軍工行業(yè)深度研究報告軍工材料專題之復合材料

精心整理精心整理軍工行業(yè)深度研究報告：軍工材料專題之復合材料復合材料（CompositeMaterials）是由兩種或兩種以上不同性能、 不同形態(tài)的材料，通過復合工藝組合而成的新型材料。復合材料既能保持原材料的主要性能，又能通過復合效應與協(xié)同效應獲得單一原材料不具備的性能，克服單一材料的缺點，從而滿足各種不同的需求。復合材料的用量已成為衡量軍用裝備先進性的重要標志。復合材料的興起豐富了現(xiàn)代材料家族。尤其是具備高強度、高模量、低比重碳纖維增強復合材料的出現(xiàn)，使其成為各類軍民裝備重要的候選材料之一。美國國防部在2025年國防材料發(fā)展預測中提到，只有復合材料能夠將強度、模量和耐高溫的指標在現(xiàn)有基礎上同時提高25%以上。復合材料正成為航空以及國防裝備的關鍵材料。國際先進軍民用飛機中，復合材料用量持續(xù)增長。主要應用復合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機翼、中前機身等。F-22戰(zhàn)機與空客A380飛機的復合材料用量在20%-25%之間，而波音B787與空客A350的復合材料用量將突破50%,超越鋁合金成為用量最大的材料。飛機正進入復合材料時代。一、復合材料概覽（一）復合材料的定義復合材料（CompositeMaterials）是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過復合工藝組合而成的新型材料。它既能保留原有組分材料的主要特色，又通過材料設計使各組分的性能相互補充并彼此關聯(lián)，從而獲得新的優(yōu)越性能，與一般材料的簡單混合有本質(zhì)的區(qū)別。復合材料包含基體（matrix）和增強材料（reinforcement）兩個部分?；w材料主要起到包裹、支撐和保護增強材料的作用；增強材料是復合材料的關鍵，分布在基體材料中起到提高增強基體材料性能的作用，如提高強度、韌度及耐熱性等，增強材料與基體間存在明顯界面。復合材料的用量已成為衡量軍用裝備先進性的重要標志。復合材料的興起豐富了現(xiàn)代材料家族。具備高強度、高模量、低比重的碳纖維增強復合材料已成為各類軍民裝備重要的候選材料之一。美國國防部在2025年國防材料發(fā)展預測中提到，只有復合材料能夠將耐高溫、高強度、高模量的指標在現(xiàn)有基礎上同時提高25%以上。復合材料正成為各類航空以及國防裝備的關鍵材料。復合材料在應用中的占比持續(xù)提升，形成了金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料和復合材料四分天下的局面。（二）復合材料的分類復合材料可以根據(jù)基體材料類別、增強材料形態(tài)、復合材料功能的不同來進行分類。1）按基體材料類別，復合材料可分為金屬基、有機非金屬基與無機非金屬基，如樹脂基、鋁基、鈦基復合材料等；2）按增強材料形態(tài)，復合材料可分為纖維增強、顆粒增強、短纖維增強、片狀增強等，如納米碳管、碳纖維復合材料等；3）按材料功能，復合材料可分為結構復合材料、功能復合材料及智能復合材料，如導電復合材料、光導纖維、形狀記憶合金等。精心整理精心整理在復合材料中，結構性樹脂復合材料的技術、經(jīng)濟和社會價值有著重要意義。因此，對樹脂基復合材料的研究和應用一直是各國研究應用的重點。而在軍事裝備，尤其是航空裝備中，連續(xù)碳纖維增強樹脂基復合材料的應用價值。（三）復合材料的特點各向異性和材料可設計性。這是復合材料最大的特點。復合材料的性能取決于基體、增強體和其含量、鋪設方式。復合材料的力學性能及熱、光、防腐、抗老化等性能都可以按照使用要求和環(huán)境條件，通過組分材料的選擇和匹配以及界面控制等手段，對復合材料進行合理的設計，用最少的材料滿足設計要求，有效發(fā)揮材料作用。