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类型国防军工行业导弹产业链深度之一:头罩篇防热透波的关键结构装备放量驱动行业快速增长-20220223(34页).pdf

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    国防 军工 行业 导弹 产业链 深度 之一 头罩 防热 关键 结构 装备 放量 驱动 快速增长 20220223 34
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    1、1 敬请关注文后特别声明与免责条款 导弹产业链导弹产业链深度之一:头罩篇深度之一:头罩篇防热透波防热透波的关键结构,装备放量驱动行业快速增长的关键结构,装备放量驱动行业快速增长 方正证券研究所证券研究报告方正证券研究所证券研究报告 行业深度报告 行业研究 国防军工行业国防军工行业 2022.02.23/推荐 Table_Author 重要数据:重要数据: 上市公司总家数上市公司总家数 92 总股本总股本( (亿亿股股) ) 955.97 销售收入销售收入( (亿元亿元) ) 3125.15 利润总额利润总额( (亿元亿元) ) 224.09 行业平均行业平均 PEPE 266.03 平均股平均

    2、股价价( (元元) ) 36.85 行业相对指数表现:行业相对指数表现: 数据来源:wind 方正证券研究所 相关研究相关研究 雷电微力:签订 24.07 亿元大额订单,业绩有望保持较快增长2022.02.13 方正军工周报 2 月第 2 周:雷电微力大合同体现航天高景气,继续看好上游元器件企业2022.02.13 方正军工周报 1 月第 4 周:军工上市公司发布业绩预告,电子元器件和材料加工等上游企业业绩实现快速增长2022.02.05 方正军工周报 1 月第 3 周:多家企业发布业绩预告,上游元器件企业业绩突出2022.01.23 现代战争中以导弹为代表的精确制导武器在各军兵种作战中得到了

    3、广泛的应用。导弹头罩作为导弹最前端的结构件,承担了保持导弹气动外形、防热、承力、透波等诸多功能保持导弹气动外形、防热、承力、透波等诸多功能。 自主自主/ /遥控遥控制导制导导弹头罩导弹头罩的的主要主要功能功能为为防热防热、 承力、 承力,按按技术途技术途径径主要主要有有热沉式、烧蚀式热沉式、烧蚀式 2 2 种种方式方式,热沉式是导弹发展早期采用过的一种防热方式,目前应用较少。烧蚀式是当前应用最广泛的防热方式,广泛应用在弹道导弹、再入高超声速飞行器上。烧蚀式又分为有熔化型、升华型和碳化型三种类型。 寻的寻的制导制导导弹导弹的的导引头是导引头是全弹全弹重要重要的的组成部分组成部分,其其头罩的头罩的

    4、主要主要功能功能除了除了防热防热、承力、承力外还有透波功能外还有透波功能。按照导引头类型可分为雷达导引头、光学导引头两大类。 雷达导引头雷达导引头主要材料有玻璃纤维树脂复合材料、微晶玻璃、石英陶瓷、石英纤维增强陶瓷基复合材料等。当前,石英陶瓷、石英纤维增强陶瓷基复合材料是应用较广泛的导弹雷达头罩材料。 光学导引头光学导引头材料主要材料主要由由氟化物和氧化物两大氟化物和氧化物两大类组成类组成。包含包含氟化氟化镁镁、蓝蓝宝宝石石、尖尖晶晶石石等透明陶瓷材料以及等透明陶瓷材料以及光学光学玻璃玻璃。另外金刚石因具有优异的承温、透波特性,也是非常有应用前景的光学材料。 近年来,高超声速空天飞行器技术的逐

    5、渐成熟和应用,也对透波材料的耐热性提出了更高要求,目前主要的应用材料为石英纤维增强复合材料。 我们测算国内主要导弹研究院 2020 年营业收入总值约为 3300亿元, 假设导弹产值占比为 1/3, 则导弹营业收入为 1100 亿元,导弹头罩综合价值占比约为 2%-5%,由此测算出 2020 年国内导弹头罩市场容量约为 22-55 亿元左右。我们预计十四五期间导弹头罩将随着导弹行业高景气而保持较快增速。 国内导弹国内导弹雷达雷达头罩产业链包括头罩产业链包括原材料生产企业原材料生产企业、石英管石英管棒材棒材/ /纤维纤维生产生产企业企业、头罩成型头罩成型制造企业以及下游总装集成企业制造企业以及下游

    6、总装集成企业等等。原材料企业主要是石英砂等无机非金属矿石销售企业,如石英股份;石英管石英管、棒材、棒材/ /纤维纤维生产生产企业通过采购石英砂、石灰石等天然无机非金属矿石等原材料,按一定的配方经高温熔制、拉丝、络纱等工艺加工而成。包括菲利华、中材科技等,其中,菲利华是导弹用石英纤维材料的龙头企业。成型企业主要从事陶瓷或纤维复合材料头罩成形、机械加工等工作,国内从事石英陶瓷雷达头罩制造成形业务的企业主要包括山东工陶院、上海均博等,其中山东工陶院生产的石英纤维、石英陶瓷产品应 2 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 用于多个军品型号;从事石英纤维复合材料头罩生产的企业主要有山东

