国防军工周报：eVTOL碳纤维专题报告

国防军工周报(4.1-4.7)： eVTOL碳纤维专题报告 国联证券国防军工研究团队 2024年4月7日 报告评级：强于大市丨维持 证券研究报告 请务必阅读报告末页的重要声明 碳纤维产业链及飞行汽车轻量化标的梳理 第四部分 eVTOL碳纤维复合材料使用分析 第三部分 我国正迈入国产高强中模复材时代 第二部分 目 录 第一部分 航空复合材料：性能优异应用效果显著 第五部分 点击编辑文本样式 第六部分 点击编辑文本样式 1、航空复合材料：性能优异应用效果显著 CFRP：原料互补性能协同，航空应用优势显著 ◥碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）是由碳纤维和树脂基材组成，其中碳纤维的形式有短切纤维、各种纱、各种纺织物，树脂基材是以一种树脂为基础，在其中分别加入固化剂、催化剂、增塑剂和一些特殊功能颗粒，组成的高分子混合物。增强体碳纤维主要承受外力。而模量高、强度低的基材树脂固定纤维、维持形状，转递外力。两者优势互补、强弱搭配、得益相彰，可满足飞机受力结构件的要求。 ◥CFRP比强度和比模量高，材料性能的可剪裁性好，成型工艺具有多选择性，以及良好的耐疲劳性能和抗腐蚀性能等能够满足飞行器高 性能、轻量化、安全性、经济性需求，已在航空领域广泛应用优势显著。 CFRP的原料互补和性能协同示意图 传递 性能主要贡献者 载荷 CFRP应力-应变关系 界面 原料互补 碳纤维（增强体）树脂基材（基体）CFRP（复合材料） 性能协同 承担载荷 提供力学 性能 粘结、支撑、保护、隔离作用 影响延展、冲击等性能 影响破坏模式 强力学性能（比强度和比模量高），起到减重效果 稳定性高（耐腐蚀性、抗疲劳性 强），降低飞机全寿命成本 热膨胀系数低，飞机不易受温度影响而发生变形 结构整体优化，实现飞机制造中降本提效 高电磁屏蔽性，提升飞机隐身效果 资料来源：《先进复合材料在航天航空领域的应用》，杨超凡·独家解读复合材料及制造技术，国联证券研究所 1、我国正迈入国产高强中模复材时代 1 高强标模碳纤维 脆性环氧树脂复材 70年代，T300、AS4碳纤维开始出现，搭配934、3501-6型环氧树脂为基体的复材最早用于军机F-14、F-15上。80年代，开始应用波音737、 757等民机及F/A-18A-D战斗机上。由于碳纤维性能有限，且树脂体系也呈现脆性，主要用在飞机的次级结构部件领域，如整流罩、天线罩等。 2 高强中模碳纤维 增韧环氧树脂复材 超高强中模碳纤维 更高性能基体 90年代，T800H、T800S、IM7型碳纤维 搭配增韧环氧树脂体系8552、3900、 977-3等的复材首先在F-22、F/A-18E-F3 等战斗机上由次承力部件向主承力部件应用过渡；2000年后开始广泛应用在A380、B787民机上。2000年后，大量热塑性树脂基复材获得应用。5215、5250-4等为 第一阶段 70-80年代 代表高性能环氧树脂也获得型号应用。 2010年前后，赫氏推出IM8、IM10等超高强中模碳纤维，17年东丽实现T1100G碳纤维商业化并开发出高性能3940号系列树脂，由于新一代航空碳纤维性能已达到前所未有高度，对于增强基体，则出现了可定制聚合物基体，即可根据产品性能要求设计基体性能；而关于下一代环氧树脂尚未有明确性能指标。 第二阶段 90-00年代 第三阶段 2010年后 资料来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部公众号，国联证券研究所 ◥自上世纪70年代以来，航空碳纤维复材经历三代材料发展：1970-80年代高强标模碳纤维增强脆性环氧树脂复材、1990-2000年代高强中模碳纤维增强韧性环氧树脂复材以及2010年以后超高强中模碳纤维增强韧性复材。 ◥材料发展支撑复材应用先军机后民机，制件从小到大，从次结构到主承力结构，从结构到功能，一步步地实现了飞机结构的复合材料化。