碳／碳復(fù)材專題及其他隔熱材料的比較分析

新材料專題2：碳/碳復(fù)材專題及其他隔熱材料的比較分析2資料來源：國聯(lián)證券研究所◥

碳/碳復(fù)材核心優(yōu)點為耐3000℃以上高溫，缺點為高溫易氧化服役時間短。碳/碳復(fù)材耐高溫特性顯著，是目前3000℃以上仍保有結(jié)構(gòu)強度的唯一材料；缺點為400℃以上氧化燒蝕嚴重，無法滿足長航時的苛刻服役要求。產(chǎn)品的極致特征，促使碳/碳復(fù)合材料成為航空航天特定尖端領(lǐng)域有廣泛使用。碳/碳復(fù)材預(yù)制體編織技術(shù)為其核心技術(shù)環(huán)節(jié)，除傳統(tǒng)三維編織及針刺結(jié)構(gòu)等，已發(fā)展為多向編織（四向，七向，十一向）等更新技術(shù)。◥

碳/碳復(fù)材在軍用端主要包括導(dǎo)彈鼻錐、發(fā)動機噴管喉襯、飛機剎車片等，使用場景均具有工作溫度高、工作時間短的特征。◥

相較于其他材料，碳/碳復(fù)材特點明確：1）石英纖維適用于雷達罩，碳/碳復(fù)材適用于無末制導(dǎo)的洲際導(dǎo)彈；2）陶瓷基復(fù)合材料穩(wěn)定工作溫度可達1200～1350℃，可為飛機發(fā)動機提供結(jié)構(gòu)支撐及吸波等多功能；碳/碳復(fù)材不適用于長期高溫工作；3）碳/碳復(fù)材為碳纖維下游的耐高溫材料中的一種，含碳量高、含氧量低、更耐高溫。◥

梳理軍工碳/碳復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈，其中下游應(yīng)用端國央企更多且競爭格局更加分散，中上游以民企為主且競爭格局更加集中，其中異形預(yù)制體中的江蘇天鳥（楚江新材子公司）競爭格局最優(yōu)。目錄第一部分第二部分第三部分碳/碳復(fù)材或為航天領(lǐng)域3000℃以上兼具結(jié)構(gòu)強度必選材料碳/碳復(fù)材與石英、陶瓷基及碳纖維不同使用場景的比較分析碳/碳復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈梳理及代表性公司簡介1、碳/碳復(fù)材或為航天領(lǐng)域3000℃以上兼具結(jié)構(gòu)強度必選材料5資料來源：王天琦《航天用碳/碳復(fù)合材料研究進展》，國聯(lián)證券研究所◥

碳/碳復(fù)材由碳纖維加工而來，具有性能隨溫度升高而升高等特點：碳纖維增強碳基復(fù)合材料，即碳/碳復(fù)合材料，是以碳纖維預(yù)制體為基體，經(jīng)過樹脂/瀝青液相浸漬或者化學(xué)氣相滲積等方法進行致密化后，再石墨化制得復(fù)合材料，具有低密度高比強、高比模量、性能隨溫度升高不降反升等優(yōu)點。◥

碳基復(fù)材在飛行器熱防護系統(tǒng)的應(yīng)用包括4個發(fā)展階段，抗氧化碳基復(fù)材、抗氧化碳/碳復(fù)材、涂層改性碳/碳復(fù)材、降熱型碳基復(fù)合材料，碳/碳復(fù)材使用歷程較長，在預(yù)制體結(jié)構(gòu)改性、碳源改性、高效致密化工藝改性、抗氧化燒蝕涂層等多方面進行改進提升。碳基復(fù)材在飛行器熱防護系統(tǒng)的發(fā)展歷程◥

