碳纖維、鈹鋁合金、陶瓷耐熱材料等關(guān)鍵材料技術(shù)不斷突破技術(shù)瓶頸，性能獲得大幅提升；同時，鎵液態(tài)金屬合金、超材料、石墨烯等前沿材料技術(shù)也在加快原理驗證和工程應(yīng)用研究。

材料是航空武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料技術(shù)的進步不斷推動著航空武器裝備性能不斷提升和升級換代。在先進復(fù)合材料、高性能金屬結(jié)構(gòu)材料、特種功能材料、電子信息材料等領(lǐng)域取得了重要進展，不斷向高溫化、智能化、微納化和可設(shè)計化方向發(fā)展。

復(fù)合材料方向

碳纖維量產(chǎn)新工藝

2016年1月，由日本東麗、帝人、三菱麗陽和東京大學(xué)等組成的研究團隊開發(fā)出在高溫環(huán)境下不易熔化的丙烯纖維原料，它的好處是無須再進行防止熔化的準備工序，采用電磁波照射纖維直接加熱從而替代傳統(tǒng)的熱壓罐加熱工藝，使碳纖維生產(chǎn)速度提高10倍。此外，新工藝還可使生產(chǎn)過程中的能源消耗和二氧化碳排放減半。

陶瓷復(fù)合材料革新

2016年8月，美國航空航天局（NASA）表示，在革命性航空概念項目的支持下，研究人員正研究陶瓷基復(fù)合材料（CMC）和防護涂層，以替代目前在航空發(fā)動機中應(yīng)用的鎳基高溫合金。此外，日本石川島播磨重工（IHI）與宇部興產(chǎn)株式會社、標盾公司等，也將于2017年試制采用CMC的飛機發(fā)動機高壓渦輪葉片。

采用新型合金制造的F-35光電系統(tǒng)的平臺外殼

超低溫自修復(fù)和可變形復(fù)合材料

2016年9月，研究人員首次發(fā)現(xiàn)一種能在超低溫環(huán)境下實現(xiàn)材料裂紋自修復(fù)的新型復(fù)合材料，可用于飛行器或衛(wèi)星等的纖維增強材料部件，實現(xiàn)部件在軌維修。-60℃條件下，自修復(fù)效率在玻璃纖維增強材料中達到100%。此外，康奈爾大學(xué)也成功研制出一種可變形復(fù)合材料，兼具自組裝和自修復(fù)的特性。美國空軍打算利用該材料制備小型無人機的變形機翼，使其能適應(yīng)從空中到海洋的環(huán)境變化，盡量減少機翼損傷。

金屬材料方向

輕質(zhì)合金材料

2016年5月，美國輕質(zhì)材料制造創(chuàng)新研究所啟動了鈦合金和鋁鋰合金項目，旨在通過改進計算模型，更好地預(yù)測發(fā)動機材料性能。

鈹鋁合金

鈹鋁合金屬于雙相金屬，兩相的熔點和固相溫度相差627℃，難以鑄造加工，一直以來只能粉末加工，組件價格昂貴，制造耗時報廢率高，限制了合金的應(yīng)用。2016年，洛克希德·馬丁（洛馬）與IBC先進合金等公司合作，開發(fā)出新型鋁鈹合金B(yǎng)eralcast，用專門的鑄造工藝替代傳統(tǒng)的粉末冶金，實現(xiàn)F-35光電瞄準系統(tǒng)的慣性平臺外殼近凈成形，預(yù)計可節(jié)省30%～40%的制造成本，并顯著縮短制造周期。

新型鑄鐵材料

2016年1月，工程推進系統(tǒng)公司（EPS）通過采用強度更高的“緊密石墨鑄鐵”（CGI），設(shè)計出緊湊、輕重量、堅固耐用的航空柴油發(fā)動機。這種緊密石墨鑄鐵通過加入緊密的石墨顆粒對鐵基體實現(xiàn)互鎖，從而提高了強度和抗破裂性能。與普通灰口鐵和鋁合金相比，抗拉強度提高75%以上，硬度提高45%，疲勞強度則增長近一倍。目前該材料已用于EPS公司的發(fā)動機曲軸箱。

特種材料方向

寬頻可調(diào)雷達吸波超材料

2016年2月，美國愛達荷州立大學(xué)利用液態(tài)鎵銦錫合金替代固態(tài)金屬制造超材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元——開口諧振環(huán)，研發(fā)出一種新型柔性隱身超材料。該材料可在吸波頻段8G～11GHz連續(xù)可調(diào)，RCS衰減40～60dB，與現(xiàn)役裝備雷達吸波材料相比，隱身效能提高100倍。該成果為寬頻可調(diào)吸波材料的研究開辟了一條全新技術(shù)途徑。

