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深度精华版 | 楚山修竹如云,异“材”秀出千林表——解读军工材料百页深度

深度精华版 | 楚山修竹如云,异“材”秀出千林表——解读军工材料百页深度 中航军工研究
2022-04-20
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导读:本报告特色:百页深度带您全面看清军工材料谱系!




引言:“一代武器、一代材料”,在各个时代,最先进的技术往往最早为军事用途服务。材料在国防工业中占据着举足轻重的作用,而军工新材料是高端武器装备发展的先决要素。

以航空发动机为例,可以说其性能的改进一半依靠材料。军工新材料是新一代武器装备的物质基础,也是当今世界军事领域的关键技术。世界各国对军用新材料技术的发展都给予了高度重视,因此加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提。

本次对军工材料领域的深度解读,主要围绕六大问题重点展开:

1

什么是军工材料,如何系统地理解各类军工材料

2

“十四五”军工材料迎来的发展机遇

3

如何看待钛合金、高温合金等金属材料赛道

4

什么是复合材料,军工装备应用高性能纤维复合材料的发展趋势

5

碳纤维等三大高性能纤维的重点解读

6

其他重点军工结构及功能材料的解读

-     全文共  4372字 ,预计阅读时间约 11分钟     -


1

什么是军工材料,如何系统地理解各类军工材料?


军工材料主要按用途进行分类。由于军工装备工作环境的苛刻性,多需要在极端的条件下能够正常工作。尤其是航空航天对于结构材料的要求更高,因此这些军工材料通常具备高强度、耐高温、耐腐蚀、低密度等多种性能特点。且军工行业其实是综合性行业,涉及的工业门类广,因此在材料种类的需求方面也更加繁杂,主要可分为金属材料、以高性能纤维作为强化相的各类复合材料,以及其他功能性新材料等。


图表1:主要军工新材料特点及应用

资料来源:中航证券研究所整理


军工材料的意义及特点:①军工材料是发展武器装备的物质基础;②军工新材料技术是决定武器装备性能与水平的重要因素;③军工新材料引领技术发展,奠定我国整体材料基础;④军工材料正向着“轻量化、高性能化、多功能化、复合化、低成本化以及智能化”等方向发展;⑤新型号、新装备放量,对高性能材料需求明显增加。



2

“十四五”军工材料迎来的发展机遇



进入“十四五”我国军工装备加速建设,新型号军机的快速列装,以及导弹“数量级”增量建设等都对上游材料形成了强劲的需求。叠加“自主可控”增量以及新型号装备中高端高性能材料应用比例增加,目前军工产业链中,上游材料呈现出较为强烈的“供不应求”,同时也表现出相较于下游更高的业绩增加弹性。企业积极扩产,“十四五”期间军工材料产能至少翻番增长。


图表2:主要军工材料“十四五”扩产情况(吨)

资料来源:wind,中航证券研究所



“十四五”期间,钛合金、高温合金、碳纤维等市场需求有望维持稳定高速增长,市场空间逐渐打开。


图表3:十四五”国内高端钛合金、高温合金、碳纤维市场需求快速上升(单位:万吨)

资料来源:中航证券研究所整理



除去军品方面的快速增长,材料技术的成熟也给行业带来了广阔的“民用”市场,为相关领域带来第二增长动力。尤其是“大飞机”蓄势待发,民机市场方兴未艾。随着C919的问世,将推动全球民机市场格局由原来的“AB”向“ABC”发展。在自主化要求的环境下,对于这些给航空军机配套的上游材料企业来说,将提供新的市场增量。



图表4:重点军工材料企业

资料来源:中航证券研究所整理


3

如何看待钛合金、高温合金等金属材料赛道


继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代,均以金属材料的应用为其时代的显著标志。虽然非金属材料的应用不断提升,但金属材料凭借其优良的性能仍将有较为广泛的应用,且前景光明。尤其是一些新型、高端金属材料,在军工、航空航天等领域有着难以替代的地位,并随着研究的不断进展,生产出性能更加优良的品种。


