材料|军工领域8大核心战略材料深度分析：行业特点、竞争格局、细分种类及发展预期等
2023-09-08 15:06:01
作者：新材料智库 来源：新材料智库
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军工材料在国防工业中占据着举足轻重的地位，是高端武器装备发展的先决要素。在“十四五”装备快速放量的环境下，军工材料作为基础也迎来了“黄金时代”。进入“十四五”我国武器装备加速建设，新型号军机的快速列装，以及导弹大量消耗等都对上游材料形成了强劲的需求。叠加“自主可控”增量以及新型号装备中高端高性能材料应用比例增加，目前军工产业链中，上游材料呈现出较为强烈的“供不应求”，同时也表现出相较于下游更高的业绩增加弹性。本文我们从发展军工材料的必要性出发，了解军工材料的特点及应用，按照大的分类框架梳理各个军工材料的用途及特点了解其未来发展空间及应用前景，以期理解军工行业未来的发展走向。
军工材料是按材料用途分类的重要应用领域。由于军工装备工作环境的苛刻性，军工材料多需要在极端条件下能够正常工作，尤其是航空航天对结构材料要求更高，因此这些军工材料一般需要具有高强度、耐高温、耐腐蚀、低密度等多种性能特点。对于此类具有优异特性和功能，能满足军用高性能需求的材料，我们称为军工材料或军工高端材料。在各个时代，最先进的技术最早往往为军事用途服务。电子技术的发展依赖于半导体材料的发展；战略导弹、战术导弹和卫星的发展依赖于先进复合材料技术的发展；新型的复合装甲材料技术（即抗弹陶瓷和树脂基复合材料技术等），使坦克的防护迎来了新的发展机遇；工程塑料在枪械上的应用，使世界枪械研究徘徊不前的局面得以打破；发动机性能的改进一半靠材料。因此军工新材料是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。世界各国对军用新材料技术的发展给予了高度重视，加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提。军工新材料技术是决定武器装备性能与水平的重要因素。高效低成本树脂基弹箭复合材料研制成功及其在战略和战术弹箭上的应用，显著改进了武器装备战技指标，大大地增加了战略导弹的射程；轻型反坦克导弹的增程，主要依赖于碳纤维/玻纤混杂增强环氧复合材料发动机壳体、有机硅耐烧蚀涂料和橡胶基复合材料防护层的成功研制及应用；四代战斗机的“4S”性能特点，十分依赖新材料技术的发展与应用。（2）军工新材料引领技术发展，奠定我国整体材料基础军工新装备的牵引是我国的高端新材料技术快速发展的动力源之一，尤其是在国外封锁的环境下，军工材料是我国新材料技术的突破口，通过近几年的发展，可以看到我国正逐渐打破西方列强的围剿封锁。以“碳纤维”为例，以往国际碳纤维行业主要市场被美日等国垄断，但随着我国国家的重点扶持，以及如光威复材、中简科技等企业的不懈努力，通过军品的研发供应，我国在高性能碳纤维方面取得了十足的进步，为未来高端民用市场奠定了基础。进入“十四五”我国军工装备加速建设，新型号军机的快速列装，以及导弹“数量级”增量建设等都对上游材料形成了强劲的需求。叠加“自主可控”增量以及新型号装备中高端高性能材料应用比例增加，目前军工产业链中，上游材料呈现出较为强烈的“供不应求”，同时也表现出相较于下游更高的业绩增加弹性。企业积极扩产，“十四五”军工材料产能至少翻番增长。在军工上游材料整体供不应求的环境下，近年军工材料公司相继出台了扩产计划，我们统计了主要军工材料领域上市公司的扩产计划，预计到“十四五”末期产能至少实现翻番增长，高温合金产能增长157%、碳纤维产能增加210%、钛合金产能增加138%。再考虑到新产能爬坡的情况，我们预计军工材料“十四五”期间景气度整体无忧。除去军品方面的快速增长，材料技术的成熟也给行业带来了广阔的“民用”市场，为相关领域带来第二增长动力。碳纤维方面，凭借轻量化、高强高模等优异性能，在风电、氢能储存等新能源领域展现出了良好的前景；高温合金方面，在两机专项的政策支持下，我国目前航空发动机方面将迎来快速发展，但燃气轮机方面，目前仍正在启动中，随着技术的成熟，也有望给高温合金市场再添发展动能。
