航空材料既是研制生產航空產品的物質保障，又是航空產品更新換代的技術基礎。材料在航空工業及航空產品的發展中占有極其重要的地位和作用。進入21世紀，航空材料正朝著高性能化、高功能化、多功能化、結構功能一體化、復合化、智能化、低成本以及與環境相容化的方向發展。

　　1. 機身材料：輕質化、高強度

　　戰斗機的高空、高速和高機動能力要求飛機的結構選材必須保證足夠的使用強度、剛度要求。根據《先進戰斗機結構選材與制造工藝需求分析》（李航航等，2004年10月，高能束流加工技術國際研討會），90年代后期出現了以美國F-22戰斗機為代表的第四代戰斗機，飛機結構采用翼身融合體結構、菱形機翼、外傾式雙垂尾和大邊條翼等；飛機結構材料雖然仍以金屬材料為主，傳統的鋼材和鋁合金材料的用量比例已經降低，總和不到20％。鈦合金和復合材料用量均大大超過這一比例。F-22飛機這樣選材的主要原因，一是為了減輕結構重量；二是為了滿足高溫條件下的結構使用強度要求；三是實現飛機結構的隱身要求等，該飛機的結構重量系數降到了27.8％。

　　材料具有較高的比強度和比剛度，就意味著同樣質量的材料具有更大的承受有效載荷的能力，即可增加運載能力。結構重量的減少意味著可多帶燃油或其他有效載荷，不僅可以增加飛行距離，而且可以提高單位結構重量的效費比。

　　不僅在軍機領域，復合材料與鈦合金在民機的不斷迭代中也扮演重要角色。根據《從A350XWB看大型客機的選材方向》（陳亞莉，2009年2月，航空制造技術），在空客（AIRFP）與波音（BAUS）的客機中，復合材料與鈦合金機體質量分數占比約為50%與15%。以飛機制造商空客為例，在A350XWB大型民機中，復合材料的用量提升快，在機身、機翼與尾翼上均有大量應用，全機結構質量分數為53%，相比上一代民機A380大幅提升31pct；同時，鈦合金結構質量分數為14%，相比A380提升4pct。

　　2. 發動機材料：耐高溫為主要發展方向

　　熱力學第二定律指出所有熱機的熱效率均有一個上限值。熱效率的上限和熱機輸入熱的溫度（熱源溫度）及熱機的環境溫度（冷源溫度）有關。我們可以用卡諾循環來表示理想的熱機循環熱效率。

　　在卡諾循環中，當吸熱量為Q1,放熱量為Q2時，循環所作凈功為W0=Q1-Q2，根據卡諾循環的熱熵曲線可得卡諾循環的熱效率為：η=1-T2/T1，由此可以看出，熱機的輸入熱源溫度T1越高，熱機工作效率越高。因此，動力領域對工作溫度要求的提升將帶動相關材料的升級換代。

　　航空發動機渦輪入口溫度需要不斷提高。噴口溫度從1300K提升到1610K時，渦輪輸出效率可從46.40%提升到51.60%。這要求發動機材料的升級換代，同時原來那些可以使用合金鋼的零件，如壓氣機盤和葉片等，也需要使用高溫合金。

　　軍用航空發動機歷經五代，推重比不斷提升，高溫合金、陶瓷基復材是核心材料。代渦扇發動機出現在20世紀50年代，以英國的康維發動機、美國的JT3D發動機為代表，推重比在2左右；第二代渦扇發動機出現在20世紀60年代，以英國的斯貝MK202和美國的TF30發動機為代表，推重比在5左右；第三代渦扇發動機出現在20世紀70-80年代，以美國的F100、歐洲的RB199和蘇聯的AL-31F發動機為代表，推重比在8左右；第四代渦扇發動機出現在20世紀90年代，以美國的F119和歐洲的EJ200發動機為代表，推重比在10以上；第五代渦扇發動機出現在21世紀初，以美國的F135和英、美聯合研制的F136發動機為代表，推重比為12-13。未來航空發動機推重比將不斷提高，美國已經開啟第6代航空發動機的研發，預計推重比將達到16-18。

　　3.民用市場：亞太地區需求強勁，C919放量在即

　　客機市場空間廣闊，及亞太地區交付預計快速增長。

　　根據商飛公司市場預測年報（2020-2039），2019年噴氣式機隊共有客機共23856架。從歷史交付量而言，以空客為主的歐洲市場和以波音為主的北美市場占總市場的份額較大，分別占比總份額的20.27%和27.99%。和亞太地區（除）分別占比16.62%和16.02%，已成為亞太地區接近半數以上的客機交付。預計2020-2039年及亞太地區將在民航領域快速發展，占據約41.6%的客機交付量。