整體成型。復合材料的構件與材料是同時形成的，具有復合材料的組分材料在復合的同時也形成了結構，一般不再對復合材料進行加工。因此復合材料的整體性好，大幅度減少零部件和連接件數(shù)量，降低成本、縮短加工周期、提高可靠性。比強度、比模量高。飛機結構上主要使用的復合材料以碳纖維樹脂基復合材料為主，它具有高的比強度和比模量。比強度和比模量是材料強度和彈性模量與密度的比值，比強度和比模量是真正體現(xiàn)材料性能優(yōu)劣的參數(shù)，意味著較少的材料能承受更高的載荷。先進的復合材料比強度可以高出鋁合金 6-10倍，比模量高出4倍，先進復合材料的應用能大幅降低飛機的結構重量。二、復合材料在航空國防領域的發(fā)展及應用復合材料的發(fā)展對航空裝備的發(fā)展有著重要意義。 飛機性能一半取決于設計，另一半取決于材料。材料的優(yōu)劣對速度、高度、航程、機動性、隱身性、服役壽命、安全可靠性、可維修性等性能起無可置疑的重大影響。根據(jù)統(tǒng)計，飛機減重中有70%是由航空材料技術進步貢獻的。飛機機體的材料結構已經(jīng)經(jīng)歷了四個發(fā)展階段，復合材料的廣泛使用使其正在邁入第五階段。這五個階段為：第一階段（1903—1919年），木、布結構；第二階段（1920—1949年），鋁、鋼結構；第三階段（1950—1969年），鋁、鈦、鋼結構；第四階段（1970―21世紀初），鋁、鈦、鋼、復合材料結構（以鋁為主）；第五階段（21世紀初至今。）：復合材料、鋁、鈦、鋼結構（以復合材料為主）。使用碳纖維增強樹脂基復合材料的飛機，在減輕飛機重量、減少燃油、減少維修成本和延長飛機使用壽命上有明顯優(yōu)勢，而傳統(tǒng)的鋁合金材料則會隨著時間推移被慢慢腐蝕，降低飛機安全性。采用50%復合材料的波音B787飛機維修費用在服役數(shù)年后依舊穩(wěn)定，而傳統(tǒng)的鋁合金結構飛機B767飛機維修成本將大幅上升。波音公司指出，復合材料將成為“航空航天結構的未來”。復合材料在航空領域的發(fā)展大致經(jīng)歷了次承力構件一尾翼級主承力構件一機翼一機身主承力構件四個階段，逐漸由小型構件向大型核心構件，由軍用向民用發(fā)展。在歐美， 20世紀60年代是復合材料的研發(fā)階段，70年代進入應用階段，此后復合材料在飛機上的應用比例逐步提升。（一）軍用飛機作為一項新興的材料技術，復合材料首先在軍用飛機上得到應用。60年代，玻璃纖維增強復合材料首先開始應用于飛機的整流罩、襟副翼中。此時，復合材料力學性能還相對較低，應用復合材料制造的飛機零部件尺寸小、受力水平小。60年代后期，硼纖維/環(huán)氧樹脂復合材料開始應用于飛機結構上。例如，F(xiàn)-14于1971年開始將硼纖維增強環(huán)氧樹脂復合材料應用在平尾上。70年代中期，誕生了以碳纖維為增強體的高性能復合材料，開啟了復合材料在飛機上的大規(guī)模應用。具有卓越高比強度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞性能的碳纖維增強復合材料非常適合航空裝備需求。軍機的垂尾、平尾等受力較大、尺寸較大的部件開始逐步使用碳纖維增強復合材料，如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等飛機的復合材料尾翼、垂尾。從70年代至今，國外軍機尾翼已經(jīng)全部采用復合材料。采用復合材料的平尾、垂尾一般占飛機全部結構重量的 5%-7%。在尾翼進入復合材料時代后，復合材料的應用開始向軍機的機翼、機身等結構受力大、尺寸大的主要構件發(fā)展。1976年，麥道公司率先研制了F/A-18復合材料機翼，并于1982年正式進入服役，把復合材料用量提高到13%。