大國利器 | 軍工行業深度研究報告——軍工材料專題之複合材料

引言：

複合材料（Composite Materials）是由兩種或兩種以上不同性能、不同形態的材料，通過複合工藝組合而成的新型材料。複合材料既能保持原材料的主要性能，又能通過複合效應與協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。

複合材料的用量已成為衡量軍用裝備先進性的重要標誌。複合材料的興起豐富了現代材料家族。尤其是具備高強度、高模量、低比重碳纖維增強複合材料的出現，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年國防材料發展預測中提到，只有複合材料能夠將強度、模量和耐高溫的指標在現有基礎上同時提高25%以上。複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，複合材料用量持續增長。主要應用複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戰機與空客A380飛機的複合材料用量在20%-25%之間，而波音B787與空客A350的複合材料用量將突破50%，超越鋁合金成為用量最大的材料。飛機正進入複合材料時代。

一、複合材料概覽

（一）複合材料的定義

複合材料（Composite Materials）是由有機高分子、無機非金屬或金屬等幾類不同材料通過複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並彼此關聯，從而獲得新的優越性能，與一般材料的簡單混合有本質的區別。

複合材料包含基體（matrix）和增強材料（reinforcement）兩個部分。基體材料主要起到包裹、支撐和保護增強材料的作用；增強材料是複合材料的關鍵，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。

複合材料的用量已成為衡量軍用裝備先進性的重要標誌。複合材料的興起豐富了現代材料家族。具備高強度、高模量、低比重的碳纖維增強複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年國防材料發展預測中提到，只有複合材料能夠將耐高溫、高強度、高模量的指標在現有基礎上同時提高25%以上。複合材料正成為各類航空以及國防裝備的關鍵材料。複合材料在應用中的佔比持續提升，形成了金屬材料、高分子材料、無機非金屬材料和複合材料四分天下的局面。

（二）複合材料的分類

複合材料可以根據基體材料類別、增強材料形態、複合材料功能的不同來進行分類。

1）按基體材料類別，複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、鈦基複合材料等；

2）按增強材料形態，複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、碳纖維複合材料等；

3）按材料功能，複合材料可分為結構複合材料、功能複合材料及智能複合材料，如導電複合材料、光導纖維、形狀記憶合金等。

在複合材料中，結構性樹脂複合材料的技術、經濟和社會價值有著重要意義。因此，對樹脂基複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，連續碳纖維增強樹脂基複合材料的應用價值。

（三）複合材料的特點

各向異性和材料可設計性。這是複合材料最大的特點。複合材料的性能取決於基體、增強體和其含量、鋪設方式。複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，對複合材料進行合理的設計，用最少的材料滿足設計要求，有效發揮材料作用。

整體成型。複合材料的構件與材料是同時形成的，具有複合材料的組分材料在複合的同時也形成了結構，一般不再對複合材料進行加工。因此複合材料的整體性好，大幅度減少零部件和連接件數量，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複合材料以碳纖維樹脂基複合材料為主，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材料性能優劣的參數，意味著較少的材料能承受更高的載荷。先進的複合材料比強度可以高出鋁合金6-10倍，比模量高出4倍，先進複合材料的應用能大幅降低飛機的結構重量。

二、複合材料在航空國防領域的發展及應用

複合材料的發展對航空裝備的發展有著重要意義。飛機性能一半取決於設計，另一半取決於材料。材料的優劣對速度、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。根據統計，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經歷了四個發展階段，複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、複合材料結構（以鋁為主）；

第五階段（21世紀初至今。）：複合材料、鋁、鈦、鋼結構（以複合材料為主）。

使用碳纖維增強樹脂基複合材料的飛機，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勢，而傳統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。採用50%複合材料的波音B787飛機維修費用在服役數年後依舊穩定，而傳統的鋁合金結構飛機B767飛機維修成本將大幅上升。波音公司指出，複合材料將成為「航空航天結構的未來」。

複合材料在航空領域的發展大致經歷了次承力構件—尾翼級主承力構件—機翼—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，由軍用向民用發展。在歐美，20世紀60年代是複合材料的研發階段，70年代進入應用階段，此後複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，複合材料首先在軍用飛機上得到應用。

