國防軍工行業導彈產業鏈深度之一：頭罩篇防熱透波的關鍵結構裝備放量驅動行業快速增長-20220223（34頁）.pdf

1、1 敬請關注文后特別聲明與免責條款 導彈產業鏈導彈產業鏈深度之一：頭罩篇深度之一：頭罩篇防熱透波防熱透波的關鍵結構，裝備放量驅動行業快速增長的關鍵結構，裝備放量驅動行業快速增長 方正證券研究所證券研究報告方正證券研究所證券研究報告 行業深度報告 行業研究 國防軍工行業國防軍工行業 2022.02.23/推薦 Table_Author 重要數據：重要數據： 上市公司總家數上市公司總家數 92 總股本總股本( (億億股股) ) 955.97 銷售收入銷售收入( (億元億元) ) 3125.15 利潤總額利潤總額( (億元億元) ) 224.09 行業平均行業平均 PEPE 266.03 平均股平均

2、股價價( (元元) ) 36.85 行業相對指數表現：行業相對指數表現： 數據來源：wind 方正證券研究所 相關研究相關研究 雷電微力：簽訂 24.07 億元大額訂單，業績有望保持較快增長2022.02.13 方正軍工周報 2 月第 2 周：雷電微力大合同體現航天高景氣，繼續看好上游元器件企業2022.02.13 方正軍工周報 1 月第 4 周：軍工上市公司發布業績預告，電子元器件和材料加工等上游企業業績實現快速增長2022.02.05 方正軍工周報 1 月第 3 周：多家企業發布業績預告，上游元器件企業業績突出2022.01.23 現代戰爭中以導彈為代表的精確制導武器在各軍兵種作戰中得到了

3、廣泛的應用。導彈頭罩作為導彈最前端的結構件，承擔了保持導彈氣動外形、防熱、承力、透波等諸多功能保持導彈氣動外形、防熱、承力、透波等諸多功能。 自主自主/ /遙控遙控制導制導導彈頭罩導彈頭罩的的主要主要功能功能為為防熱防熱、 承力、 承力，按按技術途技術途徑徑主要主要有有熱沉式、燒蝕式熱沉式、燒蝕式 2 2 種種方式方式，熱沉式是導彈發展早期采用過的一種防熱方式，目前應用較少。燒蝕式是當前應用最廣泛的防熱方式，廣泛應用在彈道導彈、再入高超聲速飛行器上。燒蝕式又分為有熔化型、升華型和碳化型三種類型。 尋的尋的制導制導導彈導彈的的導引頭是導引頭是全彈全彈重要重要的的組成部分組成部分，其其頭罩的頭罩的

4、主要主要功能功能除了除了防熱防熱、承力、承力外還有透波功能外還有透波功能。按照導引頭類型可分為雷達導引頭、光學導引頭兩大類。 雷達導引頭雷達導引頭主要材料有玻璃纖維樹脂復合材料、微晶玻璃、石英陶瓷、石英纖維增強陶瓷基復合材料等。當前，石英陶瓷、石英纖維增強陶瓷基復合材料是應用較廣泛的導彈雷達頭罩材料。 光學導引頭光學導引頭材料主要材料主要由由氟化物和氧化物兩大氟化物和氧化物兩大類組成類組成。包含包含氟化氟化鎂鎂、藍藍寶寶石石、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學光學玻璃玻璃。另外金剛石因具有優異的承溫、透波特性，也是非常有應用前景的光學材料。 近年來，高超聲速空天飛行器技術的逐

5、漸成熟和應用，也對透波材料的耐熱性提出了更高要求，目前主要的應用材料為石英纖維增強復合材料。 我們測算國內主要導彈研究院 2020 年營業收入總值約為 3300億元， 假設導彈產值占比為 1/3， 則導彈營業收入為 1100 億元，導彈頭罩綜合價值占比約為 2%-5%，由此測算出 2020 年國內導彈頭罩市場容量約為 22-55 億元左右。我們預計十四五期間導彈頭罩將隨著導彈行業高景氣而保持較快增速。 國內導彈國內導彈雷達雷達頭罩產業鏈包括頭罩產業鏈包括原材料生產企業原材料生產企業、石英管石英管棒材棒材/ /纖維纖維生產生產企業企業、頭罩成型頭罩成型制造企業以及下游總裝集成企業制造企業以及下游

