航空新材料深度报告
一、乘数效应：航空工业升级下，新材料量与占比齐升
1.1 高性能材料是航空工业迭代的技术基础
航空材料是推动材料科学与工程不断发展的主要动力之一，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。1其中，结构 材料是航空材料的重要组成部分，在航空工业发展中占有极其重要的地位 与作用。
结构材料是航空工业发展的重要推动力。相比功能材料，结构材料的 需求量、应用面更广，能够广泛应用于军工、航天航空、船舶、风电 等领域。就航空工业而言，结构材料主要应用于飞机机体、发动机壳 体等，且考虑到飞机不同部分的重量、温度等情况，采用的材料强度、 硬度、韧性及塑性均有所区别。
在航空制造百余年发展的过程中，飞机材料的更新换代呈现出高速迭 代的状态，呈现“一代材料，一代飞机”。截至目前，航空工业已经历 了三代典型材料的更新换代——木布、金属、复合材料，以空客、波 音为代表的飞机制造商均推出以高性能材料为主的民机（复合材料、 钛合金结构质量分数分别超过 50%、15%），以使飞机在维持原强度的 前提下减轻重量。
航空材料正朝高性能化、多功能化、低成本化与结构功能一体化方向发展， 现阶段主要包括复合材料、高性能合金与高温材料等。
根据材料特性，我们粗略地将高性能材料的应用面归纳为机身与发动 机，其中，机身材料更注重轻质与高强度，降低结构重量以提高经济 效益，诸如碳纤维复合材料、钛合金与新型铝锂合金是较好的材料选 择；发动机材料最重要的指标是耐高温，高温合金、陶瓷基复合材料等在热端部分的加大应用可以提高发动机推力，从而提高整架飞机性 能。此外，特种工程塑料等材料在飞机零部件上应用较多。
1.2 复合材料、高端钛合金是需求增长最快的两类航空新材料
在航空工业发展的过程中，航空器对重量的要求一直十分严苛，有“一克 重量换一克黄金”的说法，结构减重不仅能加强飞机性能，也是提高经济 效益的关键。
结构轻量化和与之相关的“低油耗”是目前航空制造领域的竞争焦点 之一，油耗多少直接体现了飞机及其发动机服役寿命期的经济性和环 保性的优劣。复合材料与钛合金以其比强度高的优异性能，能够帮助 飞机实现有效减重，提高经济效益，在航空用材市场取得了广泛应用。
从典型的军机来看，美国新型战机复合材料、高端钛合金结构质量分数约 为 24%、39%，相比上一代提升 12pct、26pct，粗略估计，单架新型战机 复合材料与高端钛合金用量是上一代的 2.7 倍与 4.0 倍。
新型战机中复合材料与高端钛合金用量占比大幅提升。根据洪都培训 基地《航空金属材料结构》所述，以美国、俄国等为代表的战机结构 材料迭代快速，树脂基复合材料、钛合金质量分数提升最快，替代原 来使用占比最大的铝合金与钢材。以美国生产型 F22 为例，树脂基复 合材料、钛合金的质量分数分别为 24%、39%，相比第三代战机提升 12pct、26pct，用量占比大幅提升。
单架新型战机的机体复合材料与高端钛合金用量是上一代的 2.7 倍与 4.0 倍。战机结构重量一般占空机质量的 30%，我们以此与材料结构 质量分数为基础假设，谨慎估计，一架四代战机的钛合金机体结构用 量是三代战机的 4.4 倍，提升约 2.9 吨；树脂基复合材料机体结构用量 是三代战机的 3.0 倍，提升约 1.6 吨。
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。在空客与波音最新一代的客机中，复合材料与钛合金机体质量分数占比约 为 50%与 15%。
以飞机制造商空中客车为例，在最新的 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。
单架新一代远程宽体客机机体的复合材料与钛合金用量是上一代的 2.3 倍与 1.3 倍。对照军机情况，我们谨慎、合理地假设民机结构质量系 数约为 50%，粗略估计，一架 A350 大型民机大约需要 71 吨复合材料 与 19 吨钛合金，分别是上一代 A380 材料用量的 2.3 倍、1.4 倍，提 升约 41 吨、5 吨。