3000℃以上碳/碳復(fù)材為唯一有結(jié)構(gòu)強度材料，耐高溫為其最顯著特性。碳/碳復(fù)材耐高溫特性顯著，在2000℃內(nèi)的惰性氣氛中強度隨溫度的升高而增加，在3500℃以上瞬時特定使役環(huán)境中具有低的燒蝕率和良好的燒蝕外形穩(wěn)定性；碳/碳復(fù)合材料是目前3000℃以上仍保有結(jié)構(gòu)強度的唯一材料，其理論最高使用溫度高達3500℃。極端苛刻條件下的優(yōu)異特征，促使碳/碳復(fù)合材料在航空航天特定尖端領(lǐng)域有廣泛使用。◥

碳/碳復(fù)合材料的主要缺點包括制造周期及成本高、高溫?zé)g嚴重、彎曲強度低等：1）制造成本高，高性能碳/碳致密化周期超過1000小時；2）高溫氧化燒蝕嚴重，導(dǎo)致性能大幅衰減，無法滿足長航時的苛刻服役要求；3）常規(guī)彎曲強度小于300MPa，同批次性能差異大于30。資料來源：遲波《碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用研究》，王天琦《航天用碳/碳復(fù)合材料6

研究進展》，李崇俊《MPCF增強的碳/碳復(fù)合材料及其在高超音速飛行器的應(yīng)用》，陳波《三維編織碳/碳復(fù)合材料高溫力學(xué)及疲勞試驗研究》，國聯(lián)證券研究所碳/碳復(fù)材在不同溫度下的斷口結(jié)構(gòu)不同◥

碳/碳復(fù)材制品流程復(fù)雜：碳/碳復(fù)合材料是以碳纖維預(yù)制體為基體，經(jīng)過樹脂/瀝青液相浸漬或者化學(xué)氣相滲積等方法進行致密化后，再石墨化制得的復(fù)合材料。◥

預(yù)制體結(jié)構(gòu)是決定碳/碳復(fù)合材料性能、產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)成本的重要因素。現(xiàn)階段航空航天領(lǐng)域用高性能碳/碳復(fù)合材料主要采用價格較高的小絲束碳纖維(1K、3K等)作為原材料，導(dǎo)致原材料成本高昂。◥

編織技術(shù)為預(yù)制體核心技術(shù)之一，目前常用的碳/碳復(fù)合材料預(yù)制體結(jié)構(gòu)包括碳布穿刺、正交三向、三維編織及針刺結(jié)構(gòu)等，此外已發(fā)展為多向編織（四向，七向，十一向）等更新技術(shù)。資料來源：王浩偉《陶瓷基與碳/碳復(fù)合材料拉伸性能試驗研究進展》，張軍《噴管碳7

/碳復(fù)合材料喉襯工程化問題探討》，王天琦《航天用碳/碳復(fù)合材料研究進展》，國聯(lián)證券研究所碳/碳喉襯預(yù)制體結(jié)構(gòu)成熟預(yù)制體針織方式◥

飛機剎車片方面，碳/碳復(fù)材各項性能均優(yōu)于金屬材料。根據(jù)遲波的報告《碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展及應(yīng)用研究》，碳/碳復(fù)合材料制作的飛機剎車盤重量輕、耐溫高、比熱容比鋼高2.5倍；同金屬剎車材料相比，可節(jié)省40%的結(jié)構(gòu)重量，使用壽命可提升5~7倍，剎車力矩平穩(wěn)，剎車時噪聲小。◥

碳/碳復(fù)材剎車片使用次數(shù)為粉末冶金剎車片的4倍，已廣泛使用于軍民用飛機。飛機剎車盤為高耗材產(chǎn)品，可分為粉末冶金、碳/碳復(fù)材及其他復(fù)合材料三類，粉末冶金剎車盤僅250次起落就需更換，而碳/碳剎車盤性能優(yōu)良可靠性高，更換次數(shù)可達1000次起落（約飛行3年），現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用新型號飛機、軍民用飛機剎車盤。資料來源：王天琦《航天用碳/碳復(fù)合材料研究進展》，遲波《碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展及8