    7、工陶院、航天 306 所、航天 703 所、湖北三江江北厂、菲利华等; 玻璃纤维复合材料成型企业有航天 306 所、 航天 703所、湖北三江江北厂以及中材科技下属的南京玻纤院、哈玻院、北玻院等,其中航天 306 所、航天 703 所、江北厂作为航天系统内材料生产单位,主要服务于各自的型号产品。从事光学头罩生产的企业主要有中材人工晶体研究院、天津津航技术物理研究所(航天 8258 所)等。产业链下游企业主要是军工央企研究院,壁垒较高。 导弹头罩产业链上中游企业各有所长,建议关注国内航空航天领域用石英玻璃纤维的主导供应商菲利华等标的,加工成型技术较为成熟、有多个型号实际使用经验的山东工陶院等标的

    8、。 风险提示风险提示: 导弹头罩行业竞争加剧;部分企业客户集中度较高;军品价格下降超出预期。 8Y8VwViXjZbYyXrQnMmMaQdNbRnPmMoMsQiNmMtReRmOsP7NpPwPvPsQnNvPpMoR 3 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 目录目录 1 导弹头罩:实现导弹透波、防热、承力的关键结构件 . 6 1.1 头罩是导弹最前端的关键结构件 . 6 1.2 自主/遥控制导导弹头罩:主要功能为防热、承力 . 6 1.3 寻的制导导弹头罩:主要功能为透波、防热、承力 . 9 1.3.1 雷达导引头罩:从有机材料到陶瓷材料,再到复合材料 . 10 1.

    9、3.2 光学导引头罩:主要有氟化物和氧化物两大类 . 11 1.4 高超声速导弹头罩:石英纤维增强石英陶瓷复合材料为主流 . 13 2 典型的导弹头罩材料及制备 . 14 2.1 典型雷达导引头罩材料 . 14 2.1.1 玻璃纤维-树脂基复合材料 . 15 2.1.2 微晶玻璃 . 16 2.1.3 石英陶瓷材料 . 17 2.1.4 石英纤维增强石英陶瓷复合材料 . 19 2.1.5 雷达头罩材料总结 . 20 2.2 典型光学头罩材料 . 21 2.2.1 蓝宝石 . 22 2.2.2 MgF2和 ZnS . 23 2.2.3 透明陶瓷材料 . 24 2.2.4 金刚石 . 25 2.3

    10、 光学头罩总结 . 26 3 导弹头罩市场空间及产业链 . 27 3.1 导弹头罩市场空间测算 . 27 3.2 导弹头罩产业链 . 27 3.2.1 雷达头罩产业链 . 27 3.2.2 光学头罩产业链 . 28 3.3 主要企业 . 28 3.3.1 菲利华:国内航空航天领域用石英玻璃纤维的主导供应商 . 28 3.3.2 中材科技:我国特种纤维复合材料的技术发源地 . 30 3.3.3 中材高新:整合山东工陶院、中材人工晶体研究院优质资源,实力雄厚 . 31 3.3.4 河南神玖天航新材料股份有限公司:民营石英纤维技术的后起之秀 . 32 3.3.5 航天特种材料及工艺技术研究所:航天三

    11、院材料研究所 . 32 3.3.6 航天材料及工艺研究所:航天一院下属宇航材料研究所 . 33 3.3.7 湖北三江航天江北机械工程有限公司:参与国家多个重点航天型号研制与生产 . 33 3.3.8 上海均博复合材料科技有限公司:特种陶瓷制品供方 . 33 3.3.9 天津津航技术物理研究所:国防光电制导与探测技术领域的核心研究所 . 33 3.3.10 成都光明光电股份有限公司:中国领先、世界具有一定影响力的专业性光电材料供应商 . 33 3.3.11 有研国晶辉新材料有限公司:有研新材子公司 . 34 3.3.12 洛阳誉芯金刚石有限公司 . 34 3.3.13 河北普莱斯曼金刚石科技有限

    12、公司. 34 4 风险提示 . 34 4 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表目录图表目录 图表 1: 典型的导弹头罩 . 6 图表 2: 弹道导弹结构及头罩 . 6 图表 4: 美国大力神 I 号洲际导弹热沉式头罩 . 8 图表 5: 美国民兵 I、民兵 II、民兵 III 洲际导弹 . 8 图表 6: 导引头主要类型 . 9 图表 7: 雷达导引和红外导引导弹示意图 . 10 图表 8: 典型雷达导引头罩 . 10 图表 9: 美国 CERADYNE公司生产的熔融石英陶瓷天线罩 . 11 图表 10: 光学导引头的组成 . 11 图表 11: 红外导引头和目标红外辐

    13、射特性 . 12 图表 12: 美国 THAAD 拦截弹采用的红外侧窗弹 . 12 图表 13: 红外光学材料理论透过率与折射率. 12 图表 15: 某天线罩整体温度分布 . 13 图表 16: 美国 AHW 项目与 HTV-2 项目滑翔弹头想象图. 14 图表 17: 烧蚀防热材料主要候选元素 . 14 图表 18: 天线罩应用的常用树脂主要性能 . 16 图表 19: 天线罩应用的纤维增强材料主要性能. 16 图表 20: 美国“小猎犬”防空导弹 . 17 图表 21: 美国“百舌鸟”空空导弹 . 17 图表 22: 美国 PAC-2 爱国者防空导弹 . 18 图表 23: 天线罩浇铸成