Kymeta公司的超材料天線。

新型防冰材料

2016年5月，在美國空軍科學(xué)研究辦公室和卡森直升機公司的資助下，賴斯大學(xué)發(fā)明了超薄、高導(dǎo)電石墨烯條帶的商業(yè)化生產(chǎn)工藝，并利用該工藝制備了具有導(dǎo)電性能的復(fù)合材料，幫助雷達罩和玻璃除冰。直升機旋翼槳葉的涂層試驗表明，在-20℃時，葉片上形成的冰厚約1cm，只需將0.5W/cm2功率密度的小電壓作用于涂層，就能使熱傳導(dǎo)到表面除冰。該涂層可以實時有效地對飛機、輸電線路和其他表面除冰，比目前在機場使用的二元醇化學(xué)品更環(huán)保。此外，美國休斯頓大學(xué)于11月開發(fā)出一種具有“磁性光滑表面”的新材料，在-34℃下有效防冰，可用于任意表面防冰，有望大幅提升飛機和能源設(shè)施的防冰性能。

耐高溫陶瓷材料

2016年8月，俄羅斯研究人員開發(fā)出一種基于碳化硅和二硼化鋯的陶瓷混合物構(gòu)成的多層陶瓷結(jié)構(gòu)材料，預(yù)計能夠耐受3000℃的極端溫度的考驗，可用于提升噴氣發(fā)動機燃燒室的溫度，還能在空間飛行器再入大氣層時起到隔熱作用，或者用于制造測量發(fā)動機溫度的傳感器保護罩。12月，英國帝國理工大學(xué)的研究團隊發(fā)現(xiàn)碳化鉭和碳化鉿材料組成的化合物（80%鉭和20%鉿）熔點可達到3905℃，為未來極熱環(huán)境的應(yīng)用鋪平道路，如下一代超聲速飛行器的熱防護板、核反應(yīng)堆的燃料包殼。

自清潔、抗反射、防微生物涂層

2016年9月，西班牙巴斯克地區(qū)大學(xué)聯(lián)合美國圣何塞IBM艾爾瑪?shù)茄芯恐行模_發(fā)了一種能防微生物附著、自清潔且抗反射的涂層。該涂層表現(xiàn)出的相分離性能能顯著降低微生物粘附。自清潔功能是通過將具有疏水性能的無機硅納米粒子噴涂在丙烯酸涂層上實現(xiàn)的，形成了超疏水表面還具備很好的強度和韌性。抗反射性能是通過引入多孔結(jié)構(gòu)，使涂層的有效反射率低于基材實現(xiàn)的；同時，為了降低孔結(jié)構(gòu)對涂層機械性能的影響，研究人員確定了最佳的孔隙率范圍。

碳熱沉材料

2016年8月，聯(lián)合技術(shù)航空系統(tǒng)（UTAS）公司為美國空軍475架F-15戰(zhàn)斗機提供新的輪胎和剎車。新碳剎車采用了專利碳熱沉材料，比目前的剎車系統(tǒng)壽命長4倍；新的輪胎采用無螺栓鎖環(huán)設(shè)計，大幅降低維修時間和成本，并減少部件數(shù)量，提升了F-15戰(zhàn)斗機機隊的性能和表現(xiàn)。

電子材料方向

超材料天線

2016年3月，Kymeta公司表示其mTenna超材料天線已經(jīng)進入了軍工市場。mTenna天線能夠自動校準，在飛行中調(diào)整對電磁波的接收，其制造工藝類似于液晶顯示器或智能手機玻璃屏幕，成本僅為1.5萬～2.5萬美元，顯著低于相控陣天線和電掃天線。此外，該天線僅消耗10W的功率，收發(fā)合置，重約18kg，可單人攜帶。

二維氮化鎵半導(dǎo)體材料

2016年8月，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)家采用石墨烯封裝的方法，利用遷移增強封裝生長（MEEG）技術(shù)，將鎵原子添加到兩層石墨烯之間，然后加入氮氣引發(fā)化學(xué)反應(yīng)，生成封裝在石墨烯中的超薄片層氮化鎵，首次合成二維氮化鎵材料。這種材料具有優(yōu)異電子性能和強度，將對電子行業(yè)產(chǎn)生變革性影響。

