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军工新材料产业链上中下游市场分析(附产业链全景图)

  • 发布日期:2024-12-21 14:20    点击次数:153
  • 11月5日,空军在北京组织新闻发布会,介绍庆祝人民空军成立75周年以及参加第十五届中国航展有关信息。

    空军装备部牛文博上校介绍,第十五届中国航展期间,空军将首次展出中型隐身多用途战斗机歼-35A、红-19地空导弹武器系统、新型察打一体无人机等新型装备。

    此次歼-35A亮相珠海航展(11月12日至11月17日举行)由空军对外宣布,表示歼-35A已经正式列装,中国成为世界上第二个同时装备两款隐形战机的国家。

    歼-35A首次公开即带有尾号A,表明这种战斗机有可能按照一机多型、并行发展的模式进行研制,其意义不亚于歼-20装备人民空军。

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    歼-35A是由中国航空工业集团沈阳飞机设计研究所研制、中国航空工业集团沈阳飞机工业(集团)有限公司生产的新一代隐身多用途歼击机。

    当前随着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。

    从研发角度看,航天军工材料具备“一代军机,一代材料”的特性。军机升级的需求将驱动企业不断加大投入研发新的高性能材料,并提高生产工艺水平以确保良率。

    军机制造产业链图示:

    资料来源:中航证券金融研究所

    军工新材料行业概况

    军工新材料按用途可分为结构材料和功能材料两大类。结构材料如镁合金、钛合金和高温合金等,在航空航天、兵器及船舶等军工领域发挥着重要作用。功能材料如光电功能材料、隐身材料和智能材料等,则主要用于制造导弹、飞行器及地面武器装备的红外探测系统、隐身涂层和自适应控制系统。

    军工新材料市场竞争激烈,但不同细分领域竞争态势各异。上游和中游市场化程度较高,众多企业参与其中,通过技术创新和成本控制来争夺市场份额。下游则寡头垄断企业较多,但中上游整体毛利率高于下游。

    军工新材料是指应用于新型武器装备中的各种先进材料,是提升武器装备性能的关键因素。

    军工材料是按材料用途划分出的重要应用领域。军工装备工作环境很苛刻,所以军工材料大多得在极端环境下正常工作,航空航天对结构材料要求更高,这样一来,军工材料一般要有高强度、耐高温、耐腐蚀、低密度等多种性能。那些特性和功能优异、能满足军用高性能需求的材料,就被称为军工材料或者军工高端材料。军工行业是综合性行业,涉及的工业门类多,所以在材料种类需求上更繁杂,主要包括金属材料、以高性能纤维做强化相的各类复合材料,还有其他功能性新材料等。

    军工材料是武器装备发展的物质根基。在任何时代,最先进的技术常常最先用于军事方面。一种武器的发展对应着一种材料的发展,材料在国防工业里极为重要,是高端武器装备发展的首要条件。半导体材料的发展影响着电子技术的发展;战略导弹、战术导弹以及卫星的发展要依靠先进复合材料技术的发展;新型复合装甲材料技术(像抗弹陶瓷、树脂基复合材料技术等)让坦克防护有了新的发展契机;工程塑料用在枪械上,打破了世界枪械研究停滞不前的状况;发动机性能的改进有一半要靠材料。

    军工新材料技术对武器装备的性能和水平有着重要影响。高效低成本的树脂基弹箭复合材料研制出来后,被应用在战略和战术弹箭上,这让武器装备的战技指标有了明显改进,战略导弹的射程也大幅增加;轻型反坦克导弹射程的增加,主要靠碳纤维/玻纤混杂增强环氧复合材料发动机壳体、有机硅耐烧蚀涂料和橡胶基复合材料防护层研制成功并得到应用;四代战斗机“4S”性能特点的实现,在很大程度上依赖新材料技术的发展与应用。

