1.1 高性能材料是航空工業迭代的技術基礎

　　航空材料是推動材料科學與工程不斷發展的主要動力之一，既是研制、生 產航空產品的物質保障，又是航空產品更新換代的技術基礎。1其中，結構 材料是航空材料的重要組成部分，在航空工業發展中占有極其重要的地位 與作用。

　　結構材料是航空工業發展的重要推動力。相比功能材料，結構材料的 需求量、應用面更廣，能夠廣泛應用于軍工、航天航空、船舶、風電 等領域。就航空工業而言，結構材料主要應用于飛機機體、發動機殼 體等，且考慮到飛機不同部分的重量、溫度等情況，采用的材料強度、 硬度、韌性及塑性均有所區別。

　　在航空制造百余年發展的過程中，飛機材料的更新換代呈現出高速迭 代的狀態，呈現“一代材料，一代飛機”。截至目前，航空工業已經歷 了三代典型材料的更新換代——木布、金屬、復合材料，以空客、波 音為代表的飛機制造商均推出以高性能材料為主的民機（復合材料、 鈦合金結構質量分數分別超過 50%、15%），以使飛機在維持原強度的 前提下減輕重量。

　　航空材料正朝高性能化、多功能化、低成本化與結構功能一體化方向發展， 現階段主要包括復合材料、高性能合金與高溫材料等。

　　根據材料特性，我們粗略地將高性能材料的應用面歸納為機身與發動 機，其中，機身材料更注重輕質與高強度，降低結構重量以提高經濟 效益，諸如碳纖維復合材料、鈦合金與新型鋁鋰合金是較好的材料選 擇；發動機材料重要的指標是耐高溫，高溫合金、陶瓷基復合材料等在熱端部分的加大應用可以提高發動機推力，從而提高整架飛機性 能。此外，特種工程塑料等材料在飛機零部件上應用較多。

　　1.2 復合材料、高端鈦合金是需求增長快的兩類航空新材料

　　在航空工業發展的過程中，航空器對重量的要求一直十分嚴苛，有“一克 重量換一克黃金”的說法，結構減重不僅能加強飛機性能，也是提高經濟 效益的關鍵。

　　結構輕量化和與之相關的“低油耗”是目前航空制造領域的競爭焦點 之一，油耗多少直接體現了飛機及其發動機服役壽命期的經濟性和環 保性的優劣。復合材料與鈦合金以其比強度高的優異性能，能夠幫助 飛機實現有效減重，提高經濟效益，在航空用材市場取得了廣泛應用。

　　從典型的軍機來看，美國新型戰機復合材料、高端鈦合金結構質量分數約 為 24%、39%，相比上一代提升 12pct、26pct，粗略估計，單架新型戰機 復合材料與高端鈦合金用量是上一代的 2.7 倍與 4.0 倍。

　　新型戰機中復合材料與高端鈦合金用量占比大幅提升。根據洪都培訓 基地《航空金屬材料結構》所述，以美國、俄國等為代表的戰機結構 材料迭代快速，樹脂基復合材料、鈦合金質量分數提升快，替代原 來使用占比大的鋁合金與鋼材。以美國生產型 F22 為例，樹脂基復 合材料、鈦合金的質量分數分別為 24%、39%，相比第三代戰機提升 12pct、26pct，用量占比大幅提升。

　　單架新型戰機的機體復合材料與高端鈦合金用量是上一代的 2.7 倍與 4.0 倍。戰機結構重量一般占空機質量的 30%，我們以此與材料結構 質量分數為基礎假設，謹慎估計，一架四代戰機的鈦合金機體結構用 量是三代戰機的 4.4 倍，提升約 2.9 噸；樹脂基復合材料機體結構用量 是三代戰機的 3.0 倍，提升約 1.6 噸。

　　不僅在軍機領域，復合材料與鈦合金在民機的不斷迭代中也扮演重要角色。在空客與波音新一代的客機中，復合材料與鈦合金機體質量分數占比約 為 50%與 15%。

　　以飛機制造商空中客車為例，在新的 A350XWB 大型民機中，復合 材料的用量提升快，在機身、機翼與尾翼上均有大量應用，全機結 構質量分數為 53%，相比上一代民機 A380 大幅提升 31pct；同時，鈦 合金結構質量分數為 14%，相比 A380 提升 4pct。

