高温合金：为高温而生，航空发动机的关键材料

首创高温合金，为高温而生

传统钢材在300摄氏度以上就会软化，无法适应高温环境。而为了追求更高的能源转换效率，火电领域对工作温度的要求越来越高。因此，高温合金应运而生，可在600摄氏度以上的高温环境下稳定工作，且技术在不断完善。

高温合金按合金主要元素分为铁基高温合金和镍基高温合金。据智研咨询统计，2018年按产品工艺分，镍基高温合金产量占比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。据钢研高纳（300034CH）招股书介绍，高温合金自航空发动机诞生之日起便被应用于航空发动机，是制造航空航天发动机的重要材料。发动机的性能水平很大程度上取决于高温合金材料的性能水平。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%，主要应用于燃烧室、导流叶片、涡轮叶片和涡轮盘四大热端部件。此外，还用于机匣、环、加力燃烧室和尾喷管等部位。

目前我国高温合金行业正处于成长期，产业链上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、俄罗斯等国家相比差距较大，但近年来无论是产能还是产值都有了明显提升。连石航空、西部超导等多家企业的高温合金产能项目正在建设投产。

军用高温合金处于不断升级换代的过程中，研发能力是高温合金企业的立足之本。国内老牌高温合金企业，如抚顺特钢、钢研高纳等，均拥有扎实的科研基础。其中，抚顺特钢在变形高温合金方面市场优势和技术优势明显，钢研高纳的铸造高温合金国内领先，且拥有优秀的研发能力。以万泽股份为代表的新兴高温合金企业，业务覆盖面广，也注重新型高温合金的研发。

2.航空发动机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

由于我国缺镍、钴，铁基高温合金的研究、生产和应用在20世纪六七十年代曾成为一道绚丽的风景。据《GH1040铁基高温合金》（刘哲等编，2019年4月，热处理技术与装备）和《高温合金-特殊钢系列》（黄千耀编，2000年4月，冶金工业出版社）记载，GH1140、GH2135、GH1040等铁基合金至今仍被广泛应用。

铁基高温合金的工作温度较低（600-850℃），一般用于发动机工作温度较低的部件，如涡轮盘、机匣、轴类等。但铁基高温合金具有良好的中温力学性能，相当于或优于同类镍基合金，加之价格低廉，热加工时不易变形，因此铁基合金在中温领域仍被广泛用作涡轮盘、涡轮叶片等材料。

镍基高温合金：变形/铸造/新一代合金的升级

镍基高温合金一般在600℃以上一定的应力条件下工作，不仅具有良好的高温抗氧化性能和抗腐蚀性能，还具有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度，以及良好的抗疲劳性能，主要用于航空航天领域在高温条件下工作的结构件，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改性合金、铸造高温合金和新型高温合金。镍基铸造高温合金主要用于发动机中的涡轮导向叶片，使用温度在1100℃以上；也可用于涡轮叶片，使用温度比相应的导向叶片低50-100℃。

随着耐热合金工作温度的提高，合金中强化元素增多，成分更加复杂，导致有些合金只能在铸造状态下使用，不能通过热加工进行变形。另外，合金元素的增多使镍基合金在凝固后成分偏析严重，造成组织和性能不均匀。利用粉末冶金法生产高温合金可以解决上述问题。由于制粉时粉末颗粒小，冷却速度快，消除了偏析，改善了热加工性能，使只能铸造的合金变成可以热加工的可变形高温合金。屈服强度和疲劳性能得到提高，粉末高温合金为生产更高强度合金开辟了一条新途径。粉末高温合金主要用于制造高推力比的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、涡轮挡板等高温热端部件。

钴基高温合金：耐腐蚀等特殊领域前景广阔

钴基高温合金抗氧化性能较差，但其抗热腐蚀性能优于镍基高温合金；钴基高温合金的高温强度、抗热腐蚀性能、抗热疲劳性能和抗蠕变性能均高于镍基高温合金，适用于制造燃气轮机导向叶片、喷嘴等。

由于资源限制，我国目前已开发K40、GH188、L605等钴基合金，使用范围有限。2001年以后，通用电气公司对钴基高温合金的研究主要集中在将钴基合金作为基体材料制备燃气轮机，并在合金表面制备热障涂层等涂层，提高耐腐蚀性能。

