材料|軍工領域8大核心戰略材料深度分析：行業特點、競爭格局、細分種類及發展預期等
2023-09-08 15:06:01
作者：新材料智庫 來源：新材料智庫
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軍工材料在國防工業中占據著舉足輕重的地位，是高端武器裝備發展的先決要素。在“十四五”裝備快速放量的環境下，軍工材料作為基礎也迎來了“黃金時代”。進入“十四五”我國武器裝備加速建設，新型號軍機的快速列裝，以及導彈大量消耗等都對上游材料形成了強勁的需求。疊加“自主可控”增量以及新型號裝備中高端高性能材料應用比例增加，目前軍工產業鏈中，上游材料呈現出較為強烈的“供不應求”，同時也表現出相較于下游更高的業績增加彈性。本文我們從發展軍工材料的必要性出發，了解軍工材料的特點及應用，按照大的分類框架梳理各個軍工材料的用途及特點了解其未來發展空間及應用前景，以期理解軍工行業未來的發展走向。
軍工材料是按材料用途分類的重要應用領域。由于軍工裝備工作環境的苛刻性，軍工材料多需要在極端條件下能夠正常工作，尤其是航空航天對結構材料要求更高，因此這些軍工材料一般需要具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、低密度等多種性能特點。對于此類具有優異特性和功能，能滿足軍用高性能需求的材料，我們稱為軍工材料或軍工高端材料。在各個時代，最先進的技術最早往往為軍事用途服務。電子技術的發展依賴于半導體材料的發展；戰略導彈、戰術導彈和衛星的發展依賴于先進復合材料技術的發展；新型的復合裝甲材料技術（即抗彈陶瓷和樹脂基復合材料技術等），使坦克的防護迎來了新的發展機遇；工程塑料在槍械上的應用，使世界槍械研究徘徊不前的局面得以打破；發動機性能的改進一半靠材料。因此軍工新材料是新一代武器裝備的物質基礎，也是當今世界軍事領域的關鍵技術。世界各國對軍用新材料技術的發展給予了高度重視，加速發展軍用新材料技術是保持軍事領先的重要前提。軍工新材料技術是決定武器裝備性能與水平的重要因素。高效低成本樹脂基彈箭復合材料研制成功及其在戰略和戰術彈箭上的應用，顯著改進了武器裝備戰技指標，大大地增加了戰略導彈的射程；輕型反坦克導彈的增程，主要依賴于碳纖維/玻纖混雜增強環氧復合材料發動機殼體、有機硅耐燒蝕涂料和橡膠基復合材料防護層的成功研制及應用；四代戰斗機的“4S”性能特點，十分依賴新材料技術的發展與應用。（2）軍工新材料引領技術發展，奠定我國整體材料基礎軍工新裝備的牽引是我國的高端新材料技術快速發展的動力源之一，尤其是在國外封鎖的環境下，軍工材料是我國新材料技術的突破口，通過近幾年的發展，可以看到我國正逐漸打破西方列強的圍剿封鎖。以“碳纖維”為例，以往國際碳纖維行業主要市場被美日等國壟斷，但隨著我國國家的重點扶持，以及如光威復材、中簡科技等企業的不懈努力，通過軍品的研發供應，我國在高性能碳纖維方面取得了十足的進步，為未來高端民用市場奠定了基礎。進入“十四五”我國軍工裝備加速建設，新型號軍機的快速列裝，以及導彈“數量級”增量建設等都對上游材料形成了強勁的需求。疊加“自主可控”增量以及新型號裝備中高端高性能材料應用比例增加，目前軍工產業鏈中，上游材料呈現出較為強烈的“供不應求”，同時也表現出相較于下游更高的業績增加彈性。企業積極擴產，“十四五”軍工材料產能至少翻番增長。在軍工上游材料整體供不應求的環境下，近年軍工材料公司相繼出臺了擴產計劃，我們統計了主要軍工材料領域上市公司的擴產計劃，預計到“十四五”末期產能至少實現翻番增長，高溫合金產能增長157%、碳纖維產能增加210%、鈦合金產能增加138%。再考慮到新產能爬坡的情況，我們預計軍工材料“十四五”期間景氣度整體無憂。除去軍品方面的快速增長，材料技術的成熟也給行業帶來了廣闊的“民用”市場，為相關領域帶來第二增長動力。碳纖維方面，憑借輕量化、高強高模等優異性能，在風電、氫能儲存等新能源領域展現出了良好的前景；高溫合金方面，在兩機專項的政策支持下，我國目前航空發動機方面將迎來快速發展，但燃氣輪機方面，目前仍正在啟動中，隨著技術的成熟，也有望給高溫合金市場再添發展動能。