應(yīng)用研究》，北摩高科招股書，國聯(lián)證券研究所飛機碳/碳復(fù)材剎車片飛機起落架剎車裝置◥

火箭噴管是火箭發(fā)動機的關(guān)鍵組件，防熱材料包括碳/碳材料等?；鸺龂姽苡墒諗慷?、喉部和擴張段組成，將推進劑產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為動能，為火箭提供推力。由于噴管處工作環(huán)境惡劣，常用的熱防護材料有高溫合金和碳基材料，如鎢滲銅、石墨、碳/碳材料、碳陶材料等。◥

喉襯需承受3000℃高溫，碳/碳復(fù)材為發(fā)動機首選材料。喉襯是噴管的核心部件，是實現(xiàn)噴管能量轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，固體火箭發(fā)動機工作過程中，喉襯要承受高溫（3000℃左右）、高壓燃氣和粒子流的燒蝕與沖刷，而且還要保證整體結(jié)構(gòu)的完整性，是固體火箭發(fā)動機中工作環(huán)境最惡劣的部件。目前碳/碳復(fù)合材料（碳/碳材料）已成為固體火箭發(fā)動機噴管喉襯的首選材料。資料來源：王正康《固液火箭噴管碳/碳復(fù)合材料熱-力-化耦合數(shù)值模擬》，張軍《噴9管碳/碳復(fù)合材料喉襯工程化問題探討》，李翠云《碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用研究進展》

，國聯(lián)證券研究所美國碳/碳復(fù)合材料在戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用0.25◥

彈道導(dǎo)彈再入大氣飛行速度24馬赫以上，持續(xù)時間0.25秒以下。根據(jù)《碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈再入防熱和宇航結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用》，彈道導(dǎo)彈再入大氣時飛行馬赫數(shù)可達24馬赫以上，同時再入時間較短僅0.25秒以下。由高速飛行時氣動加熱引起的溫度升高，大體與速度的平方成正比；導(dǎo)彈的速度越高，天線罩材料所要求的耐熱性也越高。◥

彈道導(dǎo)彈彈頭需承受溫度2760℃，碳/碳復(fù)材可有效降低熱量流入。導(dǎo)彈在再入環(huán)境時飛行器頭部受到強激波，對頭部產(chǎn)生很大的壓力，其最苛刻部位溫度可達2760℃，三維編織的碳/碳復(fù)合材料，其石墨化后的熱導(dǎo)性足以滿足彈頭再入時由-160℃至氣動加熱時1700℃時的熱沖擊要求，實際流入飛行器的能量僅為整個熱量1%～10%左右。資料來源：李崇俊《碳纖維復(fù)合材料在導(dǎo)彈再入防熱和宇航結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用》，姜勇剛10《高超音速導(dǎo)彈天線罩透波材料研究進展》，李翠云《碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用研究進展》，國聯(lián)證券研究所各種飛行器的典型再入環(huán)境桑迪亞實驗主研制的全尺寸再入頭錐2、碳/碳復(fù)材與石英、陶瓷基及碳纖維不同使用場景的比較分析資料來源：蔡德龍《高溫透波陶瓷材料研究進展》，陳虹《陶瓷天線罩材料的研究進12展》，姜勇剛《高超音速導(dǎo)彈天線罩透波材料研究進展》，國聯(lián)證券研究所◥

雷達罩需具有防熱、透波等功能：導(dǎo)引頭好比導(dǎo)彈的眼睛，在導(dǎo)彈的制導(dǎo)和控制中起到了十分重要的作用。導(dǎo)彈天線罩是安裝在導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭天線外面起保護作用的外罩。它位于飛行器最前端，為了保證各種飛行器的飛行速度，一般天線罩呈流線形狀，天線罩應(yīng)具有導(dǎo)流、防熱、透波、承載等多種功能，主要保護航天飛行器在惡劣環(huán)境條件下的通訊、遙測、制導(dǎo)、引爆等系統(tǒng)能正常工作。◥