　　據商飛預測，2020-2039年將有40664架新機交付，價值約5.96萬億美元，用于替代和支持機隊的發展。其中，渦扇支線客機交付量為4318架，價值約為0.23萬億美元；單通道噴氣客機交付量為29127架，其占交付總量三分之二以上，價值約為3.44萬億美元；雙通道噴氣客機交付量將達7219架，總價值約為2.30萬億美元。到2039年，預計客機機隊規模將達44400架，是現有機隊的1.86倍。

　　面對波音、空客公司高度占據市場既有格局，受益于本土較大需求空間，預計未來C919、ARJ21等機型將保持一定的追趕態勢。根據商飛公司市場預測年報（2020-2039），預計2020-2039年將累計交付8725架新機，其中雙通道客機占21.41%，共計1868架；單通道客機占比高達68.05%，共計5937架；余下10.54%為920架支線客機。2020-2039年，C919和ARJ21機型市場總規模達到7320億美元，幣超4萬億。

　　4.碳纖維：制造全環節技術壁壘高

　　航空航天核心材料，技術壁壘較高

　　碳纖維是由有機纖維（主要是聚丙烯腈纖維）經碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料纖維。碳纖維的含碳量在90%以上，具有強度高、比模量高（強度為鋼鐵的10倍，質量僅有鋁材的一半）、質量輕、耐腐蝕、耐疲勞、熱膨脹系數小、耐高低溫等優越性能，是軍民用重要基礎材料，應用于航空航天、體育、汽車、建筑及其結構補強等領域。相比傳統金屬材料，樹脂基碳纖維模量高于鈦合金等傳統工業材料，強度通過設計可達到高強鋼水平、明顯高于鈦合金，在性能和輕量化兩方面優勢都非常明顯。然而碳纖維成本也相對較高，雖然目前在航空航天等高精尖領域已部分取代傳統材料，但對力學性能要求相對不高的傳統行業則更看重經濟效益，傳統材料依然為主力軍。

　　碳纖維按不同的原材料分類，可以分為PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維或粘膠基碳纖維。PAN基碳纖維的原料來源豐富，且其抗拉強度其他二者優越，因此PAN基碳纖維應用領域廣。根據智研咨詢，2018年我國PAN基纖維產量份額占90%以上。瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維的用途較為窄、產量小。通用級瀝青碳纖維強度和模量較低，主要應用于保溫材料領域；高性能瀝青基碳纖維多用于航空航天的工程材料。粘膠基碳纖維主要用于制作耐燒蝕和隔熱材料。

　　現代碳纖維材料始于軍用，目前航空航天為重要應用領域?，F代的碳纖維是一種含碳量在90%以上的無機高分子纖維，具有良好的柔軟性，且縱軸方向的強度很高，具有超強的抗拉力，屬于新一代增強纖維，且碳纖維化學性質穩定，對高溫耐受能力強，不易被腐蝕，是大型整體化結構的理想材料。與常規材料相比，碳纖維復合材料可使飛機減重，并有能力克服金屬材料容易出現疲勞和被腐蝕的缺點。我國軍用碳纖維產業鏈企業主要有中航高科、光威復材、中簡科技等，其中中航高科偏下游，主要為航空復材產品；光威復材實現全產業鏈布局，為碳纖維產業龍頭；中簡科技布局偏上游，產品技術含量相對更高。

　　完整的碳纖維產業鏈包含從一次能源到終端應用的完整制造過程。從石油、煤炭、天然氣均可以得到丙烯，目前低油價形勢下，原油制丙烯的成本優；丙烯經氨氧化后得到丙烯腈，丙烯腈聚合和紡絲之后得到聚丙烯腈（PAN）原絲，再經過預氧化、低溫和高溫碳化后得到碳纖維，并可制成碳纖維織物和碳纖維預浸料，作為生產碳纖維復合材料的原材料；碳纖維經與樹脂、陶瓷等材料結合，形成碳纖維復合材料，后由各種成型工藝得到下游應用需要的終產品。

　　碳纖維制備過程中，質量過關的原絲是產業化的前提。碳纖維的強度顯著地依賴于原絲的致密性和微觀形態結構，質量過關的原絲是實現產業化的前提，是穩定生產的基礎。目前，比較常用的紡絲工藝是濕法紡絲、干濕法（干噴濕紡）紡絲。在致密性方面，干噴濕紡絲工藝是高性能碳纖維原絲的主流制備方法，且成本相比于濕法較低。據《PAN基碳纖維生產成本分析及控制措施》（馬祥林等，2015年7月，紡織導報），在同樣的紡絲裝備及能源消耗條件下，干濕法紡絲的綜合產量是濕法紡絲的2-8倍，PAN基碳纖維絲束的生產成本可降低75%。干噴濕紡中，紡絲液從噴絲孔噴出形成細流后，先經過一段空氣層（1-20厘米），再進入凝固浴，在凝固浴中完成固化，可實現高速紡絲，用于生產高性能的纖維，同時具有干法和濕法的優點。干噴濕紡也是當前國際碳纖維巨頭的主要紡絲方法，日本東麗（3402JP）的主流型號T700、T800、T1000碳纖維都是采用干噴濕紡制備而成。截止2019年，國內企業的碳纖維大部分仍采用濕法紡絲制備，頂尖龍頭已成功掌握干噴濕紡工藝。

