耐高溫復合材料：飛行器熱結構關鍵材料，行業需求有望快速釋放
耐高溫復合材料是航空航天裝備發展的關鍵材料，在高超聲速飛行器、發動機喉襯、航空發動機等領域均有廣泛應用。我們認爲特種領域耐高溫復材需求有望快速釋放，建議關注增強纖維、預制體等核心環節投資機會。
摘要
耐高溫復合材料是飛行器熱結構關鍵材料，支撐型號裝備發展。耐高溫復合材料是以碳纖維、碳化硅纖維、石英纖維等爲增強體，以碳或碳化硅等爲基體，以化學氣相沉積或液相浸漬等工藝形成的復合材料，主要包括碳/碳、碳/陶復合材料等類型產品。耐高溫復合材料兼具增強體纖維以及碳或碳化硅基體的優異性能，是唯一能夠在2500℃以上保持較高機械性能的材料，是航空航天領域尖端裝備高溫部件的理想結構材料。
碳/碳及碳/陶復材廣泛應用於高超聲速飛行器、火箭發動機等領域。航天復合材料涵蓋防熱、透波、隔熱等多個材料體系，在航空航天領域的應用主要包括：1）高超聲速飛行器部分結構表面溫度最高可超過2500℃，持續工作時間數百秒甚至上千秒，碳/碳復材通常被用於前緣、整流罩、襟翼等極端耐熱部件；2）固體火箭發動機喉襯是用於限制喉部因燒蝕導致面積增大的噴管內結構，工作在高溫、高壓、高速且含有氣固兩相流條件下，碳/碳復材是發動機喉襯的理想材料；3）民航客機幾乎全部使用碳/碳或碳/陶復材剎車盤，高端汽車剎車盤材質正由合金替換爲碳/陶復材。
預制體是耐高溫復材的核心環節，有望受益高端航空航天裝備需求釋放。1）耐高溫復材的制備過程可分爲預制體成型、基體沉積以及石墨化純化三個階段，其中由增強纖維通過紡織、編織或其他方法等制成的預制體是復合材料的骨架，預制體結構和纖維空間取向是決定耐高溫復材力學性能的關鍵。2）據賽奧碳纖維數據，2023年碳/碳復材制備佔我國碳纖維下遊需求的11%，碳/碳復材對碳纖維的需求量達10000噸，賽奧碳纖維預計2025年將增長至12100噸。我們認爲，隨着以高超聲速裝備爲代表的高端裝備進入列裝，耐高溫復合材料需求有望表現出較強彈性，產業鏈核心企業有望充分受益。
風險
下遊需求釋放不及預期；耐高溫結構材料技術迭代風險。
耐高溫復合材料：飛行器熱結構關鍵材料
耐高溫復材由纖維增強體和基體構成，在高溫下擁有良好的綜合性能
高溫復合材料由增強體和基體構成，碳/碳復材和碳/陶復材是目前主流航空航天耐高溫復合材料。先進耐高溫復合材料是以碳纖維、碳化硅纖維等爲增強體，以碳或碳化硅等爲基體，以化學氣相沉積或液相浸漬等工藝制備的復合材料，主要包括碳/碳復合材料、碳/陶復合材料等。
► 碳/碳復合材料：碳纖維+碳基體。碳/碳復材是使用碳纖維作爲增強體、碳作爲基體制備而成的復合材料，兼具優異的耐燒蝕、耐高溫性能，以及纖維增強復合材料的高度可設計性、優異的力學、熱物理和抗熱衝擊性能，是唯一能夠在2500℃以上保持較高機械性能的材料。[1]
► 碳/陶復合材料：碳/碳化硅纖維+碳化硅基體。碳/碳復材在370℃以上氧化環境中易氧化，採用陶瓷材料對碳/碳復合材料進行改性成爲當前耐高溫復材的重要技術路线。SiC與碳/碳復合材料的熱脹系數較爲匹配，因此成爲復合材料抗氧化改性中最爲常用的材料之一，得到的復合材料稱爲碳/碳-SiC碳/陶復合材料。業界也嘗試使用SiC纖維替代碳纖維作爲增強體，但由於SiC纖維使用成本相對較高，市場價約6.9萬元/千克，目前主流復合材料仍採取碳纖維作爲增強體。
圖表1：熱結構增強體形式與主要材料種類
資料來源：《航天復合材料研究進展》（馮志海等，2021），中金公司研究部