由于材料限制，钴是地球上的稀有元素，价格较为昂贵，目前基于钴的研究热度已经下降，很多科学研究还停留在数字建模实验等理论阶段。

第三代军用飞机合金、发动机高温合金或将进入快速增长期

发动机对温度的要求不断提高，高推重比要求更高的喷管温度和使用温度更高的材料。在世界高温合金的发展史上，发动机叶片和盘面材料经历了形变、铸造、取向、单晶四个阶段，适应温度由600℃逐步提高到1100℃以上。

最新发动机的双片、单盘均采用最先进的高温合金材料，涡轮叶片、导向叶片的结构材料主要为单晶高温合金和取向金高温合金。由于叶片的截面很薄，截面尺寸越小，其蠕变断裂强度越低，但取向晶消除了容易形成裂纹的横向晶界，因此耐久性能、冷热疲劳性能和薄壁性能大大提高，而单晶由于消除了所有晶界，性能改善更加明显，蠕变断裂强度下降最少，所以是目前最能满足叶片工作要求的材料。

我国涡轮叶片采用的高温合金已逐步由变形合金向单晶合金升级，20世纪50年代，第一代发动机推重比为3～4，燃气温度为800～1050℃，涡轮叶片材料为工作温度较低的变形镍基高温合金，其高温承受能力为700～900℃；20世纪70年代前后，推重比为5～6的第二代发动机，采用了工作温度比同成分变形高温合金高30℃左右的镍基铸造高温合金，其工作温度达到了950℃左右； 到了20世纪80年代，消除横向晶界的定向凝固高温合金得到广泛应用，其使用温度比相同成分的等轴晶铸造合金高20～30℃，第四代发动机叶片的耐温能力达到980℃左右；20世纪90年代至21世纪初，第五代发动机采用了消除全部晶界的镍基单晶高温合金，由于其使用温度比定向凝固的柱晶合金进一步明显提高，最高温度可达1050～1100℃，因而得到广泛应用。

军机的换代伴随着高温合金的升级换代。第一代涡扇发动机的核心材料为变形高温合金，核心材料工作温度为650℃。到了第四代涡扇发动机，核心材料工作温度已达到1200℃，采用的是单晶高温合金。军机的换代始终伴随着发动机核心材料——高温合金的升级换代。高温合金的升级换代需要研发的支撑。在航空工业发展需求的驱动下，我国高温合金相继发展了变形、铸造、等轴晶、定向凝固柱状晶和单晶合金体系。上述高温合金的出现，不断推动着航空工业的发展。

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%，高温合金约占材料成本的35%。

据华泰军工报告《航天军工：大国复苏，军工崛起》（2021年3月5日）预测，2021年至2030年我国将共计新增军用飞机约4940架，其中以歼十、歼十一、歼十五为代表的新型三代机1440架，以歼十六为代表的新型三代半战机600架，以歼二十为代表的新型四代机800架。按上述假设，2021年至2030年共计新增单发三代机2040架，双发四代机800架。

据美国安全研究中心发布的报告显示，美军第三代战斗机F-15和F-16的制造成本分别为6500万美元和4000万美元，美军第四代战斗机F-22、F-35A、F-35C的制造成本分别为2.5亿美元、1亿美元、1.3亿美元。

我们以双发战斗机与美国F35A、F15战斗机平均造价8000万美元对比；以单发战斗机与美国F16战斗机造价4000万美元对比；按照美元：人民币=1：6.5计算，发动机成本占整机25%，原材料占发动机成本50%，高温合金占原材料成本35%，采购比例为1：1.2。2021年至2030年军机扩产将带来约497亿人民币的高温合金规模。

高温合金的另一大市场是发动机维修更换。据World Airforces 2021统计，截至2020年，我国拥有歼10 260架、歼11 315架、歼15 45架、歼20 19架。考虑到军方的保密措施，我国战斗机的实际数量可能略高于World Airforces 2021的库存数据。我们估计到2030年，三代机、四代机的保有量在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的预测，2019年军机采购费用与寿命周期内维护费用的比值接近1:1，我们假设发动机使用寿命为10年。 战斗机售后维修费用中，发动机维修占比高达45%。其中双发战斗机堪比美国F35A、F15战斗机，费用为8000万美元，单发战斗机堪比美国F16战斗机，费用为4000万美元。按照美元：人民币=1：6.5，发动机成本占整机45%，发动机采购比为1：1.2计算，2021-2030年军用发动机维修市场规模将达到7020亿元。根据前瞻产业研究院预测，原材料占发动机成本的50%，高温合金占原材料的70%。因此，2030年飞机保有量达到稳定状态后，我国高温合金年均维修市场规模约为295亿元。