鎵液態(tài)金屬合金

2016年5月，美國空軍披露其正在進行鎵液態(tài)金屬合金(GaLMA)射頻電子研究項目。GaLMA由液態(tài)金屬、鎵及其他導(dǎo)電金屬組成，具有輕質(zhì)、構(gòu)型可變的特點，對于嚴格限制尺寸、重量和功率的平臺有重要意義，可以延長飛行時間、提高負載能力、減少飛機傳統(tǒng)射頻結(jié)構(gòu)造成的空氣動力學(xué)阻力。基于GaLMA的液態(tài)電子對于傳統(tǒng)射頻電子而言，是一種全新的方法和完全不同的材料形式，可以使天線和電接觸點物理可移動，且可重新布置，所以電子元件的形狀和功能能夠隨任務(wù)需求而變化。

透明強磁性材料

10月9日，日本研究人員開發(fā)出一種透明強磁性納米顆粒薄膜材料，由納米級磁性金屬顆粒鐵鈷合金和絕緣物質(zhì)氟化鋁混合制成，有望用于在飛機擋風玻璃上直接顯示油量、地圖等信息的新一代透明磁性設(shè)備，為包括電、磁及光學(xué)設(shè)備在內(nèi)的產(chǎn)業(yè)帶來革新性的技術(shù)發(fā)展。??????????????

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航空材料：開啟十年黃金時代

來源：國君有色與新材料、材料+

1. 摘要

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航空制造業(yè)主要瓶頸逐步破除，需求拉動下有望迎來快速增長。國內(nèi)航空工業(yè)發(fā)展緩慢主要受限于總裝能力、材料技術(shù)和航空管制政策。伴隨大飛機總裝下線，合金和鑄件技術(shù)提升，以及通航政策放松，行業(yè)有望迎來高速增長參考國際經(jīng)驗和國內(nèi)航空運輸/軍事需求，我國民航與通航機隊有望新增超過2800架50座以上飛機，軍用四代/三代戰(zhàn)機/無人機需求規(guī)模約為2000架。通航也將帶動可觀需求。

材料產(chǎn)業(yè)鏈條完整，進口替代和維保市場空間巨大。假設(shè)到2030年，中國民航/軍用飛機需求分別約2800架/2200架，機隊規(guī)模約5500/6000架，則對應(yīng)到鈦合金需求約9.8萬噸，高端鑄造和3D打印部件需求25萬件、民航發(fā)動機維檢需求約1.2萬臺，軍用航空發(fā)動機需求超過5000臺。隨著國內(nèi)航材逐步進入中國商飛、中航工業(yè)的供應(yīng)體系，從材料自主供應(yīng)保障和航空公司運營成本控制角度來看，未來航材實現(xiàn)國產(chǎn)替代將成為大勢所趨，航空材料國產(chǎn)化已經(jīng)在逐步推進，進口替代和維保市場空間廣闊。

鈦材、新型合金、高溫合金和3D打印率先受益。我們判斷，在2016~2017年大飛機首飛和軍機換代窗口期，已經(jīng)部分進入國產(chǎn)軍機/大飛機供應(yīng)鏈認證的上市公司有望實現(xiàn)業(yè)績反轉(zhuǎn)，打開成長空間。其中，擁有產(chǎn)能和鑄造工藝優(yōu)勢的鈦材、依托3D打印技術(shù)實現(xiàn)傳統(tǒng)鑄造替代的航空零部件制造、以及航空發(fā)動機葉片和發(fā)動機維保領(lǐng)域有望率先受益。

2. 航空工業(yè)有望迎來黃金時代

2.1.民航制造業(yè)漸入收獲期

國際航空業(yè)對飛機需求量快速增加。2013年波音和空客的民航飛機新接訂單量達到歷史頂峰，預(yù)示著未來幾年航空材的需求量會保持高位。我們從飛機訂單可以看出，航空制造業(yè)訂單量大趨勢是越來越多的，另外訂單波動周期大約是10年左右，從全球來看，航空業(yè)對民航飛機的需求有望引來新一輪周期。

中國民航客機需求旺盛。根據(jù)波音公司的預(yù)測，2013-2032年間，全球新增的民用航空飛機需求數(shù)量為3.52萬架，其中中國為5580架，占比高達16%，中國市場價值為7800億美元。其中單通道飛機為3900架，占比為70%，巨大的市場為C919和ARJ21等自主研發(fā)的干線和支線飛機提供了廣闊的增長空間。

ARJ21備貨期即將到來，C919首飛漸行漸近。2015年11月29日，中國首架按照國際標準研制、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中短航程新型渦扇支線飛機ARJ21將交付成都航空公司，進入市場運營。從ARJ21首飛至投入航線運行，飛機通過了中國民航的適航審查、FAA影子審查，以及后續(xù)啟動的認可審查，表明飛機表明項目水平滿足世界最嚴格的航空安全標準要求。支線噴氣式客機的設(shè)計和總裝技術(shù)已經(jīng)可以成熟運用于航線運營中，國產(chǎn)客機民航市場大門已被叩開。國產(chǎn)噴氣式客機研發(fā)和市場化前景可期。

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2.2. 國防航空進入先進戰(zhàn)機列裝和研制新周期?