目前，我国正迈入高强中模碳纤维复材新阶段。 我国正迈入第二阶段 高强标模碳纤维脆性环氧树脂 （1970s-1980s） 高强中模碳纤维增韧环氧树脂 （1990s-2000s） 超高强中模碳纤维增韧环氧树脂（2010s- 玻璃纤维碳纤维 碳纤维 T300、 AS4 碳纤维 IM6、AS4D 凯夫拉纤维 碳纤维 T800、 IM7 混杂复合材料 GLARE和TiGr 合金 碳纤维 IM8、IM10 T1100 纤维型号 树脂牌号 环氧树脂 934、3501-6 聚酯环氧树脂 R6376 环氧树脂 8551-7 PPS、PEIBMI/FMI -环氧树脂2、3900 977-3 T813 陶瓷 PEEL PEKK 热塑树脂 IBMS8-399 T-环氧树脂5215 5250-4 T-环氧5320-1 环氧树脂 3960 定制聚合物下一代 环氧树脂 苯并噁嗪 成型工艺 Co CTLM预浸带螺栓装配 手撕成型织物 -bonded成梁热塑性焊接 RTM/VARMT编织 CCMOOA 多头机器人技术 Co-bonded成梁拼接 热塑性塑料压制成型 构件类型 整流罩、天线罩 体育器材军用飞机 表层构件 飞船、船尾次承力向主承力部 件过渡 商用飞机 汽车？ 飞机型号 F-15、F-14 737、757、767 AV-8B F/A-18A-D B-2A340 F-22F/A-18E/F V-22 787、A350F-35 A380 下一代商用客机与军用飞机 1970s1980s1990s2000s2010s 资料来源：中科院宁波材料所特种纤维事业部公众号，国联证券研究所 ◥复盘美国战机复材用量的发展历程，我们认为主要分为三个阶段： ◥第一个阶段是较早问世的初代F-14三代战机，其复材使用处于尝试阶段，用量占比低于10%； ◥第二阶段是三代机到三代半机快速发展的时期，复材用量占比也提升至10%-20%； ◥第三阶段代表机型是四代机F-35，复材用量占比可达35%。 美国战机发展及相应复材用量占比示意图 F-18C/D：9% AS4碳纤维复合材料 F/A-18E/F：19%AS4/977-3,IM7/977-3 二阶段：10%->20%1990s-2010s 三阶段：20%以上 2005之后 F-35：35%IM7/977-3、IM7-8552 一阶段：0%->10% 1990年之前 美国 F-14：2% 硼纤维复合材料 ◥复盘美国航空复材发展历史，高性能碳纤维的发明是飞机主承力结构能够使用碳纤维复合材料的关键。根据Toray’sBusinessStrategyforCarbonFiberCompositeMaterials，应用到航空产品主承力结构上的复合材料需要在特定刚度下拥有较高的强度，因此航空用主承力结构需要T800/IM7及以上级别的碳纤维复合材料。复盘美国军机复材用量及牌号，可以看出，F-18系列军机的航空复合材料应用到主承力结构的关键是碳纤维牌号从赫氏的AS4迭代至IM7（对应东丽牌号的T800），而F22的主要碳纤维复材牌号同样为IM7（T800）。 复材应用到主承力结构件的关键因素是T800/IM7级别碳纤维技术的成熟应用 飞机型号 服役时间 复材占比 树脂牌号/碳纤维牌号 F/A-18C/D 1989 10% 3501-6/AS4 F/A-18E/F 1996 19% 977-3/AS4 977-3/IM7 F-22 2005 24% 977-3/IM7+少量8552/IM7（6.6%）5250-4/IM7(17.2%） ◥我国T800级别碳纤维材料体系基本建立健全，国内T800级别碳纤维复材工程化验证多年，已经开始小批量供货，静待下游新机型的放量。我国当前军队列装的主力机型仍以二代机和三代机为主，航空复材用量占比不高。随着国产碳纤维牌号技术的突破，航空复合材料运用在国产军机主承力结构件的条件已经成熟，复材用量占比将显著跃升。 