碳纤维具有军民两用性,因此,我国军用高端碳纤维仍有相当一部分依靠进口。近年来,美国愈发有针对性的遏制我国武器装备的发展,未来不排除会扩大限制出口范围至具有潜在军用价值的高端民用工业领域,高端碳纤维国产化需求迫切。同时,随着我国高强(T700)、高强中模(T800/T1000)和高强高模碳纤维的相关工艺装备自主设计制造能力提升,军用高端碳纤维全面国产化条件愈发成熟。我们认为,未来我国军用高端碳纤维国产化率有望持续提升,军用碳纤维或成为我国碳纤维生产企业的突破口。

1、火箭、导弹、卫星领域

碳纤维复合材料凭借耐烧蚀和轻质高强的特点被广泛应用于火箭的助推器、防护 罩、发动机罩和导弹壳体、发射筒等结构。洲际导弹一般使用大型液体火箭发动机或固体火箭发动机,且多采用分级式设计,与火箭有许多相似之处。

卫星的质量每减少lkg,就可使运载火箭减轻500kg。以高强高模碳纤维为增强体的复合材料质轻、尺寸稳定性和导热性好,广泛用于卫星承力筒、桁架、夹层面板及电池板支架等关键部件。据中国质量新闻网报道,我国2011年发射的嫦娥二号探月卫星定向天线展开臂是由哈尔滨玻璃钢研究院研发的CFRP复材,总重量仅500余克,较使用铝合金材质减轻近300克,但承重能力毫不逊色。

2、航空领域

碳纤维因其“轻而强”和“轻而硬”的特性,被广泛应用于战斗机和直升机的机体、主翼、尾翼、刹车片及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用。据《合成纤维》,目前碳纤维复合材料在部分军用飞机上的使用量占30-40%,并且碳纤维的使用逐渐从非承力、次承力结构向主承力结构方向发展。

在战斗机方面,自20世纪70年代至今,复合材料的应用范围已从最初的尾翼拓展到机翼、前机身、中机身、整流罩等多个部位。以美军为例,1969年,F14A复合材料用量仅有1%,而以F-22和F35为代表的第四代战斗机上复合材料用量达到24%和36%。法国的阵风战机复合材料用量达到24%;英国的台风战机(EF2000)复合材料用量达到40%左右,其中全机表面的70%采用CFRP。碳纤维复合材料在战机的应用与日俱增。

在轰炸机方面,碳纤维复合材料在轰炸机中最典型的应用为B-2隐身轰炸机。据《高科技纤维与应用》,B-2轰炸机为了提高隐身性,整机机身除了主梁和发动机机舱采用钛合金复合材料外,其余部分都采用了碳纤维复合材料。

在直升机方面,从20世纪60年代开始,直升机上开始逐步使用复合材料。经过几十年的发展,复合材料在直升机中的应用从最开始的桨叶、旋翼系统,发展到机体结构,用量已占到结构件总质量的35-50%。随着碳纤维研究与应用的不断深入,主要材料体系也从最初的玻璃纤维复合材料、芳纶复合材料逐渐发展到碳纤维复合材料。碳纤维复材在旋翼系统和机体结构上的大量使用成为了第三和第四代直升机的重要技术特征,其用量现已成为衡量新一代直升机技术水平的重要标志之一。

在无人机方面,无人机(UAV)复合材料的使用比例是所有航空器中最高的,美国全球鹰(GlobalHawk)高空长航时无人侦察机复材比例达到65%,X-47B、“神经元”、“雷神”无人机复材比例高达90%。据《扬州时报》2017年5月报道,翼龙II上使用了新扬新材自主研发的碳纤维复合材料。

3、舰船领域

碳纤维复合材料应用于船舶上层建筑,可减轻上层建筑的质量,提高安全性能; 用于舰船推进器,可减轻推进器质量,降低油耗、延长使用寿命;用于桅杆、船体结构,可增加整体强度。

碳纤维复合材料在船体的应用尚在尝试阶段,但在舰船关键部件的应用已较为广 泛。CFRP叶片不仅更轻、更薄,还可改善空泡性能、降低振动、减少燃油消耗。 以色列Deadliest号潜艇、太鼓丸号化学品货轮上的螺旋桨,班尼蒂游艇推进器 系统均使用碳纤维复合材料。

4、其他军用应用领域

在碳纤维炸弹方面,碳纤维炸弹俗称石墨炸弹或软炸弹(Soft Bomb),由经过特殊处理的碳丝制成,每 根碳丝的直径相当小,可在高空中长时间漂浮。碳丝可进入电子设备内部、冷却 管道和控制系统的黑匣子,造成电力短路,破坏电厂生产、各种输变电功能,从而达到破坏以电为能源的军事指挥及各种武器装备的目的。

在减重方面,得益于碳纤维质轻、高强的特点,在保持装备高强度的条件下减重成为了现实,为装备的输送带来极大的便利。ECS Composites推出一种军用机架箱,由碳纤维和碳-Kevlar纤维制造,具有超轻质和很高的结构硬度,箱子的质量能够减轻45%,同时满足MIL Spec 810F标准。据吉林经开区网站2017年9月2披露,腾祥科技将投资2亿元,以建设年产30件彩虹无人机壳体、1000件军用物资周转箱、600件高射炮脚架及410件陆军作战用脚架等军工碳纤维复合材料制品生产线。未来各类装备减重需求给碳纤维复合材料带来的新增市场空间极为广阔。

作者简介

孟庆丽,资深碳纤维领域投资人士,专注于碳纤维已经有3年多了,具备宏观和微观视角,也和多家优质的企业及行业专家进行交流,并投资过碳纤维产业链公司。目前就职于一家投资管理公司,关注领域包括:消费升级、新材料、医药健康、TMT。