常用的軍工金屬新材料包括鈦合金、高溫合金、鋁合金以及鎂合金等。新型、高端金屬材料在軍工產業中有著難以替代的地位。
鈦具有重量輕、比強度高、耐腐蝕等一系列優異特性，是優秀的輕質、高熔點結構材料、新型功能材料和重要的生物醫用材料，在航空、航天、艦船、核能、化工、石油、冶金、電力、輕工、醫療、體育、環保及人們日常生活中廣泛應用，市場前景隨社會進步而日漸廣闊。鈦屬稀有金屬范疇，但鈦資源豐富，能有效地滿足社會發展的需要。中國、美國、俄羅斯、日本等國建立起完整的鈦冶金、加工、應用和科研體系，歐洲等國也建立了先進的鈦及其合金加工、應用、科研體系，為優質鈦材料的生產提供了可靠的保障，因此鈦是一種人們正努力研究、開發、應用的大用之材。
中國鈦產業僅57年的歷史，世界鈦產業也僅60余年的歷史，據資料顯示，2010年全世界生產鈦加工材11萬余噸，其中中國和美國各用3萬余噸，日本、俄羅斯和歐洲各用近1萬噸，韓國和我國臺灣地區各用5000噸左右，世界其他地區鈦消費量就很少了。
從全球市場需求結構來看，鈦合金主要應用于航空工業、國防軍工以及其他工業。其中，在航空工業的應用需求最大，約占50%，主要是用于飛機和發動機的制造。但是對比國內來看，鈦制品需求結構存在明顯差異，在擁有發達的航空航天和軍工國防工業的北美和歐盟地區，尤其是美國，50%以上的鈦制品需求來自于航空航天和軍工國防領域。我國雖然是全球最大的鈦金屬生產國和消費國之一，但是我國鈦制品需求大部分來自化工領域，應用主要為抗腐蝕材料，技術含量相對不高，航空航天領域高端需求，雖然近兩年占比有所提升，但仍只占18.4%（1萬噸）左右，遠不及國際平均水平。以上數據表明，越是發達的國家，工業規模越大的國家，用鈦量越大，越是技術進的國家，越是將鈦材用于航空航天工業，越是使用高端的鈦材。
高溫合金性能優越，應用場景廣泛。高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基，能在 600℃以上的高溫及一定應力作用下長期工作的一類金屬材料。高溫合金具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的抗疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，又被稱為“超合金”。從高溫合金應用領域來看：在民用工業領域，可用于柴油機增壓渦輪、煙氣輪機葉片和盤、冶金軋鋼加熱爐墊塊、內燃機排氣閥座等方面。此外，近年來高溫合金應用面不斷擴大，在石油化工、玻璃和玻纖以及機械制造等行業的應用有明顯的進展。在軍工領域，目前鎳基高溫合金是現代航空發動機、航天器和火箭發動機以及艦船和工業燃氣輪機的關鍵熱端部件材料，也是核反應堆、化工設備、煤轉化技術等方面需要的重要高溫結構材料。高溫合金作為軍民領域重要材料，應用空間廣闊，并具有重要的經濟和戰略意義。
據觀研天下數據，2015-2020年我國高溫合金市場規模由78億元增長至187億元，5年增長3倍。未來隨著軍用航空發動機內生的巨大需求規模釋放，預計到2025年我國高溫合金行業市場規模將達856億元，CAGR為35.56%。