此后各國所研制的軍機的機翼也幾乎全部采用了復合材料。 例如美國的AV-8B、B-2、F/A-22、F/A-18E/F、F-35、法國的“陣風”、瑞典的JAS-39、歐洲四國聯(lián)合研制的“臺風”，俄羅斯的S-37等。目前世界先進軍機中復合材料用量占全機結構重量的 20%-50%不等，主要應用復合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機翼、中前機身等。如果復合材料占飛機總重量的 50%左右，則全機絕大部分結構件由復合材料制成，如 B-2隱形轟炸機。（二）民用飛機民用飛機更加考慮飛機的安全性和經(jīng)濟性，因此在復合材料的應用上比較謹慎。但隨著復合材料技術的進步和制造成本的降低，20世紀70年代開始，民機也逐步開始使用復合材料部件。與軍機類似，民機復合材料的部件也從小承力構件向主承力構件發(fā)展。以美國為例，復合材料在民機的應用大概經(jīng)歷了 4個過程。第一個階段，20世紀70年代中期，復合材料主要應用于受力較小的前緣、口蓋、整流罩、擾流板等構件上。第二個階段，20世紀80年代中期，復合材料主要應用在受力較小的升降舵、襟副翼等構件。第三個階段，復合材料應用在受力較大的垂尾、平尾等構件上。例如波音 777飛機的垂尾、平尾都采用了復合材料，復合材料占結構總重量的 11%。第四個階段，復合材料在飛機最主要受力部件機翼、機身上得到應用。波音 787夢想飛機的復合材料用量為50%,超過了鋁、鋼、鈦等金屬材料重量的總和。主要應用在機翼、機身、垂尾、平尾、機身地板梁、后承壓框等部位，是第一個采用復合材料機翼和機身的大型商用客機。在歐洲，空中客車公司也從20世紀70年代中期開始了碳纖維增強復合材料在 A300系列飛機上的應用研究。1985年，完成了對A320飛機復合材料垂尾的研制，此后A300系列飛機尾翼一級的部件均采用了復合材料，并將復合材料用量迅速推進到 15%,超過了波音公司。空中客車A380飛機的復合材料用量在25%左右，主要應用在中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和后承壓框等部位。并采用了大量的先進復合材料，比如全球最大樹脂膜浸滲成型的機身后承壓框，應用玻璃纖維增強鋁合金材料（Glare）的機身上壁板等等?？湛托乱淮w機也將邁入以復合材料為主的時代。空客的A400M大型運輸機將采用35%-40%的復合材料，主要應用區(qū)域包括機翼、垂尾、平尾和螺旋槳葉片等。2013年首飛的A350XWB則采用了52%的復合材料，超過了波音B787的50%。（三）直升機直升機對復合材料應用非常顯著。軍用、民用和輕型直升機均大量應用碳纖維復合材料，的直升機復合材料用量已達到結構重量的40%-60%。例如，美國武裝直升機科曼奇（RAH-66）的復合材料使用量為50%;歐洲NH-90直升機的復合材料使用量達到80%,接近全復合材料結構。V-22旋翼飛機是一種新型的飛行結構，可以垂直起降，傾旋轉翼后又能高速巡航，復合材料使用量為51%,包括機身、機翼、尾翼、旋轉機構等均為復合材料制成，也是一個全復合材料的飛機。（四）無人機軍用無人機對減重有著迫切的需求，因此復合材料大量應用于無人機上。例如，美國 X-45系列飛機的復合材料用量達90%以上；X-47系列飛機基本上為全復合材料飛機， “全球鷹”無人偵察機復合材料用量達65%,其中機翼、尾翼、后機身、大型雷達罩等均由復合材料制成；歐洲的試驗無人機“梭魚”、美國遠程攻擊無人機“臭鼬”等的情況也基本如此。（五）航空發(fā)動機復合材料的用量和占比也成為衡量航空發(fā)動機先進程度的一個度量。 根據(jù)冷熱端工作溫度的不同，航空發(fā)動機相應采用了多種不同基體的復合材料進行應用。