微米的特種玻璃纖維,具有較高的耐熱性,能長期在1050℃以下使用,短期最高使用溫度達1200℃,軟化溫度為1700℃,耐溫性僅次於碳纖維。石英纖維有著卓越的電絕緣性,並且介電性能隨著溫度變化較小。石英纖維在高頻和700℃以下工作區域內,能保持最低而穩定的介電常數和介電損耗。這些優異的性能使之成為多種航空、航天飛行器關鍵部位的結構增強、透波、隔熱材料。

 

生產連續石英纖維的方法主要有三種:棒拉絲法、熔融拉絲法和溶膠凝膠法,其中工業生產主要以棒拉絲法為主。棒拉絲法一般是由純的天然水晶提煉加工成熔融石英玻璃棒拉制而成。拉制完成後製備成不同的石英產品,如無捻粗紗、有捻紗(包括單股和合股紗)、纖維布、纖維套管、短切纖維、纖維棉、纖維氈和纖維磚等。

5.1、石英纖維主要用作雷達罩透波及太空飛行器隔熱材料

 

(1)石英纖維是高性能機載雷達罩常用的增強纖維之一

 

機載雷達的發展使其天線罩對力學性能和透波性能要求越來越高,而決定此兩種性能的主要因素是製備天線罩用的複合材料。機載雷達天線罩的主要功能有:保證雷達天線系統工作不受環境幹擾,避免雷達天線在惡劣飛行環境中受到損壞;透過電磁波;改善飛機氣動外形。天線罩用的複合材料對天線罩的力學性能和透波性能影響較大,復材的彎曲性能和抗衝擊性能越好,機載雷達天線罩承載空氣載荷的能力越強,抵抗飛行過程中異物衝擊的能力越好;復材的介電常數(ε)和介電損耗角正切值(tanδ)越低,其介電性能越好,雷達罩的透波性能越好。

石英纖維透波性能較好,適用於高性能機載雷達罩,在美國F-15、F-22等戰鬥機中獲得了應用。機載雷達天線罩常用的增強纖維包括普通玻璃纖維、石英纖維、高矽氧玻璃纖維等。其中玻璃纖維增強樹脂基複合材料是實際生產中最廣泛應用的雷達罩材料,其應用頻段主要10GHz範圍內,對於高頻天線罩(10-20GHz),因其發射頻率高,波長短,造成天線罩透波損耗大。石英纖維的介電性能比普通玻璃纖維更加優越,ε值和tanδ值在玻璃纖維體系中最低,且在較寬頻帶範圍內基本不變化,因此可實現天線罩的寬頻透波性,雖然價格較高,目前國外先進雷達罩大多已採用石英纖維作為增強材料。

(2)石英纖維在飛彈天線罩中應用廣泛,國內外仍在不斷改進提升

 

與飛機天線罩類似,飛彈天線罩的功能是確保彈載雷達導引頭在飛行過程中的正常工作,天線罩材料需要滿足飛彈力學性能、介電性能、抗熱震、抗雨蝕、壽命、工藝等要求。連續纖維增強陶瓷基複合材料由於既能從本質上克服陶瓷材料的脆性,又能保留陶瓷基體材料強度高、熱膨脹係數小和熱穩定性好等優點,成為近年來製備高馬赫數飛彈天線罩的主要材料體系之一,使用的陶瓷纖維主要包括玻璃纖維、石英纖維、氮化硼(BN)纖維、氮化矽(Si3N4)纖維等。

 