6、總裝集成企業等等。原材料企業主要是石英砂等無機非金屬礦石銷售企業，如石英股份；石英管石英管、棒材、棒材/ /纖維纖維生產生產企業通過采購石英砂、石灰石等天然無機非金屬礦石等原材料，按一定的配方經高溫熔制、拉絲、絡紗等工藝加工而成。包括菲利華、中材科技等，其中，菲利華是導彈用石英纖維材料的龍頭企業。成型企業主要從事陶瓷或纖維復合材料頭罩成形、機械加工等工作，國內從事石英陶瓷雷達頭罩制造成形業務的企業主要包括山東工陶院、上海均博等，其中山東工陶院生產的石英纖維、石英陶瓷產品應 2 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 用于多個軍品型號；從事石英纖維復合材料頭罩生產的企業主要有山東

7、工陶院、航天 306 所、航天 703 所、湖北三江江北廠、菲利華等； 玻璃纖維復合材料成型企業有航天 306 所、 航天 703所、湖北三江江北廠以及中材科技下屬的南京玻纖院、哈玻院、北玻院等，其中航天 306 所、航天 703 所、江北廠作為航天系統內材料生產單位，主要服務于各自的型號產品。從事光學頭罩生產的企業主要有中材人工晶體研究院、天津津航技術物理研究所（航天 8258 所）等。產業鏈下游企業主要是軍工央企研究院，壁壘較高。 導彈頭罩產業鏈上中游企業各有所長，建議關注國內航空航天領域用石英玻璃纖維的主導供應商菲利華等標的，加工成型技術較為成熟、有多個型號實際使用經驗的山東工陶院等標的

8、。 風險提示風險提示： 導彈頭罩行業競爭加??；部分企業客戶集中度較高；軍品價格下降超出預期。 8Y8VwViXjZbYyXrQnMmMaQdNbRnPmMoMsQiNmMtReRmOsP7NpPwPvPsQnNvPpMoR 3 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 目錄目錄 1 導彈頭罩：實現導彈透波、防熱、承力的關鍵結構件 . 6 1.1 頭罩是導彈最前端的關鍵結構件 . 6 1.2 自主/遙控制導導彈頭罩：主要功能為防熱、承力 . 6 1.3 尋的制導導彈頭罩：主要功能為透波、防熱、承力 . 9 1.3.1 雷達導引頭罩：從有機材料到陶瓷材料，再到復合材料 . 10 1.

9、3.2 光學導引頭罩：主要有氟化物和氧化物兩大類 . 11 1.4 高超聲速導彈頭罩：石英纖維增強石英陶瓷復合材料為主流 . 13 2 典型的導彈頭罩材料及制備 . 14 2.1 典型雷達導引頭罩材料 . 14 2.1.1 玻璃纖維-樹脂基復合材料 . 15 2.1.2 微晶玻璃 . 16 2.1.3 石英陶瓷材料 . 17 2.1.4 石英纖維增強石英陶瓷復合材料 . 19 2.1.5 雷達頭罩材料總結 . 20 2.2 典型光學頭罩材料 . 21 2.2.1 藍寶石 . 22 2.2.2 MgF2和 ZnS . 23 2.2.3 透明陶瓷材料 . 24 2.2.4 金剛石 . 25 2.3

10、 光學頭罩總結 . 26 3 導彈頭罩市場空間及產業鏈 . 27 3.1 導彈頭罩市場空間測算 . 27 3.2 導彈頭罩產業鏈 . 27 3.2.1 雷達頭罩產業鏈 . 27 3.2.2 光學頭罩產業鏈 . 28 3.3 主要企業 . 28 3.3.1 菲利華：國內航空航天領域用石英玻璃纖維的主導供應商 . 28 3.3.2 中材科技：我國特種纖維復合材料的技術發源地 . 30 3.3.3 中材高新：整合山東工陶院、中材人工晶體研究院優質資源，實力雄厚 . 31 3.3.4 河南神玖天航新材料股份有限公司：民營石英纖維技術的后起之秀 . 32 3.3.5 航天特種材料及工藝技術研究所：航天三

11、院材料研究所 . 32 3.3.6 航天材料及工藝研究所：航天一院下屬宇航材料研究所 . 33 3.3.7 湖北三江航天江北機械工程有限公司：參與國家多個重點航天型號研制與生產 . 33 3.3.8 上海均博復合材料科技有限公司：特種陶瓷制品供方 . 33 3.3.9 天津津航技術物理研究所：國防光電制導與探測技術領域的核心研究所 . 33 3.3.10 成都光明光電股份有限公司：中國領先、世界具有一定影響力的專業性光電材料供應商 . 33 3.3.11 有研國晶輝新材料有限公司：有研新材子公司 . 34 3.3.12 洛陽譽芯金剛石有限公司 . 34 3.3.13 河北普萊斯曼金剛石科技有限