經(jīng)過50多年發(fā)展，天線罩材料發(fā)展路線經(jīng)歷了：纖維增強塑料→氧化鋁陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→氮化物陶瓷，主要包括三類材料：二氧化硅材料：石英玻璃、石英陶瓷材料與石英纖維織物增強二氧化硅基復(fù)合材料；在無機材料中，石英陶瓷材料以其優(yōu)良性能不但能適用于飛行速度3～5馬赫的導(dǎo)彈天線罩；1050℃時，石英陶瓷會產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變。氮化硅和氮化硼材料：氮化硅基陶瓷具有優(yōu)異的機械性能、高熱穩(wěn)定性，分解溫度為1900℃；氮化硼陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的熱穩(wěn)定性和更低的介電常數(shù)和介電損耗，分解溫度能達到3000℃，但兩者介電常數(shù)均顯著高于二氧化硅材料，透波性較差。磷酸鹽復(fù)合材料：主要包括硅質(zhì)纖維增強磷酸鋁、磷酸鉻及磷酸鉻鋁復(fù)合材料。磷酸鉻復(fù)合材料在1200℃以下其力學(xué)、物理性能保持良好，電性能穩(wěn)定，而磷酸鉻鋁基復(fù)合材料在1200～1500℃以下及磷酸鋁復(fù)合材料在1500～1800℃以下均具有穩(wěn)定的性能。無機天線罩材料性能13資料來源：楊愷《石英纖維的性能及其應(yīng)用》，國聯(lián)證券研究所◥

石英纖維相較于碳纖維等其他材料，具有介電系數(shù)小、透波等特性：石英玻璃纖維和以石英玻璃纖維為基材的復(fù)合材料具有強度高、膨脹系數(shù)小、介電常數(shù)和介電損耗小、耐腐蝕與可設(shè)計性能好等特點，具備優(yōu)良的耐高溫、耐燒蝕、高透波與電絕緣性能，是廣泛應(yīng)用于航空航天的功能材料。◥

石英棉、石英氈等石英制品可以用于半導(dǎo)體行業(yè)高溫爐、汽車玻璃鋼化爐領(lǐng)域的高溫隔熱材料，石英纖維與預(yù)浸料結(jié)合，通過加工，可以制作增強復(fù)合材料。不同纖維的特點及優(yōu)劣勢分析石英纖維應(yīng)用領(lǐng)域資料來源：《世界導(dǎo)彈大全》，航天科工公眾號，李翠云《碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用研究14進展》，王天琦《航天用碳/碳復(fù)合材料研究進展》，朱昭君《固體火箭發(fā)動機喉襯用軸編碳/碳復(fù)合材料的燒蝕及熱結(jié)構(gòu)特性研究進展》，國聯(lián)證券研究所◥

碳/碳復(fù)材或更適用于不需雷達的鼻錐上，石英纖維更適用于雷達罩。根據(jù)李翠云的《碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用研究進展》，碳/碳復(fù)材在美國戰(zhàn)略導(dǎo)彈上的應(yīng)用，主要應(yīng)用于民兵Ⅲ等洲際彈道導(dǎo)彈的鼻錐上，而民兵Ⅲ的制導(dǎo)系統(tǒng)核心為陀螺穩(wěn)定平臺，使用陀螺儀及加速度計計算速度及角速度，或不依靠雷達進行末制導(dǎo)。則推斷，碳/碳復(fù)材更多應(yīng)用于馬赫數(shù)高、再入時間短、不需要雷達進行末制導(dǎo)的導(dǎo)彈鼻錐上，而石英纖維多應(yīng)用于有末制導(dǎo)的雷達罩上。◥