石英纖維是國外高馬赫數飛彈天線罩最常用的耐高溫透波陶瓷纖維,但仍有性能限制,國內外均在不斷改進。S玻纖、D玻纖及高矽氧玻纖等玻璃纖維是使用最早的飛彈天線罩增強材料,但這些普通玻纖受密度與耐溫性的限制,難以滿足製備高馬赫數飛彈天線罩的需求。石英纖維綜合性能優良,是高馬赫數飛彈天線罩透波材料的理想增強體,應用較為廣泛,但當溫度達到900℃時,石英纖維會發生析晶現象,強度迅速下降,大大影響複合材料的力學性能,當溫度達到1200℃時,其增強作用基本消失殆盡,這嚴重限制了石英纖維的應用範圍。國內外均在不斷進行材料的改進,例如美國Philco-Ford公司和GE公司製備出三維多向石英纖維織物增強的石英基複合材料,表面熔融溫度可達1735℃,應用於美國「三叉戟」飛彈;俄羅斯研發了石英纖維增強磷酸鹽基的複合材料,在溫度高達1800℃的條件下也能維持較為優良的性能,已運用在各類巡航飛彈、戰術型、反導型飛彈及太空梭上。

 

石英纖維是目前國內最主要的用於中高馬赫飛彈天線罩的透波增強纖維。針對中、遠程地地戰術和戰略飛彈天線罩需求,國內多家單位也成功研製了石英纖維織物及復材,如北京玻璃鋼研究設計院研究了石英玻璃布增強磷酸鹽複合材料,可用於使用溫度在1200℃以下的天線罩;國內研發的三維石英纖維增強石英基復材已經在航空航天領域的某些型號上得到實踐應用。石英纖維是目前國內最主要的用於中高馬赫飛彈天線罩的透波增強纖維,但隨著中遠程精確制導飛彈的發展,飛彈的飛行時間進一步增加,再入速度可高達20馬赫以上,這使得飛彈天線罩的工作溫度急劇上升,石英纖維難以滿足這種工況,因此,國內也在研發Si3N4纖維、BN纖維、SiNO纖維和SiBN纖維等其他類型耐高溫透波陶瓷纖維。

 

(3)石英纖維可應用於太空飛行器作為熱防護材料

 

陶瓷纖維剛性隔熱瓦是美國太空梭最主要的熱防護材料,在X-37、X-51等新型高超聲速飛行器中也有應用。陶瓷纖維剛性隔熱瓦孔隙率高,容重低,在高溫下具有穩定的形狀和一定的強度,同時具有優良的輻射散熱、隔熱、抗衝刷和保持氣動外形的作用,是目前美國太空梭最主要的熱防護材料之一,應用面積佔太空梭總熱防護表面的68%,世界上第一架太空梭「哥倫比亞」號表面貼了24300塊陶瓷纖維隔熱瓦。近年,X-37、X-51等高超音速飛行器的熱防護系統也應用了陶瓷纖維剛性隔熱瓦。

剛性隔熱瓦發展至今已有4代,石英纖維均是重要的增強纖維。美國陶瓷纖維剛性隔熱瓦的研製工作始於20世紀60年代,Lockheed公司於1972年研製出了採用石英纖維作為增強纖維的第一代陶瓷纖維隔熱瓦,並於1975年擴大生產。美國陶瓷纖維剛性隔熱瓦發展至今大致經歷了四代,耐熱能力不斷提升,其中均用到了大量的石英纖維作為增強材料,主要是由於石英纖維能在高溫下熔化吸收熱量,並進一步利用熔融的液態層來阻擋熱流,是熔化型燒蝕防熱材料的典型代表。

5.2、菲利華是國內唯一的石英纖維規模化生產企業

 

菲利華是國內最早開始生產石英纖維的企業,也是目前國內唯一能規模化生產石英纖維的企業。石英纖維的生產最初源於法國,之後美日英俄等國也形成了規模化的生產。2002年以前,我國石英纖維主要是紗線和短切絲等,僅有菲利華一家公司生產平紋石英布,高性能石英布只能依賴於從法國、俄羅斯等國進口,受制約較多,很難滿足項目進度要求。菲利華從2002年開始研製生產高性能石英布,經過幾年努力開發出多個牌號如QW220、QW280和QW120等高性能石英布,產品性能優良、質量穩定,並能滿足技術要求,已應用於多種軍工產品上。目前,在國內能規模化生產石英玻璃纖維的公司只有菲利華,公司在石英纖維方向的產品主要包括石英纖維紗、超細石英纖維絲、定長石英纖維絲、石英纖維棉、石英纖維布、石英纖維套管、三維紡織預製件等。