12、公司. 34 4 風險提示 . 34 4 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表目錄圖表目錄 圖表 1： 典型的導彈頭罩 . 6 圖表 2： 彈道導彈結構及頭罩 . 6 圖表 4： 美國大力神 I 號洲際導彈熱沉式頭罩 . 8 圖表 5： 美國民兵 I、民兵 II、民兵 III 洲際導彈 . 8 圖表 6： 導引頭主要類型 . 9 圖表 7： 雷達導引和紅外導引導彈示意圖 . 10 圖表 8： 典型雷達導引頭罩 . 10 圖表 9： 美國 CERADYNE公司生產的熔融石英陶瓷天線罩 . 11 圖表 10： 光學導引頭的組成 . 11 圖表 11： 紅外導引頭和目標紅外輻

13、射特性 . 12 圖表 12： 美國 THAAD 攔截彈采用的紅外側窗彈 . 12 圖表 13： 紅外光學材料理論透過率與折射率. 12 圖表 15： 某天線罩整體溫度分布 . 13 圖表 16： 美國 AHW 項目與 HTV-2 項目滑翔彈頭想象圖. 14 圖表 17： 燒蝕防熱材料主要候選元素 . 14 圖表 18： 天線罩應用的常用樹脂主要性能 . 16 圖表 19： 天線罩應用的纖維增強材料主要性能. 16 圖表 20： 美國“小獵犬”防空導彈 . 17 圖表 21： 美國“百舌鳥”空空導彈 . 17 圖表 22： 美國 PAC-2 愛國者防空導彈 . 18 圖表 23： 天線罩澆鑄成

14、型過程 . 19 圖表 24： 部分熔融石英澆鑄成型產品 . 19 圖表 25： 纖維束二維編織 . 20 圖表 26： 纖維束三維編織 . 20 圖表 27： 漿料浸滲法、化學氣相滲透法(CVI)和有機先驅體浸漬裂解法(PIP)的對比 . 20 圖表 28： 典型導彈頭罩材質統計 . 21 圖表 29： 光學系統光路示意圖 . 21 圖表 30： 紅外材料分類 . 22 圖表 31： 熱交換裝置示意圖 . 22 圖表 32： 美國 MELLER OPTICS公司藍寶石頭罩產品 . 23 圖表 33： CVD 法得到的心軸和 ZNS 頭罩 . 24 圖表 34： CVDZNS 沉積過程圖 .

15、24 圖表 35： 天津津航技術物理研究所尖晶石頭罩. 24 圖表 36： 光學陶瓷制備主要過程 . 25 圖表 37： 藍寶、尖晶石、ALON 陶瓷透波率 . 25 圖表 38： CVD 金剛石的生長方法示意圖 . 26 圖表 39： 國內主要導彈總體研究院所 . 27 圖表 40： 雷達頭罩產業鏈 . 28 圖表 41： 光學頭罩產業相關生產單位 . 28 圖表 42： 菲利華營收及增長率 . 29 圖表 43： 菲利華歸母凈利潤及增長率 . 29 圖表 44： 菲利華 2020 年主營業務構成 . 30 圖表 45： 菲利華主營業務毛利率 . 30 圖表 46： 中材科技營收及增長率 .

16、 30 圖表 47： 中材科技歸母凈利潤及增長率 . 30 圖表 48： 中材科技 2020 年主營業務構成 . 31 圖表 49： 中材科技無堿玻璃纖維業務毛利率. 31 5 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表 50： 中材高新業務布局 . 31 圖表 51： 河南神玖天航主要產品 . 32 6 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 1 導彈頭罩導彈頭罩：實實現現導彈透導彈透波波、防熱、防熱、承承力的關鍵結構力的關鍵結構件件 1.1 頭罩頭罩是導彈最前端的是導彈最前端的關鍵關鍵結構件結構件 導彈是一種裝有彈頭和動力裝置、由制導系統控制飛向目標并由戰