耐高溫復合材料兼具增強體和基體的優異性能，是航空航天領域高溫部件的理想材料。碳/碳和碳/陶復材兼具纖維和基體的優異物理性能，1）高承載方面，美國X-37B可重復使用空天飛行器完成了5次飛行試驗，使用碳/碳復合材料制備其控制舵，在地面模擬考核中通過了最高1260℃、最大200％設計載荷條件下的加載試驗考核[2]；2）耐高溫方面，引入Hf、Zr、Ta、W等難熔金屬組元的碳化物、硼化物及硅化物後，碳/碳復合材料的典型材料力學性能在2200℃之前表現出不降反升的趨勢；3）輕量化方面，碳/碳復合材料蜂窩和面板密度遠低於金屬結構，航天材料及工藝研究所研發產品密度分別僅爲0.18g/cm³和1.65g/cm³；4）導熱層面，國外比較成熟的高導熱碳/碳復合材料室溫熱導率可達600~800W/（m·K）。憑借高溫下優異的物理性能，碳/碳、碳/陶復合材料成爲航空航天領域高溫部件的理想材料。
圖表2：高超聲速裝備使用的先進材料的性能對比
資料來源：Adam B Peters et al. Materials design for hypersonic (2023)，中金公司研究部
圖表3：碳/碳-SiC碳/陶復合材料的性能
資料來源：《超高溫抗氧化碳/陶復合材料研究進展》（閆聯生等，2014），中金公司研究部
耐高溫結構核心材料，廣泛應用於高端航天裝備領域
耐高溫復合材料包含多個材料體系，是支撐高端航天裝備發展的關鍵環節。航天復合材料涵蓋熱結構、防熱、透波、隔熱、結構等多個材料體系，通常需要在極端環境下服役，是支撐高超聲速飛行器、空天往返飛行器、空間探測器、運載火箭等各類航天器研制的不可替代的關鍵材料。
► 熱結構：指不依賴金屬結構承力，同時起到氣動維形、防熱承載等功能的復合材料結構，主要包括氣動殼體、端頭/前緣、舵/翼、燃燒室等，一般使用溫度達到1000℃以上，主應力水平達到100MPa量級以上。
► 耐燒蝕：一般用於飛行器端頭、前緣、發動機燃燒室等部位，能夠抵御嚴酷的氣動加熱產生的燒蝕效應。海外已經形成了C/Zr-Si-C、C/ZrC-C、C/Zr-Hf-C等系列低燒蝕碳基復合材料，通過了2691℃/125s條件試驗考核，燃燒室工程尺寸構件經過了多次2400℃/30s的點火試驗。
► 隔熱材料：隔熱材料是阻止氣動熱向飛行器內部傳遞的最重要屏障，對於材料的耐高溫、輕量化及熱導率等性能要求較高。航天飛機使用了大量隔熱材料，材料最高使用溫度達到1500℃，目前仍是美國X-37B、Dreamchaser飛船等各類高超聲速飛行器、可重復使用運載器等航天器熱防護系統的重要候選材料。
圖表4：X-37飛行器復合材料結構系統方案
資料來源：《可重復使用航天器耐高溫復合材料結構設計技術》（鄧雲飛等，2024），中金公司研究部
圖表5：追夢者航天器復合材料主結構
資料來源：《可重復使用航天器耐高溫復合材料結構設計技術》（鄧雲飛等，2024），中金公司研究部
高超聲速飛行器：長時間極端工況催生耐熱復材需求
高超聲速飛行器飛行工況極端，對熱防護系統要求苛刻。高超聲速飛行器能夠以馬赫數5以上速度持續飛行，部分結構表面溫度最高可超過2500℃，當飛行器速度超過超音速條件並進入高超聲速狀態時，外部氣動摩擦和壓縮產生高焓氣體，使用環境表現爲工作溫度高(最高3000K)、氧化燒蝕及氣動衝刷嚴重(O2、H2O、CO2等的氧化和N2等離子體等的衝刷)、工作時間長(數百秒甚至上千秒)，其表面材料必須能夠適應高超聲速環境下的各類極端工況，以保證飛行器氣動外形和結構能夠滿足設計所要求的完整性。
