国防军工：陶瓷基复合材料应用加速，军民需求共振空间广阔

行业报告：行业深度研究 证券研究报告 2024年04月22日 国防军工 陶瓷基复合材料应用加速，军民需求共振空间广阔 分析师王泽宇SAC执业证书编号：S1110523070002 作者： 分析师杨英杰SAC执业证书编号：S1110523090001 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 行业评级：强于大市（维持评级）上次评级：强于大市 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明 2 摘要 近年来，国家针对陶瓷基复合材料、高性能陶瓷/纤维材料等新材料出台多项措施，推动陶瓷基复合材料的研发生产，并对陶瓷基复合材料标准进行规范。陶瓷基复合材料持续出现在各版本的《产业结构调整指导目录》和《鼓励外商投资产业目录》鼓励类中，体现着国家对陶瓷基复合材料的持续大力支持。 需求侧：1.航发性能要求超越耐温极限，未来大推重比发动机涡轮进口温度远超高温合金耐温极限（推重比12~15涡轮进口平均温度超 2000K，推重比15~20涡轮进口温度最高可达2450K；单晶耐温极限1350K），军用航发材料迭代需求迫切。2.航空业减碳要求：疫情前全球商业航空二氧化碳排放不断增加，航空业占全球二氧化碳排放量的2.5%。“双碳”背景下，航空业减碳迫在眉睫，CMC助力航空业实现净零碳排放。 发展趋势：1.性能路线：碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料——耐高温性能较好，且相较于Cf/SiC，抗氧化性有大幅提升，目前技术成熟， 应用范围广泛，可应用于高温高载部件。2.成本路线：氧化物纤维增强氧化物复合材料——Al2O3材料易获取，Al2O3/Al2O3生产成本仅为 SiCf/SiC复合材料的1/2；并且氧化物具有优秀的高温环境抗氧化性。 市场空间：总体上，2021年全球陶瓷基复合材料市场规模为30.6亿美元，StraitsResearch预计到2030年将达到90.4亿美元，CAGR为 12.79％。行业上，CMC在航空航天应用发展较快，2022年全球航空航天领域在CMC市场占比达37%，Prescient&StrategicIntelligence预计未来几年也将处于主导地位。国内方面，华经情报网预测我国“十四五”期间内对陶瓷基复合材料的需求量将达100吨/年，且未来10年仅航发市场对CMC的需求将递增10倍。我们认为，伴随军用航空航天领域对超高音速、高推重比、耐高温防护等性能要求持续升温，以及国内国产商业航空航天领域对于高经济性、绿色化的推进，中国的CMC产业链有望进入高景气快速成长阶段。 建议关注：火炬电子、华秦科技 风险提示：市场波动性风险、军品订单节奏风险、新装备研制列装不达预期、国际局势变化风险、民用市场开拓不达预期 1 国内政策鼓励加速出台，军民需求旺盛前景广阔 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明3 资料来源：中国工信部，中国科学技术部，中国政府网，国家发改委，国家标准化管理委员会，天风证券研究所 4 1.1国家级政策持续落地，大力支持陶瓷基复材发展 近年来国家针对陶瓷基复合材料、高性能陶瓷/纤维材料等新材料出台多项措施，推动陶瓷基复合材料的研发生产，并对陶瓷基复合材料标准进行规范。陶瓷基复合材料持续出现在各版本的《产业结构调整指导目录》和《鼓励外商投资产业目录》鼓励类中，体现着国家对陶瓷基复合材料的持续大力支持。 1.2性能要求超越耐温极限，军用航发材料迭代需求迫切 涡轮进口温度现实矛盾： 涡轮进口温度提高速度＞冷却 技术＋高温合金耐温极限提升速度。 未来大推重比发动机涡轮进口温度远超高温合金耐温极限 （推重比12~15涡轮进口平均温度超2000K，推重比15~20涡轮进口温度最高可达2450K； 存在温差 单晶耐温极限1350K）。 解决方法：冷却技术、热障涂层、更换新材料等弥补温差。 未来趋势：CMC因优异的高温力 学性能、低密度等特点被视为下一代航发战略性热端新材料。 