常用的军工金属新材料包括钛合金、高温合金、铝合金以及镁合金等。新型、高端金属材料在军工产业中有着难以替代的地位。
钛具有重量轻、比强度高、耐腐蚀等一系列优异特性，是优秀的轻质、高熔点结构材料、新型功能材料和重要的生物医用材料，在航空、航天、舰船、核能、化工、石油、冶金、电力、轻工、医疗、体育、环保及人们日常生活中广泛应用，市场前景随社会进步而日渐广阔。钛属稀有金属范畴，但钛资源丰富，能有效地满足社会发展的需要。中国、美国、俄罗斯、日本等国建立起完整的钛冶金、加工、应用和科研体系，欧洲等国也建立了先进的钛及其合金加工、应用、科研体系，为优质钛材料的生产提供了可靠的保障，因此钛是一种人们正努力研究、开发、应用的大用之材。
中国钛产业仅57年的历史，世界钛产业也仅60余年的历史，据资料显示，2010年全世界生产钛加工材11万余吨，其中中国和美国各用3万余吨，日本、俄罗斯和欧洲各用近1万吨，韩国和我国台湾地区各用5000吨左右，世界其他地区钛消费量就很少了。
从全球市场需求结构来看，钛合金主要应用于航空工业、国防军工以及其他工业。其中，在航空工业的应用需求最大，约占50%，主要是用于飞机和发动机的制造。但是对比国内来看，钛制品需求结构存在明显差异，在拥有发达的航空航天和军工国防工业的北美和欧盟地区，尤其是美国，50%以上的钛制品需求来自于航空航天和军工国防领域。我国虽然是全球最大的钛金属生产国和消费国之一，但是我国钛制品需求大部分来自化工领域，应用主要为抗腐蚀材料，技术含量相对不高，航空航天领域高端需求，虽然近两年占比有所提升，但仍只占18.4%（1万吨）左右，远不及国际平均水平。以上数据表明，越是发达的国家，工业规模越大的国家，用钛量越大，越是技术进的国家，越是将钛材用于航空航天工业，越是使用高端的钛材。
高温合金性能优越，应用场景广泛。高温合金是指以铁、镍、钴为基，能在 600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的抗疲劳性能、断裂韧性等综合性能，又被称为“超合金”。从高温合金应用领域来看：在民用工业领域，可用于柴油机增压涡轮、烟气轮机叶片和盘、冶金轧钢加热炉垫块、内燃机排气阀座等方面。此外，近年来高温合金应用面不断扩大，在石油化工、玻璃和玻纤以及机械制造等行业的应用有明显的进展。在军工领域，目前镍基高温合金是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰船和工业燃气轮机的关键热端部件材料，也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料。高温合金作为军民领域重要材料，应用空间广阔，并具有重要的经济和战略意义。
据观研天下数据，2015-2020年我国高温合金市场规模由78亿元增长至187亿元，5年增长3倍。未来随着军用航空发动机内生的巨大需求规模释放，预计到2025年我国高温合金行业市场规模将达856亿元，CAGR为35.56%。