抗燒蝕性能不足，碳/碳復(fù)材或不適用于雷達罩。根據(jù)王天琦的《航天用碳/碳復(fù)合材料研究進展》，碳/碳復(fù)材高溫易氧化、極端環(huán)境抗燒蝕性能不足；根據(jù)朱昭君的《固體火箭發(fā)動機喉襯用軸編碳/碳復(fù)合材料的燒蝕及熱結(jié)構(gòu)特性研究進展》，碳/碳復(fù)材經(jīng)過燒蝕后存在大量的碳化層，而碳化層可能會影響雷達透波率，表明碳/碳復(fù)材不適用于雷達罩。民兵Ⅲ的三彈頭民兵Ⅲ導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)圖資料來源：胡悅《耐高溫陶瓷基結(jié)構(gòu)吸波復(fù)合材料研究進展》，馬宇《飛行器陶瓷基15復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究進展》，楊金華《航空發(fā)動機用陶瓷基復(fù)合材料研究進展》，國聯(lián)證券研究所◥

陶瓷基復(fù)材包括纖維、界面層和陶瓷基體等。陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷材料為基體，與不同種類的纖維復(fù)合而成的一類復(fù)合材料，它主要由纖維、界面層和陶瓷基體組成。纖維作為分散相，起到承載和增韌的作用，常見的陶瓷基纖維有碳纖維等。陶瓷基體作為連續(xù)相，起到保護纖維和傳遞載荷的雙重作用，陶瓷基體中的陶瓷主要有氧化物陶瓷基體等。界面層位于纖維和陶瓷基體之間，起到傳遞載荷、阻止裂紋擴展和阻擋外部環(huán)境侵害的作用。◥

陶瓷基復(fù)材工作溫度比鎳基高溫合金更高。高壓渦輪發(fā)動機的采用鎳基高溫合金，其在1000℃能夠較好地保持強度和抗氧化特性，而第四代渦扇發(fā)動機渦前溫度近1700℃，材料實際表面溫度也達到1100℃，金屬結(jié)構(gòu)將無法承載高速飛行產(chǎn)生的應(yīng)力。目前，高溫合金的耐溫極限維持在1100℃附近，而陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用將發(fā)動機部件的耐溫能力提升至1200～1350℃，并且陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件質(zhì)量通常為鎳基高溫合金構(gòu)件質(zhì)量的1/4～1/3，可以滿足發(fā)動機對高推重比的需求。◥

兼具承載及吸波雙重功能，適用于發(fā)動機尾噴口。陶瓷基復(fù)材具備結(jié)構(gòu)承載和雷達吸波雙重功能，而且保留了陶瓷材料耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)點，適用于發(fā)動機尾噴口等超過1000℃的使用環(huán)境。陶瓷基復(fù)合材料在典型發(fā)動機上的應(yīng)用陶瓷基吸波復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計資料來源：王天琦《航天用碳/碳復(fù)合材料研究進展》

，樊俊鈴《航空發(fā)動機陶瓷基1復(fù)6

合材料無損表征技術(shù)研究進展》，國聯(lián)證券研究所◥

飛機端，陶瓷基耐高溫更適用于發(fā)動機燃燒室、尾噴管等環(huán)節(jié)。根據(jù)樊俊鈴的《航空發(fā)動機陶瓷基復(fù)合材料無損表征技術(shù)研究進展》，陶瓷基復(fù)合材料在美國F136飛機燃燒室火焰筒、火焰穩(wěn)定器中已經(jīng)完成了全壽命演示驗證，進入工程應(yīng)用階段，驗證了陶瓷基復(fù)材耐溫能力提高的情況，表明陶瓷基復(fù)材適用于高溫、長壽命工作環(huán)節(jié)。◥

碳/碳復(fù)材400℃開始氧化，高溫有氧環(huán)境壽命較短，更適合剎車片等短工作時長環(huán)境。根據(jù)王天琦的《航天用碳/碳復(fù)合材料研究進展》，高溫易氧化、極端環(huán)境抗燒蝕性能不足，是碳/碳復(fù)合材料有氧環(huán)境長壽命應(yīng)用的瓶頸；碳/碳復(fù)材大于400℃開始氧化，氧化導(dǎo)致性能大幅衰減，氧化失重1時，彎曲強度損失5