    14、型过程 . 19 图表 24: 部分熔融石英浇铸成型产品 . 19 图表 25: 纤维束二维编织 . 20 图表 26: 纤维束三维编织 . 20 图表 27: 浆料浸渗法、化学气相渗透法(CVI)和有机先驱体浸渍裂解法(PIP)的对比 . 20 图表 28: 典型导弹头罩材质统计 . 21 图表 29: 光学系统光路示意图 . 21 图表 30: 红外材料分类 . 22 图表 31: 热交换装置示意图 . 22 图表 32: 美国 MELLER OPTICS公司蓝宝石头罩产品 . 23 图表 33: CVD 法得到的心轴和 ZNS 头罩 . 24 图表 34: CVDZNS 沉积过程图 .

    15、24 图表 35: 天津津航技术物理研究所尖晶石头罩. 24 图表 36: 光学陶瓷制备主要过程 . 25 图表 37: 蓝宝、尖晶石、ALON 陶瓷透波率 . 25 图表 38: CVD 金刚石的生长方法示意图 . 26 图表 39: 国内主要导弹总体研究院所 . 27 图表 40: 雷达头罩产业链 . 28 图表 41: 光学头罩产业相关生产单位 . 28 图表 42: 菲利华营收及增长率 . 29 图表 43: 菲利华归母净利润及增长率 . 29 图表 44: 菲利华 2020 年主营业务构成 . 30 图表 45: 菲利华主营业务毛利率 . 30 图表 46: 中材科技营收及增长率 .

    16、 30 图表 47: 中材科技归母净利润及增长率 . 30 图表 48: 中材科技 2020 年主营业务构成 . 31 图表 49: 中材科技无碱玻璃纤维业务毛利率. 31 5 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表 50: 中材高新业务布局 . 31 图表 51: 河南神玖天航主要产品 . 32 6 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 1 导弹头罩导弹头罩:实实现现导弹透导弹透波波、防热、防热、承承力的关键结构力的关键结构件件 1.1 头罩头罩是导弹最前端的是导弹最前端的关键关键结构件结构件 导弹是一种装有弹头和动力装置、由制导系统控制飞向目标并由战

    17、斗部或直接碰撞杀伤目标的智能武器。现代战争中以导弹为代表的精确制导武器在各军兵种作战中得到了广泛的应用。 导弹头罩作为导弹最前端的结构件, 承担了保持导弹气动外形、 防热、承力、透波等诸多功能,头罩的设计、制造包含了气动、强度、防热、电磁、材料等多学科技术,是导弹的关键结构件之一。 图表1: 典型的导弹头罩 资料来源:弹道导弹、高温透波陶瓷材料研究进展,方正证券研究所 按照制导方式划分,导弹主要可以分为:自主制导、遥控制导、寻的制导、复合制导等,不同制导方式不同制导方式的的导导弹对头弹对头罩的需求也罩的需求也有所有所不同不同: 1)全程自主制导、遥控制导方式的导弹一般没有导引头,头罩设计主要考

    18、虑热防护、结构承力,对头罩透波性能要求较少; 2)寻的制导、复合制导等导弹包含雷达导引、光学导引设备,除热防护、结构承力要求外,对头罩透波性能要求较高。 1.2 自自主主/遥控遥控制导制导导弹头导弹头罩罩:主要主要功能功能为为防防热热、承力、承力 传统弹道导弹一般采用全程自主制导方式,部分近程防空导弹采用遥控制导方式,其共同特点是弹体最前端是弹头或设备舱,无寻的导引设备,其头其头罩主罩主要作用为要作用为防热防热、承力、承力,无透波,无透波要求要求。 图表2: 弹道导弹结构及头罩 资料来源:弹道导弹,方正证券研究所 7 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 遥控制导导弹一般为中

    19、小型战术导弹,且受雷达作用距离影响,飞行时间较短,头罩受热温度较低,头罩材料一般选用钢材或轻质合金。 弹道导弹弹头以高超声速在稠密大气层中飞行时,空气受到强烈的压缩和剧烈的摩擦作用,弹头的大部分动能转化成为热能,致使弹头周围的空气温度急剧升高,此高温气体与弹头表面之间产生巨大温差,部分热能迅速向弹头传递,这种由于物体在大气层中以高速飞行产生的加热现象,称为“气动加热”。 随着飞行马赫数的增加,气动加热将更趋严重。例如,洲际弹道导弹弹头再入大气层时,飞行最大马赫数可在 20 以上,端头驻点区的空气温度可升高到 800010000K,最高压力在 10MPa 左右。在如此恶劣的环境条件下,要使弹头在