1.3 航发是国产替代重要方向，高温合金、陶瓷基复材是核心材料
推重比是航空发动机最核心的性能指标，提高涡轮前进口温度能够提升发 动机的推重比，因此对耐高温材料需求突出。
发动机是飞机的“心脏”，是确保飞机使用性能、可靠性与经济性的决 定性因素，其性能的提升与所使用的耐高温材料密切，飞机航程加长 与速度提高要求发动机更大的推力、推重比，这意味着发动机的压力 比、进口温度、燃烧室温度以及转速都须极大提高。
根据美国先进战斗歼击机研究计划和综合高性能发动机技术研究计划， 发动机推重比要达到 20，其油耗比要比目前再降低 50%。对于推重比在 15～20 的发动机，涡轮前进口温度最高达约 2300 ℃，因而除高比 强度、高比模量外，对耐高温性能的需求更为突出。
目前，航空发动机主要结构材料包括高温合金与钛合金，质量分数分别为 40%与 30%；未来陶瓷基复合材料等由于其优良的特性，将成为发动机升 级换代的核心材料。
根据世界著名发动机公司罗尔斯-罗伊斯（Rolls-Royce）公司对航空发 动机材料发展情况作出的统计和预估，传统的铝合金及结构钢在发动 机中的用量会进一步减少，而镍基高温合金、钛合金等材料的使用有 所提升；一些新型高温结构材料，如金属间化合物（Ti3Al、Nb3Al 等）、 陶瓷基/金属基复合材料（CMC、MMC）将是发动机材料选取趋势。
高温合金是航空发动机提升推重比的基础材料，主要应用燃烧室、导 向器、涡轮叶片与涡轮盘四大热端部位；钛合金在 500℃以下性能稳 定，应用于压气盘、静叶盘、机壳等；陶瓷基复合材料属于发动机先 进程度的提升关键，目前最先进的发动机涡轮前进口温度逼近高温合 金的熔点，而陶瓷基复合材料是航空发动机减重增效“升级换代”的 核心材料。
根据《Global Commercial Aero Turbofan EngineMarket》，以质量计 算，航空发动机中镍合金、钛合金和特钢分别占比 40%、30%、25%。以装配在美国战斗机 F22 上的发动机（型号：F119-PW-100）为例， 发动机重量为 1.36 吨，以上述质量占比粗略估算，一台 F119-PW-100 发动机用镍合金 0.54 吨，用钛合金 0.41 吨，一架 F22 配置双发，发 动机共用 1.09 吨、0.82 吨镍合金与钛合金。
1.4 高性能材料在新兴领域应用广泛，长期空间有望打开
除了航空工业，高性能材料在其他军民用领域具有广泛的应用，具体包括 军工行业中的火箭、导弹及航天飞船工业、船舶及舰艇制造业、其他常规 军品制造等等，民用中的医疗、体育器材、汽车、建筑等新兴领域。
复合材料在各大领域广泛应用，其中航天航空、风电叶片需求最为强劲。
根据《2019 全球碳纤维复合材料市场报告》，2019 年全球碳纤维市场 总需求约为 10.37 万吨，同比增长约 12%，应用领域多样化。其中， 航天航空领域相比去年增长 12%，主因波音 787 及空客 350 产量增加 所拉动；风电叶片需求强劲，同比增长 16%，主要依赖于风电具有 VESTAS 强势驱动。
我们认为，碳纤维未来依托各大新兴领域打开更大的市场空间。得益 于碳纤维及其复合材料的优异特性，已在航天航空、交通运输、能源 领域、工程领域与船舶应用等多领域承担重要角色。
钛合金已在军工与诸多民用领域多点开花。
钛集高比强度和优异的耐腐蚀性能于一身，是理想的船舶舰艇制造用 材，尤其是需要在深海运转的潜水器。我国“蛟龙号”载人潜水器就 首次采用了俄罗斯制造的钛合金耐压壳，成为国产潜水器大规模采用 钛合金材料的成功案例。2015 年 5 月，我国首个国产 4500 米潜深载 人潜水器耐压壳在洛阳船舶材料研究所出厂。该耐压壳使用了我国自 主研制的 Ti80 钛合金材料，标志着我国突破了 Ti80 大规格厚板研制、 球瓣成型、球瓣机加工、焊接、无损探测等关键技术研究。