根据以上测算，2021-2030年军机扩产将是军用高温合金市场主要增量点，总规模约497亿元。2030年军机换代基本完成后，维修需求将是高温合金市场主要贡献点，年均市场规模295亿元。我们假设2021-2030年服役军机数量均匀分布，年均市场规模49.7亿元，则2030年高温合金总市场规模约345亿元。结合智研咨询，2020年我国高温合金市场规模达231亿元，其中航空航天部分占比55%，约127亿元。 2021年至2030年我国军用高温合金市场规模CAGR约为10.5%。

碳纤维：制造各环节技术壁垒较高

一、航天核心材料，技术壁垒高

碳纤维是将有机纤维（主要是聚丙烯腈纤维）碳化、石墨化后得到的微晶石墨材料纤维。碳纤维含碳量在90%以上，具有强度高、比模量高（强度是钢的10倍，质量只有铝的一半）、质量轻、耐腐蚀、耐疲劳、热膨胀系数小、耐高低温等优越性能，是军民用的重要基础材料，用于航空航天、体育、汽车、建筑和结构加固等。与传统金属材料相比，树脂基碳纤维的模量高于钛合金等传统工业材料，强度可设计达到高强钢水平，且明显高于钛合金，无论是性能还是轻量化都有明显优势。但碳纤维的成本也较高，虽然在航空航天等高精尖领域已部分替代传统材料，但对力学性能要求相对较低的传统行业更注重经济效益，传统材料仍是主力军。

碳纤维根据原料不同可分为PAN基碳纤维、沥青基碳纤维或粘胶基碳纤维。PAN基碳纤维原料来源丰富，拉伸强度优于另外两种，因此PAN基碳纤维应用领域最为广泛。据智研咨询统计，2018年我国PAN基纤维产量份额占比超过90%。沥青基碳纤维和粘胶基碳纤维用途相对较窄，产量较少。通用级沥青碳纤维强度、模量较低，主要用于保温材料领域；高性能沥青基碳纤维多用于航空航天工程材料；粘胶基碳纤维主要用于制作耐烧蚀、保温材料。

现代碳纤维材料起源于军事用途，目前航空航天是重要的应用领域。现代碳纤维是一种含碳量超过90%的无机聚合物纤维，具有良好的柔软性、纵向强度高、超强拉伸强度等特点，属于新一代增强纤维。此外，碳纤维化学性质稳定，耐高温能力强，不易腐蚀，是大型一体化结构的理想材料。与常规材料相比，碳纤维复合材料可以减轻飞机重量，有能力克服金属材料易疲劳、腐蚀的缺点。我国军用碳纤维产业链中的主要企业有中航高科、光威复材、中建科技等。其中，中航高科为下游，主营航空复合材料产品；光威复材已实现全产业链布局，是碳纤维行业的龙头；中建科技为上游，产品技术含量相对较高。

完整的碳纤维产业链包括从一次能源到终端应用的完整制造过程。丙烯可从石油、煤炭、天然气中获得，在目前低油价形势下，由原油生产丙烯成本最优；丙烯经氨氧化得到丙烯腈，丙烯腈经聚合、纺丝得到聚丙烯腈（PAN）原丝，再经预氧化、低温、高温碳化得到碳纤维，碳纤维可制成碳纤维织物、碳纤维预浸料作为生产碳纤维复合材料的原料；碳纤维与树脂、陶瓷等材料复合制成碳纤维复合材料，最后经过各种成型工艺得到下游应用所需的最终产品。