    20、重返大气层时不被烧毁,并保证内部核装置及仪器正常工作,必须采取特殊的防热措施,以确保弹头到达预定的打击目标。 准确确定气动加热环境和进行热防护设计一直是研制导弹弹头,尤其是洲际导弹弹头的重大技术关键,这就是在超声速领域中继解决“音障”问题之后出现的所谓“热障”问题。解决解决弹道导弹弹道导弹防热防热问题问题的技的技术途术途径径主要主要工程工程途径途径有有热沉式、烧蚀式热沉式、烧蚀式 2 种种方式方式。 图表3: 传统热防护机制 资料来源:高超声速飞行器新型热防护机制研究进展,方正证券研究所 热沉式热沉式是导弹发展早期采用过的一种防热方式。美国在发展洲际弹道导弹初期,采用了结构简单的热沉式防热弹头

    21、,它选用具有高热容量高热容量的金属的金属,如钨、铂如钨、铂、铜铜,作为钝卵形作为钝卵形弹头吸热帽弹头吸热帽。 美国的宇宙神、 大力神型洲际导弹美国的宇宙神、 大力神型洲际导弹和雷神中程导弹初和雷神中程导弹初期均使期均使用用和热沉和热沉式头式头部部。该方案由于吸热量不够大且笨重,在牺牲再入速度、命中精度和有效载荷的情况下才能达到防热目的,后续导弹应用较少。 8 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表4: 美国大力神 I 号洲际导弹热沉式头罩 资料来源:个人图书馆-大力神 I 号,美国最早的洲际弹道导弹,方正证券研究所 烧蚀烧蚀式式防热防热是洲际导弹弹头普遍采用的方式,即在弹

    22、头金属构件外层覆盖有足量的烧蚀材料,利用它受热分解、熔化、气化、升华等物化过程,消耗并带走大量的气动热,减少流向头部的热流,以保护内层结构。烧蚀现象首先由美国陆军导弹局红石兵工厂在 1955 年发现,当时在火箭燃气(2570)作用下用玻璃纤维增强的三聚氰胺树脂进行试验,尽管树脂表面被燃气冲刷分层,但是距表面 6.4mm 以下的部位材料完整无缺,测温热电偶也无变化,这一发现即是烧蚀技术的先导。烧蚀式防热具有结构简单、重量轻、性能可靠、防热效果好等优点。 烧蚀烧蚀式防热是当前式防热是当前再入再入飞行器飞行器应用最广泛的防热方式应用最广泛的防热方式, 美国宇宙神E、F、大力神 I、II,及民兵 I、

    23、II、III 等洲际导弹弹头均用烧蚀式。烧蚀式有熔化型、升华型和碳化型三种类型。 图表5: 美国民兵 I、民兵 II、民兵 III 洲际导弹 资料来源:弹道导弹,方正证券研究所 熔化型熔化型烧烧蚀蚀:石英石英和玻和玻璃类璃类材料材料头罩头罩是是熔熔化型化型烧蚀烧蚀材材料料,其主要成份是 SiO2,在高温下有很高的粘度,熔融后的液态膜具有一定的抵抗高速气流冲刷的能力,并能继续停留在物体表面形成一稳定的液态层,继续吸收外界的气动热,并蒸发汽化。由于的汽化潜热很大,每公斤约三千多大卡,故选用粘度较高的石英石英纤维纤维、高硅氧、高硅氧玻璃纤维玻璃纤维就能充 9 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别

    24、声明与免责条款 分发挥汽化潜热的吸热作用,从而尽量减少防热层重量,达到较好的防热效果。 升华型升华型烧蚀烧蚀:石墨、碳石墨、碳/碳碳复合材料复合材料、聚四氟乙烯聚四氟乙烯头罩头罩属属于于升升华华型型烧烧蚀蚀材材料料, 它它是是利用材利用材料直接料直接由固态变成气由固态变成气态或仅经过极短暂的液态阶态或仅经过极短暂的液态阶段段的过程吸收大量热而达到的过程吸收大量热而达到防热目的防热目的。升华所吸收的热量比熔化和蒸发所吸收的热量大得多,并且烧蚀后会在表面留下温度很高的碳层,有利于热的辐射,所以其防热效果比熔化烧蚀要高。 碳碳化化型型烧蚀烧蚀:主要是借助于高借助于高分子材料的高温碳化分子材料的高温碳

    25、化吸收热量吸收热量,并进一步利用其形成的碳化层辐射散热和阻塞热流。纤维增强酚醛树纤维增强酚醛树脂基复脂基复合材料合材料即属于碳化型烧蚀材料。 1.3 寻的寻的制导制导导弹头罩导弹头罩:主要:主要功能功能为为透波透波、防热防热、承力、承力 在战术导弹中,导引头技术得到了广泛应用,导引头的工作原理是通过探测目标的反射或辐射能量信息完成对目标的捕获和跟踪,探测模式主要有可见光、红可见光、红外、外、毫米毫米波波和激光和激光等类型。根据所探测目标反射(辐射)能量的来源不同,导引头可分为主动主动式、式、半半主主动动式式、被动式、被动式以及以及复合复合式式。 图表6: 导引头主要类型 资料来源:多用途导弹系