樹脂基復合材料優(yōu)異的比強度和比模量性能對于高推比航空發(fā)動機的減重、提高推進效率、降低噪聲和排放以及降低成本等都具有重要意義，主要應用在航空發(fā)動機的冷端部件上， 工作溫度在150-200C以下，例如渦扇發(fā)動機壓氣機葉片、導向葉片及其框架組件、渦扇發(fā)動機鼻錐及整流裝置等。在熱端部件上，由于高溫等特殊條件的要求，金屬基、陶瓷基及碳 碳復合材料有著重要應用。SiC長纖維增強鈦基復合材料（Ti-MMC）具有高比強度、高比剛度、耐高溫、抗疲勞性好和蠕變性能好的優(yōu)點，Ti-MMC葉環(huán)代替壓氣機盤可使零部件減重70%o未來航空發(fā)動機壓氣機葉片和鏡子葉片、整體葉環(huán)、機匣和渦輪軸等都將采用金屬基復合材料進行制造。陶瓷基復合材料一直是高溫材料研究的重點，精細陶瓷和氮化硅制造的發(fā)動機部件可以在 1371c溫度下工作，性能甚至優(yōu)于高溫合金，但脆性問題目前仍然沒有解決。碳/碳復合材料同樣具備低密度、高比強、高比模量、抗熱沖擊好等優(yōu)點，是目前在1650c以上工作溫度下唯一備選材料，最高理論溫度達到2600C,被認為最有前途的高溫材料。（六）其他國防軍工行業(yè)復合材料高比強度、高比模量、可設計性的特點，使得復合材料在非航空國防工業(yè)中也有重要應用。纖維增強復合材料具有放熱、隔熱、耐高溫等特性，廣泛的應用于航天工業(yè)上。例如，在防熱方面，高強度玻璃纖維樹脂基復合材料可以用作多管遠程火箭彈和空空導彈結構材料和耐燒蝕隔熱材料，實現(xiàn)了噴管收斂段、擴張段和尾翼架整體化，大大減輕了武器質(zhì)量，提高戰(zhàn)術性能。在衛(wèi)星和航天器上，美國和歐洲的衛(wèi)星結構質(zhì)量不到總質(zhì)量的 10%,原因就是廣泛使用了先進復合材料。目前，衛(wèi)星的微波通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)和各種支撐結構件基本上實現(xiàn)了復合材料化。碳纖維復合材料在固體火箭發(fā)動機上也得到了較好的應用，“飛馬座”、德爾塔運載火箭，“三叉戟”II、“侏儒”導彈型號均采用了復合材料的固體火箭發(fā)動機。美國的戰(zhàn)略導彈 MX導彈、俄羅斯戰(zhàn)略導彈“白楊”M導彈等均采用了先進復合材料的發(fā)射筒。艦船復合材料技術也有迅速的發(fā)展，已基本達到了實際應用水平，簡化制造、降低成本成為當前技術的重點。美國海軍裝備已經(jīng)大量應用復合材料， 例如“福特”號航母、“弗吉尼亞”級潛艇、DDG1000驅逐艦等。英國海軍的45型驅逐艦也安裝了夾芯結構復合材料的綜合桅桿，具有隱身、減少天線維護等有點；英國“機敏”級潛艇泵噴推進器的導管也采用了纖維增強泡沫夾芯復合材料。三、國外航空復合材料市場情況全球復合材料市場正處于快速發(fā)展階段，全球總產(chǎn)量已超過 1000萬噸，其中美國占據(jù)領先地位。JEC近期公布的數(shù)據(jù)顯示，美國是迄今全球復合材料滲透最快的市場，其生產(chǎn)的復合材料價值占全球復合材料價值的32%,產(chǎn)量占全球的28%。據(jù)JEC預計，未來5年內(nèi)美國復合材料工業(yè)將保持5%的年增長率，主要由航空、車輛及建筑三大領域驅動。在航空復合材料產(chǎn)業(yè)鏈的各個位置，美國均擁有全球領先的代表性廠商：歐洲復合材料市場由德國、英國、法國、西班牙及意大利共同主導，五個國家的復合材料產(chǎn)量占全歐洲總產(chǎn)量的三分之一以上。在研發(fā)方面，德國與英國擁有相對領先的研發(fā)力量，如英國的英國國家復合材料中心（NCC）及德國的航空航天研究試驗院（DLR）等。歐美國家復合材料市場轉為以下游的應用型廠商為主，而復合材料的生產(chǎn)中心則向亞洲區(qū)國家轉移。