17、斗部或直接碰撞殺傷目標的智能武器?，F代戰爭中以導彈為代表的精確制導武器在各軍兵種作戰中得到了廣泛的應用。 導彈頭罩作為導彈最前端的結構件， 承擔了保持導彈氣動外形、 防熱、承力、透波等諸多功能，頭罩的設計、制造包含了氣動、強度、防熱、電磁、材料等多學科技術，是導彈的關鍵結構件之一。 圖表1： 典型的導彈頭罩 資料來源：彈道導彈、高溫透波陶瓷材料研究進展，方正證券研究所 按照制導方式劃分，導彈主要可以分為：自主制導、遙控制導、尋的制導、復合制導等，不同制導方式不同制導方式的的導導彈對頭彈對頭罩的需求也罩的需求也有所有所不同不同： 1）全程自主制導、遙控制導方式的導彈一般沒有導引頭，頭罩設計主要考

18、慮熱防護、結構承力，對頭罩透波性能要求較少； 2）尋的制導、復合制導等導彈包含雷達導引、光學導引設備，除熱防護、結構承力要求外，對頭罩透波性能要求較高。 1.2 自自主主/遙控遙控制導制導導彈頭導彈頭罩罩：主要主要功能功能為為防防熱熱、承力、承力 傳統彈道導彈一般采用全程自主制導方式，部分近程防空導彈采用遙控制導方式，其共同特點是彈體最前端是彈頭或設備艙，無尋的導引設備，其頭其頭罩主罩主要作用為要作用為防熱防熱、承力、承力，無透波，無透波要求要求。 圖表2： 彈道導彈結構及頭罩 資料來源：彈道導彈，方正證券研究所 7 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 遙控制導導彈一般為中

19、小型戰術導彈，且受雷達作用距離影響，飛行時間較短，頭罩受熱溫度較低，頭罩材料一般選用鋼材或輕質合金。 彈道導彈彈頭以高超聲速在稠密大氣層中飛行時，空氣受到強烈的壓縮和劇烈的摩擦作用，彈頭的大部分動能轉化成為熱能，致使彈頭周圍的空氣溫度急劇升高，此高溫氣體與彈頭表面之間產生巨大溫差，部分熱能迅速向彈頭傳遞，這種由于物體在大氣層中以高速飛行產生的加熱現象，稱為“氣動加熱”。 隨著飛行馬赫數的增加，氣動加熱將更趨嚴重。例如，洲際彈道導彈彈頭再入大氣層時，飛行最大馬赫數可在 20 以上，端頭駐點區的空氣溫度可升高到 800010000K，最高壓力在 10MPa 左右。在如此惡劣的環境條件下，要使彈頭在

20、重返大氣層時不被燒毀，并保證內部核裝置及儀器正常工作，必須采取特殊的防熱措施，以確保彈頭到達預定的打擊目標。 準確確定氣動加熱環境和進行熱防護設計一直是研制導彈彈頭，尤其是洲際導彈彈頭的重大技術關鍵，這就是在超聲速領域中繼解決“音障”問題之后出現的所謂“熱障”問題。解決解決彈道導彈彈道導彈防熱防熱問題問題的技的技術途術途徑徑主要主要工程工程途徑途徑有有熱沉式、燒蝕式熱沉式、燒蝕式 2 種種方式方式。 圖表3： 傳統熱防護機制 資料來源：高超聲速飛行器新型熱防護機制研究進展，方正證券研究所 熱沉式熱沉式是導彈發展早期采用過的一種防熱方式。美國在發展洲際彈道導彈初期，采用了結構簡單的熱沉式防熱彈頭

21、，它選用具有高熱容量高熱容量的金屬的金屬，如鎢、鉑如鎢、鉑、銅銅，作為鈍卵形作為鈍卵形彈頭吸熱帽彈頭吸熱帽。 美國的宇宙神、 大力神型洲際導彈美國的宇宙神、 大力神型洲際導彈和雷神中程導彈初和雷神中程導彈初期均使期均使用用和熱沉和熱沉式頭式頭部部。該方案由于吸熱量不夠大且笨重，在犧牲再入速度、命中精度和有效載荷的情況下才能達到防熱目的，后續導彈應用較少。 8 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表4： 美國大力神 I 號洲際導彈熱沉式頭罩 資料來源：個人圖書館-大力神 I 號，美國最早的洲際彈道導彈，方正證券研究所 燒蝕燒蝕式式防熱防熱是洲際導彈彈頭普遍采用的方式，即在彈

