碳纖維復(fù)合材料是指以樹脂為基體，以碳纖維為增強(qiáng)材料的一種復(fù)合材料；碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，比強(qiáng)度是鋁合金的6倍、鈦合金的5倍；比剛度是鋁、鈦的3.6倍，比強(qiáng)度和比剛度大意味著同樣的強(qiáng)度或者剛度需要下，所需要的材料質(zhì)量更少，也就是結(jié)構(gòu)重量更小。此外，碳纖維復(fù)合材料還有抗疲勞和耐腐蝕等優(yōu)異的性能。
2018年我國軍機(jī)還有大量老舊型號，更新?lián)Q代需求明確?？偭糠矫?，我國軍機(jī)數(shù)量不到美國軍機(jī)的1/4；軍機(jī)種類方面，美國作戰(zhàn)飛機(jī)為我國的1.8倍、特種飛機(jī)為我國的9.96倍、加油機(jī)為我國的170.67倍、運(yùn)輸機(jī)為我國的5.15倍、武裝直升機(jī)為我國的6.14倍、教練機(jī)為我國的8.07倍，差距明顯；具體型號方面，殲擊機(jī)中，我國二代機(jī)型殲-7、殲-8占比接近50%，而美國已經(jīng)淘汰了二代機(jī)型，形成了以三代為主，四代為輔的現(xiàn)代化機(jī)隊(duì)。
我國作為世界上經(jīng)濟(jì)增速最快的國家之一，航空運(yùn)輸市場快速增長。2018-2037年二十年，預(yù)計(jì)全球客機(jī)機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)到47070架，其中，中國機(jī)隊(duì)規(guī)模將達(dá)到9965架，中國占全球客機(jī)機(jī)隊(duì)的比例將從現(xiàn)在的16%增長到21%。新機(jī)交付方面，未來二十年，中國預(yù)計(jì)將交付9008架客機(jī)，價(jià)值約1.3萬億美元。
碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的碳纖維生產(chǎn)，中游的纖維織物和碳纖維預(yù)浸料，中下游的碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件以及最下游的應(yīng)用的終端產(chǎn)品。碳纖維與樹脂的結(jié)合，可以是在中游的環(huán)節(jié)制作成預(yù)浸料，也可以是在中下游的結(jié)構(gòu)件制造環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)的過程中結(jié)合，主要取決于選擇的制造工藝。
碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在成型過程中，有組分材料之間復(fù)雜的物理與化學(xué)變化，對于原材料、復(fù)合材料設(shè)計(jì)、工藝方法、工藝參數(shù)、工藝過程都有較大的依賴，同時(shí)也由于很難準(zhǔn)確地控制工藝參數(shù)，保證生產(chǎn)過程的一致性也有很大的難度。
制造成本在復(fù)合材料成本中占比較大，是復(fù)合材料經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵影響因素之一。但同時(shí)，制造環(huán)節(jié)也具有較高的壁壘：一方面，制造設(shè)備固定資產(chǎn)投資大，需要較強(qiáng)的資金實(shí)力；另一方面，很多制造參數(shù)的選擇和中間變量的把控難以具體量化和標(biāo)準(zhǔn)化，需要依賴經(jīng)驗(yàn)豐富的生產(chǎn)人員，一致性一直是復(fù)合材料生產(chǎn)的難點(diǎn)之一。
無論是軍機(jī)的機(jī)動(dòng)性和續(xù)航性，還是民機(jī)經(jīng)濟(jì)性，都對于重量高度敏感，減重是在滿足強(qiáng)度條件下飛機(jī)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)材料選擇的永恒追求。在材料發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步下，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料也不斷變化，強(qiáng)度要求下金屬材料替代木材，減重要求下，鋁合金、鈦合金等輕金屬開始大量應(yīng)用；現(xiàn)階段，復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料，應(yīng)用快速增長。
我國軍機(jī)的復(fù)材用量快速提升。伴隨著我國航空產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料在各型號軍機(jī)中的應(yīng)用占比也持續(xù)提升。殲-8Ⅱ是我國首次在殲擊機(jī)機(jī)身中使用碳纖維復(fù)合材料、殲-11B、殲-10B、殲-10B用量都達(dá)到10%左右，而新一代隱身戰(zhàn)斗機(jī)殲-20更超過20%。
我國軍機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)占比快速提升
中國周邊F-35快速增加，軍機(jī)換代壓力增大。F-35目前進(jìn)入加速生產(chǎn)期，年產(chǎn)量超過百架，累計(jì)交付超過300架；一方面，美國為保證在印度洋-太平洋地區(qū)的空中優(yōu)勢，正計(jì)劃從2020年開始將駐韓美軍的F-16戰(zhàn)斗機(jī)替換為F-35A隱形戰(zhàn)斗機(jī)，美國亞太地區(qū)部署的F-35逐漸增多；另一方面，日、韓、澳大利亞等美國盟友也開始陸續(xù)接收F-35，周邊國家F-35數(shù)量快速增長。
周邊國家F-35計(jì)劃采購數(shù)量
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國家 |
計(jì)劃采購總量 |
進(jìn)展 |
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澳大利亞 |
72 |
2018年12月開始交付 |
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日本 |
147 |
首批40架2021年交付 |
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韓國 |
60 |
2018年3月開始交付，首批40架2021年前完成交付 |
2018年我國作戰(zhàn)飛機(jī)各型號比例
2018年我國作戰(zhàn)飛機(jī)各型號比例
我國民航運(yùn)輸飛機(jī)數(shù)量
當(dāng)前我國民機(jī)以進(jìn)口為主，波音、空客占據(jù)了絕大部分的市場份額。但隨著持續(xù)研發(fā)投入的積淀，我國國產(chǎn)民機(jī)已逐步形成體系，呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢。民機(jī)領(lǐng)域，我國目前已擁有支線客機(jī)ARJ-21、干線客機(jī)C919以及遠(yuǎn)程寬體客機(jī)CR929。并且，ARJ-21已開始批量生產(chǎn)，C919試驗(yàn)試飛快速推進(jìn)，CR929進(jìn)入初步設(shè)計(jì)階段，三大民機(jī)發(fā)展節(jié)奏呈梯隊(duì)的快速推進(jìn)。
國產(chǎn)民機(jī)的發(fā)展將帶來航空復(fù)材帶來重大發(fā)展機(jī)遇。一方面，C919、CR929等型號重量更大、復(fù)材用量占比更多，隨著C919在2021年開始交付，國產(chǎn)民機(jī)領(lǐng)域復(fù)材需求將呈倍數(shù)的提升；另一方面，國產(chǎn)民機(jī)的發(fā)展，也將為產(chǎn)業(yè)鏈帶來國產(chǎn)化的歷史機(jī)遇，國產(chǎn)復(fù)合材料將借此進(jìn)入民用航空領(lǐng)域，并且有望進(jìn)一步應(yīng)用到國外機(jī)型。
國產(chǎn)民機(jī)狀態(tài)
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型號 |
定位 |
狀態(tài) |
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量占比 |
訂單數(shù)量 |
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ARJ-21 |
支線客機(jī) |
批量交付 |
2% |
596 |
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C919 |
干線客機(jī) |
試驗(yàn)試飛 |
12% |
815 |
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CR929 |
遠(yuǎn)程寬體客機(jī) |
研制 |
51% |
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