5.3、航空航天產業發展,有望帶動石英纖維需求提升

 

中遠程戰略戰術彈道飛彈是火箭軍的主要作戰裝備,防空反導系統是空軍防空兵以及海軍防空型艦艇的主要武器;巡航飛彈則橫跨火箭軍、空軍和海軍三個軍種。我們認為,在陸、海、空、火箭軍等下遊軍種需求刺激下,未來飛彈需求量大。未來火箭軍將圍繞「核常兼備、全域懾戰」的戰略要求,積極加強中遠程精確打擊力量建設,增強戰略制衡能力,飛彈防務裝備有望保持穩健快速的增長態勢。石英纖維在飛彈天線罩和殼體中都能取得應用,未來需求增長潛力大。

 

如前文所述,目前我國軍機技術成熟,需求旺盛,已經進入批產拐點,石英纖維是軍機雷達罩常用的纖維材料,伴隨著軍機的批產上量,對石英纖維的需求也將快速增長。

 

6.1、菲利華:專注高端石英,半導體及軍工下遊需求增長潛力大

 

國內石英材料及石英纖維製造龍頭企業。菲利華主要從事半導體、光學、光通訊、航空航天及其他領域用高性能石英、石英纖維業務。在光通訊領域,在石英棒、石英管等方面已成為藤倉(中國)、住友電氣、日本青巒等具備較強實力企業的主要供應商,同時也與國內前幾名光纖光纜大廠亨通光電、長飛光纖等保持長期合作關係;在半導體領域,公司半導體產品進入國際主流供應商序列,是國際第五家、國內第一家獲得國際主要半導體設備製造商認證的企業,主要客戶為杭州大和熱磁電子、杭州泰古諾石英、廣東昭信半導體等;在航空航天領域,公司是該領域唯一的石英纖維供應商。

半導體產品進入主流供應商序列,光學新品有望成新盈利點。菲利華半導體石英錠2011年通過東京電子認證,是國內首家半導體材料通過國際主設備商認證的企業,供應用於半導體蝕刻環節的石英材料。目前,公司已通過美國應用材料公司AMAT及LamResearch的認證的石英材料規格達20種。下遊客戶認證周期長,市場準入壁壘高,保障公司產品後續持續有序成長。2015年顯示屏用光掩膜基板開始放量,公司是國內首家具備生產8代大尺寸光掩膜基板的生產企業,目前已形成從4.5代到8代的完整產業鏈,產品應用於TFT-LCD、OLED顯示屏,我們預計未來將受益於顯示屏大屏化、以及OLED滲透率提升。

 

光纖預製棒產能向國內轉移,帶來上遊元器件更多機會。公司與國內前幾名光纖光纜大廠保持長期合作關係,我們預計未來有望增加供應更多高端產品。目前我國預製棒套管仍主要依賴於進口。我們認為隨著光纖預製棒產能向國內遷移,公司憑藉強大的產品研發實力,未來有望增加對下遊客戶的開發力度,填補光纖預製棒套管的空白。

 

石英纖維及復材業務有望受益於下遊航空航天產業發展。石英纖維全球僅有少數幾家公司能生產,公司是國內唯一石英纖維規模生產企業。石英纖維業務盈利能力強,伴隨著下遊航空航天產業的發展,公司有望顯著受益。另外公司將發展大口徑高精度光學元件,特別是釹玻璃加工、600幹涉儀標準鏡及防濺射玻璃等,我們預計公司產品有望應用到國家核聚變「神光計劃」,成為高端雷射元器件供應商。

