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中国碳纤维复合材料终端应用分析:国产民机发展将带来碳纤维复材带来发展机遇[图]

    碳纤维复合材料是指以树脂为基体,以碳纤维为增强材料的一种复合材料;碳纤维复合材料具有轻质高强的特点,比强度是铝合金的6倍、钛合金的5倍;比刚度是铝、钛的3.6倍,比强度和比刚度大意味着同样的强度或者刚度需要下,所需要的材料质量更少,也就是结构重量更小。此外,碳纤维复合材料还有抗疲劳和耐腐蚀等优异的性能。

各种材料的力学性能对比

材料种类
弹性模具
Gpa
抗拉强度
Mpa
密度
g/cm3
比刚度
Gpa/(g/cm3)
比强度
Mpa/(g/cm3)
45号钢
210
600
7.85
27
76
铝合金
72
420
2.80
26
151
钛合金
117
1000
4.50
26
222
镁合金
45
220
1.80
25
123
ABS塑料
23
40
1.04
23
40
玻璃纤维
86
2800
2.54
34
1102
T300碳纤维
230
3530
1.76
131
2006
T700碳纤维
230
4900
1.80
128
2722
T800碳纤维
294
5490
1.81
162
3035

数据来源:公开资料整理

    相关报告:智研咨询发布的《2020-2026年中国碳纤维复合材料行业市场经营管理及投资可行性分析报告

    碳纤维复合材料产业链包括上游的碳纤维生产,中游的纤维织物和碳纤维预浸料,中下游的碳纤维复合材料结构件以及最下游的应用的终端产品。碳纤维与树脂的结合,可以是在中游的环节制作成预浸料,也可以是在中下游的结构件制造环节,结构件生产的过程中结合,主要取决于选择的制造工艺。

碳纤维复合材料产业链

数据来源:公开资料整理

    复合材料结构在成型过程中,有组分材料之间复杂的物理与化学变化,对于原材料、复合材料设计、工艺方法、工艺参数、工艺过程都有较大的依赖,同时也由于很难准确地控制工艺参数,保证生产过程的一致性也有很大的难度。

    制造成本在复合材料成本中占比较大,是复合材料经济性的关键影响因素之一。但同时,制造环节也具有较高的壁垒:一方面,制造设备固定资产投资大,需要较强的资金实力;另一方面,很多制造参数的选择和中间变量的把控难以具体量化和标准化,需要依赖经验丰富的生产人员,一致性一直是复合材料生产的难点之一。

    无论是军机的机动性和续航性,还是民机经济性,都对于重量高度敏感,减重是在满足强度条件下飞机设计和结构材料选择的永恒追求。在材料发展和技术进步下,飞机的结构材料也不断变化,强度要求下金属材料替代木材,减重要求下,铝合金、钛合金等轻金属开始大量应用;现阶段,复合材料,尤其是碳纤维复合材料,应用快速增长。

    我国军机的复材用量快速提升。伴随着我国航空产业的进步,碳纤维复合材料在各型号军机中的应用占比也持续提升。歼-8Ⅱ是我国首次在歼击机机身中使用碳纤维复合材料、歼-11B、歼-10B、歼-10B用量都达到10%左右,而新一代隐身战斗机歼-20更超过20%。

我国军机复合材料结构占比快速提升

数据来源:公开资料整理

    中国周边F-35快速增加,军机换代压力增大。F-35目前进入加速生产期,年产量超过百架,累计交付超过300架;一方面,美国为保证在印度洋-太平洋地区的空中优势,正计划从2020年开始将驻韩美军的F-16战斗机替换为F-35A隐形战斗机,美国亚太地区部署的F-35逐渐增多;另一方面,日、韩、澳大利亚等美国盟友也开始陆续接收F-35,周边国家F-35数量快速增长。

周边国家F-35计划采购数量

国家
计划采购总量
进展
澳大利亚
72
2018年12月开始交付
日本
147
首批40架2021年交付
韩国
60
2018年3月开始交付,首批40架2021年前完成交付

数据来源:公开资料整理

    2018年我国军机还有大量老旧型号,更新换代需求明确。总量方面,我国军机数量不到美国军机的1/4;军机种类方面,美国作战飞机为我国的1.8倍、特种飞机为我国的9.96倍、加油机为我国的170.67倍、运输机为我国的5.15倍、武装直升机为我国的6.14倍、教练机为我国的8.07倍,差距明显;具体型号方面,歼击机中,我国二代机型歼-7、歼-8占比接近50%,而美国已经淘汰了二代机型,形成了以三代为主,四代为辅的现代化机队。

2018年我国作战飞机各型号比例

数据来源:公开资料整理

中美军机结构对比(架)

数据来源:公开资料整理

    我国作为世界上经济增速最快的国家之一,航空运输市场快速增长。2018-2037年二十年,预计全球客机机队规模将达到47070架,其中,中国机队规模将达到9965架,中国占全球客机机队的比例将从现在的16%增长到21%。新机交付方面,未来二十年,中国预计将交付9008架客机,价值约1.3万亿美元。

我国民航运输飞机数量

数据来源:公开资料整理

    当前我国民机以进口为主,波音、空客占据了绝大部分的市场份额。但随着持续研发投入的积淀,我国国产民机已逐步形成体系,呈现快速发展的态势。民机领域,我国目前已拥有支线客机ARJ-21、干线客机C919以及远程宽体客机CR929。并且,ARJ-21已开始批量生产,C919试验试飞快速推进,CR929进入初步设计阶段,三大民机发展节奏呈梯队的快速推进。

    国产民机的发展将带来航空复材带来重大发展机遇。一方面,C919、CR929等型号重量更大、复材用量占比更多,随着C919在2021年开始交付,国产民机领域复材需求将呈倍数的提升;另一方面,国产民机的发展,也将为产业链带来国产化的历史机遇,国产复合材料将借此进入民用航空领域,并且有望进一步应用到国外机型。

国产民机状态

定位
状态
复合材料结构重量占比
订单数量
ARJ-21
支线客机
批量交付
2%
596
C919
干线客机
试验试飞
12%
815
CR929
远程宽体客机
研制
51%
-

数据来源:公开资料整理

本文采编:CY353

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