22、頭金屬構件外層覆蓋有足量的燒蝕材料，利用它受熱分解、熔化、氣化、升華等物化過程，消耗并帶走大量的氣動熱，減少流向頭部的熱流，以保護內層結構。燒蝕現象首先由美國陸軍導彈局紅石兵工廠在 1955 年發現，當時在火箭燃氣（2570）作用下用玻璃纖維增強的三聚氰胺樹脂進行試驗，盡管樹脂表面被燃氣沖刷分層，但是距表面 6.4mm 以下的部位材料完整無缺，測溫熱電偶也無變化，這一發現即是燒蝕技術的先導。燒蝕式防熱具有結構簡單、重量輕、性能可靠、防熱效果好等優點。 燒蝕燒蝕式防熱是當前式防熱是當前再入再入飛行器飛行器應用最廣泛的防熱方式應用最廣泛的防熱方式， 美國宇宙神E、F、大力神 I、II，及民兵 I、

23、II、III 等洲際導彈彈頭均用燒蝕式。燒蝕式有熔化型、升華型和碳化型三種類型。 圖表5： 美國民兵 I、民兵 II、民兵 III 洲際導彈 資料來源：彈道導彈，方正證券研究所 熔化型熔化型燒燒蝕蝕：石英石英和玻和玻璃類璃類材料材料頭罩頭罩是是熔熔化型化型燒蝕燒蝕材材料料，其主要成份是 SiO2，在高溫下有很高的粘度，熔融后的液態膜具有一定的抵抗高速氣流沖刷的能力，并能繼續停留在物體表面形成一穩定的液態層，繼續吸收外界的氣動熱，并蒸發汽化。由于的汽化潛熱很大，每公斤約三千多大卡，故選用粘度較高的石英石英纖維纖維、高硅氧、高硅氧玻璃纖維玻璃纖維就能充 9 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別

24、聲明與免責條款 分發揮汽化潛熱的吸熱作用，從而盡量減少防熱層重量，達到較好的防熱效果。 升華型升華型燒蝕燒蝕：石墨、碳石墨、碳/碳碳復合材料復合材料、聚四氟乙烯聚四氟乙烯頭罩頭罩屬屬于于升升華華型型燒燒蝕蝕材材料料， 它它是是利用材利用材料直接料直接由固態變成氣由固態變成氣態或僅經過極短暫的液態階態或僅經過極短暫的液態階段段的過程吸收大量熱而達到的過程吸收大量熱而達到防熱目的防熱目的。升華所吸收的熱量比熔化和蒸發所吸收的熱量大得多，并且燒蝕后會在表面留下溫度很高的碳層，有利于熱的輻射，所以其防熱效果比熔化燒蝕要高。 碳碳化化型型燒蝕燒蝕：主要是借助于高借助于高分子材料的高溫碳化分子材料的高溫碳

25、化吸收熱量吸收熱量，并進一步利用其形成的碳化層輻射散熱和阻塞熱流。纖維增強酚醛樹纖維增強酚醛樹脂基復脂基復合材料合材料即屬于碳化型燒蝕材料。 1.3 尋的尋的制導制導導彈頭罩導彈頭罩：主要：主要功能功能為為透波透波、防熱防熱、承力、承力 在戰術導彈中，導引頭技術得到了廣泛應用，導引頭的工作原理是通過探測目標的反射或輻射能量信息完成對目標的捕獲和跟蹤，探測模式主要有可見光、紅可見光、紅外、外、毫米毫米波波和激光和激光等類型。根據所探測目標反射（輻射）能量的來源不同，導引頭可分為主動主動式、式、半半主主動動式式、被動式、被動式以及以及復合復合式式。 圖表6： 導引頭主要類型 資料來源：多用途導彈系

26、統設計，方正證券研究所 尋的尋的制導制導導導彈彈按照導引頭類型可分為雷達導引雷達導引頭頭、光學光學導導引引頭頭兩大類，兩類導引頭各具優勢，在各種導彈中獲得了廣泛的應用。 10 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表7： 雷達導引和紅外導引導彈示意圖 資料來源：空空導彈方案設計原理，方正證券研究所 1.3.1 雷達導引雷達導引頭罩頭罩：從有機材料到陶瓷材從有機材料到陶瓷材料料，再到復合材再到復合材料料 雷達雷達導引導引的天線罩一般裝于飛行器的頭部，其作用是保持氣動外形，保護導引頭天線能夠正常工作。由于飛行器速度很高，由此帶來的氣動力、熱載荷非常大，天線罩需集防熱、承力及透波