民用方面，钛合金目前主要用于医疗、体育器材、汽车、建筑及娱乐 音响等高端应用场景。以医疗领域为例，医用钛合金主要用于生产和 制造外科植入物和矫形器械产品，钛及钛合金密度较小，弹性模量低， 可以避免局部骨吸收现象的产生，因而是十分优良的人工骨、 关节等 硬组织替换材料。典型产品如牙种植体、人工关节和血管支架等。外 科植入物中的钛合金用量正以每年 5%-7%的速度增长。
二、确定性增长：航空新材料将受益我国航空工业快速发展
我国进入航空工业加速升级阶段，高性能材料占比高的军机型号（如新一 代运输机、新一代战斗机）将逐步上量、替代旧型号，民航制造进入自主 化新时期，从而带来可观的复合材料、钛合金及高温合金等高性能材料的 需求增量市场。
仅考虑可预见的军民机型，我们预计未来 3 年钛合金、复合材料与高温合 金年均用量分别有望达 273 吨、137 吨与 137 吨；未来 10-20 年钛合金、 复合材料与高温合金年均用量为 1968 吨、2421 吨、496 吨。从远期材料 用量成长潜力来看，复合材料成长性最大（18 倍），钛合金有 7 倍提升空 间，高温合金有 4 倍成长空间，如考虑未来民机发动机国产化，航材有望 打开更大的应用空间。
2.1 军机：装备升级需求加大，新老机型加速更替是大势所趋
空军装备作为我国核心武器之一，将受益我国国防开支的稳健增长与装备 升级需求，未来 5-10 年空军新老机型的加速更替将是大势所趋。
2020 年年度国防预算同比+6.6%，实现稳健增长，将带动装备采购需 求；根据该党的十九大报告提出的“确保到 2020 年基本实现机械化， 信息化建设取得重大进展，战略能力有大的提升”、“形成联合作战能 力、全域作战能力”，国防军费有望向装备升级与换代倾斜，新一代战 斗机与运输机有望迎来新增长。
我国的空军实力与美俄发达国家仍存在不小差距，具体体现为数量不 足和现代化机型比例不高，未来 5-10 年空军新老机型的加速更替将是 大势所趋。我国空军飞机总量虽然在全球范围排位第三，但从数量上 来看，我国军机数量仅为美国的 1/5，其中运输机和教练机数量明显不 足；从先进程度上来看，我国的现代化战机（三代机及以上）比例为 50%，而在美国，这一比例则高达近 90%（IISS 统计数据）。
航空武器装备升级的另一个重要方面，就是航空发动机的国产化，对应高 性能航空材料一块巨大的增量市场。
我国已成立航发集团，预计航空发动机的自主设计研产能力将是未来 很长一段时间内的攻坚重点。目前，我国 WS-10“太行”涡扇发动机 及其改进型的性能指标已可与美国普惠 F100 和通用电气 F110 相当， 是目前来看最有希望取代俄制 AL-31，列装 J-10、J-11 和 J-20 等空军 主力战机的航发产品。
2.2 民机：处于发展初期，将成为全球民用航空最大市场
民用航空领域，我国正处于发展的起步期，未来空间广阔，将成为全球民 用航空最大市场（万亿级美元），未来 20 年年均需求约 400 架。
中国是未来 20 年全球唯一万亿级美元的民用飞机市场，未来发展空间 广阔。根据波音发布的 2019 版《中国民用航空市场展望》，中国未来 20 年间将需要 8090 架新飞机，总价值达 1.3 万亿美元，根据预测数 据，我们粗略估计，未来 20 年，我国市场年均需求约 400 架民用飞机。
我国民航业正快速发展，未来两款主力机型——ARJ-21 和 C919 将进入 放量阶段，有望带来高性能航材更多需求
随着我国民航业发展，未来两款主力机型（ARJ-21、C919）有望进入 量产阶段。根据中国商飞官网信息，第四架 C919 将于今年完成首飞，累计获取 28 家客户 815 架订单；ARJ-21 新支线飞机已正式投入航线 运营，累计 24 家客户 528 架订单；CR929 研制项目已正式启动。