 

擴建自動化產能,加大高端應用布局。公司的募投項目「電子信息產品用石英材料及製品生產建設項目」已於2016年11月在潛江投產運營,新工廠新增200噸/年的合成石英錠產能,主要用於光掩膜基板、精密光學用製品的生產;新增2400噸/年天然料石英錠產能,主要用於半導體、太陽能用石英錠、石英筒、石英管、石英板片環等製品的生產。潛江新工廠率先應用智慧工廠標準建設,使用RFID、ERP、CRM系統,實現石英材料自動化、智能化製造,有效控制成本。

6.2、光威復材:民族之光引領碳纖產業發展,軍民兩端應用前景廣闊

 

軍用碳纖維行業領軍企業,產品在軍民兩端應用廣泛。光威集團從1999年即開始碳纖維研究,是國內最早開展碳纖維研製的企業之一,經過20年的發展目前已成為碳纖維行業領軍企業,被師昌緒院士譽為「民族之光」,並親筆題詞「發揚威海精神,創建中國碳纖維基地」。光威復材擁有從原絲開始的碳纖維、織物、樹脂、高性能預浸材料、複合材料製品的完整產業鏈,並具備核心設備研製能力,產品已經應用於航空、航天、艦船、風電、體育等領域。2018年12月20日,公司獲得第一屆「師昌緒新材料技術獎」,成為全國獲得該獎項的3家單位之一。


下遊軍工裝備列裝持續增長,且新一代武器裝備碳纖維應用較老裝備大幅提升,帶動軍用碳纖維需求快速增長。根據裝備建設五年規劃前低後高的規律,十三五後期軍工裝備生產及列裝有望繼續增長,且過去兩年受軍改和改革落地慢影響,軍工下遊裝備批產及列裝不及預期,我們認為未來兩年下遊軍工裝備可能會有補償性增長。另外,新一代武器裝備的碳纖維及復材用量也高於老裝備,如四代機復材佔結構件比例已達20%,比三代機高一倍,這批新裝備的批產上量有望帶動國產碳纖維需求的大幅提升。據公司公告,公司T300級碳纖維已在航空航天大量應用十餘年,是型號用國產碳纖維的主供應商;T800H項目已具備批量生產能力,並開始在部分型號上小批量供貨;CCF700G級碳纖維具備了該級別碳纖維在涉軍裝備上進行設計應用的基礎條件。我們認為,伴隨著航空航天等高端軍工裝備產業的發展,公司作為軍用碳纖維龍頭,有望充分受益

 

碳纖維民用前景廣闊,目前公司碳纖維產品已經在風電領域取得規模應用,且大絲束項目已經實現小批量生產,未來民品業務有望保持高速增長。除了軍用領域,碳纖維在工業領域和體育休閒用品領域也有廣闊的應用前景。目前公司已與風電巨頭Vestas籤訂合作諒解備忘錄,將與Vestas共同推動碳纖維在碳梁產品上的應用和推廣,2017年公司已經開始在全球範圍內批量供貨,供貨值達2.6億元,成為Vestas碳梁最主要供應商。另外,據公司公告,公司24K大絲束項目實現小批量生產,產品性能與國外同級別產品水平相當,並通過驗證成為風電碳梁項目的合格供應商。大絲束碳纖維成本顯著低於小絲束碳纖維,公司24K大絲束碳纖維的批產,有助於提升公司在民用領域的競爭力,未來公司民用碳纖維業務有望保持高速增長。

6.3、中簡科技:軍用ZT7碳纖維核心供應商,積極開發其他類型碳纖維

 