27、等諸多功能于一身。 圖表8： 典型雷達導引頭罩 資料來源：航天透波復合材料，方正證券研究所 最早應用于飛行器的天線罩可以追溯到二戰時期。1941 年，美國制備了應用于波音 B-18A 飛機上的雷達天線罩，由于飛行速度低，對材料的耐燒蝕性能要求不高，因此采用了有機玻璃材料。在此基礎上，美美國于上世紀國于上世紀 50 年代初采用年代初采用 E 玻璃纖維增強不飽和玻璃纖維增強不飽和聚酯聚酯樹樹脂脂制制備備了了天天線線罩罩，可可用用于于 Ma3 以下以下主動尋的制導導彈。主動尋的制導導彈。 隨著現代戰爭中攻防雙方的節奏不斷加快，導彈飛行速度和機動性不斷提高，導彈的氣動加熱環境變得更加苛刻。有機材料由于

28、其較差的耐熱性已不適用于高馬赫數的導彈。相比之下，一些陶瓷材料憑借其一些陶瓷材料憑借其自自身的高熔點身的高熔點、良好的高溫、良好的高溫力學力學性能性能、優異的介、優異的介電性能等逐電性能等逐漸成為高漸成為高馬馬赫數導彈天線罩的首選材料赫數導彈天線罩的首選材料。 11 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表9： 美國 Ceradyne 公司生產的熔融石英陶瓷天線罩 資料來源：高溫透波陶瓷材料研究進展，方正證券研究所 新材料科學的進步使得天線罩材料的種類不斷豐富、性能不斷提高。近年來，針對單相陶瓷材料普遍存在的韌性差、可靠性不高的缺點，人們對各種陶瓷材料進行優化設計，通過各種

29、增韌途徑制備出了性能更加優異的陶瓷基復合材料（陶瓷基復合材料（CMCs），適，適于于制制備備高超音速的導彈天高超音速的導彈天線罩。線罩。 綜上所述綜上所述，雷達雷達天線罩天線罩材料的發展經歷了一個從有機材料到材料的發展經歷了一個從有機材料到陶瓷材陶瓷材料，從單相陶瓷到料，從單相陶瓷到陶瓷基陶瓷基復合材復合材料的料的歷程歷程。 1.3.2 光學光學導引導引頭罩頭罩：主主要要有有氟化物和氧化物兩大類氟化物和氧化物兩大類 光學精確制導技術可分為可見光、紅外和紫外等，光波分辨率高，易于成像，測量精度高，無多路徑影響，隱蔽性好，重量輕，體積??；但也有受天候影響較大，在大氣層內作用距離近的缺點，至今至今約

30、約有有70%的精的精確制確制導武器導武器采用了采用了光學光學精確精確制導制導技術技術。 圖表10： 光學導引頭的組成 資料來源：多用途導彈系統設計，方正證券研究所 12 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 光光學學精確制導技術中常見的精確制導技術中常見的有有電視成像電視成像制導制導、紅紅外制導、激光制導、外制導、激光制導、光纖制導、星光制導和光光纖制導、星光制導和光電多模復合制導電多模復合制導幾種形式幾種形式。光學導引頭的窗口和整流罩所選用的透光材料除了在所需要的波段透明外，還應當堅硬、 耐用， 能抵抗環境應力侵蝕以及快速加速和減速時產生的熱沖擊，并且最大限度地傳遞來自目標

31、的輻射。 圖表11： 紅外導引頭和目標紅外輻射特性 資料來源：盾和彈之間的那點事（十二）制導篇：紅外制導，方正證券研究所 透光透光材材料料主主要是指對可要是指對可見見光光和紅外線透明的材料和紅外線透明的材料， 用于， 用于各種基各種基于光探于光探測的窗口測的窗口，其中紅外光學材料按照透射波段可分為中波材料（0.95m）、長波材料（812m）兩類。 大多數中波材料在可見光（大多數中波材料在可見光（0.30.7um）波段也是）波段也是透明的，透明的，主要主要光學光學材料材料包括包括氧化物陶瓷氧化物陶瓷， 如 Al2O3（藍寶石） 、 ZrO2、 Y2O3、 MgO、 MgAl2O4（尖晶石）、Al

32、ON（氮氧化鋁）、石英晶體和熔融石英；氟化氟化物晶物晶體體，如 CaF2、MgF2；Si3N4、SiC。 長長波波材料材料大多數大多數是是半半導導體體， 如 IV 族半導體材料 Ge、 Si 和金剛石， IIIV 族化合物 GaAs、GaP、InP 等，IIVI 族化合物 ZnS、ZnSe、CaTe，鍺硫系玻璃， SeSbGe、 SeAsGe 以及二元、 三元硫化物 As2S3、 CaLa2S4等。 除此之外， 金剛石是一種極具應用潛力的材料， 它具有耐高溫、 耐磨、導熱性極好而不導電、具有除中波紅外線以外的優良透過性。 圖表12： 美國 THAAD攔截彈采用的紅外側窗 圖表13： 紅外光學材