我们认为，国内民机制造产业的不断发展将对我国高性能材料行业提 出更大的需求、带来更多的机遇。以 C919 为例，根据西部超导招股 说明书、北京日报报道的信息，国产大飞机结构中，钛合金、复合材 料与第三代铝锂合金的结构质量分数分别为 9.3%、12.0%和 8.8%， 量产后将产生大量高性能航材需求。
此外，根据 CR929 总设计师陈迎春在“2017 北京航展首届国际航空 发动机论坛”上披露的信息，CR929 复合材料、钛合金占比相比 C919 提升快，其中，复合材料的结构质量分数为 55%，钛合金机构 质量分数为 16%。
2.3 需求量测算：航空发展将带来航空新材料三年翻倍、十年九倍增长
我们基于以下关键假设，对短期、中长期的我国高性能航材作以测算。
测算范围：仅考虑五种可预见的新型军民机型，包括新一代运输机、 新一代战斗机、ARJ-21、C919、CR929（预计 2027 年交付7，加入 中长期预测）；
合理假设结构质量系数约为 50%，即不把非结构件以外的情况考虑在 内，达到更合理的测算效果； 假设未来新一代运输机、新一代战斗机全部采用国产发动机，民航客 机则全部装配进口发动机成品，因此在测算中仅将新一代运输机、新 一代战斗机两款机型的航发材料考虑在内；
为了统一口径，测算仅以最终飞机成品用量为准，主要目的是看成长 潜力，若考虑成材率，用量将大大高于本文的测算数据。
首先，我们基于相关文献信息与可比机型对单架飞机的航材需求（钛合金、 复合材料、高温合金）进行估算。详见图表 33，以 C919 为例，假设发动 机进口，仅考虑机身结构，单架国产大飞机钛合金、复合材料用量约为 1.96 吨、2.53 吨。其他各机型测算过程详见图表 34-35）
在对中期（3 年左右）和远期（10-20 年）不同型号飞机年均产量进行合理 假设的基础上进行高性能航材预测。我们测算，2019 至 2021 年，高性能 航材年均需求有望实现翻倍；未来 10-20 年的年均需求约为短期年均需求 的 9 倍。
我们预计，未来 3 年，新一代运输机、新一代战斗机、ARJ-21、C919 这四种主要机型的批量生产交付将产生确定性的高性能航材增量需求， 对应钛合金、复合材料与高温合金年均用量分别有望达 273 吨、137 吨与 137 吨。远期预测中加入 CR929 机型，预计未来 10-20 年钛合金、 复合材料与高温合金年均用量为 2421 吨、1968 吨、496 吨。
市场空间中长期增长具潜力。短中期看，以碳纤维为例，未来三年年 均用量相比当前用量翻倍；远期看，随着国产大飞机、新一代军机批 量生产，复合材料、钛合金及高温合金的远期年均用量是中期年均用 量的 18 倍、7 倍与 4 倍。若考虑长期民机发动机国产化，高性能航材 将具更大的成长空间。
高性能航材有望实现三年翻倍的成长空间。以高端碳纤维为例，我们 测算，未来三年，仅计算航空用碳纤维，年均需求大约为 560-660 吨， 是 2017 年的 2-2.5 倍；若考虑通飞无人机、航天及其他武器装备，未 来三年高端碳纤维年均需求约为 1000 吨，是 2017 年的约 1.8 倍。
若考虑高性能材料在船舶、兵器及其他民用设备领域，则有望获取更广褒 的市场空间。
三、高附加值：高端航空新材料将提供高成长弹性
相比一般民用级材料，军用级高性能材料的附加值更高，将提高更大的成 长弹性。以碳纤维及复合材料制品为例，军用级价格是民用级的 15 至 20 倍，仅 3%用量可贡献 30%的市场价值。
航空航天及武器领域一直是碳纤维的传统应用市场和对纤维性能要求 最高的应用领域，代表着碳纤维应用的制高点。目前，航空航天及武 器领域的碳纤维用量虽不大，但得益于高附加值，市场价值贡献较大。根据江苏恒神的沈真在《从国产碳纤维的处境谈碳纤维“全产业链”》 中的表述，2017 年，航空航天及武器领域碳纤维用量仅占碳纤维总量 的约 3%，但贡献了约 30%的市场价值。
军用级高性能材料价格是民用级的数十倍。以复合材料制品为例，军 用航空结构件、民用航空（国内）用复合材料价格分别为 1000 至 1500 万/吨、800 至 1000 万元/吨，约是民用级复合材料价格的 15-20 倍，具有更高的附加值。