中國空軍力量提升將持續(xù)。空軍力量對比顯示，無論在數(shù)量和質(zhì)量方面，中國都遠遠落后于美國。中國2013年戰(zhàn)斗機保有量約為1455架，僅為美國的51%。而其他輔助機型方面則差距更大，運輸/加油機和教練機等僅為美國的10%左右。考慮到老舊戰(zhàn)機淘汰，中國空軍力量仍然有較大提升空間。

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機隊機型升級換代急切。參考《飛行國際》的報告預(yù)測， 2008年至2013年間，中國戰(zhàn)斗機的數(shù)量由2327架下降為1453架，從結(jié)構(gòu)上來看，淘汰的主要為Q-5、H-5和J-6等落后機型，共淘汰了1070架左右，而J-10、J-11和JH-7等先進機型則總共更新200架，數(shù)量方面的下降和老機型的淘汰等都顯示出換代升級的需求迫切。

新機型服役與無人機加速列裝，機隊規(guī)模有望大幅提升。從目前已經(jīng)披露的信息可以看到，中國軍用飛機的研發(fā)進度大幅提升，已經(jīng)定型、試飛或者近期交付的機型超過20款。預(yù)計隨著新機型服役，中國先進戰(zhàn)機機隊規(guī)模有望大幅提升。

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2.3. 通航政策瓶頸突破，民用無人機和通航機型需求增長??

中國通航機型有望進入快速發(fā)展。參考美國、南非、巴西等航空發(fā)達國家經(jīng)驗，在經(jīng)濟及政策滿足一定條件后，其通用航空產(chǎn)業(yè)都經(jīng)歷了持續(xù)30年6%-10%的高速增長期。我們看到，盡管目前中國通用航空還處于非常低的水平，但中國經(jīng)濟水平達到一定高度及低空限制逐步放寬，在近兩年通用航空業(yè)已出現(xiàn)快速發(fā)展趨勢，2013年開始航空產(chǎn)業(yè)政策進一步完善，中國通用航空有望進入一個十年、二十年的景氣周期。

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通航發(fā)展規(guī)劃和政策條件逐步具備。2013年11月份軍委和民航局發(fā)布的《通用航空飛行任務(wù)審批與管理規(guī)定》，后續(xù)，后續(xù)的低空航圖、《低空空域管理規(guī)定》、《通用航空飛行管制條例》等政策如果出臺，將進一步解決技術(shù)層面的問題，對通用航空發(fā)展起到極大的推動作用。我們認為，在下游包括農(nóng)業(yè)、安保等需求帶動下，后續(xù)通航行業(yè)和準入政策扶持有望加速落地。

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機隊規(guī)模有望實現(xiàn)高速增長。考慮到通航飛機在安防、農(nóng)業(yè)植保等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，參考美國約20萬架通航飛機保有數(shù)量，我國通航飛機需求增長空間巨大。對比美國低空管制（3000m以下空域）70年代開始開放，而美國聯(lián)邦航空管理局的數(shù)據(jù)顯示，美國通用航空飛機數(shù)量從1965年的不到10萬架上升至1980年的20萬架左右。我國目前通用航空機隊數(shù)量約2000架，未來進一步增長空間非常可觀。

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2.4. 機隊規(guī)模增長和更新帶來龐大材料需求

航空產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展將迅速帶動航材需求。參考國際經(jīng)驗和國內(nèi)航空運輸/軍事需求，我國民航與通航機隊有望新增超過5000架單通道及以上飛機，軍用四代/三代戰(zhàn)機/無人機需求規(guī)模約為2000架，此外還有大量通航直升機和無人機需求，由此帶動的航空材料制造和維保市場可觀。