光威复材T800碳纤维研发应用体系最新进展 中航高科已获T800H级别的碳纤维预浸料批量生产授权 装备迭代无明显时间维度上变化两步并一步跃进式发展 ◥复盘我国战机复材用量的发展历程，我们认为主要分为两个阶段： ◥第一个阶段是较早问世的歼-8战机以及歼-11，其复材使用处于尝试阶段，用量占比小于等于10%； ◥第二阶段是三代半代机到四代机的快速发展期，这一时期机型迭代没有明显时间维度上的变化，复材用量占比迅速从10%提升至20%以上。 图：我国战机发展及相应复材用量占比示意图 二阶段：10%->20%以上 2012之后 2016年正式服役 2012年首飞有望列装 歼-8：1% 碳纤维复合材料 歼-11：10% 碳纤维复合材料 歼-31：30%左右碳纤维复合材料 一阶段：0%->10%2003年之前 歼-16：10%+ 碳纤维复合材料 中国 1、eVTOL碳纤维复合材料使用分析 ◥使用比例：eVTOL复合材料使用量占所有材料使用量的比例超过70%。 ◥使用分布：根据StratviewResearch的数据，任何eVTOL项目中使用的复合材料中，约有75-80%将用于结构部件和推进系统，其次是梁、座椅结构等内部应用，占12-14%。电池系统、航空电子设备和其他小型应用组合起来将占剩余的8-12%。 ◥使用种类：eVTOL中90%以上的复合材料将是碳纤维，其余10%的复合材料以保护膜的形式使用玻璃纤维增强材料。 复合材料在eVTOL不同部位应用占比 电池系统、航空 eVTOL用复合材料主要部位 电子设备和其他小型应用,10% 内部如横梁、座椅结构等,13% 结构部件和推进系统,77% ◥我们将eVTOL使用场景分为短途定期载客飞行、观光旅游、企业和私人包机、医疗转运、载物五种，测算假设说明如下： ◥数量假设：短途定期载客飞行（1.2万架）、观光旅游（中性0.49万架）、企业和私人包机（0.26万架）、医疗转运（476架）、载物（0.7万架）。 ◥短途定期载客飞行：参考《客运eVTOL应用与市场白皮书》截止于2022年，全国具有4000辆以上出租车的城市共计34个，共约40万辆，全国网约车运输证203万本，至 2030年第一阶段末期，根据《中国网约车市场分析报告2019》（易观千帆发布），2018年网约车中专车交易占比为20%，假设全国eVTOL定班载客飞行运输量若达到出租车/ 网约车量的0.5%，则需要eVTOL1.2万架。 ◥观光旅游：参考《中国旅游景区发展报告(2019-2020)》，备注：自然生态类景区4507，历史文化类4123，现代游乐类1975，其他类型1797，假设潜在可应用景区约6500，假设至2030年，分乐观/中性/悲观情景eVTOL渗透率为20%/15%/10%，假设每个景区配备5架，则中性情景下则需要eVTOL0.49万架。 ◥企业和私人包机：参考《客运eVTOL应用与市场白皮书》，根据2021年《胡润财富报告》，中国家庭总财富达到600万以上的家庭约500万个，假设其中20%的家庭每两个月使用一次航行距离在150公里左右的出行服务，年度出行量为600万次。假设到2030年，eVTOL能够获取其中15%的市场，即为90万次，以每架eVTOL每年可以提供350次包机服务计算，则需要超过2570架。 ◥医疗转运：参考《客运eVTOL应用与市场白皮书》，2020年日本人口每百万人口拥有约0.42架。假设中国航空医疗救援能力在2030年达到日本2020年水平，按人均比例 简单推算，将需要约595架医疗救援飞机，假设eVTOL为渗透率80%，则需要超过476架. ◥载物：2023公路货运量403亿吨，假设每年增长3%，则30年为496亿吨，《通用航空装备创新应用实施方案（2024-2030）》27年实现物流配送实现规模化应用，聚焦无人机“干-支-末”物流配送需求，在长三角、粤港澳、川渝、内蒙古、陕西、新疆等重点地区，鼓励开展无人机