得益于高附加值，下游主要为航空的高性能材料供应商毛利率维持稳定且 较高。拥有军用级高端碳纤维的光威复材、中简科技的产品毛利率随着产 能利用提升，近两年维持在近 80%；主要供应高端钛材的西部超导毛利率 约为 40%，且在上游海绵钛涨价后能快速恢复高毛利率水平；钢研高纳的高温合金毛利率约为 30%至 40%，随着后续产能逐步释放，毛利率仍有上 升空间。
相较于国际市场，我国航空航天等高性能材料用量仍有较大的提升空间， 我们认为，随着高性能航材占比的逐步攀升，长远看，有望产生以数十倍 的市场价值增量空间。我们看到，从全球看，我国新材料在航天航空领域 的应用占比远小于平均水平，其中钛材、复合材料在航空航天应用量仅占 总量的约 18%、3.7%，相比全球的 50%、23%有较大差距。
四、竞争格局：军工领域进入壁垒高，逐步打开海外市场
军用新材料的研制研制技术属于军事机密，在国际上存在严格的进出口限 制。因此，我国军用材料市场主要来自国内企业的自主研发。鉴于军工配 套审批流程存在一定时间周期，我们预计主要供货商将受益重点型号放量。
以钛材为例，我们看到美国、俄罗斯钛产品制造企业均供本土航空航天制 造或者配套全球民用领域。我国军用航材供货有严苛的供应商资质审批流 程，一旦通过评审，标志着配套项目长期稳定的合作关系。
从国际上来看，美国航空航天级钛材供应商 TIMET 和 ATI 等企业，产 能全部为美国本土航空制造自用。全球最大的钛产品制造企业——俄 罗斯的 Vsmpo-Avisima，其用于出口的钛产品也主要为全球知名民用 客机制造商配套。
在我国，军用航空材料的开发通过参与军工配套项目的形式进行。我 国具有严苛的军工供应商资质审批流程，成为我国军用高端钛材领域 壁垒高筑的原因之一。一般而言，从资质认证、参与预研，到正式实 现规模生产和批量供应，需要至少 6-7 年时间。而一旦通过评审，成 为合格的军用材料供应商，则标志着一种长期稳定的合作关系，前期 没有参与相关项目的企业短期将很难再取得相关材料的供应资质。
我们对国内具备军工资质、能够批量生产高端军用新材料的公司进行梳理， 目前格局相对稳定。其中，钛材主要生产商为宝钛股份、西部超导等；碳 纤维与复合材料主要包括中复神鹰、光威复材、中简科技、中航高科与火 炬电子；高温合金领域主要是钢研高纳、西部超导。
目前，随着我国新材料领域技术不断进步，部分公司已经开始迈向全球市 场，未来有望打开更大的成长空间。相对而言，钛材与复合材料的国际化 拓展速度较快，主要拓展的领域为民机与风电叶片，比如宝钛股份、光威 复材已分别与国际飞机制造商、国际风电叶片制造商进行战略合作，未来 市场空间广阔。
五、投资建议：关注深耕航空新材料的优质标的
我国已进入航空工业加速升级阶段，高性能材料占比高的军机型号（如新 一代运输机、新一代战斗机）将逐步上量、替代旧型号；同时，民航制造 进入自主化新时期，从而带来可观的复合材料、钛合金及高温合金等高性 能材料的需求增量市场。长期看，部分国内新材料公司已开始逐步进入国 际视野，迈向更广阔的市场空间。
从成长潜力看，三种主要新材料的年均用量有望实现三年翻倍、十年九倍 增长。从未来三年看，受益于军机新型号放量，钛合金增长确定性强，年 均用量大于复合材料与高温合金；从中长期年均用量看，复合材料的成长 空间最大（18 倍）、钛合金有 7 倍提升空间，高温合金有 4 倍成长空间。
建议关注国内深耕航空新材料的优质公司：光威复材（碳纤维，军品与风 电放量）、宝钛股份（钛材龙头，军品占比逐步提升）、火炬电子（陶瓷基 复合材料）、钢研高纳（高温合金）、西部超导（高端钛材+高温合金）。
……
（报告观点属于原作者，仅供参考。报告来源：国金证券）
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