在碳纤维制备过程中，原丝的质量是实现产业化的前提。碳纤维的强度很大程度上取决于原丝的密度和微观形貌，原丝的质量是实现产业化的前提，也是稳定生产的基础。目前，比较常用的纺丝工艺有湿法纺丝和干湿纺（干喷湿纺）。从密度上看，干喷湿纺工艺是高性能碳纤维原丝的主流制备方法，成本低于湿法。根据《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）显示，在同样的纺丝设备和能耗条件下，干湿纺的综合产量是湿法纺丝的2~8倍，PAN基碳纤维丝束生产成本可降低75%。 干喷湿纺是将纺丝液从喷丝头喷出形成细流后，先穿过一段空气层（1~20cm），然后进入凝固浴，在凝固浴中完成凝固，可实现高速纺丝，用于生产高性能纤维，同时兼具干法和湿法的优点。干喷湿纺也是国际碳纤维巨头的主要纺丝方式，日本东丽（3402JP）主流型号T700、T800、T1000碳纤维均采用干喷湿纺工艺制成。截止2019年，国内企业碳纤维大部分仍采用湿纺工艺制成，顶尖企业已成功掌握干喷湿纺工艺。

碳纤维技术已经历三代变革，同时实现较高的拉伸强度和弹性模量是当前碳纤维发展的技术难点。近年来，日本、美国从两条不同的技术路径对第三代碳纤维进行了技术突破，有望在未来5-10年内实现产业化生产，对提高战机和武器的作战能力具有重要意义。东丽采用传统的PAN溶液纺丝技术，大幅提高碳纤维的强度和弹性模量，通过精细控制碳化过程，在纳米尺度上改善碳纤维的微观结构，控制碳化纤维中石墨的取向、晶粒尺寸、缺陷等。以东丽更先进的碳纤维产品T1100G为例，T1100G的拉伸强度和弹性模量分别为6.6GPa和324GPa，比T800分别提高12%和10%，正在进入产业化阶段。 美国佐治亚理工学院从原丝制备工艺入手，采用创新的PAN基碳纤维凝胶纺丝技术，将聚合物通过凝胶连接在一起，产生强大的链内力和晶粒的定向取向，在高弹性模量所需的较大晶粒尺寸条件下保证了较高的强度，从而将碳纤维的拉伸强度提高到5.5-5.8GPa，拉伸弹性模量提高到354-375GPa。

2、军事需求巨大，下游市场以CFRP为主

碳纤维复合材料是指至少一种增强材料为碳纤维的复合材料，其中最常见的是树脂基碳纤维复合材料（CFRP）。由于CFRP在比强度、比弹性模量等力学性能以及抗疲劳、稳定性等方面较传统材料具有明显优势，在诸多领域形成了对金属材料特别是轻质金属材料的竞争替代局面。CFRP应用场景广泛，首先在航空航天、体育休闲等领域形成了规模市场。随着21世纪以来碳纤维及其复合材料制造成本不断下降，其在汽车制造、风力发电等领域的应用占比不断提升。

据《2019年全球碳纤维复合材料市场报告》发布的数据显示，2019年中国碳纤维总需求量为37840吨，而2018年的需求量为31000吨，同比增长22%。其中进口量为25840吨（占总需求量的68%，较2018年增长17.5%），国产纤维供应量为12000吨（占总需求量的31.7%，较2018年增长33%）。2019年中国市场整体情况是供不应求，无论是进口纤维还是国产纤维。

同时，在航空航天领域，商用飞机需求贡献最大，2019年商用飞机需碳纤维1.62万吨，占比约70%。影响商用飞机碳纤维应用市场的因素主要有三：一是波音737系列停飞，给国际飞机市场带来巨大不确定性；二是新型单通道飞机平台是否会像双通道飞机B787、A350一样广泛使用碳纤维；三是单通道飞机将采用什么样的复合材料技术，而单通道飞机是双通道飞机的10倍。

此外，据《航空航天复合材料发展现状与展望》（唐建茂，2013年8月，航天器环境工程）报道，军用旋翼机的螺旋桨和机身结构也大量使用复合材料。如V-22“鱼鹰”倾转旋翼机使用的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，总复合材料含量超过3000千克。欧洲最新一批“虎”式武装直升机在结构件中使用复合材料的比例高达80%，已接近全复合材料结构。 相对而言，军用运输机上复合材料的使用并不多，如C-17为8%，C-130J仅为2%，但空客A400M军用运输机采用全复合材料机翼，复合材料的使用量占空载时飞机结构质量的35%。