    26、统设计,方正证券研究所 寻的寻的制导制导导导弹弹按照导引头类型可分为雷达导引雷达导引头头、光学光学导导引引头头两大类,两类导引头各具优势,在各种导弹中获得了广泛的应用。 10 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表7: 雷达导引和红外导引导弹示意图 资料来源:空空导弹方案设计原理,方正证券研究所 1.3.1 雷达导引雷达导引头罩头罩:从有机材料到陶瓷材从有机材料到陶瓷材料料,再到复合材再到复合材料料 雷达雷达导引导引的天线罩一般装于飞行器的头部,其作用是保持气动外形,保护导引头天线能够正常工作。由于飞行器速度很高,由此带来的气动力、热载荷非常大,天线罩需集防热、承力及透波

    27、等诸多功能于一身。 图表8: 典型雷达导引头罩 资料来源:航天透波复合材料,方正证券研究所 最早应用于飞行器的天线罩可以追溯到二战时期。1941 年,美国制备了应用于波音 B-18A 飞机上的雷达天线罩,由于飞行速度低,对材料的耐烧蚀性能要求不高,因此采用了有机玻璃材料。在此基础上,美美国于上世纪国于上世纪 50 年代初采用年代初采用 E 玻璃纤维增强不饱和玻璃纤维增强不饱和聚酯聚酯树树脂脂制制备备了了天天线线罩罩,可可用用于于 Ma3 以下以下主动寻的制导导弹。主动寻的制导导弹。 随着现代战争中攻防双方的节奏不断加快,导弹飞行速度和机动性不断提高,导弹的气动加热环境变得更加苛刻。有机材料由于

    28、其较差的耐热性已不适用于高马赫数的导弹。相比之下,一些陶瓷材料凭借其一些陶瓷材料凭借其自自身的高熔点身的高熔点、良好的高温、良好的高温力学力学性能性能、优异的介、优异的介电性能等逐电性能等逐渐成为高渐成为高马马赫数导弹天线罩的首选材料赫数导弹天线罩的首选材料。 11 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表9: 美国 Ceradyne 公司生产的熔融石英陶瓷天线罩 资料来源:高温透波陶瓷材料研究进展,方正证券研究所 新材料科学的进步使得天线罩材料的种类不断丰富、性能不断提高。近年来,针对单相陶瓷材料普遍存在的韧性差、可靠性不高的缺点,人们对各种陶瓷材料进行优化设计,通过各种

    29、增韧途径制备出了性能更加优异的陶瓷基复合材料(陶瓷基复合材料(CMCs),适,适于于制制备备高超音速的导弹天高超音速的导弹天线罩。线罩。 综上所述综上所述,雷达雷达天线罩天线罩材料的发展经历了一个从有机材料到材料的发展经历了一个从有机材料到陶瓷材陶瓷材料,从单相陶瓷到料,从单相陶瓷到陶瓷基陶瓷基复合材复合材料的料的历程历程。 1.3.2 光学光学导引导引头罩头罩:主主要要有有氟化物和氧化物两大类氟化物和氧化物两大类 光学精确制导技术可分为可见光、红外和紫外等,光波分辨率高,易于成像,测量精度高,无多路径影响,隐蔽性好,重量轻,体积小;但也有受天候影响较大,在大气层内作用距离近的缺点,至今至今约

    30、约有有70%的精的精确制确制导武器导武器采用了采用了光学光学精确精确制导制导技术技术。 图表10: 光学导引头的组成 资料来源:多用途导弹系统设计,方正证券研究所 12 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 光光学学精确制导技术中常见的精确制导技术中常见的有有电视成像电视成像制导制导、红红外制导、激光制导、外制导、激光制导、光纤制导、星光制导和光光纤制导、星光制导和光电多模复合制导电多模复合制导几种形式几种形式。光学导引头的窗口和整流罩所选用的透光材料除了在所需要的波段透明外,还应当坚硬、 耐用, 能抵抗环境应力侵蚀以及快速加速和减速时产生的热冲击,并且最大限度地传递来自目标

    31、的辐射。 图表11: 红外导引头和目标红外辐射特性 资料来源:盾和弹之间的那点事(十二)制导篇:红外制导,方正证券研究所 透光透光材材料料主主要是指对可要是指对可见见光光和红外线透明的材料和红外线透明的材料, 用于, 用于各种基各种基于光探于光探测的窗口测的窗口,其中红外光学材料按照透射波段可分为中波材料(0.95m)、长波材料(812m)两类。 大多数中波材料在可见光(大多数中波材料在可见光(0.30.7um)波段也是)波段也是透明的,透明的,主要主要光学光学材料材料包括包括氧化物陶瓷氧化物陶瓷, 如 Al2O3(蓝宝石) 、 ZrO2、 Y2O3、 MgO、 MgAl2O4(尖晶石)、Al