    军工新材料能引领技术发展,还为我国整体材料打下基础。我国高端新材料技术快速发展的动力源之一就是军工新装备的牵引,特别是在国外封锁的情况下,军工材料是我国新材料技术的突破点。这几年发展下来,能发现我国在逐渐冲破西方列强的封锁包围。拿“碳纤维”来说,以前美日等国垄断了国际碳纤维行业的主要市场。不过,在我国重点扶持下,还有光威复材、中简科技等企业不断努力,通过军品的研发供应,我国高性能碳纤维有了很大进步,也为以后高端民用市场打了基础。

    军工材料正在朝着“轻量化、高性能化、多功能化、复合化、低成本化和智能化”这些方向发展。在航空航天方面,飞行器要是实现了轻量化,就能在省油的同时增大作战半径,提升战场生存能力与战斗力,所以发展的方向就是采用质轻、高强、高模的材料来提高结构效率。高性能化是军工新材料一直以来都有的要求,这种性能体现在很多方面,像是力学强度、韧性,或者耐高温性能等等。

    另外,武器装备特别看重可靠性,所以军工材料是性能比经济性更重要。新型号、新装备要是产量增加,那对高性能材料的需求会明显增多。现在在新型武器装备里,钛合金、高温合金还有复合材料(像碳纤维之类的)都表现得很突出,市场规模一直在变大。从航空领域对材料的需求来说,100多年来发展经过了四个阶段,现在正要进入第五个阶段,这个阶段的特征就是:机体结构材料会大量采用复合材料,钛合金的用量也不断创下新高。

    军工新材料产业链

    军工产业链分为原材料、零部件、分系统和总装厂四大环节。

    军工新材料产业链及主要企业梳理:

    主要军工材料“十四五”扩产情况(吨):

    一、隐身材料

    现代隐身技术依赖于先进的隐身材料,可以大幅削减电磁波的发射与反射,进而减小被敌方探测到的风险。

    隐身材料是实现装备隐形的基石,

    隐身技术是一种高科技手段,通过管理和减弱武器装备的特征信号,使得这些装备更难被探测、辨认、追踪及攻击。隐身材料是实现装备隐形的基石,其研究与开发成为了隐身技术突破的关键,研制水平及应用广度也成为衡量一个国家隐身技术先进程度的重要标志。

    隐身材料可以细分为雷达隐身材料,红外隐身材料,可见光隐身材料,激光隐身材料以及多频谱隐身材料等。

    雷达隐身材料主要用于抵御雷达探测系统的威胁,通过吸收电磁波能量来削弱回波强度,从而实现雷达隐身效果。

    红外隐身技术主要针对红外探测系统的侦察,通过降低装备表面的发射率或温度,有效控制目标的红外特征,以达到隐身的目的。

    隐身材料可分为雷达隐身、红外隐身、多频谱隐身等多种类型:

    在军用装备研发领域,隐身材料属于消耗品。据中国国防报报道,美国B-2战机所使用的隐身涂层需每30天清洁一次,费用超过10万美元;而每隔7年则需重新涂覆一次,保守估计费用高达约6000万美元。

    隐身材料产业链包括上游原材料供应商、中游隐身材料制造商及下游装备制造商。上游环节主要供应靶材与粉体等关键原材料;中游是高度定制化的隐身材料生产;下游环节主要由军工集团旗下的科研生产单位构成。依据需求,研制特定型号的武器装备,如军机、导弹、舰艇及陆地战斗装备,合作模式紧密关联隐身材料的具体形态。