3. 材料視角：國產(chǎn)化和維保需求撬動航材市場

3.1. 一代飛機，一帶材料

材料已經(jīng)成為飛機研發(fā)和制造核心。由于民航對飛機經(jīng)濟性要求不斷提高，各類多功能用途的通航飛機和無人機應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，結(jié)構(gòu)減重和燃油效率提升促使各類新型航材在飛機中大規(guī)模應(yīng)用。航空軍用飛機性能提升對新材料的需求也逐步體現(xiàn)。每一次飛機的更新?lián)Q代，都伴隨著機體材料、結(jié)構(gòu)材料、發(fā)動機材料和各類組件材料的創(chuàng)新和應(yīng)用。

3.2. 鈦：在國產(chǎn)軍機和客機部件中滲透空間較大

鈦材在我國航空航天領(lǐng)域消費量或?qū)⒉粩嗯噬Ｓ捎谠诒葟姸取嗔秧g性、耐熱性、耐蝕性等方面具有優(yōu)異的特性，鈦及其合金在航空領(lǐng)域的應(yīng)用日益增加。目前，世界航空航天的鈦市場主要集中在美國、俄羅斯、歐洲等國家和地區(qū)。從提升飛機性能的角度考慮，未來我國寬體大型客機、先進戰(zhàn)機等單機用鈦量或?qū)⒉粩嗯噬谖覈逃弥Ь€客機ARJ21的鈦合金用量為4.8%，商用干線客機C919的鈦合金用量高達9.3%，和波音777相比略高(波音777為7%—8%)。隨著國家對航空航天領(lǐng)域的支持力度逐年提升，在我國的民用和軍事航空領(lǐng)域或?qū)⒂瓉肀l(fā)式的發(fā)展機遇之際，下游高端鈦材的需求量或?qū)⒁齺肀l(fā)期。

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部件國產(chǎn)化趨勢明顯。一方面，在完成ARJ21交付和C919總裝后，中國商飛逐步開始部件國產(chǎn)化研發(fā)工作。另一方面，波音和空客飛機的大量結(jié)構(gòu)件開始交由國內(nèi)較大的航空制造商進行制造，有望直接拉動國內(nèi)鈦合金需求。

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民用航空領(lǐng)域鈦材需求有望增加5000噸。全球范圍內(nèi)，民用航空飛機的用鈦量逐年上升，以2014年波音飛機訂單總量與各機型單架飛機鈦材使用量進行測算：B737用鈦量達21528噸，B747為152噸，B767為300噸，B777為16697噸，B787達到8125噸，結(jié)合每類機型的產(chǎn)量，平均每價飛機用鈦30.19噸/架；根據(jù)波音對我國民用航空飛機的預(yù)測，到2030年，我國民用航空各類飛機總和將增加2800架，則總共需要消耗鈦材量達8.4萬噸，年均需求超過5000噸。

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軍用航空領(lǐng)域和無人機鈦材需求量有望達到每年1700噸。對比中美兩國軍機鈦材使用量，我國平均每架軍機鈦需求量為3.1噸/架，遠低于美國均機需求量近8噸/架，鈦材使用量的增加將有力推動軍機減重，提高戰(zhàn)斗力。我國軍費開支從2011年后，始終保持在10%以上的平穩(wěn)增速，保守預(yù)測今后十年我國軍費開支至少保持在10%的年均增速，軍機平均鈦材使用量達到4噸/架；假設(shè)10年后我國軍用飛機和無人機數(shù)量新增2000架；總共新增鈦材量達到1.6萬噸，年均需求增加約1700噸。

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3.3. 鋁鋰合金和新型鋁合金

航空航天領(lǐng)域鋁合金用量占比份額高達70%左右。從全球范圍來看，各類民用客機的鋁合金用量達到近70%以上，其中波音777鋁合金用材占總量的半壁江山，空客A380鋁材用量也高達61%以上；對于我國我國自主設(shè)計的大型客機C919主結(jié)構(gòu)材料中：鋁及鋁鋰合金占65%，約14噸，所用到的鋁合金牌號及制品形式包括7000系合金、2000系合金、6000系合金以及鋁鋰合金；而逐漸投入市場的ARJ21國產(chǎn)支線客機材料鋁化率達75%，96%以上的零部件都是用熱處理可強化的2xxx 系及7xxx 系合金制造的，僅有個別零件是用5052合金制造。大飛機的研發(fā)制造離不開材料的支撐，鋁合金在航空航天領(lǐng)域用量依舊占據(jù)絕對主導(dǎo)地位。

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2系和7系鋁合金在飛機用鋁量中占據(jù)主導(dǎo)地位。變形鋁合金1～8系列均在航空航天器制造中都得到應(yīng)用，但當今世界各國大飛機結(jié)構(gòu)用鋁合金主要是高強度的2系(2024、2224、2324、2424、2524等)和超高強度的7系(7075、7475、7050、7150、7055、7085等)。