    32、ON(氮氧化铝)、石英晶体和熔融石英;氟化氟化物晶物晶体体,如 CaF2、MgF2;Si3N4、SiC。 长长波波材料材料大多数大多数是是半半导导体体, 如 IV 族半导体材料 Ge、 Si 和金刚石, IIIV 族化合物 GaAs、GaP、InP 等,IIVI 族化合物 ZnS、ZnSe、CaTe,锗硫系玻璃, SeSbGe、 SeAsGe 以及二元、 三元硫化物 As2S3、 CaLa2S4等。 除此之外, 金刚石是一种极具应用潜力的材料, 它具有耐高温、 耐磨、导热性极好而不导电、具有除中波红外线以外的优良透过性。 图表12: 美国 THAAD拦截弹采用的红外侧窗 图表13: 红外光学材

    33、料理论透过率与折射率 资料来源:弹道导弹,方正证券研究所 资料来源:红外光学材料,方正证券研究所 13 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 当前,复合制导模式逐渐成为主流,这样可充分利用各自的优点,获得尽可能大的作用范围和高的制导精度。一般而言,雷达波头罩对红外是不透明的,而红外头罩对雷达波则是透明的,因此,红外/微波复合头罩的材料应首先考虑红外头罩的特性。 1.4 高超声速高超声速导弹导弹头罩头罩:石石英纤英纤维增维增强石英陶强石英陶瓷瓷复合复合材料材料为主流为主流 近年来,空天飞行器技术的逐渐成熟和应用,对头罩材料提出了更高的要求。空天飞行器是指能够飞行在临近空间或空间

    34、执行特定任务并能长时间驻留的飞行器,是实现快速远程输送、精确打击、远程实时侦查、持久高空监视、情报搜集和通信中继等任务最为有效的手段。典型的空天飞行器可以分为三类:可重复使用轨道机动式(SSTO、TSTO)、 高超声速助推滑翔式(HTV)和高超声速巡航式(HCV)。 这些飞行器的飞行速度一般均达到 5 倍音速以上,因而也被称为高超声速飞行器,是未来航天航空技术新的制高点。 图表14: 几种典型的空间飞行器弹道 资料来源:空天飞行器用热防护陶瓷材料,方正证券研究所 高速飞行器对头罩材料长时间耐热性能的要求很高。当导弹在低空以4Ma 速度飞行时,天线罩表面的温度约为 800;当飞行速度为 6Ma时

    35、,罩体温度就会达到 1400;当飞行速度达到 812Ma 时,弹体表面温度可高达 2400。且飞行过程中天线罩的温度分布不均,头部温度远高于尾部,有时温差可达上千度。 图表15: 某天线罩整体温度分布 资料来源:基于 ANSYS 的天线罩高温强度计算方法,方正证券研究所 2015 年 5 月,为了推进高速打击武器(HSSW)项目,美国空军研究实验室发布了高速打击武器技术成熟项目,高超声速导弹材料、结构与制造技术是项目的关键技术之一,技术研究目标是开发可用于 14 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 高速武器方案、能适应高速长时飞行的材料,能保护自身结构的完整性,确保系统和分

    36、系统正常工作,研究可传输射频、光电、红外信号的头罩和窗口材料、适应射程增加且具有较好耐受能力的耐高温轻质材料、先进制造工艺技术。 图表16: 美国 AHW 项目与 HTV-2 项目滑翔弹头想象图 资料来源:新型轻质隔热、透波 Al-B-O 陶瓷的研究进展,方正证券研究所 高超声速飞行器表面温度限制了防热材料的选择范围,因为它们必须要有较高的熔化或升华或热解温度以及较高的化学潜热,这就要求材料具有较强的固态化学共价键(如硅、碳、硼等)或金属共价键(如 d 族元素:钛、钨、钽、铼等),另外,较轻的质量也是一个重要方面,可以减少火箭的能量消耗。因此,在实际应用中,选择被限制在用硅、碳、硼及其碳化物、

    37、氮化物或耐熔氧化物(SiC,B4C,SigN4,Al2O3,SiO2等)。当当前前主流主流防热防热材材料为石料为石英纤英纤维增维增强石英陶强石英陶瓷防热瓷防热材料材料。 图表17: 烧蚀防热材料主要候选元素 资料来源:高超声速飞行器烧蚀防热理论与应用,方正证券研究所 为进一步提高纤维增强陶瓷透波材料的使用温度,氮化物纤维增强陶氮化物纤维增强陶瓷基复合材料成为耐超高温瓷基复合材料成为耐超高温透波材料研究热点透波材料研究热点。氮化物纤维包括氮化硅纤维、氮化硼纤维及硅硼氮纤维,目前纤维制备工艺均不成熟,相关复合材料方面的研究仍处于探索研究阶段。 2 典型典型的的导导弹弹头罩材料头罩材料及及制备制备

    38、2.1 典型典型雷达雷达导引导引头罩头罩材料材料 15 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 2.1.1 玻璃玻璃纤纤维维-树脂树脂基基复合复合材材料料 雷达天线罩选材的依据是高强度、 高模量、 耐候性好、 介电性能好等,其中最主要的是介电性能, 具体包括介电常数 () 和损耗角正切 (tan)。其中,tan越大,电磁波能量在穿透天线罩过程中转化为热量而损耗的能量就越多;越大,电磁波在空气与天线罩壁分界面上的反射就越大,从而导致镜像波瓣电平增加和传输效率降低。因此,要求雷达天线罩罩体材料的 tan低至接近于零,尽可能低,以达到“最大传输”和“最小反射”的目的。纤维增强树脂基复