鋁合金是輕金屬材料之一，是以鋁為基添加一定量其他合金化元素的合金，除具有鋁的一般特性外，還具有較高的強度、良好的鑄造性能和塑性加工性能、良好的導電導熱性能、良好的耐蝕性和可焊性等特性。鋁合金具有密度低、力學性能佳、加工性能好、無毒、易回收、導電性、傳熱性及抗腐蝕性能優良等特點，使得應用廣泛，目前已在船用行業、化工行業、航空航天、金屬包裝、交通運輸等領域廣泛使用。目前，我國航天航空領域和船舶制造領域的高端鋁合金已經可以實現自主生產，不過由于技術積累薄弱、生產工藝控制不夠等原因，產品性能均勻性較差或者合格率偏低，相較于國外成本控制還存在差距。但隨著經驗積累、關鍵技術的逐步突破，產業鏈正不斷向高端領域深化發展。目前鋁合金是僅次于鋼鐵的第二大金屬材料，正向著高強、高韌、耐腐蝕、智能、精密、緊湊等應用方向發展。數據顯示，2022年我國國內鋁合金產量1218.3萬噸，同比增長14.07%。
復合材料的完整定義是由不同材料（包括金屬、無機非金屬和有機高分子材料）互為基體或增強體，用物理和化學方法在宏觀尺度上復合而成的新型材料。而纖維增強復合材料是目前高性能復合材料的重要結構。這種復合材料的增強材料主要是一些高性能纖維。目前三大高性能纖維分別為碳纖維、芳綸纖維、以及超高分子量聚乙烯纖維。相對于一些傳統金屬材料，這些高性能纖維材料更“年輕”，未來性能指標有望持續提升。碳纖維及其復合材料憑借其低密度、高強度、高模量、高穩定性的特點，在航空航天、汽車船舶等領域應用廣泛，引領著輕質化材料的浪潮。碳纖維屬于技術密集型、資金密集型產業，具有產業鏈長、工藝技術復雜、研發周期長、資金投入量大、行業技術性強等特點，行業進入壁壘高。目前，國內生產研發碳纖維的企業主要包括中復神鷹、江蘇恒神、光威復材、吉林碳谷、吉林寶旌等，前五企業產能占比約為77%，行業呈寡頭壟斷競爭格局。核心技術、裝備是碳纖維生產的重要保障，面對國外“技術、設備”嚴格封鎖，光威復材致力于碳纖維國產化及碳纖維產品升級。經過多年經驗、技術積累，公司成功研發出高強、高強中模、高模和高強高模系統碳纖維產品，并形成積累了一系列自主知識產權的工藝制造技術。芳綸纖維具有優異的阻燃耐高溫和高強高模特性，一直是國防軍工領域的關鍵基礎材料，主要用于軍警作戰服、蜂窩結構材料，防彈衣、防彈裝甲等。根據泰和新材披露的數據，2021年全球芳綸纖維名義產能約12-13萬噸，同比增長約10%；全球總需求約10-11萬噸，同比增長約20%。按照產品細分來看，根據隆眾咨訊的數據，全球對位芳綸產能約8-9萬噸、間位芳綸產能約為4萬多噸。在國內經濟復蘇、國外疫情趨穩的大環境下，全年芳綸呈供應緊張的局面，生產廠家庫存長時間保持在低位。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維，又稱高強高模聚乙烯纖維，是繼碳纖維、芳綸纖維之后的第三代高性能纖維。是目前世界上比強度和比模量最高的纖維，其分子量在100萬～500萬的聚乙烯所紡出的纖維。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纖維是目前世界上比強度和比模量最高的纖維，被廣泛應用于軍事裝備、海洋產業、安全防護、體育器械等領域。近年來，因世界各地沖突及國家安全保護意識提升，軍事裝備、安全防護等行業獲得快速發展，全球范圍內對高強度、高性能超高分子量聚乙烯產品的需求不斷增加，市場處于供不應求的狀態。根據前瞻產業研究院數據統計顯示，全球超高分子量聚乙烯纖維的需求量由2015年的5.7萬噸增長至2020年的9.8萬噸，年均復合增速為11.45%，預計2025年需求量將達到16.5萬噸。其中，美國和歐洲等發達國家和地區的需求量最為旺盛。在國際市場上，荷蘭帝斯曼公司、美國霍尼韋爾公司等是代表性龍頭企業。近年來，我國的超高分子量聚乙烯纖維產業得到了快速的發展，但無論是生產技術還是生產設備都與世界先進水平存在一定的差異，國產超高分子量聚乙烯纖維的力學性能僅達到發達國家同類產品的中等水平，且纖維的纖度和強度的均勻率較差，在高端產品方面缺乏競爭力，國產超高分子量聚乙烯纖維主要被用于中低端產品，用于眾多高端領域的超高分子聚乙烯纖維仍需依賴進口。可以說我國是UHMWPE纖維的大國，但不是強國。目前國內UHMWPE纖維的生產廠家主要有同益中、寧波大成、山東愛地、湖南中泰等。