　　碳纖維技術發展至今已經歷三代變遷，同時實現高的拉伸強度和彈性模量是目前碳纖維研制過程中的技術難點。近年來日美從兩條不同技術路徑在第三代碳纖維上取得技術突破，并有望在未來5-10年內實現工業化生產，對于提高戰機、武器的作戰能力意義重大。東麗利用傳統的PAN溶液紡絲技術使得碳纖維強度和彈性模量都得到大幅提升，通過精細控制碳化過程，在納米尺度上改善碳纖維的微結構，對碳化后纖維中石墨微晶取向、微晶尺寸、缺陷等進行控制。以當前東麗較為先進的碳纖維制品T1100G為例，T1100G的拉伸強度和彈性模量分別為6.6GPa和324GPa，比T800提高12%以及10%，正進入產業化階段。美國佐治亞理工學院從原絲制備工藝入手，利用創新的PAN基碳纖維凝膠紡絲技術，通過凝膠把聚合物聯結在一起，產生強勁的鏈內力和微晶取向的定向性，保證在高彈性模量所需的較大微晶尺寸情況下，仍具備高強度，從而將碳纖維拉伸強度提升至5.5～5.8GPa，拉伸彈性模量達354～375GPa。

　　軍用需求空間廣闊，下游市場以CFRP為主

　　碳纖維復合材料是指至少有一種增強材料是碳纖維的復合材料，其中常見的是樹脂基碳纖維復合材料（CFRP）。由于CFRP比強度、比彈性模量等機械性能，以及耐疲勞性、穩定性等相比傳統材料有明顯優勢，因此在很多領域內對金屬材料，尤其是輕質金屬材料形成競爭取代的局面。CFRP應用場景廣泛，在航空航天和體育休閑領域率先形成大規模市場，而隨著21世紀以來碳纖維及其復合材料制造成本不斷下降，在汽車制造、風力發電等領域應用比例在不斷提高。

　　根據《2019年碳纖維復合材料市場報告》公布的數據顯示，2019年碳纖維的總需求為37840噸，對比2018年的31000噸，同比增長了22%，其中，進口量為25840噸（占總需求的68%，比2018增長了17.5%），國產纖維供應量為12000噸（占總需求的31.7%，比2018年增長了33%），2019年的市場的總體情況供不應求，無論是進口還是國產纖維。

　　同時，在航空航天領域中，商用飛機需求貢獻大，2019年商用飛機所需碳纖維達到1.62萬噸，占比約70%。商用飛機碳纖維應用市場的影響因素主要有三個：一是波音737系列停飛停產，國際航空器市場形成巨大的不確定性；二是新的單通道飛機平臺，是否會同雙通道飛機B787、A350一樣，廣泛地使用碳纖維；三是數量是雙通道飛機10倍的單通道飛機，會采用何種復合材料工藝。

　　此外，根據《航空航天復合材料發展現狀及前景》（唐見茂，2013年8月，航天器環境工程），軍用旋翼機的螺旋槳及機體結構也大量使用復合材料，如V-22“魚鷹”傾轉旋翼機所用復合材料占結構質量的40%以上，包括機身、機翼、尾翼、旋轉機構等，共用復合材料超過3000kg。歐洲新批次的“虎”式武裝直升機結構部件的復合材料用量高達80%，接近全復材結構。相對而言，軍用運輸機上復合材料用量不多，如C-17占8%、C-130J僅占2%，但空客A400M軍用運輸機上采用全復合材料機翼，復合材料用量占飛機空載時結構質量的35%。

　　我們根據美國三代機及以上機型數量測算，結合智研咨詢預測，2021-2030年新增軍機4940架左右，其中殲20空機重量18噸，生產800架，需求將達到1944噸，殲11空機重量10噸。此外，考慮軍用直升機約600架，空機重量5噸；大型運輸機及加油機等200架，空機重量60噸，碳纖維比例10%。按照結構重量占50%計算，同時參照智研咨詢及《航空航天復合材料發展現狀及前景》（唐見茂，2013年8月，航天器環境工程）對各型號軍機碳纖維比例的統計，我們預計2021-2030年我國新增軍機的碳纖維需求量約為6524噸。