碳/碳和碳/陶復材是目前耐高溫復材代表，被應用於高超聲速飛行器的前緣、整流罩、襟翼等極端耐熱部件。海外使用碳/碳和C/SiC復材作爲高超聲速飛行器前緣、整流罩、控制面等極端耐熱部件材料。美國X-37軌道飛行器使用碳/碳制作襟副翼子部件、方向升降舵子部件，使用C/SiC制作襟副翼子部件和方向升降舵子部件。X43A使用帶有SiC塗層的碳/碳材料作爲尖前緣材料，並成功進行了飛行試驗；波音X-51A在前緣鰭、整流罩等需要極端耐熱的部件中使用了碳/碳復合材料，並成功加速至馬赫數5.1。
圖表6：X-51各部位材料應用
資料來源：Adam B Peters et al. Materials design for hypersonic (2023)，中金公司研究部
火箭發動機喉襯：噴管耐燒蝕關鍵部件，碳/碳復材是主流材料
喉襯是固體火箭發動機噴管的關鍵部件，碳/碳復材是主流喉襯材料。喉襯是固體火箭發動機噴管喉部關鍵部件，主要用於限制發動機噴管因燒蝕導致的推力下降。喉襯工作在高溫、高壓、高速且含有氣固兩相流條件下，其耐燒蝕性能直接決定固體火箭發動機性能。鎢、石墨、碳布/酚醛、碳/碳復合材料（碳/碳）等均被用於喉襯的制備，其中碳/碳材料具備良好的抗燒蝕性能、較高的比強度、較小的熱脹系數以及較高的熱導率，是火箭發動機喉襯的主流材料。
大型化是固體火箭發動機及喉襯發展趨勢，我國大型固體發動機研制穩步推進。隨着運載火箭發動機推力的增大，火箭發動機的裝藥量和流量逐步增大，噴管喉襯逐步向大型化方向發展。大型固體發動機喉徑約Φ400～Φ1500mm，我國近年來先後研制出直徑Φ2、Φ3、Φ4m大型固體發動機，並成功進行熱試車，推力連續突破150、200、400t級，且大多採用碳/碳復合材料作爲喉襯材料。[3]我們認爲，喉襯大型化疊加航天活動趨於密集，有望推動碳/碳復材產業鏈相關需求釋放。
圖表7：Ariane5發動機噴管及喉襯示意圖
資料來源：《大型固體火箭發動機噴管喉襯技術研究進展》（王富強等，2020），中金公司研究部
圖表8：海外典型火箭發動機喉徑
資料來源：《大型固體火箭發動機噴管喉襯技術研究進展》（王富強等，2020），中金公司研究部
國內從20世紀60年代末开始开展碳/碳復合材料研究，現已實現在航天裝備上的批量應用。
► 航天飛行器方面：我國研制的細編穿刺碳/碳復合材料已成功應用於遠程和洲際再入航天飛行器上；後續我國研制成功難熔金屬摻雜的第三代先進碳/碳復合材料，相關材料的應用使得再入航天飛行器的全天候使用性能得到顯著提升。
► 固體火箭發動機喉襯材料方面：我國先後研制成功了第一代整體氈碳/碳復合材料、第二代粗編多向編織結構碳/碳復合材料以及第三代細密化多向編織結構碳/碳復合材料。通過優化改進編織結構和復合工藝，材料的抗燒蝕和抗粒子衝刷能力得到顯著提升，滿足了高壓強大推力固體火箭發動機對關鍵喉襯材料的性能要求。
剎車盤：碳/碳復材在航空和汽車剎車盤中應用廣泛
碳/碳及碳/陶材料具備低密度、耐高溫、高摩擦系數等優異性能，剎車盤是其典型應用。碳/碳復材的密度不到2.0g/cm³，僅爲鎳基高溫合金的1/4，陶瓷材料的1/2，使用碳/碳復材作爲剎車盤可以爲民航客機減重500kg以上。此外碳/碳復材石墨化度不高，通過調整碳/碳材料碳纖維的體積含量可以在保持強度的基礎上，獲得具備適中摩擦系數的碳/碳剎車盤，碳/碳剎車盤的單個周期可達到1500~3000個起落，使用壽命較傳統剎車盤提高5~6倍。[4]
碳/碳剎車盤最先應用於汽車領域，隨後在飛機領域得到廣泛應用。20世紀90年代中期，德國率先开展了碳/碳剎車盤的研究，並成功用於保時捷(Porsche)賽車和新款奧迪A8L汽車，隨後逐步將應用拓展至飛機剎車盤。目前世界上已有超過60種飛機採用了碳/碳剎車裝置，碳/碳剎車裝置已應用於空中客車公司的所有飛機。特種領域，F-14、F-16、B-1、C-5B、幻影2000、幻影4000等均已使用碳/碳剎車裝置。[5]