以美国三代机及以上飞机数量计算，结合智研咨询的预测，中国2021年至2030年将新增军用飞机约4940架，其中歼20空重18吨，生产800架，需求量达1944吨，歼11空重10吨，另外考虑到空重5吨的军用直升机约600架，大型运输机及加油机等200架，空重60吨，碳纤维占比为10%。 按照结构重量占比50%计算，并参考智研咨询及《航空航天复合材料发展现状与展望》（唐建茂，2013年8月，航天器环境工程）对各型军用飞机碳纤维占比的统计，预计2021年至2030年我国新型军用飞机对碳纤维的需求量约为6524吨。

3.碳-碳复合材料：军工市场前景广阔的新型刹车材料

碳/碳复合材料是以碳纤维为增强体，化学气相沉积碳或树脂碳为基体的复合材料，主要用作刹车盘。刹车盘是以摩擦材料设计与制备技术为核心的制动产品，用于飞机、坦克、装甲车辆、高速列车的制动。

在“最严酷着陆停转”实验中，即在所有其他刹车系统均受损的情况下，飞机机轮刹车能吸收300多兆焦耳的能量，温度在短时间内迅速升至1000多度，因此飞机对刹车盘材料的耐高温、稳定性、减少变形等要求十分严格。

与钢制刹车盘相比，碳刹车盘的突出优点有：

（1）减轻了刹车装置重量：据《C/C复合材料在刹车系统中的应用及发展》（程浩等，2020年3月，Carbon）报道，碳刹车盘的密度约为1.75g/cm3~1.80g/cm3，与金属刹车相比可节省结构重量40%左右，刹车时制动力矩稳定，噪音小，飞机性能明显提高。

（2）改善了制动盘的使用寿命：根据“制动系统中C/C复合材料的应用和开发”（Cheng Hao等人，2020年3月，碳），在相同的使用条件下，磨损量约为1/3〜1/7，大约是金属制动器的1/3〜1/7，而服务寿命是5〜7倍的寿命。 ，000起起飞和登陆后，也可以通过整体粘合，“一对一”铆接和其他维修方法来修复碳制动盘，以进一步延长使用寿命，降低成本并提高经济效率。

（3）高度工作温度：根据“碳制动动力学实验”（Zhang Qiang等人，2007年3月，2007年3月，2007年江苏航空航空和宇航学协会飞机专业委员会的年度学术会议），当操作温度的特定材料的特定强度是碳材料的特定强度时，该操作的最大程度是碳材料的特定强度。当温度高于900°C时，AKE圆盘不超过900°C，钢制动盘将粘合。

（4）光滑的制动：碳制动系统中的碳制动轮和防滑控制系统一起工作，以确保在高温下及时及时释放制动盘。

碳/碳复合材料由于其低密度，高温阻力，耐腐蚀性，出色的摩擦和磨损性能，良好的热振动阻力和突然的灾难性损害的风险低，因此已成为航空制动器的首选制动材料。碳复合材料的刹车设备。 主要的外国碳制动盘制造商是美国联合航空公司（Ualus）的Safran（SAFFP），霍尼韦尔（Honus）（Honus）和英国的Meggitt（MGGTLN）（OEM零件）使用短纤维制造技术来生产碳刹车措施，但具有良好的属性属性。

为了进一步提高碳制动盘的机械性能并提高制动材料和飞机的安全性，由Beimo Hi-Tech和Xi'an制动器代表的国内公司结合了化学蒸气沉积技术，以准备碳制动盘，最终实现碳制动盘的本地化。

根据Beimo Hi-Tech的招股说明书，军用飞机的主要车轮数量约为4台战斗机，每艘油轮3架，每架运输机4架，每架武装直升机3次，每位培训师加上30330的总计330，每位培训师的预测与Zhiyan Consulting的预测相结合。 ，由于该产品在中国的单位价格涉及国家秘密，并且尚未公开披露，因此我们指的是碳/碳制动系统（飞机制动系统5011809-3碳制动器）在Skygee网站Skygee上，该网站的价格为150,000美元，或者在某些情况下销售了一定的成本，该公司的价格为150,000美元。 我们估计，在2030年稳定市场后，制动盘 +主轮的单位价格为每套600,000元。根据Beimo Hi-Tech的招股说明书中的主轮组件数量，2020年对军用飞机制动器主轮的需求约为21,272套。

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