60年代，玻璃纖維增強複合材料首先開始應用于飛機的整流罩、襟副翼中。此時，複合材料力學性能還相對較低，應用複合材料製造的飛機零部件尺寸小、受力水平小。

60年代後期，硼纖維/環氧樹脂複合材料開始應用于飛機結構上。例如，F-14於1971年開始將硼纖維增強環氧樹脂複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複合材料，開啟了複合材料在飛機上的大規模應用。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複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複合材料，如F-15、F-16、Mig-29、幻影2000、F/A-18等飛機的複合材料尾翼、垂尾。從70年代至今，國外軍機尾翼已經全部採用複合材料。採用複合材料的平尾、垂尾一般占飛機全部結構重量的5%-7%。

在尾翼進入複合材料時代後，複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展。1976年，麥道公司率先研製了F/A-18複合材料機翼，並於1982年正式進入服役，把複合材料用量提高到13%。此後各國所研製的軍機的機翼也幾乎全部採用了複合材料。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、歐洲四國聯合研製的「颱風」，俄羅斯的S-37等。

目前世界先進軍機中複合材料用量佔全機結構重量的20%-50%不等，主要應用複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。如果複合材料占飛機總重量的50%左右，則全機絕大部分結構件由複合材料製成，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濟性，因此在複合材料的應用上比較謹慎。但隨著複合材料技術的進步和製造成本的降低，20世紀70年代開始，民機也逐步開始使用複合材料部件。與軍機類似，民機複合材料的部件也從小承力構件向主承力構件發展。

以美國為例，複合材料在民機的應用大概經歷了4個過程。

第一個階段，20世紀70年代中期，複合材料主要應用於受力較小的前緣、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，複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，複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、平尾都採用了複合材料，複合材料占結構總重量的11%。

第四個階段，複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夢想飛機的複合材料用量為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、後承壓框等部位，是第一個採用複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複合材料在A300系列飛機上的應用研究。1985年，完成了對A320飛機複合材料垂尾的研製，此後A300系列飛機尾翼一級的部件均採用了複合材料，並將複合材料用量迅速推進到15%，超過了波音公司。

空中客車A380飛機的複合材料用量在25%左右，主要應用在中央翼、外翼、垂尾、平尾、機身地板梁和後承壓框等部位。並採用了大量的先進複合材料，比如全球最大樹脂膜浸滲成型的機身後承壓框，應用玻璃纖維增強鋁合金材料（Glare）的機身上壁板等等。

空客新一代飛機也將邁入以複合材料為主的時代。空客的A400M大型運輸機將採用35%-40%的複合材料，主要應用區域包括機翼、垂尾、平尾和螺旋槳葉片等。2013年首飛的A350XWB則採用了52%的複合材料，超過了波音B787的50%。

（三）直升機

直升機對複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複合材料，的直升機複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）的複合材料使用量為50%；歐洲NH-90直升機的複合材料使用量達到80%，接近全複合材料結構。

V-22旋翼飛機是一種新型的飛行結構，可以垂直起降，傾旋轉翼後又能高速巡航，複合材料使用量為51%，包括機身、機翼、尾翼、旋轉機構等均為複合材料製成，也是一個全複合材料的飛機。

（四）無人機

軍用無人機對減重有著迫切的需求，因此複合材料大量應用於無人機上。例如，美國X-45系列飛機的複合材料用量達90%以上；X-47系列飛機基本上為全複合材料飛機，「全球鷹」無人偵察機複合材料用量達65%，其中機翼、尾翼、後機身、大型雷達罩等均由複合材料製成；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）航空發動機

複合材料的用量和佔比也成為衡量航空發動機先進程度的一個度量。根據冷熱端工作溫度的不同，航空發動機相應採用了多種不同基體的複合材料進行應用。

樹脂基複合材料優異的比強度和比模量性能對於高推比航空發動機的減重、提高推進效率、降低雜訊和排放以及降低成本等都具有重要意義，主要應用在航空發動機的冷端部件上，工作溫度在150-200℃以下，例如渦扇發動機壓氣機葉片、導向葉片及其框架組件、渦扇發動機鼻錐及整流裝置等。