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鋁鋰合金或?qū)⒊蔀榇箫w機鋁合金的重要發(fā)展方向。鋁鋰合金材料是近年來航空航天材料中發(fā)展最為迅速的一種先進輕量化結(jié)構(gòu)材料，具有密度低、彈性模量高、比強度和比剛度高、疲勞性能好、耐腐蝕及焊接性能好等諸多優(yōu)異的綜合性能。用其代替常規(guī)的高強度鋁合金可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕10%~20%，剛度提高15%~20%，在航空航天領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。鑒于此，鋁鋰合金已深得航空航天界的喜愛，它作為一種新型航空航天結(jié)構(gòu)材料，已成為美、英、法、俄等發(fā)達國家競相研制、開發(fā)的熱點。

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全球鋁鋰合金研發(fā)進程已邁入第三代鋁鋰合金時代。由于鋁鋰合金的成本比普通鋁合金高、室溫塑性差、屈強比高、各向異性明顯、冷加工容易開裂等，導(dǎo)致其成形難度大，難以制造復(fù)雜的零部件，從而限制了其在結(jié)構(gòu)部件方面的應(yīng)用。但近年來，國外鋁鋰合金的研制和成形技術(shù)日漸成熟，不僅在軍用飛機和航天器上大量應(yīng)用；而且民用飛機鋁鋰合金的用量也呈增加態(tài)勢，如“奮進號”航天飛機的外貯箱、空客A330/340/380等系列飛機；目前，已開發(fā)出的新型鋁鋰合金主要有高強可焊的1460和Weldalite系列合金，高韌的2097、2197合金，低各向異性的AF/C-489、AF/C-458合金等，這些新出現(xiàn)的鋁鋰合金標志全球鋁鋰合金研發(fā)已邁入第三代鋁鋰合金，逐漸廣泛應(yīng)用于高端航空航天領(lǐng)域。

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國產(chǎn)鋁合金材料主要由西南鋁主導(dǎo)，其他鋁材深加工企業(yè)有望跟進。由于鋁鋰合金熔鑄工藝，板料軋制擠壓技術(shù)要求較高，新型鋁鋰合金的開發(fā)研制主要由西南鋁業(yè)進行，并成功試制成功了用于C919大飛機項目專用的第三代新型鋁－鋰合金。同時，伴隨者波音、空客等在華新建組裝生產(chǎn)線，以及部分機身結(jié)構(gòu)國產(chǎn)化加速推進，國內(nèi)鋁材深加工企業(yè)開始引入相關(guān)鋁結(jié)構(gòu)鍛件，并開展波音、空客產(chǎn)品驗證，有望在未來2年內(nèi)形成供貨。

3.4. 發(fā)動機材料：關(guān)注高溫合金和單晶葉片

3.4.1. 高溫合金

全球高溫合金下游市場空間巨大，航空航天領(lǐng)域占比高達55%。截止到2012年末，全球高溫合金年消費量已達28萬噸，市場空間超過100 億美元；特別在航空航天領(lǐng)域的消費比例高達55%以上，我們認為，在下游航空航天領(lǐng)域景氣度持續(xù)增加的帶動下，需求量或?qū)㈦S著未來全球高端工業(yè)發(fā)展繼續(xù)提升。

高溫合金為發(fā)動機核心材料。發(fā)動機核心材料包括風扇和壓氣機前級使用的鈦合金葉片、后級壓氣機和低壓渦輪使用的高溫合金，高壓渦輪使用的單晶葉盤和葉片，以及噴管和燃燒室使用的高溫合金。通常來說，工作溫度高且需要承受較大壓力的燃燒室、后級壓氣機等部件會使用鐵基高溫葉片。

國內(nèi)航空發(fā)動機拉動高溫合金年需求約為1200噸。考慮到由于國產(chǎn)航空發(fā)動機主要應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，假設(shè)未來10年航空發(fā)動機需求約3200臺，每臺重量約2噸，高溫合金占總質(zhì)量50%，成材率約50%左右，并考慮備件等因素，對應(yīng)航空發(fā)動機用高溫合金需求超過1.2萬噸。