中簡科技是國內軍用ZT7系列碳纖維唯一批量穩定供應商。中簡科技具備高強型ZT7系列(高於T700級)、ZT8系列(T800級)、ZT9系列(T1000/T1100級)和高模型ZM40J(M40J級)石墨纖維工程產業化能力,並已成為國內航空航天領域ZT7系列碳纖維產品的批量穩定供應商,公司的ZT7系列碳纖維產品打破了發達國家對宇航級碳纖維的技術裝備封鎖,各項技術指標達到國際同類型產品先進水平,經過嚴格的產品驗證,已被批量穩定應用於我國航空航天八大型號。目前中簡科技正在IPO排隊中。

ZT7系列碳纖維是公司主要收入來源,公司業務中軍品佔比較高,毛利率較高。據公司2017年發布的招股說明書,公司擁有一條150噸/年(12K)或50噸/年(3K)高性能碳纖維生產線,主要用於批量生產ZT7系列碳纖維和研發新產品。ZT7 系列碳纖維力學性能介於日本東麗 T700 級與美國 IM7 之間,拉伸模量高於東麗 T700 級碳纖維,綜合性能優於日本東麗 T700S 級碳纖維。2016年公司銷售收入1.5億元,其中軍品銷售收入佔比達99.74%,產品毛利率達67.85%。

 

公司正在積極開發其他類型碳纖維。據公司公告,公司以ZT7系列碳纖維研發為切入點,開展以T800級、T1000級、T1100級碳纖維為代表的高強型碳纖維和M40J、M55J、M60J為代表的高模高強碳纖維的研發工作,ZT8系列碳纖維率先通過科技部的評價,性能達到T800級碳纖維;ZT9系列碳纖維已通過北京航空航天大學的檢測,性能相當於T1000級碳纖維,拉伸模量超過T1100級碳纖維;M55J和M60J高強高模碳纖維已突破了製備技術,目前正在進行工程規模化轉化。

6.4、火炬電子:軍用MLCC核心供應商,布局新材助騰飛

 

火炬電子深耕陶瓷電容器多年,是軍用MLCC核心供應商。受益於下遊軍工產業發展及民用MLCC供不應求,公司傳統電容業務增長顯著。公司2016年推出火炬牌鉭電容器,在軍民兩端大力推廣,預計將會進一步提升公司盈利水平。公司通過合作研發掌握了CASAS-300材料產業化技術,並開始了產業化項目建設,設計產能10噸/年,目前已實現5噸/年。

立足軍民用MLCC主業,外延拓展新型電容產品。電容器業務是公司自成立以來的主要業務,包括代理和自產兩部分。2017年以來,由於日韓MLCC大廠產能向高端產品轉移,常規MLCC供給收縮,同時MLCC原材料價格也在上漲,導致MLCC售價不斷攀升,使得公司代理業務及自產民品業務較為受益。軍用MLCC市場格局較穩定,公司是軍用MLCC核心供應商,將充分受益於軍工產業大發展。此外公司還在積極布局鉭電容器、超級電容器和脈衝功率陶瓷電容等系列產品,目前公司正在軍民兩個市場大力推廣鉭電容器,未來有望形成新的利潤增長點。

 

陶瓷材料生產穩步推進,前三季度合同及項目收入合計3669萬元。CASAS-300特種陶瓷材料性能優異,具有低密度、高溫抗氧化、耐腐蝕、低熱膨脹係數、低蠕變等優點,可用於航空、航天、核電等多個領域,但該材料生產難度高,目前僅少數發達國家能夠產業化生產,國內該材料的產業化能力較差。公司於2016年開始產業化項目建設,2017年完成5噸/年的產能建設,並實現648萬元銷售收入。據公司三季報,公司前三季度陶瓷新材料主營業務收入達1728萬元,項目收入達1941萬元。該材料售價昂貴,據公司公告約5萬至6萬元/kg,未來隨著下遊需求的增長以及產能的逐步釋放,將會顯著增強公司競爭力和盈利能力。

6.5、隆華科技:業務轉型升級,外延布局軍工復材

 

