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深度報告 | 軍工新材料產業化加快,關注特種陶瓷材料

2016-09-12 12:19:55 作者：本網整理來源：網絡分享至：

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軍工新材料產業化加快，為國家戰略型高端制造奠定扎實基礎

上周國務院印發“十三五”國家科技創新規劃，并公布“科技創新2030”重大項目，加強現代農業、新一代信息技術、智能制造、能源等領域一體化部署，推進顛覆性技術創新，加速引領產業變革，重點發展深海、深地、深空、深藍等領域的戰略高技術。在制造業投資增長放緩的趨勢下，我們聚焦國家戰略型高端制造，前期已拜訪大量專家，認為若干技術的產業化拐點正在臨近。值得重視的是，軍工新材料中的部分產品或率先被產業化，將大幅推進我國在航空、航天、軍工、核能等領域設備的性能水平。

軍工新材料包括三大類，關注特種陶瓷材料

軍工新材料包括高溫合金、碳纖維和特種陶瓷材料。其中，特種陶瓷材料和常規材料相比，具有巨大的優勢：其密度只有高溫金屬合金的1/4~1/3，強度大、耐磨，具有良好的耐高溫、抗高溫蠕變性能，在航空、軍事和工業領域都可以得到應用，尤其在航空航天發動機的熱端部件上具有優勢。1）航空發動機領域：是發展高推重比航空發動機理想材料，有望取代高溫合金；2）航天領域：可用于火箭發動機熱結構件、飛行器的熱防護系統等；3）汽車工業領域：提高整車性能，減輕車身重量；4）核電：可用于核電高溫部件及核燃料的包殼材料等；5）兵器：用于炮筒。

陶瓷基復合材料國外技術壟斷，國內供應商稀缺

國外少數企業正在做陶瓷基復合材料，技術壁壘極高，價格居高不下，且對中國實行技術封鎖、產品出口限制。國內領先研究機構主要是廈門大學特種陶瓷實驗室與國防科技大學，兩家機構只有少量的供應能力，國內尚沒有噸計年產能供應商。據測算，NGS公司僅是計劃供應LEAP和GE9這兩款客機發動機就規劃了年產10噸的產能，而國內民用和軍用航空、軍工、核電等領域對陶瓷基復合材料均有需求，由此可見國內的需求是在幾十噸量級的。

關注火炬電子：國內陶瓷電容領域龍頭，積極布局新材料業務

公司于2015年發布定增預案，募集資金不超過人民幣10.3億元用于CASAS-300特種陶瓷材料產業化項目及補充流動資金項目。

一代材料，一代制造

航空材料介紹

航空材料是制造航空器、航空發動機和機載設備等所用各類材料的總稱，是航空產品達到人們所期望的性能、使用壽命與可靠性的技術基礎。“一代材料，一代飛機”是航空工業發展的生動寫照。

由于航空材料的基礎地位，以及其對航空產品貢獻率的不斷提高，其已成為與航空發動機、信息技術并列的三大航空關鍵技術之一，也是對航空產品發展有重要影響的六項技術之一。美國空軍在2025年航空技術發展預測報告中指出，在全部43項航空技術中，航空材料的重要性位居第二。此外，先進材料技術還被列為美國國防四大科技（信息技術、材料技術、傳感器技術和經濟可承受性技術）優選項目之一，是其它三項技術的物質基礎及重要組成部分。

按照應用領域可以分為制造航空器與航空發動機的結構材料與制造機載設備的功能材料；又可以按照材料本身劃分為：金屬及合金材料、半導體材料（無機非金屬）、和大類材料結合復合材料。

軍工新材料產業化加快，為國家戰略型高端制造奠定扎實基礎

上周國務院印發“十三五”國家科技創新規劃，并公布“科技創新2030”重大項目，加強現代農業、新一代信息技術、智能制造、能源等領域一體化部署，推進顛覆性技術創新，加速引領產業變革，重點發展深海、深地、深空、深藍等領域的戰略高技術。

在制造業投資增長放緩的趨勢下，我們聚焦國家戰略型高端制造，前期已拜訪大量專家，認為若干技術的產業化拐點正在臨近。值得重視的是，軍工新材料中的部分產品或率先被產業化，將大幅推進我國在航空、航天、軍工、核能等領域設備的性能水平。

軍工新材料三大類，關注特種陶瓷材料

陶瓷基復合材料是各國斥巨資投入研發重點，下游應用范圍廣。

陶瓷材料具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和重量輕等性能。在陶瓷基體中引入作為增韌材料的第二相材料形成的陶瓷基復合材料可以很大程度提升其韌性，同時保有其原本的高溫耐磨等優良特性，增韌體從幾何尺寸上可分為纖維、晶須和顆粒等。陶瓷基復合材料的制作工藝主要包括高溫固相燒結、先驅體轉化陶瓷（Precursor Derived Ceramics，PDC）和化學氣相滲透（Chemical Vapor Infiltratio，CVI）等。

和常規材料相比，陶瓷基復合材料具有巨大的優勢：其密度只有高溫金屬合金的1/4~1/3，強度大、耐磨，具有良好的耐高溫、抗高溫蠕變性能，在航空、軍事和工業領域都可以得到應用，尤其在航空航天發動機的熱端部件上具有優勢。

陶瓷基復合材料可應用于航空航天、軍事和工業領域，未來一旦取代高溫合金在航空航天熱端部件上的應用，發展空間無限。

航空發動機領域：是發展高推重比航空發動機理想材料，有望取代高溫合金

現代航空發動機追求的目標就是不斷提高推重比，推重比的增加會導致燃氣渦輪發動機的渦輪前溫度進一步升高，傳統鎳基高溫材料已經難以滿足設計工況的使用要求。陶瓷基復合材料是制造高推重比航空發動機理想的耐高溫結構材料：

密度小：該材料的密度僅為常規鎳基合金的30％，可以減輕部件重量；

耐高溫：在不用空氣冷卻和熱障涂層的情況下，長期工作溫度可比高溫合金提高200℃以上，可降低冷卻空氣用量，提高渦輪前溫度和效率，從而能夠提高發動機的推重比。

目前，陶瓷基復合材料的研究與應用已經從難度較低的低溫、低載荷靜止部件發展到應用難度較大的高溫、高載荷轉動件：

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航天領域：可用于火箭發動機熱結構件、飛行器的熱防護系統等

用于火箭發動機熱結構件：

陶瓷復合材料耐熱沖擊性高，對液體推進劑化學穩定性高，比金屬材料耐高溫，具有較高的抗蠕變性，作為耐燒蝕材料和高溫結構材料在國外多種火箭發動機上得到廣泛應用。

用于航天飛行器的熱防護材料：

高超聲速飛行器對材料性能的目標要求是在高溫狀態下也能保持高的強度系數（Specific Strength，強度/密度），從圖中可以看出，金屬基復合材料與高溫合金等材料在低溫下有較大的強度系數（Specific Strength，強度/密度），但在2000℉附近強度系數迅速下降，溫度達到2000℉以上時，強度系數已經很低；而陶瓷基復合材料在2000~4000℉的溫度下仍能保持較高的強度系數，是飛行器的理想防熱材料。例如美國x-37試驗飛行器的控制面熱結構就采用的就是陶瓷基復合材料，能承受的溫度均在2000℉以上。

汽車工業領域：提高整車性能，減輕車身重量

陶瓷基復合材料用于汽車工業主要用于提高發動機熱效率、汽車制動、減震以及噴涂方面，可以有效地減輕了整車的重量，很大程度上提高整車性能。