3.4.2. 葉片鍛造和加工

單晶葉片應(yīng)用于航空發(fā)動機將縮小與國外代差，市場空間巨大。渦輪葉片是航空發(fā)動機最核心的部件之一，耐受溫度也是提高發(fā)動機效率的關(guān)鍵因素。末級壓氣機和首級風扇直接接觸1500攝氏度以上的高溫氣流，同時承受巨大的壓力，對材料要求較高。成都航宇擬投產(chǎn)的單晶葉片，有望成功研制用于航空渦輪噴氣發(fā)動機，并消除國產(chǎn)發(fā)動機與進口產(chǎn)品的代差。考慮到四代機列裝、大型無人機和三代機的維檢需求，假設(shè)未來10年列裝1000架戰(zhàn)機，雙發(fā)機型占比50%，備件比1.2，全周期替換率1.8計算，對航空發(fā)動機需求超過3240臺，對應(yīng)單晶葉片市場空間約1020億元。

3.4.3. 衍生領(lǐng)域廣闊

衍生市場同樣廣闊。航空發(fā)動機葉片和合金技術(shù)可以衍生至燃氣輪機，廣泛用于電站和艦船中。我國2020年燃氣輪機規(guī)劃裝機容量達到1.2億千瓦，較2014年末裝機量提高約7000萬千瓦。按照主流200兆瓦出力的燃機輪機測算，合計燃氣輪機裝機需求超過350臺。與傳統(tǒng)動力相比，燃氣輪機結(jié)構(gòu)緊湊、功率大、重量輕、壽命長等優(yōu)勢可以顯著提高艦船的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。我國目前大約只有10艘主力艦艇使用燃氣機。隨著國產(chǎn)艦船用燃氣輪機技術(shù)實現(xiàn)突破和海軍艦艇列裝速度加快，未來有望形成3大近海艦隊和若干航母編隊，未來五年預(yù)計年將新增驅(qū)逐艦及護衛(wèi)艦30臺左右，中小型艦艇90臺。

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“兩機專項”政策扶持力度加大，高溫材料首當其沖，下游市場前景可期。航空發(fā)動機和燃氣輪機涉及到國防、民航、電力基礎(chǔ)設(shè)施等重點領(lǐng)域，而目前國內(nèi)尚不具備生產(chǎn)能力，高溫材料瓶頸使得國產(chǎn)輪機始終與國外存在代差。2015年，航空發(fā)動機和燃氣輪機項目首次寫入了2015年的政府工作報告。隨后，《中國制造2025》規(guī)劃也將航空發(fā)動機作為重點發(fā)展領(lǐng)域，“兩機”專項投資規(guī)模或達千億元，資金需求可以保障。另一方面，我們測算中國未來5年燃氣輪機/航空發(fā)動機需求約為1160臺，假設(shè)每個熱端渦輪2級，每個葉盤80片葉片，每個葉片單價30萬元，預(yù)計高溫材料5年內(nèi)將新增550億元市場空間，以及約350億元維保市場。

3.5. 3D打印滿足航空小部件需求

3D增材打印技術(shù)具備在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。從國外3D打印應(yīng)用情況來看，兩大民航客機生產(chǎn)商波音和空中客車已經(jīng)在各自最新的機型中大規(guī)模使用3D打印制造鈦合金零部件。其中，波音公司透露已經(jīng)建立了一個由模型數(shù)據(jù)庫-零件管理系統(tǒng)-打印機構(gòu)成的3D打印數(shù)據(jù)庫用以生產(chǎn)相關(guān)零件，從1997年至2015年已經(jīng)打印了超過2萬個飛機零部件。空客在A350 XWB機型上已經(jīng)應(yīng)用了超過1000個3D打印部件。發(fā)動機方面，GE使用3D打印制造的壓縮機溫度傳感器外殼已經(jīng)通過了FAA適航認證，羅羅使用3D打印制造的軸承基座零件已經(jīng)用于A380并完成試飛。由此可見，3D增材打印在飛機部分連接件和結(jié)構(gòu)件中，已經(jīng)可以對傳統(tǒng)鍛件進行廣泛替代。

使用3D打印提升飛機制造效率，降低運營成本。由于飛機的非標準零部件和耗材數(shù)量較多，在生產(chǎn)過程中，單個制造模具往往成本較高。在部分對精度要求相對較低的連接部件和特殊部件中，使用3D打印可以大幅提高生產(chǎn)效率。例如，羅羅披露使用3D打印零部件生產(chǎn)效率可提高1/3，交貨周期可縮短30%。3D打印將再造航空材料維保體系，節(jié)約運營成本。由于飛機零件種類繁多，且維修頻率較高，飛機制造商和航空公司在飛機零部件維修中需要承擔大量的備件庫存，且備件交貨周期較長。以波音公司為例，每年零件采購數(shù)量高大7.83億個，并在全球建有5400個零部件供應(yīng)商。3D打印有望再造航空零部件供貨流程，部分小部件將不再通過供貨商采購而是直接由3D打印獲得，有望大幅節(jié)約了庫存成本并縮短了交貨周期。