圖表9：飛機剎車系統示意圖
資料來源：北摩高科官網，中金公司研究部
圖表10：使用碳/碳剎車盤後飛機減重情況
資料來源：《碳/ 碳復合材料在航空領域的應用研究現狀》（李賀軍等，1997），中金公司研究部
碳/陶剎車盤逐步替換合金剎車盤，滲透率具備較大提升空間。碳/陶制動盤的輕量化特性顯著，密度僅爲粉末冶金盤的一半，因此四個碳/陶制動盤可以減輕車輛簧下部件的重量高達20公斤。據金博股份招股書，碳/陶復合材料的摩擦系數約3~4，且溼態下未見明顯衰減，在提高制動性能和提高制動穩定性方面具有顯著的優勢。當前碳/陶剎車盤的滲透率仍然較低，國產替代和滲透率提升趨勢下，我們認爲碳/陶復材或仍具備較大發展空間。
圖表11：各類材料特性指標對比及碳/陶制動盤示意圖
資料來源：金博股份招股說明書，Brembo官網，中金公司研究部
耐高溫復材產業鏈：
三階段制備流程
預制體是決定性能的關鍵
耐高溫復材制備分三階段，預制體是決定復材性能的關鍵
耐高溫復材的制備過程可分爲預制體成型、基體沉積以及石墨化純化三個階段：
► 預制體成型：碳或SiC纖維經過織布、成網、准三維成型、復合針刺等技術，成型爲具有特定結構和形狀的坯體，即預制體，預制體成型是制備耐高溫復材的前提和關鍵步驟之一。
► 基體沉積：通過氣相沉積、液相浸漬、先驅體轉化等方式爲預制體引入碳或SiC基體，基體沉積附着於預制體中的碳纖維上，形成碳/碳或碳/陶復合材料，該工藝過程需要重復多個沉積周期。
► 石墨化/純化/抗氧化：1500-3000℃高溫環境下無定形碳轉化爲結晶石墨，會使得復合材料的彈性模量和強度增加，並去除灰分雜質，直至產品性能達標。當前碳/碳復材在400℃以上環境下易氧化，因此在實際使用前需要通過化學氣相沉積、包埋、熱噴塗等方式制備抗氧化塗層。
圖表12：碳/碳復材制備流程
資料來源：金博股份招股書，中金公司研究部
碳纖維預制體是碳/碳或碳/陶復合材料基本的增強結構體。碳纖維預制體是通過紡織、編織或其他方法等制成，具有特定外形的紡織品、編織品的一類碳纖維預成形體的總稱。預制體是復合材料的骨架，決定了纖維的體積含量和纖維方向，同時影響了復合材料中孔隙幾何形狀、孔隙的分布和纖維的彎扭程度。預制體的結構決定了纖維性能是否有效傳遞到復合材料，且影響基體的浸潤和固化過程。
預制體結構和碳纖維空間取向是決定碳/碳復材力學性能的關鍵。根據航天材料及工藝研究所，二維鋪層結構和碳布鋪層縫合結構的碳纖維的層間結合強度較低，在應用時易產生層間开裂破壞。[6]針刺結構碳/碳復合材料的層間連接強度得到了強化，而碳布穿刺結構和正交三向結構的碳/碳復合材料實現了各個方向上力學性能的進一步均衡，適宜於多向承載需求。不同編織結構高承載碳/碳復合材料的成功制備，爲高端航空航天飛行器結構設計和研制提供了基礎和支撐。
圖表13：不同結構碳/碳復合材料典型力學性能數據
資料來源：《航天領域碳/碳復合材料研究進展》（王俊山等，2022），中金公司研究部
沉積工藝以純氣相沉積和氣液混合沉積爲主，純液相沉積工藝較爲少見。三階段工藝流程中致密化是重點亦是難點，直接決定復合材料的最終性能。由於預制體本身存在大量的孔隙，無法承受一定的外力，因此需要用基體碳對其填孔，最終使其致密並連成一個整體，即所謂致密化。氣相、液相的工藝差異體現在碳前驅體上，前者爲含碳元素氣體如天然氣、丙烯，後者爲液體如瀝青、樹脂。碳前驅體具有一定流動特性，能夠滲入到碳纖維孔隙，後在一定工藝條件下轉變爲所需的基體碳並填充到多孔的預制體中，經多次或長時間的沉積後形成均勻性良好的碳/碳復合材料。液相沉積在理論上可能更爲迅速，但其產品可能不太穩定，密度分布也不夠均勻，因此需要多次進行工藝流程，導致沉積周期較長。相比之下，純氣相沉積工藝在效率上具有一定的優勢，同時在產品質量方面也更具競爭力。
