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未来5年中国航空航天新材料行业的分析

来源:中投网 2023-01-13 16:42中投网 A-A+

  航空航天新材料行业发展地位

  2021是十四五的开局之年,作为整个军工产业链核心位置的新材料板块有望迎来较大的发展空间。20世纪是现代科学技术飞速发展的一个世纪,其中重要的标志之一就是人类在航空航天领域所取得的辉煌成就。进入21世纪,航空航天已展现出更加广阔的发展前景,高水平或超高水平的航空航天活动更加频繁。航空航天事业所取得的巨大成就,与航空航天材料技术的发展和突破是分不开的。

  中投产业研究院发布的《2022-2026年中国航空航天新材料行业深度调研及投资前景预测报告》指出,材料是现代高新技术和产业的基础与先导,很大程度上是高新技术取得突破的前提条件。航空航天材料的发展对航空航天技术起到强有力的支撑和保障作用;反过来,航空航天技术的发展需求又极大地引领和促进航空航天材料的发展。可以说,材料的进步对飞机的升级换代起到关键的支撑作用。

  航空材料既是研制生产航空产品的物质保障,又是航空产品更新换代的技术基础。材料在航空工业及航空产品的发展中占有极其重要的地位和作用。进入21世纪,航空材料正朝着高性能化、高功能化、多功能化、结构功能一体化、复合化、智能化、低成本以及与环境相容化的方向发展。

  一、机身材料:轻质化、高强度

  战斗机的高空、高速和高机动能力要求飞机的结构选材必须保证足够的使用强度、刚度要求。根据《先进战斗机结构选材与制造工艺需求分析》,90年代后期出现了以美国F-22战斗机为代表的第四代战斗机,飞机结构采用翼身融合体结构、菱形机翼、外倾式双垂尾和大边条翼等;飞机结构材料虽然仍以金属材料为主,传统的钢材和铝合金材料的用量比例已经降低,总和不到20%。钛合金和复合材料用量均大大超过这一比例。F-22飞机这样选材的主要原因,一是为了减轻结构重量;二是为了满足高温条件下的结构使用强度要求;三是实现飞机结构的隐身要求等,该飞机的结构重量系数降到了27.8%。

  材料具有较高的比强度和比刚度,就意味着同样质量的材料具有更大的承受有效载荷的能力,即可增加运载能力。结构重量的减少意味着可多带燃油或其他有效载荷,不仅可以增加飞行距离,而且可以提高单位结构重量的效费比。

  不仅在军机领域,复合材料与钛合金在民机的不断迭代中也扮演重要角色。根据《从A350XWB看大型客机的选材方向》,在空客(AIRFP)与波音(BAUS)的客机中,复合材料与钛合金机体质量分数占比约为50%与15%。以飞机制造商空客为例,在A350XWB大型民机中,复合材料的用量提升最快,在机身、机翼与尾翼上均有大量应用,全机结构质量分数为53%,相比上一代民机A380大幅提升31pct;同时,钛合金结构质量分数为14%,相比A380提升4pct。

  二、发动机材料:耐高温为主要发展方向

  热力学第二定律指出所有热机的热效率均有一个上限值。热效率的上限和热机输入热的温度(热源温度)及热机的环境温度(冷源温度)有关。我们可以用卡诺循环来表示理想的热机循环热效率。

  在卡诺循环中,当吸热量为Q1,放热量为Q2时,循环所作净功为W0=Q1-Q2,根据卡诺循环的热熵曲线可得卡诺循环的热效率为:η=1-T2/T1,由此可以看出,热机的输入热源温度T1越高,热机工作效率越高。因此,动力领域对工作温度要求的提升将带动相关材料的升级换代。航空发动机涡轮入口温度需要不断提高。喷口温度从1300K提升到1610K时,涡轮输出效率可从46.40%提升到51.60%。这要求发动机材料的升级换代,同时原来那些可以使用合金钢的零件,如压气机盘和叶片等,也需要使用高温合金。

  军用航空发动机历经五代,推重比不断提升,高温合金、陶瓷基复材是核心材料。第一代涡扇发动机出现在20世纪50年代,以英国的康维发动机、美国的JT3D发动机为代表,推重比在2左右;第二代涡扇发动机出现在20世纪60年代,以英国的斯贝MK202和美国的TF30发动机为代表,推重比在5左右;第三代涡扇发动机出现在20世纪70-80年代,以美国的F100、欧洲的RB199和苏联的AL-31F发动机为代表,推重比在8左右;第四代涡扇发动机出现在20世纪90年代,以美国的F119和欧洲的EJ200发动机为代表,推重比在10以上;第五代涡扇发动机出现在21世纪初,以美国的F135和英、美联合研制的F136发动机为代表,推重比为12-13。未来航空发动机推重比将不断提高,美国已经开启第6代航空发动机的研发,预计推重比将达到16-18。