二次騰飛戰略指引下,傳統主業企穩回升,新材料業務有望逐步放量。公司從2015年開始提出「業務全面轉型、實現二次騰飛」中長期發展戰略,目標是轉型發展為高科技產業集團,目前各板塊業務發展良好。傳統換熱業務受下遊低迷影響在2016-2017年連續虧損,公司主動調整,2018年有望企穩回升;環保業務領域近年始終發展穩定;靶材領域,公司的產品已經用於進口替代進入批量供貨期,我們認為未來隨著下遊需求提升、擴產產能釋放業績將會逐步提升;軍工材料領域,公司的產品在多型裝備中獲得應用,未來也將受益於軍工產業發展。

靶材業務:顯示靶材領先啟航,階梯式分布助成長。公司在靶材領域業務主要由四豐電子和晶聯光電承擔,分別從事TFT顯示用鉬靶材和ITO靶材研製生產。四豐電子鉬靶材產品已成功進入京東方多條線的批量供應。晶聯光電於2017年先後通過多條TFT面板線的測試認證並實現批量供貨,開創了ITO靶材的國產化歷史。下遊TFT-LED顯示企業積極擴產,對靶材的需求將會越來越大,公司也在不同產品線上都有著穩定的擴產計劃,未來投產後有望增厚業績。

 

軍工業務:外延布局軍工復材,開啟軍民融合廣闊空間。公司在軍工領域業務主要由湖南兆恆和鹹寧海威承擔,其中兆恆主要產品為PMI泡沫,目前是國內唯一為多型軍用飛機、雷達裝備提供PMI材料的合格供應商;海威主要生產艦船復材,已為多種艦船和海洋裝備提供輕質結構功能一體化復材產品。隨著下遊軍工行業發展,未來對PMI泡沫材料和艦船復材的需求有望不斷增加,兆恆與海威位處行業前列有望持續受益。公司還在民用領域大力推廣公司產品,未來有望開啟廣闊軍民融合空間。

 

傳統業務:加強管理轉變理念,傳統業務穩步發展。公司傳統業務包括傳熱節能業務及環保水處理業務。公司通過主動轉變經營理念與模式、產品與市場結構,傳熱節能板塊業務開始企穩回升,上半年傳熱業務收入和毛利率都有較大幅度提升。環保業務近年發展穩定,未來公司將繼續在工業和市政環保市場精耕細作,突出風險管理,保證在建和運營項目的邊際效益最大化。2018年10月,公司中標阜陽市潁泉區鄉鎮汙水處理及水環境治理PPP項目,金額達10.76億元。

6.6、楚江新材:銅加工龍頭,積極布局高端裝備和軍工材料

 

銅加工龍頭,產能穩步擴張,優化產品結構,提高附加值。楚江新材是我國銅加工龍頭,銅板帶材和銅合金線產能國內第一。公司基礎金屬產品具有小批量、多品種、個性化、交貨快等特點,17年實現高精度銅合金板帶材產量16.84萬噸,國內市場佔9.65%,國內產量第一;廢雜銅使用佔比屬國內最高水平(約70-80%)。17年優化產品結構,在穩定電工材料、連接器、電子電器、服裝輔料、五金工具等傳統行業的基礎上,向消費電子、新能源、LED、高鐵護套、汽車連接器等新興行業拓展。未來公司將通過技改和銅板帶產能擴張、實施行業內整合,擴大銷量,同時優化客戶結構提高附加值,夯實銅加工業務,擴大領先優勢。

 