　　單架新一代遠程寬體客機機體的復合材料與鈦合金用量是上一代的 2.3 倍與 1.3 倍。對照軍機情況，我們謹慎、合理地假設民機結構質量系 數約為 50%，粗略估計，一架 A350 大型民機大約需要 71 噸復合材料 與 19 噸鈦合金，分別是上一代 A380 材料用量的 2.3 倍、1.4 倍，提 升約 41 噸、5 噸。

　　1.3 航發是國產替代重要方向，高溫合金、陶瓷基復材是核心材料

　　推重比是航空發動機核心的性能指標，提高渦輪前進口溫度能夠提升發 動機的推重比，因此對耐高溫材料需求突出。

　　發動機是飛機的“心臟”，是確保飛機使用性能、可靠性與經濟性的決 定性因素，其性能的提升與所使用的耐高溫材料密切，飛機航程加長 與速度提高要求發動機更大的推力、推重比，這意味著發動機的壓力 比、進口溫度、燃燒室溫度以及轉速都須極大提高。

　　根據美國先進戰斗殲擊機研究計劃和綜合高性能發動機技術研究計劃， 發動機推重比要達到 20，其油耗比要比目前再降低 50%。對于推重比在 15～20 的發動機，渦輪前進口溫度高達約 2300 ℃，因而除高比 強度、高比模量外，對耐高溫性能的需求更為突出。

　　目前，航空發動機主要結構材料包括高溫合金與鈦合金，質量分數分別為 40%與 30%；未來陶瓷基復合材料等由于其優良的特性，將成為發動機升 級換代的核心材料。

　　根據著名發動機公司羅爾斯-羅伊斯（Rolls-Royce）公司對航空發 動機材料發展情況作出的統計和預估，傳統的鋁合金及結構鋼在發動 機中的用量會進一步減少，而鎳基高溫合金、鈦合金等材料的使用有 所提升；一些新型高溫結構材料，如金屬間化合物（Ti3Al、Nb3Al 等）、 陶瓷基/金屬基復合材料（CMC、MMC）將是發動機材料選取趨勢。

　　高溫合金是航空發動機提升推重比的基礎材料，主要應用燃燒室、導 向器、渦輪葉片與渦輪盤四大熱端部位；鈦合金在 500℃以下性能穩 定，應用于壓氣盤、靜葉盤、機殼等；陶瓷基復合材料屬于發動機先 進程度的提升關鍵，目前先進的發動機渦輪前進口溫度逼近高溫合 金的熔點，而陶瓷基復合材料是航空發動機減重增效“升級換代”的 核心材料。

　　根據《Global Commercial Aero Turbofan EngineMarket》，以質量計 算，航空發動機中鎳合金、鈦合金和特鋼分別占比 40%、30%、25%。以裝配在美國戰斗機 F22 上的發動機（型號：F119-PW-100）為例， 發動機重量為 1.36 噸，以上述質量占比粗略估算，一臺 F119-PW-100 發動機用鎳合金 0.54 噸，用鈦合金 0.41 噸，一架 F22 配置雙發，發 動機共用 1.09 噸、0.82 噸鎳合金與鈦合金。

　　1.4 高性能材料在新興領域應用廣泛，長期空間有望打開

　　除了航空工業，高性能材料在其他軍民用領域具有廣泛的應用，具體包括 軍工行業中的火箭、導彈及航天飛船工業、船舶及艦艇制造業、其他常規 軍品制造等等，民用中的醫療、體育器材、汽車、建筑等新興領域。

　　復合材料在各大領域廣泛應用，其中航天航空、風電葉片需求為強勁。

　　根據《2019 碳纖維復合材料市場報告》，2019 年碳纖維市場 總需求約為 10.37 萬噸，同比增長約 12%，應用領域多樣化。其中， 航天航空領域相比去年增長 12%，主因波音 787 及空客 350 產量增加 所拉動；風電葉片需求強勁，同比增長 16%，主要依賴于風電具有 VESTAS 強勢驅動。

　　我們認為，碳纖維未來依托各大新興領域打開更大的市場空間。得益 于碳纖維及其復合材料的優異特性，已在航天航空、交通運輸、能源 領域、工程領域與船舶應用等多領域承擔重要角色。