對于一些具有優異功能的先進材料，往往并沒有辦法以具體某種成分、類別屬性進行區分，因此下面重點介紹一些應用前景較好的重點結構及功能材料，如隱身材料、先進陶瓷材料等。在技術與工藝不斷進步的條件下，航電、機電系統也實現了不斷更新，第三代戰斗機的信息化作戰能力在不斷向四代機靠近，但二者最重要的區別在于隱身技術的實現，隱身能力是新一代作戰裝備的重要技術特征，隱身已成為飛行器等重要武器裝備發展的必然趨勢。由于各國在隱身技術領域存在嚴密的技術封鎖，針對當前新型國際形勢，隱身技術是國家國防建設的重大需求。軍用飛機隱身的實現離不開隱身材料，隱身材料技術的應用可最大限度降低探測系統發現和識別目標能力，而提高現代武器裝備的生產能力和突擊能力，達到克敵制勝的效果。從全球隱身材料的市場規模來看，據統計，2017年全球隱身超材料在武器裝備中的應用市場規模大約在1.3億美元，到2025年有望達到11.7億美元左右，年均復合增長率在30%以上。根據Global Market Insights的研究報告，到2026年，隱形涂料市場規模預計將超過8.34億美元。由于隱身材料技術涉及重大軍事材料的研制，國外的隱身材料企業不會對國內形成直接競爭。國內隱身材料商業化進程仍處于發展初期，由于隱身材料是基于不同技術路徑、保密性較強等原因，相關企業均專注于不同細分領域，也未產生直接競爭。隱身材料行業具備定制化生產特點以及較高的進入壁壘，已經進入產業鏈的合格供應商具備先發優勢和粘性較高的客戶資源。具體的公司主要有已上市的華秦科技和光啟技術，未上市的佳馳科技。陶瓷材料（特指先進陶瓷材料）由于其耐高溫以及獨特的電學特性廣泛被應用于結構材料以及電子領域。作為結構材料，可成熟應用于戰略導彈、火箭發動機熱結構件以及各類衛星天線窗的保護框等方面，在電子陶瓷方面，隨著武器裝備信息化的加速，我國陶瓷電容器在軍工領域的需求不斷增大，隨著技術的成熟未來有望帶動軍轉民的發展。總體而言國內先進陶瓷總體水平與國外相比還存在一定的差距。但當前國家正不斷為戰略新興產業的發展配置資源和政策，作為基礎原材料和核心部件的先進陶瓷必將迎來快速發展。
進入“十四五”我國軍工裝備加速建設，新型號軍機的快速列裝，以及導彈“數量級”增量建設等都對上游材料形成了強勁的需求。疊加“自主可控”增量以及新型號裝備中高端高性能材料應用比例增加，目前軍工產業鏈中，上游材料呈現出較為強烈的“供不應求”，同時也表現出相較于下游更高的業績增加彈性。在軍工上游材料整體供不應求的環境下，近年軍工材料公司相繼出臺了擴產計劃，我們統計了主要軍工材料領域_上市公司的擴產計劃，預計到“十四五”末期產能至少實現翻番增長，高溫合金產能增長157%、碳纖維產能增加210%、鈦合金產能增加138%。再考慮到新產能爬坡的情況，我們預計軍工材料“十四五”期間景氣度整體無憂。除去軍品方面的快速增長，材料技術的成熟也給行業帶來了廣闊的“民用”市場，為相關領域帶來第二增長動力。碳纖維方面，憑借輕量化、高強高模等優異性能，在風電、氫能儲存等新能源領域展現出了良好的前景;高溫合金方面，在兩機專項的政策支持下，我國目前航空發動機方面將迎來快速發展，但燃氣輪機方面，目前仍正在啟動中，隨著技術的成熟，也有望給高溫合金市場再添發展動能。
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