　　碳碳復合材料：新型剎車材料，軍用市場前景明朗

　　碳/碳復合材料是以碳纖維為增強體，以化學氣相沉積炭或樹脂炭為基體的復合材料，主要用作剎車盤。剎車盤是以摩擦材料設計技術和制備技術為核心的剎車制動類產品，用于飛機、坦克裝甲車輛和高速列車的剎車制動。

　　在“嚴酷著陸停止”實驗中，即考慮其他剎車系統都損壞的情況下，飛機機輪剎車可吸收超300兆焦耳能量，溫度短時間內快速上市至千度以上，因此飛機對剎車盤材料耐高溫性及穩定性、減少變形等方面都有嚴格的要求。

　　與鋼剎車盤相比,碳剎車盤的突出優點是:

　?。?）減輕了剎車裝置的重量：根據《C/C復合材料在制動系統的應用及發展》（程皓等，2020年3月，炭素），炭剎車盤的密度為1.75g/cm3~1.80g/cm3左右，與金屬剎車相比，可節省40%左右的結構重量。剎車力矩平穩，剎車時噪聲小，飛機性能明顯改進。

　?。?）提高了剎車盤的使用壽命：根據《C/C復合材料在制動系統的應用及發展》（程皓等，2020年3月，炭素），在同等使用條件下的磨損量約為金屬剎車的1/3~l/7，使用壽命是金屬剎車的5~7倍。一般軍機上的使用壽命約1000次起落，客機的使用壽命2000~3000次起落。磨損到極限后，炭剎車盤還可以通過整體粘接、“二合一”鉚接等修復方式進行維修，繼續延長使用壽命，降低成本，提高經濟性。

　?。?）工作溫度高：根據《某民用飛機碳剎車動力實驗》（張強等，2007年3月，江蘇省航空航天學會飛行器專業委員會2007年學術年會），當使用溫度上升到775°C時，碳/碳復合材料的比強度仍保持不變，鋼材料則有顯著降低，鋼剎車盤的高使用溫度不超過900°C，溫度高于900°C時，鋼剎車盤會發生粘結現象。碳/碳復合剎車材料在2000°C的高溫下也不會熔化，不會發生粘結現象，也沒有明顯的翹曲變形。

　?。?）剎車平穩：碳剎車系統中的碳剎車機輪和防滑控制系統配合使用，可以保證恒定的打滑量并及時釋放剎車能量，并且在高溫下剎車盤也不易損壞，從而保證了剎車過程的平穩。

　　由于碳/碳復合材料具有密度低、耐高溫、抗腐蝕、摩擦磨損性能優異、抗熱振性好及不易發生突發災難性破壞等一系列優點，現已成為航空制動裝置的選剎車材料?，F代的高性能民用客機，如波音747、波音757、波音767、空客系列、麥道系列等都采用碳/碳復合制動材料剎車裝置。隨著我國經濟的不斷發展和經濟化的深入，整個航空業呈現出快速發展的趨勢，國內營運機隊數量及規模的不斷擴大，給民航產品業務發展帶來了巨大的機遇。而飛機剎車盤作為耗材，每次在磨損到標后都需要進行更換，市場需求量很大，目前主要依賴于進口。國外主要的碳剎車盤制造商有法國賽峰公司（SAFFP）、美國聯合航空運輸公司（UALUS）、霍尼韋爾（HONUS）與英國的美捷特（MGGTLN）公司。國外公司（OEM件）采用短纖維模壓工藝生產碳剎車盤，具有良好的摩擦磨損性能，但是其力學性能相對偏低。

　　為了進一步提高碳剎車盤的力學性能，以提升剎車材料及飛機的安全性，以北摩高科、西安制動為代表的國內公司采用整體針刺氈聯合化學氣相沉積工藝制備碳剎車盤，終實現碳剎車盤國產化。

　　根據北摩高科招股說明書，軍用飛機主機輪裝配數量約為戰斗機4個/架，加油機3個/架，運輸機12個/架，武裝直升機4個/架，教練機3個/架，結合智研咨詢對我國軍機2021-2030增量的預測，2030年新裝機主機輪市場總容量有望達到48332余個。單價方面，由于國內該產品單價涉及機密暫無公開披露，我們參考國外航空設備采購網站skygee的碳/碳剎車系統（Aircraft Braking Systems 5011809-3 Carbon Brake）標價為15萬美元，約合90萬幣。考慮到國產產品的成本優勢以及國外剎車系統按組裝完成后售賣，有一定的溢價，我們按照剎車盤+主機輪60萬幣/套的單價估算，2030年增量市場穩定后，預計軍用飛機每年更換一次主機輪，2030年剎車系統市場規模有望達到290億元。根據《WorldAir Forces 2021》，我國目前有維修價值的二代、三代戰機和各類通用機型保有量約為3365架，按照北摩高科招股說明書的主機輪裝配數量測算，2020年軍機剎車主機輪需求約為21272套。2021-2030剎車系統市場規模CAGR約為8.6%。

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