3D打印滲透率提升將帶來大量材料和加工需求。假設(shè)每年全球航空領(lǐng)域零部件需求總數(shù)約30億件，平均每個零部件重量100克，則3D打印部件在所有航空部件中滲透率提升0.1%，就有望帶動約300噸3D打印鈦粉材料需求。假設(shè)到2017年3D打印在零部件的滲透率達到1%，則對應(yīng)市場規(guī)模超過90億元。

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3.6. 非金屬新材料：關(guān)注碳復(fù)合材料和陶瓷基材料

3.6.1. 碳纖維復(fù)合材料(CFRP)：機身材料新寵

碳纖維材料對飛機機身進行有效減重。由于CFRP重量較傳統(tǒng)鋁合金/鈦合金更輕，且沖擊和疲勞性能接近金屬材料，已經(jīng)被大量用于飛機的機身、翼面和渦扇發(fā)動機風扇中。目前，CFRP在軍機和民航飛機中應(yīng)用占整機材料重量比例在22%至50%。CFRP的發(fā)展主要包括了四個階段：

1）1970年代，主要用于整流罩、艙門等非承力結(jié)構(gòu)；1公斤CFRP可以大體替代3公斤鋁合金；

2）1980年代，主要用于垂尾、平尾、鴨翼、副襟翼舵面等次承力結(jié)構(gòu)，尺寸和承重能力進一步擴大；

3）1990年代，主要伴隨著熱壓罐整體成型技術(shù)的成熟，開始將CFRP應(yīng)用于大部件，包括機身、機翼等。同時CFRP探傷技術(shù)逐步成熟，開始在民航飛機中應(yīng)用；

4）2010年至今，CFRP開始被嘗試用于發(fā)動機風扇。由于纖維多層交叉鋪貼，材料本身“各向異性”性能優(yōu)越，裂紋生長緩慢，再加上振動衰減率比鈦合金快5-6倍。LEAP-X發(fā)動機采用了CFRP三維碳纖維編織物整體成型的風扇實現(xiàn)風扇減重約50%。

3.6.2. 碳-碳復(fù)合材料：主要應(yīng)用于剎車付

已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于航空、汽車等剎車摩擦材料。碳-碳復(fù)合材料密度較輕，僅為金屬基復(fù)合材料的三分之一左右，作為剎車付的摩擦材料可以減重40%。同時，材料熱穩(wěn)定性較好，一方面比熱較高具有良好的吸熱功能，另一方面在2000度以上的高溫下也不易融化粘結(jié)，大幅減少航空剎車付的維修頻率。同時，碳-碳復(fù)合材料自身具備一定結(jié)構(gòu)性能，有助于簡化剎車付結(jié)構(gòu)性能。目前碳-碳復(fù)合材料已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用于民航和軍用飛機的剎車組件中，并逐步外延到汽車、高鐵等剎車的摩擦材料。

3.6.3. 陶瓷基材料：潛在的熱端靜子材料

主要用于取代發(fā)動機熱端的靜子材料。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）可能成為下一代發(fā)動機高溫材料。由于CMC重量只有同等體積金屬合金的三分之一，相關(guān)的承重部件可以因此變薄，減少發(fā)動機重量，提高燃油效率。同時CMC的工作溫度較鎳基合金高大約500度，可以大幅提升熱端工作溫度，并減少氣冷組件和設(shè)計（二級渦輪甚至不需要氣冷）。完全應(yīng)用后可以對發(fā)動機減重約6%（455kg）。

目前， CFM最新推出的LEAP發(fā)動機中使用CMC材料作為高壓渦輪罩殼，GE9X則將進一步會擴大CMC使用范圍到內(nèi)外燃燒室襯套，高壓渦輪1級和2級的噴嘴（靜葉），以及1級導(dǎo)流罩。

3.6.4. 多孔金屬膜（EMF）

主要用于復(fù)合材料機身防雷。由于CFRP整體成型在機身中大量替代鋁合金機身，飛機防雷已經(jīng)成為一個重要的課題。在飛機制造中，保護復(fù)合材料機身防雷主要使用多孔金屬箔（EMF）。

總之，航空材料的多領(lǐng)域的發(fā)展，極大的推進相關(guān)領(lǐng)域的飛速發(fā)展。高校、科研單位和企業(yè)能齊心推進航空材料的進口替代，我國在航空領(lǐng)域的行業(yè)前景是十分廣闊的。