圖表14：碳/碳復材常見沉積工藝對比
資料來源：《中國战略性新興產業——新材料：碳/碳復材》（韓雅芳等，2017），中金公司研究部
纖維-預制體-復合材料構成耐高溫復材產業鏈，2023年國內碳/碳復材對碳纖維需求達10000噸
耐高溫復合材料產業鏈主要由纖維、預制體和復合材料三個環節構成。1）增強纖維是耐高溫復合材料的前置環節，纖維性能直接影響預制體和復合材料性能表現，目前我國碳纖維產能和國產化率快速提升。2）碳纖維預制體是碳/碳、碳/陶材料的基本增強結構體，是耐高溫復材制備的核心環節，當前國內掌握碳纖維預制體制備的企業相對較少。3）基體沉積和復材制備產能主要集中於航天科技集團、航天科工集團、中南大學等。
碳/碳復材制備佔我國碳纖維下遊需求的11%，2023年需求量達10000噸。1）據賽奧碳纖維的《2023全球碳纖維復合材料市場報告》，2023年我國碳/碳復材對碳纖維的需求達到10000噸，預計2025年將達到12100噸。2023年我國碳/碳復材對碳纖維的需求佔碳纖維行業下遊需求量的11%。2）碳/碳復材主要應用於光伏熱場、剎車盤、航空航天等領域，是目前應用最爲廣泛的碳纖維復合材料之一。2023年全球樹脂基碳纖維復材和碳/碳復材佔碳纖維復合材料應用結構的81%，是主流碳纖維復合材料種類。
圖表15：2023年國內碳纖維下遊需求結構（按重量）
資料來源：《2023全球碳纖維復合材料市場報告》（賽奧碳纖維，2024），中金公司研究部
圖表16：2023年全球碳纖維復材應用結構（按基體）
資料來源：《2023全球碳纖維復合材料市場報告》（賽奧碳纖維，2024），中金公司研究部
投資建議
我們認爲，1）耐高溫復材是支撐航空航天領域型號裝備發展的核心材料，廣泛應用於高超聲速裝備鼻錐、火箭發動機喉襯、飛機剎車盤等領域，並有望持續拓展汽車、光伏等領域應用；2）隨着特種領域需求逐步修復，高超聲速精確制導裝備等細分領域或具備較大修復彈性，裝備需求釋放有望帶動碳/碳、碳/陶材料放量；3）增強纖維及預制體編織直接影響復合材料性能，是復合材料產業鏈核心環節，建議關注相關環節投資機會。
風險提示
下遊需求釋放不及預期
裝備建設需求修復受到宏觀環境、財政力度、地緣等多種因素影響。當前裝備建設需求正處於漸進式修復階段，若後續型號裝備需求修復不及預期，則有可能導致相關產業鏈需求釋放滯後，從而影響產業鏈經營狀況。
耐高溫結構材料技術迭代風險
耐高溫復合材料對產品技術的更新有着較高的要求。陶瓷基等其他基體的復合材料研制不斷推進，若新型復合材料研制進展超預期，則可能對碳/碳復材產業鏈的經營和發展造成不利影響。
本文摘自中金公司2024年12月6日已經發布的《耐高溫復合材料：飛行器熱結構關鍵材料，行業需求有望快速釋放》
劉中玉 分析員 SAC 執證編號：S0080521060003 SFC CE Ref：BSP722
劉婧 分析員 SAC 執證編號：S0080523070005
李舜堯 聯系人 SAC 執證編號：S0080123070121
標題：耐高溫復合材料：飛行器熱結構關鍵材料，行業需求有望快速釋放
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