  中国复合材料产量数据分析

  在经历2018年度行业因环保督查及规范管理带来的转型阵痛之后,复合材料制品行业在转型道路上负重前行,随着大批“散乱污”生产作坊的退出,行业竞争秩序明显好转。规上企业表现相对更加突出,部分企业出现订单排不过来的现象,而河北枣强、山东安丘、山东武城等复合材料产业聚集区在产业政策引导和地方政府协助下,逐步走上了报团取暖、协作共赢的道路,更注重技术研发和产品质量提升。

  中投产业研究院发布的《2022-2026年中国航空航天新材料行业深度调研及投资前景预测报告》指出,由于我国人均复合材料消费量低、市场空间大,近年来,复合材料行业的产量增速在12%左右,另外,我国复合材料产量在全球的占比也在不断提升。2020年,我国复合材料产量约超过700万吨。

图表 2016-2020年中国复合材料产量情况

数据来源:中国复合材料工业协会

  2021年中国碳纤维市场发展规模

  中投产业研究院发布的《2022-2026年中国航空航天新材料行业深度调研及投资前景预测报告》指出,碳纤维在航空航天领域中,商用飞机需求贡献最大,2019年商用飞机所需碳纤维达到1.62万吨,占比近七成。中国碳纤维市场规模一直保持增长趋势,从2016年的4.82亿美元增长至2020年的10.27亿美元,年均复合增长率达20.82%,2021年我国碳纤维市场规模达12.13亿美元。

图表 2016-2021年中国碳纤维市场规模

数据来源:中投产业研究院

  2022年中国稀土行业景气指数分析

  中投产业研究院发布的《2022-2026年中国航空航天新材料行业深度调研及投资前景预测报告》指出,2022年一季度中国稀土产业景气指数回落至94.24点,低于100点景气线。

  一、多因素扰动,稀土市场需求收缩

  市场表现指标报80点,处于“不景气”区间,环比跌幅最大。俄乌地缘冲突持续发酵、全球经济复苏面临更多不确定性,国际订单或将减少。2022年3月以来,国内多地疫情反复,企业暂时性停工停产、物流局部不畅、人工及运输成本上涨、回款期延长等问题突出,大部分受访企业认为疫情的负面影响仍将在一定时期内延续。叠加稀土市场传统淡季到来,多因素影响下,2022年二季度稀土市场需求或将出现收缩,产业发展预期转弱。

  调研结果显示,48%-60%的受访企业认为2022年二季度订单数量和产品需求地区将与一季度持平,40%的受访企业预计订单数量将有所减少,25.71%的受访企业预计产品需求地区将出现减少,拖累了该项指标得分。

  二、预期转弱,关键指标略显疲软

  生产经营指标报88点,处于“不景气”区间。企业经营情况总体稳定、后续发展压力凸显。供需偏紧叠加输入性通胀压力持续加大,一季度稀土产业上游原材料价格持续震荡上行。保供稳价等多项政策调控下,3月份稀土原材料价格高位回落,中下游加工制备企业采购和生产成本显著下降。但在需求收缩影响下,产量及产品价格预期下调,整体盈利情况预计稳中偏弱,部分企业盈利空间或将受到明显挤压。

  51%-60%的受访企业预计2022年二季度生产经营各项指标情况与上一季度持平。54.29%的受访企业认为产品生产成本将基本持平,认为生产成本将降低的受访企业占比扩大至22.86%。下调产销量预期的受访企业占比分别提高至25.71%、28.57%。仅8.57%的企业预期产品价格上涨,28.57%的受访企业认为盈利水平将出现下降。

  库存状况指标报95.71点,处于“不景气”区间。原材料采购规模预期收缩,部分企业产品积压风险增大。受订单减少、需求萎靡预期的影响,原材料采购规模收缩趋势显著,加工制备企业主要以按需适当补货为主。产成品库存数量整体维持在理性区间,但部分中小型受访企业订单减少,产品积压风险加大,资金链不稳定性加剧。

  42.86%的受访企业认为2022年二季度原材料采购规模将基本持平,认为原材料采购规模将出现收缩的受访企业占比上升至31.43%;57.14%的受访企业认为产品库存数量将基本持平,22.86%的受访企业预计产品库存数量将缩减,但仍有20%的受访企业预期产品库存水平将出现上涨,拉低了该项指标的得分。

  技术创新、员工及融资情况总体持稳,下行压力加大。技术创新指标报108.57点,员工情况指标报104.76点,融资情况指标报104.76点,三项指标环比跌幅分别为10.31%、11.53%和5.22%。

  三、统筹兼顾,稀土产业稳中求进、承压前行

  当前,全球复杂局势以及疫情反复的因素重叠,一些突发因素超出预期,稀土等多个产业发展面临严峻考验。下一步,稀土企业要统筹兼顾疫情防控与安全生产,充分利用普惠金融、减税降费等多项助企纾困政策,积极进行“造血自救”。稀土产业要不断挖掘全国统一大市场的发展潜力,提高产业发展的内循环效率,同时坚决落实保供稳价要求,科学高效组织生产,优化产品结构,提高产品质量,实现稀土产业高质量发展,推动产业稳中求进、进中突破。

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