    39、合材料是一类集结构、防热、透波于一体的功能复合材料,具有优良的电性能,介电常数和介电损耗 tan都很小,且具有足够的力学强度和适当的弹性模量,是实际应用最广的天线罩材料。其中玻璃纤维又是应用最为广泛的纤维增强树脂基天线罩材料之一。 玻璃纤维具有高强度、优良的介电性能、耐腐蚀、吸湿性小以及尺寸稳定等优点,是天线罩最常用的增强材料,如 E玻璃纤维、S玻璃纤维、D玻璃纤维、石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维等。E玻璃纤维是一种无碱玻璃,是最早用于天线罩的增强材料,价格最低,但其电性能较差;S玻璃纤维是一种高强玻璃纤维,力学性能是玻璃纤维中最好的,介电性能中等;D玻璃纤维又称低介电玻璃纤维,是国外专门为天线

    40、罩研制的一种新型玻璃纤维, 和 tan 仅次于石英和高硅氧玻璃纤维,但拉伸强度和模量较其他纤维低;石英玻璃纤维的介电性能是所有玻璃纤维中最好的,并且能够在较宽的频带范围内基本不变化,因此可实现天线罩的宽频透波性,在高性能的机载天线罩上已有应用,但由于价格昂贵,是 E玻璃纤维的 30-40 倍,使用不普遍;高硅氧玻璃纤维以 E玻璃纤维为基体,其 SiO2含量可达91%-99%,性能介于 E玻璃纤维和石英玻璃纤维之间。 玻璃纤维的生产技术可分为两种:一种为坩埚法(也称二步法),另一种为池窑法(也称为一步法)。 坩埚法是将玻璃等原料融化后制成玻璃球,再将玻璃球加入坩埚内二次熔融,之后拉制成玻璃纤维丝

    41、。这种方法工序繁杂,需要经过二次熔融,浪费能源,其生产产能逐渐降低,但是其产品方案调节灵活、 投资小、 技术要求不高, 较适用于中小企业。池窑法是指将玻璃配合料熔融后直接拉制成玻璃纤维丝。随着池窑法的发展,我国我国当前主要当前主要使使用用池窑法池窑法生产玻璃纤维生产玻璃纤维。 早期的飞机和导弹由于飞行速度不高 (小于 3Ma) ,头部由于气动加热产生的温度在300以下,因此采用玻璃纤维增强树脂基复合材料即可满足要求。速度更高的飞行器,如速度大于 3 马赫数的高超音速导弹天线罩,开始使用无机材料,如陶瓷和微晶玻璃等。 16 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表18: 天线

    42、罩应用的常用树脂主要性能 名称 密度/ (g/cm3) 弯曲强度/MPa 弯曲模量/GPa 介电常数 损耗角正切值 长期工作温度/() 酚醛树脂 1.30 92 3.5 4.55.0 0.0150.030 250 环氧树脂 1.30 97 3.8 3.25.0 0.0100.019 110 不饱和聚酯树脂 1.29 85 3.2 2.84.0 0.0060.026 120 双马来酰亚胺树脂 1.25 150 3.7 2.9 0.012 250 聚四氯乙烯 2.20 20 0.7 2.1 0.0030.004 400 聚酰亚胺 1.29 134 3.5 2.73.2 0.0050.008 300

    43、 氰酸酯树脂 1.19 134 3.5 2.83.2 0.0020.008 315 有机硅树脂 0.99 60 7.1 3.05.0 0.0030.030 250 资料来源:树脂基复合材料在雷达天线罩上的应用,方正证券研究所 图表19: 天线罩应用的纤维增强材料主要性能 名称 密度/(g/cm3) 拉伸强度/MPa 杨氏模量/GPa 断裂伸长率/% 介电常数损 耗角正切值 E-玻璃纤维 2.54 3140 72.0 4.5 6.13 0.0038 S-玻璃纤维 2.49 4020 85.0 5.1 5.21 0.0068 M-玻璃纤维 2.77 3700 91.6 4.5 7.00 0.003

    44、9 D-玻璃纤维 2.10 2000 52.0 4.5 4.00 0.0026 石英纤维 2.20 1700 72.0 4.6 3.78 0.0002 高硅氧玻璃纤维 2.30 2500 52.0 4.5 4.00 0.0048 Kerlar-49 纤维 1.46 3620 137.0 3.3 2.50 0.0015 UHMWPE 纤维 0.9 5010 172.0 3.5 3.00 0.0001 资料来源:树脂基复合材料在雷达天线罩上的应用,方正证券研究所 2.1.2 微晶玻璃微晶玻璃 微晶玻璃微晶玻璃是是一一种含有大量微晶种含有大量微晶相和玻璃相的相和玻璃相的多晶固体材料多晶固体材料, 也