 

　　鈦合金已在軍工與諸多民用領域多點開花。鈦集高比強度和優異的耐腐蝕性能于一身，是理想的船舶艦艇制造用 材，尤其是需要在深海運轉的潛水器。我國“蛟龍號”載人潛水器就 次采用了俄羅斯制造的鈦合金耐壓殼，成為國產潛水器大規模采用 鈦合金材料的成功案例。2015 年 5 月，我國國產 4500 米潛深載 人潛水器耐壓殼在洛陽船舶材料研究所出廠。該耐壓殼使用了我國自 主研制的 Ti80 鈦合金材料，標志著我國突破了 Ti80 大規格厚板研制、 球瓣成型、球瓣機加工、焊接、無損探測等關鍵技術研究。

　　民用方面，鈦合金目前主要用于醫療、體育器材、汽車、建筑及娛樂 音響等高端應用場景。以醫療領域為例，醫用鈦合金主要用于生產和 制造外科植入物和矯形器械產品，鈦及鈦合金密度較小，彈性模量低， 可以避免局部骨吸收現象的產生，因而是十分優良的人工骨、 關節等 硬組織替換材料。典型產品如牙種植體、人工關節和血管支架等。外 科植入物中的鈦合金用量正以每年 5%-7%的速度增長。

　　二、確定性增長：航空新材料將受益我國航空工業快速發展

　　我國進入航空工業加速升級階段，高性能材料占比高的軍機型號（如新一 代運輸機、新一代戰斗機）將逐步上量、替代舊型號，民航制造進入自主 化新時期，從而帶來可觀的復合材料、鈦合金及高溫合金等高性能材料的 需求增量市場。

　　僅考慮可預見的軍民機型，我們預計未來 3 年鈦合金、復合材料與高溫合 金年均用量分別有望達 273 噸、137 噸與 137 噸；未來 10-20 年鈦合金、 復合材料與高溫合金年均用量為 1968 噸、2421 噸、496 噸。從遠期材料 用量成長潛力來看，復合材料成長性大（18 倍），鈦合金有 7 倍提升空 間，高溫合金有 4 倍成長空間，如考慮未來民機發動機國產化，航材有望 打開更大的應用空間。

　　2.1 軍機：裝備升級需求加大，新老機型加速更替是大勢所趨

　　空軍裝備作為我國核心武器之一，將受益我國國防開支的穩健增長與裝備 升級需求，未來 5-10 年空軍新老機型的加速更替將是大勢所趨。

　　2020 年年度國防預算同比+6.6%，實現穩健增長，將帶動裝備采購需 求；根據該黨的十九大報告提出的“確保到 2020 年基本實現機械化， 信息化建設取得重大進展，戰略能力有大的提升”、“形成聯合作戰能 力、全域作戰能力”，國防軍費有望向裝備升級與換代傾斜，新一代戰 斗機與運輸機有望迎來新增長。

　　我國的空軍實力與美俄發達仍存在不小差距，具體體現為數量不 足和現代化機型比例不高，未來 5-10 年空軍新老機型的加速更替將是 大勢所趨。我國空軍飛機總量雖然在范圍排位第三，但從數量上 來看，我國軍機數量僅為美國的 1/5，其中運輸機和教練機數量明顯不 足；從先進程度上來看，我國的現代化戰機（三代機及以上）比例為 50%，而在美國，這一比例則高達近 90%（IISS 統計數據）。

　　航空武器裝備升級的另一個重要方面，就是航空發動機的國產化，對應高 性能航空材料一塊巨大的增量市場。

　　我國已成立航發集團，預計航空發動機的自主設計研產能力將是未來 很長一段時間內的攻堅重點。目前，我國 WS-10“太行”渦扇發動機 及其改進型的性能指標已可與美國普惠 F100 和通用電氣 F110 相當， 是目前來看有希望取代俄制 AL-31，列裝 J-10、J-11 和 J-20 等空軍 主力戰機的航發產品。

　　2.2 民機：處于發展初期，將成為民用航空大市場

　　民用航空領域，我國正處于發展的起步期，未來空間廣闊，將成為民 用航空大市場（萬億級美元），未來 20 年年均需求約 400 架。

　　是未來 20 年唯一萬億級美元的民用飛機市場，未來發展空間 廣闊。根據波音發布的 2019 版《民用航空市場展望》，未來 20 年間將需要 8090 架新飛機，總價值達 1.3 萬億美元，根據預測數 據，我們粗略估計，未來 20 年，我國市場年均需求約 400 架民用飛機。

