2024年碳碳复材专题及其他隔热材料的比较分析

1、碳/碳复材或为航天领域3000℃以上兼 具结构强度必选材料

碳/碳复合材料由碳纤维加工而来，特殊优势在于整体性能随温度升高不降反升

碳/碳复材由碳纤维加工而来，具有性能随温度升高而升高等特点：碳纤维增强碳基复合材料，即碳/碳复合材料，是以碳纤维预制体为 基体，经过树脂/沥青液相浸渍或者化学气相渗积等方法进行致密化后，再石墨化制得复合材料，具有低密度高比强、高比模量、性能 随温度升高不降反升等优点。 碳基复材在飞行器热防护系统的应用包括4个发展阶段，抗氧化碳基复材、抗氧化碳/碳复材、涂层改性碳/碳复材、降热型碳基复合材 料，碳/碳复材使用历程较长，在预制体结构改性、碳源改性、高效致密化工艺改性、抗氧化烧蚀涂层等多方面进行改进提升。

碳/碳复合材料或为3000℃以上唯一有结构强度材料，耐高温性能显著

3000℃以上碳/碳复材为唯一有结构强度材料，耐高温为其最显著特性。碳/碳复材耐高温特性显著，在2000℃内的惰性气氛中强度随 温度的升高而增加，在3500℃以上瞬时特定使役环境中具有低的烧蚀率和良好的烧蚀外形稳定性；碳/碳复合材料是目前3000℃以上仍 保有结构强度的唯一材料，其理论最高使用温度高达3500℃。极端苛刻条件下的优异特征，促使碳/碳复合材料在航空航天特定尖端领 域有广泛使用。 碳/碳复合材料的主要缺点包括制造周期及成本高、高温烧蚀严重、弯曲强度低等：1）制造成本高，高性能碳/碳致密化周期超过1000 小时；2）高温氧化烧蚀严重，导致性能大幅衰减，无法满足长航时的苛刻服役要求；3）常规弯曲强度小于300MPa，同批次性能差异 大于30%。

2、碳/碳复材与石英、陶瓷基及碳纤维不 同使用场景的比较分析

碳/碳复材VS石英纤维：雷达罩兼具防热、透波等多功能

雷达罩需具有防热、透波等功能：导引头好比导弹的眼睛，在导弹的制导和控制中起到了十分重要的作用。导弹天线罩是安装在导弹雷 达导引头天线外面起保护作用的外罩。它位于飞行器最前端，为了保证各种飞行器的飞行速度，一般天线罩呈流线形状，天线罩应具有 导流、防热、透波、承载等多种功能，主要保护航天飞行器在恶劣环境条件下的通讯、遥测、制导、引爆等系统能正常工作。 经过50多年发展，天线罩材料发展路线经历了：纤维增强塑料→氧化铝陶瓷→微晶玻璃→石英陶瓷→氮化物陶瓷，主要包括三类材料： 二氧化硅材料：石英玻璃、石英陶瓷材料与石英纤维织物增强二氧化硅基复合材料；在无机材料中，石英陶瓷材料以其优良性能不但 能适用于飞行速度3～5马赫的导弹天线罩；1050℃时，石英陶瓷会产生相转变。 氮化硅和氮化硼材料：氮化硅基陶瓷具有优异的机械性能、高热稳定性，分解温度为1900℃；氮化硼陶瓷具有比氮化硅陶瓷更好的热 稳定性和更低的介电常数和介电损耗，分解温度能达到3000℃，但两者介电常数均显著高于二氧化硅材料，透波性较差。 磷酸盐复合材料：主要包括硅质纤维增强磷酸铝、磷酸铬及磷酸铬铝复合材料。磷酸铬复合材料在1200℃以下其力学、物理性能保持 良好，电性能稳定，而磷酸铬铝基复合材料在1200～1500℃以下及磷酸铝复合材料在1500～1800℃以下均具有稳定的性能。

碳/碳复材VS石英纤维：较于碳纤维等，石英纤维透波性更好

石英纤维相较于碳纤维等其他材料，具有介电系数小、透波等特性：石英玻璃纤维和以石英玻璃纤维为基材的复合材料具有强度高、膨 胀系数小、介电常数和介电损耗小、耐腐蚀与可设计性能好等特点，具备优良的耐高温、耐烧蚀、高透波与电绝缘性能，是广泛应用于 航空航天的功能材料。石英棉、石英毡等石英制品可以用于半导体行业高温炉、汽车玻璃钢化炉领域的高温隔热材料，石英纤维与预浸料结合，通过加工，可 以制作增强复合材料。