铝合金是轻金属材料之一，是以铝为基添加一定量其他合金化元素的合金，除具有铝的一般特性外，还具有较高的强度、良好的铸造性能和塑性加工性能、良好的导电导热性能、良好的耐蚀性和可焊性等特性。铝合金具有密度低、力学性能佳、加工性能好、无毒、易回收、导电性、传热性及抗腐蚀性能优良等特点，使得应用广泛，目前已在船用行业、化工行业、航空航天、金属包装、交通运输等领域广泛使用。目前，我国航天航空领域和船舶制造领域的高端铝合金已经可以实现自主生产，不过由于技术积累薄弱、生产工艺控制不够等原因，产品性能均匀性较差或者合格率偏低，相较于国外成本控制还存在差距。但随着经验积累、关键技术的逐步突破，产业链正不断向高端领域深化发展。目前铝合金是仅次于钢铁的第二大金属材料，正向着高强、高韧、耐腐蚀、智能、精密、紧凑等应用方向发展。数据显示，2022年我国国内铝合金产量1218.3万吨，同比增长14.07%。
复合材料的完整定义是由不同材料（包括金属、无机非金属和有机高分子材料）互为基体或增强体，用物理和化学方法在宏观尺度上复合而成的新型材料。而纤维增强复合材料是目前高性能复合材料的重要结构。这种复合材料的增强材料主要是一些高性能纤维。目前三大高性能纤维分别为碳纤维、芳纶纤维、以及超高分子量聚乙烯纤维。相对于一些传统金属材料，这些高性能纤维材料更“年轻”，未来性能指标有望持续提升。碳纤维及其复合材料凭借其低密度、高强度、高模量、高稳定性的特点，在航空航天、汽车船舶等领域应用广泛，引领着轻质化材料的浪潮。碳纤维属于技术密集型、资金密集型产业，具有产业链长、工艺技术复杂、研发周期长、资金投入量大、行业技术性强等特点，行业进入壁垒高。目前，国内生产研发碳纤维的企业主要包括中复神鹰、江苏恒神、光威复材、吉林碳谷、吉林宝旌等，前五企业产能占比约为77%，行业呈寡头垄断竞争格局。核心技术、装备是碳纤维生产的重要保障，面对国外“技术、设备”严格封锁，光威复材致力于碳纤维国产化及碳纤维产品升级。经过多年经验、技术积累，公司成功研发出高强、高强中模、高模和高强高模系统碳纤维产品，并形成积累了一系列自主知识产权的工艺制造技术。芳纶纤维具有优异的阻燃耐高温和高强高模特性，一直是国防军工领域的关键基础材料，主要用于军警作战服、蜂窝结构材料，防弹衣、防弹装甲等。根据泰和新材披露的数据，2021年全球芳纶纤维名义产能约12-13万吨，同比增长约10%；全球总需求约10-11万吨，同比增长约20%。按照产品细分来看，根据隆众咨讯的数据，全球对位芳纶产能约8-9万吨、间位芳纶产能约为4万多吨。在国内经济复苏、国外疫情趋稳的大环境下，全年芳纶呈供应紧张的局面，生产厂家库存长时间保持在低位。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维，又称高强高模聚乙烯纤维，是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代高性能纤维。是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，其分子量在100万～500万的聚乙烯所纺出的纤维。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）纤维是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，被广泛应用于军事装备、海洋产业、安全防护、体育器械等领域。近年来，因世界各地冲突及国家安全保护意识提升，军事装备、安全防护等行业获得快速发展，全球范围内对高强度、高性能超高分子量聚乙烯产品的需求不断增加，市场处于供不应求的状态。根据前瞻产业研究院数据统计显示，全球超高分子量聚乙烯纤维的需求量由2015年的5.7万吨增长至2020年的9.8万吨，年均复合增速为11.45%，预计2025年需求量将达到16.5万吨。其中，美国和欧洲等发达国家和地区的需求量最为旺盛。在国际市场上，荷兰帝斯曼公司、美国霍尼韦尔公司等是代表性龙头企业。近年来，我国的超高分子量聚乙烯纤维产业得到了快速的发展，但无论是生产技术还是生产设备都与世界先进水平存在一定的差异，国产超高分子量聚乙烯纤维的力学性能仅达到发达国家同类产品的中等水平，且纤维的纤度和强度的均匀率较差，在高端产品方面缺乏竞争力，国产超高分子量聚乙烯纤维主要被用于中低端产品，用于众多高端领域的超高分子聚乙烯纤维仍需依赖进口。可以说我国是UHMWPE纤维的大国，但不是强国。目前国内UHMWPE纤维的生产厂家主要有同益中、宁波大成、山东爱地、湖南中泰等。