在熱端部件上，由於高溫等特殊條件的要求，金屬基、陶瓷基及碳/碳複合材料有著重要應用。

SiC長纖維增強鈦基複合材料（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點，Ti-MMC葉環代替壓氣機盤可使零部件減重70%。未來航空發動機壓氣機葉片和鏡子葉片、整體葉環、機匣和渦輪軸等都將採用金屬基複合材料進行製造。陶瓷基複合材料一直是高溫材料研究的重點，精細陶瓷和氮化硅製造的發動機部件可以在1371℃溫度下工作，性能甚至優於高溫合金，但脆性問題目前仍然沒有解決。

碳/碳複合材料同樣具備低密度、高比強、高比模量、抗熱衝擊好等優點，是目前在1650℃以上工作溫度下唯一備選材料，最高理論溫度達到2600℃，被認為最有前途的高溫材料。

（六）其他國防軍工行業

複合材料高比強度、高比模量、可設計性的特點，使得複合材料在非航空國防工業中也有重要應用。

纖維增強複合材料具有放熱、隔熱、耐高溫等特性，廣泛的應用於航天工業上。例如，在防熱方面，高強度玻璃纖維樹脂基複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，實現了噴管收斂段、擴張段和尾翼架整體化，大大減輕了武器質量，提高戰術性能。

在衛星和航天器上，美國和歐洲的衛星結構質量不到總質量的10%，原因就是廣泛使用了先進複合材料。目前，衛星的微波通信系統、能源系統和各種支撐結構件基本上實現了複合材料化。

碳纖維複合材料在固體火箭發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」導彈型號均採用了複合材料的固體火箭發動機。美國的戰略導彈MX導彈、俄羅斯戰略導彈「白楊」M導彈等均採用了先進複合材料的發射筒。

艦船複合材料技術也有迅速的發展，已基本達到了實際應用水平，簡化製造、降低成本成為當前技術的重點。美國海軍裝備已經大量應用複合材料，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複合材料的綜合桅杆，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採用了纖維增強泡沫夾芯複合材料。

三、國外航空複合材料市場情況

全球複合材料市場正處於快速發展階段，全球總產量已超過1000萬噸，其中美國佔據領先地位。JEC近期公布的數據顯示，美國是迄今全球複合材料滲透最快的市場，其生產的複合材料價值佔全球複合材料價值的32%，產量佔全球的28%。據JEC預計，未來5年內美國複合材料工業將保持5%的年增長率，主要由航空、車輛及建築三大領域驅動。

在航空複合材料產業鏈的各個位置，美國均擁有全球領先的代表性廠商：

歐洲複合材料市場由德國、英國、法國、西班牙及義大利共同主導，五個國家的複合材料產量佔全歐洲總產量的三分之一以上。在研發方面，德國與英國擁有相對領先的研發力量，如英國的英國國家複合材料中心（NCC）及德國的航空航天研究試驗院（DLR）等。

歐美國家複合材料市場轉為以下游的應用型廠商為主，而複合材料的生產中心則向亞洲區國家轉移。有數據顯示，2010年以來歐美國家複合材料的產量正逐漸下降，取而代之的是亞洲國家產量的顯著上升，表明全球複合材料市場格局正在發生轉變。

日本主導全球碳纖維市場。亞洲區國家中，日本的複合材料發展毫無疑問處於最領先的地位，研髮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機構及機械技術研究所，生產型的廠商主要為東麗、帝人與三菱麗陽，並且這三家廠商佔據了全世界近近80%的碳纖維及其複合材料市場份額，所生產的碳纖維在品種、工藝、產量及質量上都屬全球領先，其中高模量高強度碳纖維增強複合材料在航空航天領域中佔據壟斷地位。在碳纖維複合材料進入民航飛機領域之後，東麗與帝人先後與波音、空客兩大飛機製造公司達成合作，所生產的複合材料最終在A350上突破了50%的比例。

低成本化是複合材料技術發展的核心問題。歐洲航空複合材料工業提出，憑藉目前的複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，航空複合材料製件的工業製造生產技術還相對落後。未來飛機複合材料發展的目標將是提高自動化技術及工藝成形技術，並達到減重至30%，成本下降至40%。想要擴大複合材料在航空上的應用，必須降低複合材料的成本。