  • 钛合金——新型武器装备的明星金属

钛合金凭借其密度低、比强度高、耐蚀性好、导热率低等特点,在航空航天、船舶军舰等领域中广泛应用。目前,我国钛行业结构性调整已初见成效,已由过去的中低端化工、冶金和制盐等行业需求,快速转向中高端的军工、高端化工(PTA装备)和海洋工程等行业发展。行业利润由上述中低端领域正逐步快速向以军工为主要需求的高端领域转移。伴随着“十四五”的到来,高端军用钛合金在下游需求旺盛的环境下,供不应求,行业迎来高端产能快速扩张的窗口期。


  • 高温合金——现代物理冶金学和冶金工艺的集大成材料

高温合金凭借其耐高温、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等特点,在航空航天、船舶军舰等领域应用广泛,是动力装置向更高性能发展的重要物质基础。现阶段我国高温合金产业整体呈现出供不应求的态势,目前全球高温合金技术集中在老牌军事强国美、欧、俄手中,我国高温合金产业在近些年加速追赶。随着我国在高性能航空航天发动机的研发力度不断加大,技术经验稳步积累,高温合金产业已经进入快速发展阶段。


  • 铝合金——军事工业中应用最广泛的金属结构材料

铝合金凭借低密度、高强度、高模量、耐腐蚀等特点,在航空航天、船舶军舰等领域应用广泛,是整机设备向更轻质化发展的重要途径。目前,我国航天航空领域和船舶制造领域的高端铝合金已经可以实现自主生产,不过由于技术积累薄弱、生产工艺控制不够等原因,产品性能均匀性较差或者合格率偏低,相较于国外成本控制还存在差距。但随着经验积累、关键技术的逐步突破,产业链正不断向高端领域深化发展。



4

什么是复合材料,军工装备应用高性能纤维复合材料的发展趋势


复合材料的完整定义是由不同材料(包括金属、无机非金属和有机高分子材料)互为基体或增强体用物理和化学方法在宏观尺度上复合而成的新型材料。而纤维增强复合材料是目前高性能复合材料的重要组成。这种复合材料的增强材料主要是一些高性能纤维

目前三大高性能纤维分别为碳纤维、芳纶纤维、以及超高分子量聚乙烯纤维。工业和信息化部2019年发布的《重点新材料首批次应用示范指导目录》中,将符合相关性能要求的超高分子量聚乙烯纤维、高性能碳纤维、芳纶及制品等高性能纤维及复合材料,都列为“关键战略材料”。三种纤维及其复材凭借各自优异的性能,目前在国防军工领域的应用深度、广度不断提升。

除了这三种纤维外,包括石英纤维、陶瓷纤维相关的复合材料也有相应的军工应用场景。从三大高性能纤维的地位来看,碳纤维、超高分子量聚乙烯纤维的问世,一定程度压缩了芳纶纤维的应用。但由于纤维性质的差异,三者也均在不同的应用场景有着无可替代的位置,有时甚至还会一起使用。比如对于碳纤维复合材料,可以通过添加几层芳纶纤维织物来提高抗冲击性能。由50%的碳纤维和50%的芳纶纤维组合而成的混杂复合材料,与仅由碳纤维制成的复合材料相比,抗冲击性能最高可提高25%。同时,相对于一些传统金属材料,这些高性能纤维材料更“年轻”,未来性能指标有望持续提升。



5

碳纤维等三大高性能纤维的重点解读


  • 碳纤维及其复合材料——国防战略性先进材料

碳纤维及其复合材料凭借其低密度、高强度、高模量、高稳定性的特点,在航空航天、汽车船舶等领域应用广泛,引领着轻质化材料的浪潮。碳纤维产业的发展受到国家政策的大力扶持,碳纤维在中国制造2025中被列为关键战略材料之一。目前我国已经从上游碳纤维本身打破了国外的封锁。尽管在成本控制上仍然存在差距,但随着高性能碳纤维在武器装备上规模化应用,有望进一步拉动整个产业的良性发展。目前国内航空航天领域对高性能碳纤维的需求持续快速增长。国内高性能碳纤维产能严重不足,进口替代空间大。随着国产碳纤维产业高性能化和规模化、低成本化进程的深入快速发展,行业有望充分受益于市场需求拉动。