资料来源：航空动力、《陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用及热分析研究进展》杜昆等、《火焰筒先进热防护技术发展及工程应用分析》林宏军等，《航空发动机涡轮叶片冷却技术综述》赖建和、《航空发动机热障涂层材料体系的研究》唐治虎、《连续纤维增强陶瓷基复合材料研究与应用进展》张俊敏等、《纤维增强陶瓷基复合材料研究进展》董绍明、《加力燃烧室纵向波纹隔热屏气膜冷却特性研究》傅松等，天风证券研究所 5 1.3全球减碳在行动，CMC助力航空业实现净零排放 2004-2019全球商业航空二氧化碳排放量 1000 896905 900 863812 800 775 733 683694710 700 650657674667664 627633 600 2004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019 地区/国家 政策 欧洲 2050年目标——欧洲航空零排放路线图 美国 地平线2050：可持续航空未来的飞行规划 英国 ATI技术战略2022——零碳目标 中国 “十四五”民航绿色发展专项规划（2022年） 中国 绿色航空制造业发展纲要（2023-2035年） 全球各国都在为碳达峰和碳中和做出努力，中国力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值、努力争取2060年前实现碳中和。“双碳”已不仅是环保口号，而成为世界主要经济体以及各行业的郑重宣示。 排放量（百万吨） 航空业减碳要求：疫情前全球商业航空二氧化碳排放不断增加，航空业占全球二氧化碳排放量的2.5%。“双碳”背景下，航空业减碳迫在眉睫。2022年国际民用航空组织（ICAO）通过决议于2050年实现行业净零碳排放。随后主要航空发展国家和地区也提出了一系列航空业零碳排放技术规划。 CMC作为零碳排放方法中的新技术，对航空业减 19% 3% 13% 65% 零碳排放方法 可持续航空燃料 （SAF） 新技术/清洁能源 基础设施和运营效率 碳抵消/碳捕捉 碳的促进作用： （1）相对金属材料较轻，可以提高飞行器的燃油效率； （2）可在较高温度下服役，在提高功率的同时还能使燃油燃烧充分，减少CO排放量。 我们认为，CMC在商业航空领域有广阔的应用前景。 CMC减碳应用实例：GE9X在风扇叶片和涡轮转 资料来源：Statista，Worldeconomicforum，中国工信部，《连续纤维增强陶瓷基复合材料研究与应用进展》张俊敏等，《连续纤维增强ZrO2陶瓷基复合材料研究进展》张稳等，《航空制造业绿色低碳化发展研究》吴光辉等，中国科学院，光明学术，《航空发动机复合材料叶片先进制造技术研究进展》俞锐晨等，天风证券研究所 6 航空业为2050实现零碳排放预计各途径起到的作用占比。 子上使用了CMC材料，预计发动机推力将增加10 ％，燃油消耗将降低25％。 2 陶瓷基复合材料主流技术路线双轮驱动 请务必阅读正文之后的信息披露和免责申明7 资料来源：《航空发动机高温材料的研究现状及展望》付青峰等、《耐高温材料在航空发动机上的应用研究》赵传东等、国家材料腐蚀与防护科学数据中心、《高温 材料研究进展及其在航空发动机上的应用》刘巧沐等、《纤维增强陶瓷基复合材料研究进展》董绍明、《连续纤维增强陶瓷基复合材料研究与应用进展》张俊敏等、 《超高温陶瓷基复合材料的制备与性能研究》潘真等、《连续纤维增强ZrO_2陶瓷基复合材料研究进展》张稳等、天风证券研究所 8 2.1航空发动机高温材料体系CMC优势明显 陶瓷基复合材料具有类金属断裂韧性，对裂纹不敏感、没有灾难性损毁，能够在保持传统陶瓷材料耐高温、高强度、低密度、耐腐蚀、性能可设计强等优良性能的同时，克服其脆性大的致命弱点。在一些极端服役环境下，CMC有着金属材料不可比拟的优势。 2.2高温热结构材料选用结构陶瓷，连续纤维为主要应用类型 结构陶瓷 功能陶瓷 特性 优异的力学性能及热学性能 具有一种或多种功能，如电、磁、光、热、生物等 分类 氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷等 电介质陶瓷、压电铁电陶瓷、半导体陶瓷、高温超导陶瓷等 应用领域 航空航天、医疗、发动机、电子器件等 电子信息、集成电路、移动通信、能源技术和国防军工等 CMC应用场景：CMC作为战略性尖端材料，在多领域实现应用，是最重要的高温热结构材料之一。