四、國內複合材料行業發展及相關公司

（一）我國航空複合材料發展

中國從20世紀60年代開始進行複合材料在飛機結構上應用的研究，70年代中期研製成功了複合材料戰鬥機進氣道壁板，1985年帶有複合材料垂尾的戰鬥機成功首飛，1995年成功研製帶有整體油箱的複合材料機翼。目前，國內幾乎所有在役軍機均不同採用了複合材料部件。2000年運7的複合材料垂尾通過適航審定，標誌著複合材料在民機上開始得到應用。

目前國內形成了以環氧、雙馬和聚醯亞胺為主要集體的複合材料體系，以熱熔預浸製造技術和熱壓罐成形技術為主的複合材料成型技術體系。我國航空樹脂基複合材料的力學性能已經初步滿足主承力結構的要求，結構——功能一體化工作尚在預研，低成本技術仍然比較薄弱。

航空樹脂基複合材料在現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，複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的複合材料用量在10%左右，主要用在垂尾、平尾、方向舵、升降舵、襟翼、副翼、蒸餾張等。

新一代直升機的複合材料用量在34%左右，主要有斜梁、平尾、整流罩、蒙皮、尾梁、中機身側壁板等，部分承力結構對複合材料的使用使得複合材料的應用規模有了本質改變。

我國ARJ21支線飛機的升降舵、方向舵、襟副翼、雷達罩等均使用了複合材料製造。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採用了複合材料；根據媒體報道，2014年10月30日交付的C919首架後機身前段也以複合材料為主體結構，是大面積複合材料製造主體結構在國產民用飛機上的首次應用。

預計隨著相關複合材料和結構材料技術的突破，未來國產軍機中複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採用複合材料，減重的同時將充分發揮複合材料耐腐蝕、隱身、保形天線等優勢。

五、相關上市公司

目前我國從事各類複合材料生產的廠家較多，主要涉及航天航空及軍工、建築、交通運輸等幾大領域，但僅有幾家有能力進行航天航空及軍用高性能纖維增強複合材料的研發與生產產。

（一）航空複合材料領域，中航工業旗下三家企業可以為各類飛機提供複合材料：

中航高科：公司子公司中航復材主要從事航空樹脂基、非航空樹脂基複合材料用原材料、預浸料、蜂窩、結構件產品的研發生產，已發展成為國內複合材料行業的龍頭企業。依據南通科技重大資產重組預案，。中航復材未來將注入南通科技。

哈飛股份：：通過直9飛機的引進，到EC120、EC175飛機的合作，哈飛對複合材料的研究製造能力在國內屬於領先地位。目前哈飛擁有亞洲最大的複合材料廠房，總面積達到近7萬平方米。此外哈爾濱哈飛空客複合材料製造中心有限公司，是中航工業（持股70%，哈飛集團50%，中航科工10%，哈飛股份10%）與空客合資設立的複合材料製造中心，為空客A350XWB及空客A320系列飛機製造複合材料零部件。

FACC：：2009年中航工業西飛集團完成了對奧地利菲舍爾未來先進複合材料股份公司(FACC)的收購。FACC是全球著名的從事研發製造複合材料部件和系統的專業化公司，為波音、空客、龐巴迪、阿萊尼亞、歐直、沃特、薩博、中國商飛等生產飛機結構件和內飾件，為羅羅、GE、普惠生產發動機結構件。2011年中航在鎮江建立國內建低成本中心——菲舍爾公司，並於2014年7月7日開工投產，目前已成功向FACC交付A320系列及A330系列飛機翼梁翼肋連接角件和A320、A380飛機天線支架，標誌著中國在民用航空複合材料製造領域達到世界先進水平。

（二）部分國內其他涉及軍用複合材料的上市公司有：

複合材料加工設備：日發精機，公司子公司日發航空的新型蜂窩加工設備可將蜂窩材料加工效率提高2倍以上。蜂窩材料是一種蜂窩結構的複合材料，在機翼、鴨翼、方向舵等受力構件上有廣泛應用。公司的蜂窩材料加工設備在航空航天軍工領域有較大市場空間。

碳/碳複合材料：博雲新材，公司生產的碳/碳複合材料用於航空航天（飛機剎車副）、新能源等行業。

作者：中信證券 高嵩 周櫟偉

（來源：i投資【微信號：itouzi8】）

新材料在線第二屆中國新材料資本技術峰會暨「中國好材料?」頒獎盛典，活動火熱報名中

點擊下方 「閱讀原文」 查看活動詳細資料

↓↓↓