    隐身材料行业初期需投入高额研发资金并经过严格认证,因此进入门槛较高。

    针对常温与高温隐身材料等细分领域,下游应用的不同直接引导了技术研发方向的差异。

    行业发展方面来看,隐身技术与材料的研究起源于德国,后在美国得到大力发展,并逐渐扩展到包括英国、法国、俄罗斯。

    自20世纪90年代以来,全球隐身技术高速发展,高隐身性能成为现代武器装备的显著特征之一。随着新型探测系统与精确制导武器的出现,隐身技术的战略意义日益凸显。

    由于保密性较强等原因,已实现产业化并公开的相关企业并不多。公开资料显示,国内隐身材料材料仅有光启技术、华秦科技、佳驰科技、康泰威(新劲刚子公司)等少数几家。

    光启技术产品主要为超材料产品,华秦科技产品偏重中高温隐身材料,佳驰科技的产品属于常温隐身材料,结构隐身材料是其优势。

    光启技术、华秦科技、佳驰科技三家企业产品批产较早,覆盖重要装备型号,处于市场领先位置。三者均拥有各自细分优势领域,且产品技术壁垒较高,难以发生激烈竞争。

    二、高温合金

    高温合金是以铁、镍、钴为基体元素,能在 600°C 以上的高温环境下抗氧化或耐腐蚀,并能在一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金不仅有优良的高 温强度、良好的抗氧化和耐腐蚀性能,而且还有良好的综合性能,如蠕变性能、疲 劳性能、断裂韧性、组织稳定性、工艺性能等,主要应用于涡轮叶片、涡轮盘、燃 烧室、压气机盘、机匣、环形件、尾喷管及紧固件等部件,是国防建设、航天航空、 能源、船舶等战略性产业的关键战略材料。 高温合金属于先进金属材料行业,表现为高性能合金材料。合金材料指由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。随着组成 合金材料中金属元素的成分、比例不同,合金材料可以展现出耐高温、高硬度、高耐磨性、高韧性、高强度、耐腐蚀性等不同的特性。

    高温合金在航空发动机上的应用:

    目前镍基高温合金是航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰船和工业燃气轮机的关键热端部件材料。

    按照制造工艺来分,高温合金可分为多种类别: 1)按制备工艺,高温合金可分为铸造高温合金、变形高温合金和粉末高温合金。铸造高温合金强化相数量较多,不易变形加工,因此重熔高温合金母合金,在铸造型 腔内浇注为铸件,通常用于制造航空航天发动机和燃气轮机等先进动力装备的关键 热端部件,其需求量约 20%;按结晶方式可细分为等轴、定向以及单晶铸造高温合 金。变形高温合金的热加工塑性较好,可以在锻轧机械的外力作用下塑性变形为特 定形状和尺寸的锻件和型材,在固溶、时效状态下的高温强度优异,其需求量约占 高温合金的 70%。其余 10%需求量为粉末高温合金。 2)按基体元素,高温合金可以分为铁基高温合金、镍基高温合金和钴基高温合金等。 3)按照强化方式,高温合金可以分为固溶强化高温合金、时效强化高温合金、氧化 物弥散强化高温合金等。

    当前市场形成以大客户为主战场,两机、民品及国际市场全面布局的新格局。

    国内企业间属于竞争合作关系,直接竞争较少,同时存在上下游合作,以实现技术创新、扩大产能以满足市场需求为主要发展目标。

    我国目前从事高温合金研究生产的主要企业分为两类,第一类是特钢企业,主要是抚顺特钢、宝钢特钢、长城特钢,主要生产批量较大的合金板材、棒材和锻件,这类产品用量最大,结构简单;另一类是科研院所转型企业,主要是钢研高纳、航材院、中科院金属研究所,主要生产较小批量、结构复杂的高端产品,这两类厂家之间形成了错位竞争的格局。

    高温合金产业链及主要厂商:

    三、钛合金

    钛合金是一种由钛和其他金属或非金属元素组成的合金,具有高强度、低密度、耐高温、耐腐蚀等优异的物理化学性能,是航空航天、国防军工、医疗器械等领域的重要战略材料。

    钛合金是指以钛为基体,加入一种或多种合金元素,通过冶炼或粉末冶金等方法制成的合金。根据合金元素的种类和含量,钛合金可以分为以下几类:

    α型钛合金:主要含有稳定α相的元素,如铝、碳、氧、氮等,具有良好的抗蠕变性能和低温韧性,但强度较低,适用于150~350℃的温度范围。

    β型钛合金:主要含有稳定β相的元素,如钼、铌、钒、铬等,具有高强度和高塑性,可通过调节热处理工艺获得不同的组织和性能,适用于350~550℃的温度范围。

    α+β型钛合金:同时含有稳定α相和β相的元素,是最常用的一类钛合金,具有较高的强度和韧性,可通过控制α相和β相的比例和分布来调节性能,适用于-250~500℃的温度范围。

    近β型钛合金:含有少量稳定α相的元素,主要由β相组成,具有高强度和高延性,可通过时效处理获得高强韧性能,适用于150~600℃的温度范围。

    钛合金是飞机机体和发动机的重要结构材料之一,长期稳占航空发动机冷端的主体地位,能够减轻发动机的重量,提高推重比,其用量占比约为 30%。

    在军工领域中主要用于导弹部件、坦克装甲、潜艇壳体等,在提高武器装备性能和可靠性方面具有重要作用。

    近50年来钛合金在商用及军用飞机领域的用量伴随各自产品的升级换代呈稳步增长趋势。

    钛合金加工工艺复杂且难度较高,因此其成材率较低,进而对应钛合金需求更大。

    大规格铸锭真空熔炼及大规格棒材制造技术难度高,是此前长期制约我国装备发展的瓶颈之一。从海绵钛到钛材的加工过程复杂,各个环节产生的损耗较多,但其成本挖潜的空间也相应的会更大。

    我国钛行业已由过去的中低端化工、冶金和制盐等行业需求,正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。

    钛合金由于其优异的物理化学性能,广泛应用于各个领域。根据不同的应用需求,钛合金可以制成各种形式,如板材、棒材、管材、丝材、铸件、锻件、粉末等。以下是钛合金在不同领域的主要应用:

    航空航天:航空航天是钛合金最重要的应用领域之一,占全球钛消费量的50%以上。钛合金在飞机上主要用于机身结构件、发动机部件、起落架部件等,在航天器上主要用于火箭发动机部件、卫星结构件等。由于钛合金具有高强度重量比和耐高温性能,在提高飞行速度和效率方面具有重要作用。

    国防军工:国防军工是钛合金另一个重要的应用领域,占全球钛消费量的15%左右。钛合金在国防军工中主要用于导弹部件、坦克装甲、潜艇壳体等,在提高武器装备性能和可靠性方面具有重要作用。

    医疗器械:医疗器械是钛合金一个新兴的应用领域,占全球钛消费量的5%左右。钛合金在医疗器械中主要用于人工关节、牙科种植、外科手术器械等,在提高生物相容性和抗菌性方面具有重要作用。

    其他工业:钛合金在其他工业领域也有广泛的应用,占全球钛消费量的30%左右。钛合金在其他工业中主要用于化工设备、石油设备、电力设备、汽车零部件等,在提高耐腐蚀性和耐磨性方面具有重要作用。

    当前我国钛材消费已由中低端的化工、冶金等领域,逐步向航空航天、高端化工(PTA装备)、医疗、海洋工程等行业发展,但化工行业依然贡献了近半数需求,航空航天为18.4%,海洋工程为7.7%。

    轻量化和高性能的要求使得钛合金和碳纤维复合材料的应用持续增长。

    中国钛材销量增速和航空航天领域钛材销量增速(%):

    在我国的“钛谷”宝鸡,存在着大小共计400家钛合金材加工厂商,其中,军用高端钛材市场参与者主要为宝钛股份(全谱系)、西部超导(棒材、丝材)和西部材料(板材、管材)三家,其技术均源自西北有色金属研究院。

    公开资料显示,西部超导主要从事钛合金棒材、丝材;西部材料主要从事钛合金板材、管材,二者不存在实质性竞争关系;宝钛股份拥有从海绵钛、钛铸锭到钛加工材的全产业链布局,通过了国内军品认证以及国外的波音、空客等质量体系认证。