它常被使用于高温环境，作为热防护、热端部件。 陶瓷类型选择：功能陶瓷主要利用非力学性能，具有电、磁、光等性能；结构陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、高强度等优异的力学、热学性能，满足 CMC的需求，故我们认为CMC的基体多选用结 构陶瓷。 增强增韧方法：相变增韧、颗粒增强增韧、晶须增强增韧以及连续纤维补强增韧等。 方法选择：连续纤维增韧效果最好，可靠性最高，所以大多数陶瓷基复合材料选择连续纤维作为增强体。连续纤维增强陶瓷基复合材料具有优异的韧性，较高的抗热震性，较高的损伤容限及高温力学性能。 2022年CMC市场各纤维类型市场收入份额 75% 25% 连续纤维非连续纤维/晶须 资料来源：GlobalMarketInsights、《连续纤维增强ZrO2陶瓷基复合材料研究进展》张稳等、中国科学技术大学、《陶瓷材料高温强度与抗热冲击性能及其表征方法研究》王如转、JAD电介质学术交流公众号、《EncyclopediaofMaterials:ScienceandTechnology》J.M.Schoenung、《连续纤维增强陶瓷基复合材料研究与应用进展》张俊敏等、Sciencedirect、天风证券研究所 9 资料来源：《连续纤维增强陶瓷基复合材料研究与应用进展》张俊敏等，《碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展及应用》文章苹等，《碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料研究进展综述》秦刚等，《国外多孔基体氧化铝/氧化铝复合材料工程应用进展》田正豪等，《氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料的研究进展》钟辛子等，天风证券研究所 10 2.3CMC技术路线展望：碳化硅纤维与氧化物纤维双驱动 CMC一般可分为四条技术路线：碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料、超高温陶瓷基复合材料、氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料。我们认为以下两条技术路线将被广泛采用： 技术路线1（性能路线）:碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料——耐高温性能较好，且相较于Cf/SiC，抗氧化性有大幅提升，目前技术成熟，应用范围广泛，可应用于高温高载部件。 技术路线2（成本路线）:氧化物纤维增强氧化物复合材料——Al2O3材料易获取，制成纤维生产成本低，Al2O3/Al2O3生产成 本仅为SiCf/SiC复合材料的1/2；并且氧化物具有优秀的高温环境抗氧化性。 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料 碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料 超高温陶瓷基复合材料 （氧化物）纤维增强氧化物陶瓷基复合材料 材料 Cf/SiC SiCf./SiC Cf/ZrB2-SiC,Cf/HfB2-SiC,Cf/ZrC,Cf/HfC等 Al2O3f/Al2O3,Al2O3f/mullite，mullite/mullite等 特点 耐高温(<1800℃) 耐高温(<1650℃)、抗氧化性好 耐超高温(>=2000℃)、抗氧化性、良好抗震性、抗氧化、耐烧蚀 成本低、优异的高温抗氧化和抗水汽腐蚀性能 技术难点 氧化问题，低温抗氧化能力弱；碳纤维预制体编织技术落后 SiCf/SiC在水氧环境下不稳定、氧化脆化现象明显；连接技术限制 实现重复长时间使用，避免ZrO2相变破坏结构稳定性 层间剪切强度弱；热导率偏低形成较大的热应力；受氧化铝晶粒生长限制，服役温度受到很大限制 解决方法 热膨胀自愈合、玻璃相封填愈合 采用环境障碍涂层(EBCs)、新型的RE3Si2C2涂层；玻璃陶瓷连接、陶瓷先驱体连接、瞬态共晶相连接以及MAX相连接等 添加稀土元素 重点发展三维纤维织物增韧复合材料；研制更高耐温能力的纤维；采用FGI层能提升材料的服役温度；发展适用于P-Al