  • 芳纶纤维及其复合材料——防弹装甲的优质材料

芳纶纤维具有优异的阻燃耐高温和高强高模特性,一直是国防军工领域的关键基础材料,主要用于军警作战服、蜂窝结构材料,防弹衣、防弹装甲等。芳纶纤维产品主要有间位芳纶和对位芳纶两种。国内对位芳纶国产自给率仅有23%,存在巨大的替代空间。而间位芳纶,我国虽然产能充足,但从产品形态来看都是低端的工业过滤材料,急需向高端发展。目前从全球竞争来看,行业基本被国外巨头所垄断,但国内厂商经过自主发展,目前已经可以实现产业化,未来有望在国际舞台上进行竞争。随着芳纶在国防军工、安全环保等领域应用的不断扩大,国内芳纶市场需求将迎来快速增长。


  • 超高分子量聚乙烯纤维——个体防弹防护领域的首选纤维

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维是目前世界上比强度和比模量最高的纤维,被广泛应用于军事装备、海洋产业、安全防护、体育器械等领域。UHMWPE纤维是防弹装备的首选材料,正在替代芳纶纤维,同时随着技术的不断进步,UHMWPE纤维未来在航空航天、国防装备的应用将不断拓展。目前我国军用占比仍然很低,未来需求修复有望带动高端军用UHMWPE纤维的快速增长,同时随着国内UHMWPE纤维性能的提升,国产替代也将带动行业增速上行。



6

其他重点军工结构及功能材料的解读


  • 隐身材料——武器装备隐身的物质基础

隐身材料是具有隐身功能材料的一种统称,产品形态主要可分为涂层材料和结构材料两种,下游具体应用主要是国防军工领域。随着武器装备侦查手段以及现代电子战的快速发展,新型武器装备对应的雷达、红外隐身材料应用无论是从深度还是广度都有所提升。目前我国在隐身材料方面的技术已经达到了世界前列,但整体的商业化进程仍处于初期,随着新型武器装备的批产,将带动隐身材料需求应用,尤其是新型号装备的加速列装,隐身材料的单装占比有望不断提升。


  • 陶瓷材料——军工结构和电子信息的关键材料

陶瓷材料(特指先进陶瓷材料)由于其耐高温以及独特的电学特性广泛被应用于结构材料以及电子领域。作为结构材料,可成熟应用于战略导弹、火箭发动机热结构件以及各类卫星天线窗的保护框等方面,在电子陶瓷方面,随着武器装备信息化的加速,我国陶瓷电容器在军工领域的需求不断增大,随着技术的成熟未来有望带动军转民的发展。总体而言国内先进陶瓷总体水平与国外相比还存在一定的差距。但当前国家正不断为战略新兴产业的发展配置资源和政策,作为基础原材料和核心部件的先进陶瓷必将迎来快速发展。



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中航军工团队是资本市场最大规模的军工研究团队,拥有成员20余人。团队依托航空工业集团强大的军工央企股东优势,力争前瞻、深度、系统、全面,覆盖军工行业各个领域,服务于一二级市场。同时与军工行业监管机构、产业方、资本方等形成良好互动与深度合作。以军工品质从事军工研究,以军工研究服务军工行业。


中航证券研究所以“立足军工、做深高科技”为核心,秉承深度产业链研究方法,内外兼修打造精品特色研究业务。研究所由五次获得新财富机械(军工)第一的明星分析师邹润芳领衔,董忠云博士担任首席经济学家,着力打造总量(宏观策略等),军工相关的硬科技产业链(包括军工、先进制造、电子半导体、新材料、新能源等),同时兼顾“十四五”国家战略方向,重点布局新兴产业和大消费等领域。


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