对于一些具有优异功能的先进材料，往往并没有办法以具体某种成分、类别属性进行区分，因此下面重点介绍一些应用前景较好的重点结构及功能材料，如隐身材料、先进陶瓷材料等。在技术与工艺不断进步的条件下，航电、机电系统也实现了不断更新，第三代战斗机的信息化作战能力在不断向四代机靠近，但二者最重要的区别在于隐身技术的实现，隐身能力是新一代作战装备的重要技术特征，隐身已成为飞行器等重要武器装备发展的必然趋势。由于各国在隐身技术领域存在严密的技术封锁，针对当前新型国际形势，隐身技术是国家国防建设的重大需求。军用飞机隐身的实现离不开隐身材料，隐身材料技术的应用可最大限度降低探测系统发现和识别目标能力，而提高现代武器装备的生产能力和突击能力，达到克敌制胜的效果。从全球隐身材料的市场规模来看，据统计，2017年全球隐身超材料在武器装备中的应用市场规模大约在1.3亿美元，到2025年有望达到11.7亿美元左右，年均复合增长率在30%以上。根据Global Market Insights的研究报告，到2026年，隐形涂料市场规模预计将超过8.34亿美元。由于隐身材料技术涉及重大军事材料的研制，国外的隐身材料企业不会对国内形成直接竞争。国内隐身材料商业化进程仍处于发展初期，由于隐身材料是基于不同技术路径、保密性较强等原因，相关企业均专注于不同细分领域，也未产生直接竞争。隐身材料行业具备定制化生产特点以及较高的进入壁垒，已经进入产业链的合格供应商具备先发优势和粘性较高的客户资源。具体的公司主要有已上市的华秦科技和光启技术，未上市的佳驰科技。陶瓷材料（特指先进陶瓷材料）由于其耐高温以及独特的电学特性广泛被应用于结构材料以及电子领域。作为结构材料，可成熟应用于战略导弹、火箭发动机热结构件以及各类卫星天线窗的保护框等方面，在电子陶瓷方面，随着武器装备信息化的加速，我国陶瓷电容器在军工领域的需求不断增大，随着技术的成熟未来有望带动军转民的发展。总体而言国内先进陶瓷总体水平与国外相比还存在一定的差距。但当前国家正不断为战略新兴产业的发展配置资源和政策，作为基础原材料和核心部件的先进陶瓷必将迎来快速发展。
进入“十四五”我国军工装备加速建设，新型号军机的快速列装，以及导弹“数量级”增量建设等都对上游材料形成了强劲的需求。叠加“自主可控”增量以及新型号装备中高端高性能材料应用比例增加，目前军工产业链中，上游材料呈现出较为强烈的“供不应求”，同时也表现出相较于下游更高的业绩增加弹性。在军工上游材料整体供不应求的环境下，近年军工材料公司相继出台了扩产计划，我们统计了主要军工材料领域_上市公司的扩产计划，预计到“十四五”末期产能至少实现翻番增长，高温合金产能增长157%、碳纤维产能增加210%、钛合金产能增加138%。再考虑到新产能爬坡的情况，我们预计军工材料“十四五”期间景气度整体无忧。除去军品方面的快速增长，材料技术的成熟也给行业带来了广阔的“民用”市场，为相关领域带来第二增长动力。碳纤维方面，凭借轻量化、高强高模等优异性能，在风电、氢能储存等新能源领域展现出了良好的前景;高温合金方面，在两机专项的政策支持下，我国目前航空发动机方面将迎来快速发展，但燃气轮机方面，目前仍正在启动中，随着技术的成熟，也有望给高温合金市场再添发展动能。
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