33、料理論透過率與折射率 資料來源：彈道導彈，方正證券研究所 資料來源：紅外光學材料，方正證券研究所 13 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 當前，復合制導模式逐漸成為主流，這樣可充分利用各自的優點，獲得盡可能大的作用范圍和高的制導精度。一般而言，雷達波頭罩對紅外是不透明的，而紅外頭罩對雷達波則是透明的，因此，紅外/微波復合頭罩的材料應首先考慮紅外頭罩的特性。 1.4 高超聲速高超聲速導彈導彈頭罩頭罩：石石英纖英纖維增維增強石英陶強石英陶瓷瓷復合復合材料材料為主流為主流 近年來，空天飛行器技術的逐漸成熟和應用，對頭罩材料提出了更高的要求?？仗祜w行器是指能夠飛行在臨近空間或空間

34、執行特定任務并能長時間駐留的飛行器，是實現快速遠程輸送、精確打擊、遠程實時偵查、持久高空監視、情報搜集和通信中繼等任務最為有效的手段。典型的空天飛行器可以分為三類：可重復使用軌道機動式(SSTO、TSTO)、 高超聲速助推滑翔式(HTV)和高超聲速巡航式(HCV)。 這些飛行器的飛行速度一般均達到 5 倍音速以上，因而也被稱為高超聲速飛行器，是未來航天航空技術新的制高點。 圖表14： 幾種典型的空間飛行器彈道 資料來源：空天飛行器用熱防護陶瓷材料，方正證券研究所 高速飛行器對頭罩材料長時間耐熱性能的要求很高。當導彈在低空以4Ma 速度飛行時，天線罩表面的溫度約為 800；當飛行速度為 6Ma時

35、，罩體溫度就會達到 1400；當飛行速度達到 812Ma 時，彈體表面溫度可高達 2400。且飛行過程中天線罩的溫度分布不均，頭部溫度遠高于尾部，有時溫差可達上千度。 圖表15： 某天線罩整體溫度分布 資料來源：基于 ANSYS 的天線罩高溫強度計算方法，方正證券研究所 2015 年 5 月，為了推進高速打擊武器（HSSW）項目，美國空軍研究實驗室發布了高速打擊武器技術成熟項目，高超聲速導彈材料、結構與制造技術是項目的關鍵技術之一，技術研究目標是開發可用于 14 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 高速武器方案、能適應高速長時飛行的材料，能保護自身結構的完整性，確保系統和分

36、系統正常工作，研究可傳輸射頻、光電、紅外信號的頭罩和窗口材料、適應射程增加且具有較好耐受能力的耐高溫輕質材料、先進制造工藝技術。 圖表16： 美國 AHW 項目與 HTV-2 項目滑翔彈頭想象圖 資料來源：新型輕質隔熱、透波 Al-B-O 陶瓷的研究進展，方正證券研究所 高超聲速飛行器表面溫度限制了防熱材料的選擇范圍，因為它們必須要有較高的熔化或升華或熱解溫度以及較高的化學潛熱，這就要求材料具有較強的固態化學共價鍵（如硅、碳、硼等）或金屬共價鍵（如 d 族元素：鈦、鎢、鉭、錸等），另外，較輕的質量也是一個重要方面，可以減少火箭的能量消耗。因此，在實際應用中，選擇被限制在用硅、碳、硼及其碳化物、

37、氮化物或耐熔氧化物（SiC，B4C，SigN4，Al2O3，SiO2等）。當當前前主流主流防熱防熱材材料為石料為石英纖英纖維增維增強石英陶強石英陶瓷防熱瓷防熱材料材料。 圖表17： 燒蝕防熱材料主要候選元素 資料來源：高超聲速飛行器燒蝕防熱理論與應用，方正證券研究所 為進一步提高纖維增強陶瓷透波材料的使用溫度，氮化物纖維增強陶氮化物纖維增強陶瓷基復合材料成為耐超高溫瓷基復合材料成為耐超高溫透波材料研究熱點透波材料研究熱點。氮化物纖維包括氮化硅纖維、氮化硼纖維及硅硼氮纖維，目前纖維制備工藝均不成熟，相關復合材料方面的研究仍處于探索研究階段。 2 典型典型的的導導彈彈頭罩材料頭罩材料及及制備制備