    四、碳纤维复合材料

    碳纤维复合材料工业的开端是在70年代到80年代之间。1970年,日本东丽工业公司和美国联合碳化物公司成立了一家合资技术企业,导致PAN基碳纤维生产的成熟,该生产在当今全球市场占据主导地位。在碳纤维制造工艺的发展过程中,英国、美国和日本之间进行了密切合作。

    1971年,东丽公司建立了12吨碳纤维生产能力(当时世界上最大的),并开始生产Torayca®300(T300)。1972年,东丽推出了第一个商业碳纤维复合产品系列——鱼竿。这些鱼竿将现有产品的重量减少了约50%,并且相对更贵。1972年,美国的Hercules从RAE获得碳化技术,并采用了Courtaulds的前驱体。随后,美国和日本公司生产碳纤维高尔夫球杆、网球拍和自行车,其性能在市场上受到高度评价。

    然而,CFRP在当时主要用于运动和休闲。1975年是自1973年石油危机以来的一个转折点,这场危机迫切需要减少机身重量以减少燃料消耗。波音和空中客车等飞机制造商专注于使用碳纤维增强塑料制造不影响飞行安全的二级飞机结构。1980年,波音公司提出了商用飞机制造对碳纤维的要求。1982年,他们开始在波音757、波音767和航天飞机上使用T300。CFRP进入了航空航天结构的工程应用,包括军用和民用飞机。CFRP的大规模生产是在军用飞机的制造中实现的。

    20世纪80年代见证了碳纤维生产的工业化,碳纤维系列化和应用取得了重大突破。凭借1000吨/年的单线生产能力,东丽已基本完成其现有产品系列的大部分,即初期的T300、中期的T800和T1000以及后期的M60J。Torayca®碳纤维的拉伸性能如表1所示。随着碳纤维增强塑料在飞机部件中的广泛应用,到1988年,Torayca®碳纤维的累计产量已超过10万吨。与此同时,英国进行了几次技术转让,最初是向美国,然后是向中国、印度、俄罗斯和巴西。由于美国、日本和英国之间的技术转让,工业碳纤维制造商Zoltek于1988年在美国推出。

    纤维材料有望成为新一代军机性能实现的重要落脚点,主要包括:碳纤维、陶瓷纤维、石英纤维等。

    其中,碳纤维复合材料是引领轻量化浪潮的关键材料。

    在飞机结构设计中大量使用碳纤维复合材料可以使结构质量减少20%-25%。

    在战斗机和直升机上,碳纤维复合材料应用于战机主结构、次结构件和战机特殊部位的特种功能部件,当前战斗机上碳纤维复合材料的用量已达到25%以上。

    碳纤维为寡头垄断供货,溢价能力较强,盈利能力稳定。若下游型号放量,厂商有望充分受益配套增速。

    碳纤维产业链及代表性公司:

    以往国际碳纤维行业主要市场被美日等国垄断,近年来随着我国重点扶持,通过军品的研发供应,我国在高性能碳纤维方面取得了高速进步。

    据公司公告和公开资料显示,我国军用碳纤维产业链企业主要有中航高科、光威复材、中简科技等,其中光威复材实现全产业链布局;中简科技布局偏上游,产品技术含量相对更高,是国内航空航天领域ZT7系列(高于T700级)碳纤维产品的批量稳定供应商;中航高科偏下游,主要为航空复材产品。

    碳纤维产业链全景图:

    此外,在石英纤维领域,据公开资料显示,国内厂商菲利华是全球少数具有石英玻璃纤维量产能力的制造商之一,是国内国防军工领域唯一的石英纤维供应商。

    从行业特征来看,军工新材料行业基本具备三大壁垒:客户认证周期长,准入资格发放严格,技术难度高且研发投入大。庞大的研发投入也使得新进入者难以同龙头竞争,这也导致大多数环节的集中程度比传统制造业产业链更高,行业集中度有望持续提升。

    发布于:河北省

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