碳/碳复材VS石英纤维：碳/碳复材或更多应用于无雷达洲际导弹

碳/碳复材或更适用于不需雷达的鼻锥上，石英纤维更适用于雷达罩。根据李翠云的《碳/碳复合材料的应用研究进展》，碳/碳复材在 美国战略导弹上的应用，主要应用于民兵Ⅲ等洲际弹道导弹的鼻锥上，而民兵Ⅲ的制导系统核心为陀螺稳定平台，使用陀螺仪及加速度 计计算速度及角速度，或不依靠雷达进行末制导。则推断，碳/碳复材更多应用于马赫数高、再入时间短、不需要雷达进行末制导的导 弹鼻锥上，而石英纤维多应用于有末制导的雷达罩上。 抗烧蚀性能不足，碳/碳复材或不适用于雷达罩。根据王天琦的《航天用碳/碳复合材料研究进展》，碳/碳复材高温易氧化、极端环境 抗烧蚀性能不足；根据朱昭君的《固体火箭发动机喉衬用轴编碳/碳复合材料的烧蚀及热结构特性研究进展》，碳/碳复材经过烧蚀后存 在大量的碳化层，而碳化层可能会影响雷达透波率，表明碳/碳复材不适用于雷达罩。

碳/碳复材VS陶瓷基：陶瓷基工作稳定性比镍基高温合金更高，且兼具承载与吸波功能

陶瓷基复材包括纤维、界面层和陶瓷基体等。陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，与不同种类的纤维复合而成的一类复合材料，它主 要由纤维、界面层和陶瓷基体组成。纤维作为分散相，起到承载和增韧的作用，常见的陶瓷基纤维有碳纤维等。陶瓷基体作为连续相， 起到保护纤维和传递载荷的双重作用，陶瓷基体中的陶瓷主要有氧化物陶瓷基体等。界面层位于纤维和陶瓷基体之间，起到传递载荷、 阻止裂纹扩展和阻挡外部环境侵害的作用。 陶瓷基复材工作温度比镍基高温合金更高。高压涡轮发动机的采用镍基高温合金，其在1000℃能够较好地保持强度和抗氧化特性，而第 四代涡扇发动机涡前温度近1700℃，材料实际表面温度也达到1100℃，金属结构将无法承载高速飞行产生的应力。目前，高温合金的耐 温极限维持在1100℃附近，而陶瓷基复合材料的应用将发动机部件的耐温能力提升至1200～1350℃，并且陶瓷基复合材料构件质量通常 为镍基高温合金构件质量的1/4～1/3，可以满足发动机对高推重比的需求。兼具承载及吸波双重功能，适用于发动机尾喷口。陶瓷基复材具备结构承载和雷达吸波双重功能，而且保留了陶瓷材料耐高温、耐腐蚀 等优点，适用于发动机尾喷口等超过1000℃的使用环境。

3、碳/碳复材产业链梳理及代表性公司简介

碳/碳复材产业链呈现上游集中但下游分散的特性，核心投资聚焦上游原材料环节

梳理军工碳/碳复材产业链，其中下游应用端国央企更多且竞争格局更加分散，中上游以民企为主且竞争格局更加集中， 其中异形预制体中的江苏天鸟竞争格局最优。

航天一院703所：织物采购量级较大，或为碳/碳复材下游核心客户之一

航天一院为国内最大导弹及火箭研究制造基地。航天一院又称中国运载火箭技术研究院，中国航天事业发祥地，是我国最大的导弹武器 和运载火箭研究、设计和制造基地，著名科学家钱学森任第一任院长。一院从业人员超3.13万人，资产总额超1400亿元，整体规模较大。 703所创建航天材料及工艺体系，采购织物体量较大。航天一院第七〇三研究所是中国航天领域材料及工艺技术中心所，主要从事“弹、 箭、星、船”材料及工艺研究和产品配套，牵头创建了航天材料及工艺技术体系。根据中国运载火箭技术研究院微信公众号披露，703 所产品包括整流罩锥段等产品，采购原材料包括国产碳纤维、石英纤维、主要树脂和标准件等，703所多型号织物采购价格降幅达13%， 累计节省成本1.8亿元，则反推织物采购金额达13.8亿左右，体量较大。703所或为碳/碳复材下游核心客户之一。根据中国运载火箭技术研究院公众号文章《火箭院研制的航天防热材料有多厉害？最高能耐 4000℃高温！》，火箭院703的“防热材料家族”包括“烧蚀防热材料”——碳/碳复合材料，可以在超过2000℃的环境下使用，就算遭 遇三四千摄氏度外加高速粒子冲刷也不成问题，有效保护飞行器在最恶劣的环境下安然无恙。

江苏天鸟：国内最大碳/碳预制体供应商

国内最大的碳/碳预制体供应商：江苏天鸟（楚江新材子公司）目前主要从事碳纤维、芳纶纤维、石英纤维等特种纤维织造技术的开发及应用； 产品分两类“碳纤维预制件”和“特种纤维布” ，主要产品为碳纤维产业链下游“碳纤维制品”中的“碳/碳复合材料”。公司为国内最大碳 /碳、碳/陶预制体供应商。

营收持续增长彰显公司发展实力：公司业绩稳步增长，营收从2019年的3.09亿增长至2022年的7.29亿元，CAGR-3为33.11%，营收增速始终维持 较高水平；2023年起，受行业需求波动影响，公司营收增速放缓，2023/2024H1增速分别为2.53%/0.68%。公司利润持续健康增长，在2020年完 成业绩对赌之后，2021年净利润1.88亿，继续保持24.88%增速，2022年净利润1.87亿，同比-0.27%，2023年起受行业需求波动，2023/2024H1 利润增速分别为-4.89%/-15.44%。

报告节选：

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