~10

，氧化失重10時，彎曲強度損失30

~50

，如“哥倫比亞”航天飛機1400℃時機翼前緣發(fā)生損傷而空中解體。因此，碳/碳復(fù)材更適用于飛機剎車片，僅在飛機起飛及降落階段使用，工作時長短。陶瓷基復(fù)合材料在先進航空發(fā)動機中的應(yīng)用及驗證情況17資料來源：楚江新材公告，王井崗《耐燒蝕材料的進展》，國聯(lián)證券研究所◥

碳/碳復(fù)材為碳纖維加工而來：根據(jù)王井崗的《耐燒蝕材料的進展》，碳纖維增強的耐高溫材料，根據(jù)基體材料的不同，又可分為碳/酚醛復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料及新發(fā)展的雙基復(fù)合材料等，可見碳/碳復(fù)材為碳纖維下游的耐高溫材料中的一種。◥

含碳量高、含氧量低，碳/碳復(fù)材產(chǎn)品更耐高溫：碳/碳復(fù)合材料是由碳纖維及其織物增強的熱解酚醛樹脂、高溫?zé)峤獾臑r青及高殘?zhí)悸实姆紵N熱解產(chǎn)物組成，外部涂有抗氧化涂層。耐高溫材料或應(yīng)具備以下條件：1）必須有很高的碳含量；2）氧含量必須低。碳/碳復(fù)材中的碳纖維經(jīng)過樹脂/瀝青液相浸漬或者化學(xué)氣相滲積等方法進行致密化后，再石墨化制得，含碳量高于碳纖維，含氧量低于碳纖維，故更加耐高溫。碳纖維加工為碳/碳復(fù)材流程碳纖維加工為碳/碳復(fù)材應(yīng)用至終端產(chǎn)品示意圖3、碳/碳復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈梳理及代表性公司簡介19資料來源：各公司公告，國聯(lián)證券研究所◥

梳理軍工碳/碳復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈，其中下游應(yīng)用端國央企更多且競爭格局更加分散，中上游以民企為主且競爭格局更加集中，其中異形預(yù)制體中的江蘇天鳥競爭格局最優(yōu)。軍工碳/碳復(fù)材產(chǎn)業(yè)鏈部分相關(guān)公司梳理航天一院703所：20資料來源：中國運載火箭技術(shù)研究院招聘微信公眾號，中國運載火箭技術(shù)研究院微信公眾號，國聯(lián)證券研究所◥

航天一院為國內(nèi)最大導(dǎo)彈及火箭研究制造基地。航天一院又稱中國運載火箭技術(shù)研究院，中國航天事業(yè)發(fā)祥地，是我國最大的導(dǎo)彈武器和運載火箭研究、設(shè)計和制造基地，著名科學(xué)家錢學(xué)森任第一任院長。一院從業(yè)人員超3.13萬人，資產(chǎn)總額超1400億元，整體規(guī)模較大。◥

703所創(chuàng)建航天材料及工藝體系，采購織物體量較大。航天一院第七〇三研究所是中國航天領(lǐng)域材料及工藝技術(shù)中心所，主要從事“彈、箭、星、船”材料及工藝研究和產(chǎn)品配套，牽頭創(chuàng)建了航天材料及工藝技術(shù)體系。根據(jù)中國運載火箭技術(shù)研究院微信公眾號披露，703所產(chǎn)品包括整流罩錐段等產(chǎn)品，采購原材料包括國產(chǎn)碳纖維、石英纖維、主要樹脂和標準件等，703所多型號織物采購價格降幅達13

，累計節(jié)省成本1.8億元，則反推織物采購金額達13.8億左右，體量較大。◥

703所或為碳/碳復(fù)材下游核心客戶之一。根據(jù)中國運載火箭技