    45、称为, 也称为玻玻璃陶瓷璃陶瓷或或结晶化玻璃结晶化玻璃,是介于玻璃和是介于玻璃和陶瓷之间陶瓷之间的一种材料的一种材料,因此同时兼具玻璃和陶瓷的优点,与传统的玻璃和陶瓷相比,它在机械强度、耐腐蚀性、耐热性、耐磨性、抗氧化性、膨胀系数等许多方面都表现出特别优异的性能。 1955 年,美国 Corning 公司开发了一种微晶玻璃(Pyroceram9606)透波材料,其抗热震性能优于传统氧化铝陶瓷,且介电常数随温度和频率的变化不大。从 20 世纪 60 年代开始,该材料广泛应用于 34Ma的美国导弹天线罩,如“小猎犬”、“鞑靼人”、“百舌鸟”等导弹。我国中科院上海硅酸盐研究所也于 20 世纪 60

    46、年代研制成功了微晶玻璃,并成功应用于某型超音速中低空防空导弹。 17 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表20: 美国“小猎犬”防空导弹 图表21: 美国“百舌鸟”空空导弹 资料来源:从台导弹头罩开裂看防空导弹头罩技术 ,方正证券研究所 资料来源:从台导弹头罩开裂看防空导弹头罩技术 ,方正证券研究所 微晶玻微晶玻璃的璃的制备制备原原材料材料:制备微晶玻璃的原材料和制备其他玻璃品种的原料基本相同,主要成分有二氧化硅、氧化硼、氧化铝、氧化钠等。 微晶玻璃微晶玻璃头罩头罩制备制备主要的主要的生产工艺生产工艺如下如下:基础玻璃组分的设计原料的选择配合料的制备玻璃配合料的熔化基础

    47、玻璃的成形玻璃体的核化与微晶化微晶玻璃的退火微晶玻璃的加工。其中,微晶玻璃材料成形工艺方法又可分为压延法、压制法、浇铸法、烧结法和浮法。 2.1.3 石英石英陶瓷陶瓷材料材料 石英陶瓷是指以石英陶瓷是指以石石英玻璃或熔融石英为原料英玻璃或熔融石英为原料,经破碎、成型经破碎、成型、烧成等、烧成等一系列制作工艺形成的制品。一系列制作工艺形成的制品。石英陶瓷具备石英玻璃的热膨胀系数小、热稳定性高等优良特性,而且还具有一些石英玻璃制品所不具备的性质,如发生少量析晶也仍可使用等,是制造天线罩的优良材料。 上世纪 50 年代后期,美国 Georgia 理工学院在美国海军的资助下,最先研制出石英陶瓷,该材料

    48、介电常数和介电损耗很低,且对温度和电磁波频率十分稳定,热膨胀系数低,满足再入环境条件下的热绝缘和抗热冲击特性要求,同时还可以实现较高的透波率,是一种综合性能优异的天线罩透波材料。目前,美国的目前,美国的“爱爱国国者者”防空导弹防空导弹和和“潘兴潘兴”弹道弹道导弹导弹、意、意大利的大利的“阿斯派阿斯派德德”空空导弹空空导弹、俄罗斯的、俄罗斯的“C-300”防空导弹防空导弹等众多型号导弹等众多型号导弹使用石英陶瓷头罩使用石英陶瓷头罩。 18 国防军工-行业深度报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表22: 美国 PAC-2 爱国者防空导弹 资料来源:新浪军事,方正证券研究所 我国也用石英陶瓷制备

    49、了防空导弹天线罩并得到了应用。经过几十年的研发生产,我国在石英陶瓷制备工艺、性能研究、新工艺及防潮涂层和天线罩检测等方面均取得了较大进展,石英陶瓷天线罩材料制备石英陶瓷天线罩材料制备技术水平已处于国技术水平已处于国际际前前列列。 石英石英陶瓷陶瓷天线罩天线罩制备制备方法:方法: 石英陶瓷天线罩以高纯度石英玻璃管为原材料进行制造,主要制备步骤有原料粉碎球磨制成浆成型阴干烧成(烧成的温度在11501350)。 目前, 熔融石英陶瓷的成型工艺有注浆成型、 注凝成型、 等静压成型、等,其中工业上最常用的是注浆成型和注凝成型。 注浆成型:注浆成型:注浆成型是将熔融石英陶瓷颗粒悬浮于水中制成浆料,然后注入

    50、石膏模具中,经自然或强制干燥后,即可取出得到素坯。影响注浆成型的因素有很多,主要有浆料粘度、模具材质和结构以及注浆工艺。工艺过程包括浆料制备、模具制备以及注浆。注浆成型工艺生产效率高,适合于大规模工业生产。但是,由于石英陶瓷泥浆与传统泥浆相比具有固相含量高、触变性强、流动性和悬浮性差等特点,在注浆成形大尺寸或实心制品时,工艺条件较为苛刻。 注凝成型:注凝成型:其为建立在传统注浆成型的基础上衍变发展起来新型技术,20 世纪 90 年代由美国橡树岭国家重点实验室 Omatete 等提出并研发,其将传统的成型工艺与有机化学理论完美的结合,其是采用凝胶体系中聚合反应形成高分子网络结构把陶瓷粉体原位固化

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