　　我國民航業正快速發展，未來兩款主力機型——ARJ-21 和 C919 將進入 放量階段，有望帶來高性能航材更多需求

　　隨著我國民航業發展，未來兩款主力機型（ARJ-21、C919）有望進入 量產階段。根據商飛官網信息，第四架 C919 將于今年完成飛，累計獲取 28 家客戶 815 架訂單；ARJ-21 新支線飛機已正式投入航線 運營，累計 24 家客戶 528 架訂單；CR929 研制項目已正式啟動。

　　我們認為，國內民機制造產業的不斷發展將對我國高性能材料行業提 出更大的需求、帶來更多的機遇。以 C919 為例，根據西部超導招股 說明書、北京日報報道的信息，國產大飛機結構中，鈦合金、復合材 料與第三代鋁鋰合金的結構質量分數分別為 9.3%、12.0%和 8.8%， 量產后將產生大量高性能航材需求。

　　此外，根據 CR929 總設計師陳迎春在“2017 北京航展屆國際航空 發動機論壇”上披露的信息，CR929 復合材料、鈦合金占比相比 C919 提升快，其中，復合材料的結構質量分數為 55%，鈦合金機構 質量分數為 16%。

　　2.3 需求量測算：航空發展將帶來航空新材料三年翻倍、十年九倍增長

　　我們基于以下關鍵假設，對短期、中長期的我國高性能航材作以測算。

　　測算范圍：僅考慮五種可預見的新型軍民機型，包括新一代運輸機、 新一代戰斗機、ARJ-21、C919、CR929（預計 2027 年交付7，加入 中長期預測）；

　　合理假設結構質量系數約為 50%，即不把非結構件以外的情況考慮在 內，達到更合理的測算效果；? 假設未來新一代運輸機、新一代戰斗機全部采用國產發動機，民航客 機則全部裝配進口發動機成品，因此在測算中僅將新一代運輸機、新 一代戰斗機兩款機型的航發材料考慮在內；

　　為了統一口徑，測算僅以終飛機成品用量為準，主要目的是看成長 潛力，若考慮成材率，用量將大大高于本文的測算數據。

　　先，我們基于相關文獻信息與可比機型對單架飛機的航材需求（鈦合金、 復合材料、高溫合金）進行估算。詳見圖表 33，以 C919 為例，假設發動 機進口，僅考慮機身結構，單架國產大飛機鈦合金、復合材料用量約為 1.96 噸、2.53 噸。其他各機型測算過程詳見圖表 34-35）

　　在對中期（3 年左右）和遠期（10-20 年）不同型號飛機年均產量進行合理 假設的基礎上進行高性能航材預測。我們測算，2019 至 2021 年，高性能 航材年均需求有望實現翻倍；未來 10-20 年的年均需求約為短期年均需求 的 9 倍。

　　我們預計，未來 3 年，新一代運輸機、新一代戰斗機、ARJ-21、C919 這四種主要機型的批量生產交付將產生確定性的高性能航材增量需求， 對應鈦合金、復合材料與高溫合金年均用量分別有望達 273 噸、137 噸與 137 噸。遠期預測中加入 CR929 機型，預計未來 10-20 年鈦合金、 復合材料與高溫合金年均用量為 2421 噸、1968 噸、496 噸。

　　市場空間中長期增長具潛力。短中期看，以碳纖維為例，未來三年年 均用量相比當前用量翻倍；遠期看，隨著國產大飛機、新一代軍機批 量生產，復合材料、鈦合金及高溫合金的遠期年均用量是中期年均用 量的 18 倍、7 倍與 4 倍。若考慮長期民機發動機國產化，高性能航材 將具更大的成長空間。

　　高性能航材有望實現三年翻倍的成長空間。以高端碳纖維為例，我們 測算，未來三年，僅計算航空用碳纖維，年均需求大約為 560-660 噸， 是 2017 年的 2-2.5 倍；若考慮通飛無人機、航天及其他武器裝備，未 來三年高端碳纖維年均需求約為 1000 噸，是 2017 年的約 1.8 倍。