依託頂立科技裝備製造和材料工藝優勢,發展高端裝備和軍工材料。頂立科技是國內30立方米熱工裝備唯一供應商,已成為航天航空和軍工客戶的核心供應商。在穩定已有熱工裝備基礎上,公司充分發揮在高端熱工裝備製造技術與新材料製造工藝的優勢,積極布局軍工材料,是國內唯一具有碳及碳化矽複合材料裝備、高端真空熱處理、粉末冶金裝備且均保持行業領先的高端熱工裝備龍頭,並逐步向高溫合金、特種功能材料、再製造材料等複合材料延伸。重點研發軍品配套項目高純石墨、碳碳複合材料,與運載火箭研究院合作的國家智能製造專項,實施納米鎢基材料產業化和碳纖維複合材料熱工裝備等項目,16年公司建成金屬3D列印粉體生產線,用於航天結構件、承重件、航空發動機高溫合金渦輪盤等軍工領域,並且顆粒細粉率、緻密度等性能均已達到國際領先水平,獲得客戶認可。

 

擬收購江蘇天鳥,進軍纖維編織件製造。2018年8月,公司發布公告擬收購江蘇天鳥,目前證監會已經正式受理申請。江蘇天鳥主要從事高性能碳纖維織物、芳綸纖維織物、飛機碳剎車預製件、航天用碳/碳複合材料預製件等製備,是國際航空器材承制方的A類供應商。2017、2018H1分別實現淨利潤0.39、0.25億元,並承諾18-21年扣非淨利潤不低於0.6、0.8、1.0、1.1億元。收購後公司旗下高端熱工裝備及新材料研發製造子公司頂立科技和天鳥有望實現資金、技術和客戶資源的優勢互補。

6.7、中航高科:航空復材與高端製造雙輪驅動,軍民融合前景廣闊

 

中航高科前身為南通科技,南通科技原有業務為工具機生產銷售和房地產開發,2014年公司通過股權劃轉、資產出售、購買資產及募集配套資金的一系列交易,剝離從事熱加工的通能精機,同時收購中航復材、優材京航和優材百慕100%股權,將主營業務延伸至了航空新材料領域。重組完成後,公司控股股東為中航高科技,實際控制人為中航工業。公司已發布2018年業績預告,預計2018年歸母淨利潤為3.09億元左右,同比增加270%左右

 

依託中航復材,軍民用航空復材製造業務前景廣闊。中航復材是中航工業集團下屬唯一專門從事復材研製生產的企業,主要向西飛、成飛、沈飛等中航工業各航空整機製造廠提供複合材料用樹脂基體及其預浸料、蜂窩等產品。公司在航空級別的NORMEX蜂窩、航空高性能樹脂、航空高性能預浸料及其複合材料等市場均具有較高的市場份額,並且在民機、汽車、高鐵等民用複合材料構件領域具有良好的發展前景。從已發布的業績預告來看,2018年公司航空復材業務收入呈現穩定增長態勢,淨利潤同比增加約5100萬元。

 

傳統工具機業務正在轉型升級,瞄準高端裝備,房地產業務非公司主業,未來將有序退出。工具機業務是公司傳統業務,也是近年主要的虧損源。公司工具機業務目前正在轉型升級,目標是成為中航工業機器人和智能製造平臺。2015年底公司與中航工業製造所合作,2016年公司組建了航智科技,旨在將原有工具機業務改造升級為數控工具機及航空專用裝備業務,明確定位高技術、高端裝備、高附加值。房地產業務也是公司傳統業務,未來將逐步退出。從已經發布的業績預告來來,工具機業務2018年同比減虧約4600萬元;房地產業務2018年收入規模收窄,公司通過加強管理提升,淨利潤同比增加約1400萬元。

風險提示:

軍費增長不達預期風險

軍工行業與軍費景氣度密切相關,也與國家軍事戰略及國際形勢相關,國際環境和軍費增長低於預期均可能直接或間接對裝備需求造成不利影響。

 

改革進度不達預期風險

軍工復材產業的發展受國家政策、行業發展政策的影響,相關政策的進度不達預期對軍工復材產業上下遊公司的生產、銷售和回款可能會產生影響。

 

武器裝備研製進度不達預期風險

軍工復材行業屬於軍工行業的上遊,如果武器裝備研製進度不達預期,將對軍工復材產業鏈相關公司業績產生不利影響。

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