有數(shù)據(jù)顯示，2010年以來歐美國家復合材料的產(chǎn)量正逐漸下降，取而代之的是亞洲國家產(chǎn)量的顯著上升，表明全球復合材料市場格局正在發(fā)生轉變。日本主導全球碳纖維市場。亞洲區(qū)國家中，日本的復合材料發(fā)展毫無疑問處于最領先的地位，研發(fā)型的單位主要有日本國立材料研究所、日本宇宙航空研究開發(fā)機構及機械技術研究所，生產(chǎn)型的廠商主要為東麗、帝人與三菱麗陽，并且這三家廠商占據(jù)了全世界近近80%的碳纖維及其復合材料市場份額，所生產(chǎn)的碳纖維在品種、工藝、產(chǎn)量及質(zhì)量上都屬全球領先，其中高模量高強度碳纖維增強復合材料在航空航天領域中占據(jù)壟斷地位。在碳纖維復合材料進入民航飛機領域之后，東麗與帝人先后與波音、空客兩大飛機制造公司達成合作，所生產(chǎn)的復合材料最終在 A350上突破了50%的比例。低成本化是復合材料技術發(fā)展的核心問題。 歐洲航空復合材料工業(yè)提出，憑借目前的復合材料技術可以使飛機減重達20%以上，但其成本同時也將增加10%-30%。導致其成本居高不下的首要原因是相比航空金屬結構件而言，航空復合材料制件的工業(yè)制造生產(chǎn)技術還相對落后。未來飛機復合材料發(fā)展的目標將是提高自動化技術及工藝成形技術，并達到減重至 30%,成本下降至40%。想要擴大復合材料在航空上的應用，必須降低復合材料的成本。四、國內(nèi)復合材料行業(yè)發(fā)展及相關公司（一）我國航空復合材料發(fā)展中國從20世紀60年代開始進行復合材料在飛機結構上應用的研究， 70年代中期研制成功了復合材料戰(zhàn)斗機進氣道壁板，1985年帶有復合材料垂尾的戰(zhàn)斗機成功首飛， 1995年成功研制帶有整體油箱的復合材料機翼。目前，國內(nèi)幾乎所有在役軍機均不同采用了復合材料部件。 2000年運7的復合材料垂尾通過適航審定，標志著復合材料在民機上開始得到應用。目前國內(nèi)形成了以環(huán)氧、雙馬和聚酰亞胺為主要集體的復合材料體系，以熱熔預浸制造技術和熱壓罐成形技術為主的復合材料成型技術體系。我國航空樹脂基復合材料的力學性能已經(jīng)初步滿足主承力結構的要求，結構一一功能一體化工作尚在預研，低成本技術仍然比較薄弱。航空樹脂基復合材料在現(xiàn)役飛機上的應用包括前機身、垂尾、平尾、副翼、方向舵、鴨翼、腹鰭、機翼隔板、各種口蓋等。在直升機上的應用主要包括旋翼、垂尾、機身和尾槳等。在新一代軍機上，復合材料主要應用在機翼、鴨翼、尾翼、垂尾、中機身壁板、腹鰭、武器艙門等，用量達到結構重量的19%。大型運輸機運20的復合材料用量在10%左右，主要用在垂尾、平尾、方向舵、升降舵、襟翼、副翼、蒸福張等。新一代直升機的復合材料用量在34%左右，主要有斜梁、平尾、整流罩、蒙皮、尾梁、中機身側壁板等，部分承力結構對復合材料的使用使得復合材料的應用規(guī)模有了本質(zhì)改變。我國ARJ21支線飛機的升降舵、方向舵、襟副翼、雷達罩等均使用了復合材料制造。民用大飛機C919在尾翼部分及機翼活動面等次要結構重量上采用了復合材料；根據(jù)媒體報道，2014年10月30日交付的C919首架后機身前段也以復合材料為主體結構，是大面積復合材料制造主體結構在國產(chǎn)民用飛機上的首次應用。預計隨著相關復合材料和結構材料技術的突破，未來國產(chǎn)軍機中復合材料用量將提高到 25%左右，減重效率由20%提高到30%,在機翼、機身等主承力結構上更多的采用復合材料，減重的同時將充分發(fā)揮復合材料耐腐蝕、隱身、保形天線等優(yōu)勢。五、相關上市公司目前我國從事各類復合材料生產(chǎn)的廠家較多，主要涉及航天航空及軍工、建筑、交通運輸?shù)葞状箢I域，但僅有幾家有能力進行航天航空及軍用高性能纖維增強復合材料的研發(fā)