　　若考慮高性能材料在船舶、兵器及其他民用設備領域，則有望獲取更廣褒 的市場空間。

　　三、高附加值：高端航空新材料將提供高成長彈性

　　相比一般民用級材料，軍用級高性能材料的附加值更高，將提高更大的成 長彈性。以碳纖維及復合材料制品為例，軍用級價格是民用級的 15 至 20 倍，僅 3%用量可貢獻 30%的市場價值。

　　航空航天及武器領域一直是碳纖維的傳統應用市場和對纖維性能要求 高的應用領域，代表著碳纖維應用的制高點。目前，航空航天及武 器領域的碳纖維用量雖不大，但得益于高附加值，市場價值貢獻較大。根據江蘇恒神的沈真在《從國產碳纖維的處境談碳纖維“全產業鏈”》 中的表述，2017 年，航空航天及武器領域碳纖維用量僅占碳纖維總量 的約 3%，但貢獻了約 30%的市場價值。

　　軍用級高性能材料價格是民用級的數十倍。以復合材料制品為例，軍 用航空結構件、民用航空（國內）用復合材料價格分別為 1000 至 1500 萬/噸、800 至 1000 萬元/噸，約是民用級復合材料價格的 15-20 倍，具有更高的附加值。

　　得益于高附加值，下游主要為航空的高性能材料供應商毛利率維持穩定且 較高。擁有軍用級高端碳纖維的光威復材、中簡科技的產品毛利率隨著產 能利用提升，近兩年維持在近 80%；主要供應高端鈦材的西部超導毛利率 約為 40%，且在上游海綿鈦漲價后能快速恢復高毛利率水平；鋼研高納的高溫合金毛利率約為 30%至 40%，隨著后續產能逐步釋放，毛利率仍有上 升空間。

　　相較于國際市場，我國航空航天等高性能材料用量仍有較大的提升空間， 我們認為，隨著高性能航材占比的逐步攀升，長遠看，有望產生以數十倍 的市場價值增量空間。我們看到，從看，我國新材料在航天航空領域 的應用占比遠小于平均水平，其中鈦材、復合材料在航空航天應用量僅占 總量的約 18%、3.7%，相比的 50%、23%有較大差距。

　　四、競爭格局：軍工領域進入壁壘高，逐步打開海外市場

　　軍用新材料的研制研制技術屬于軍事機密，在國際上存在嚴格的進出口限 制。因此，我國軍用材料市場主要來自國內企業的自主研發。鑒于軍工配 套審批流程存在一定時間周期，我們預計主要供貨商將受益重點型號放量。

　　以鈦材為例，我們看到美國、俄羅斯鈦產品制造企業均供本土航空航天制 造或者配套民用領域。我國軍用航材供貨有嚴苛的供應商資質審批流 程，一旦通過評審，標志著配套項目長期穩定的合作關系。

　　從國際上來看，美國航空航天級鈦材供應商 TIMET 和 ATI 等企業，產 能全部為美國本土航空制造自用。大的鈦產品制造企業——俄 羅斯的 Vsmpo-Avisima，其用于出口的鈦產品也主要為知名民用 客機制造商配套。

　　在我國，軍用航空材料的開發通過參與軍工配套項目的形式進行。我 國具有嚴苛的軍工供應商資質審批流程，成為我國軍用高端鈦材領域 壁壘高筑的原因之一。一般而言，從資質認證、參與預研，到正式實 現規模生產和批量供應，需要至少 6-7 年時間。而一旦通過評審，成 為合格的軍用材料供應商，則標志著一種長期穩定的合作關系，前期 沒有參與相關項目的企業短期將很難再取得相關材料的供應資質。

 

　　我們對國內具備軍工資質、能夠批量生產高端軍用新材料的公司進行梳理， 目前格局相對穩定。其中，鈦材主要生產商為寶鈦股份、西部超導等；碳纖維與復合材料主要包括江蘇恒神、中復神鷹、中航高科等。

　　目前，隨著我國新材料領域技術不斷進步，部分公司已經開始邁向市場，未來有望打開更大的成長空間。相對而言，鈦材與復合材料的國際化拓展速度較快，主要拓展的領域為民機與風電葉片，未來市場空間廣闊。