38、2.1 典型典型雷達雷達導引導引頭罩頭罩材料材料 15 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 2.1.1 玻璃玻璃纖纖維維-樹脂樹脂基基復合復合材材料料 雷達天線罩選材的依據是高強度、 高模量、 耐候性好、 介電性能好等，其中最主要的是介電性能， 具體包括介電常數 （） 和損耗角正切 （tan）。其中，tan越大，電磁波能量在穿透天線罩過程中轉化為熱量而損耗的能量就越多；越大，電磁波在空氣與天線罩壁分界面上的反射就越大，從而導致鏡像波瓣電平增加和傳輸效率降低。因此，要求雷達天線罩罩體材料的 tan低至接近于零，盡可能低，以達到“最大傳輸”和“最小反射”的目的。纖維增強樹脂基復

39、合材料是一類集結構、防熱、透波于一體的功能復合材料，具有優良的電性能，介電常數和介電損耗 tan都很小，且具有足夠的力學強度和適當的彈性模量，是實際應用最廣的天線罩材料。其中玻璃纖維又是應用最為廣泛的纖維增強樹脂基天線罩材料之一。 玻璃纖維具有高強度、優良的介電性能、耐腐蝕、吸濕性小以及尺寸穩定等優點，是天線罩最常用的增強材料，如 E玻璃纖維、S玻璃纖維、D玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等。E玻璃纖維是一種無堿玻璃，是最早用于天線罩的增強材料，價格最低，但其電性能較差；S玻璃纖維是一種高強玻璃纖維，力學性能是玻璃纖維中最好的，介電性能中等；D玻璃纖維又稱低介電玻璃纖維，是國外專門為天線

40、罩研制的一種新型玻璃纖維， 和 tan 僅次于石英和高硅氧玻璃纖維，但拉伸強度和模量較其他纖維低；石英玻璃纖維的介電性能是所有玻璃纖維中最好的，并且能夠在較寬的頻帶范圍內基本不變化，因此可實現天線罩的寬頻透波性，在高性能的機載天線罩上已有應用，但由于價格昂貴，是 E玻璃纖維的 30-40 倍，使用不普遍；高硅氧玻璃纖維以 E玻璃纖維為基體，其 SiO2含量可達91%-99%，性能介于 E玻璃纖維和石英玻璃纖維之間。 玻璃纖維的生產技術可分為兩種:一種為坩堝法(也稱二步法)，另一種為池窯法(也稱為一步法)。 坩堝法是將玻璃等原料融化后制成玻璃球，再將玻璃球加入坩堝內二次熔融，之后拉制成玻璃纖維絲

41、。這種方法工序繁雜，需要經過二次熔融，浪費能源，其生產產能逐漸降低，但是其產品方案調節靈活、 投資小、 技術要求不高， 較適用于中小企業。池窯法是指將玻璃配合料熔融后直接拉制成玻璃纖維絲。隨著池窯法的發展，我國我國當前主要當前主要使使用用池窯法池窯法生產玻璃纖維生產玻璃纖維。 早期的飛機和導彈由于飛行速度不高 （小于 3Ma） ,頭部由于氣動加熱產生的溫度在300以下,因此采用玻璃纖維增強樹脂基復合材料即可滿足要求。速度更高的飛行器，如速度大于 3 馬赫數的高超音速導彈天線罩，開始使用無機材料，如陶瓷和微晶玻璃等。 16 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表18： 天線

42、罩應用的常用樹脂主要性能 名稱 密度/ (g/cm3) 彎曲強度/MPa 彎曲模量/GPa 介電常數 損耗角正切值 長期工作溫度/() 酚醛樹脂 1.30 92 3.5 4.55.0 0.0150.030 250 環氧樹脂 1.30 97 3.8 3.25.0 0.0100.019 110 不飽和聚酯樹脂 1.29 85 3.2 2.84.0 0.0060.026 120 雙馬來酰亞胺樹脂 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 聚酰亞胺 1.29 134 3.5 2.73.2 0.0050.008 300

43、 氰酸酯樹脂 1.19 134 3.5 2.83.2 0.0020.008 315 有機硅樹脂 0.99 60 7.1 3.05.0 0.0030.030 250 資料來源：樹脂基復合材料在雷達天線罩上的應用，方正證券研究所 圖表19： 天線罩應用的纖維增強材料主要性能 名稱 密度/(g/cm3) 拉伸強度/MPa 楊氏模量/GPa 斷裂伸長率/% 介電常數損 耗角正切值 E-玻璃纖維 2.54 3140 72.0 4.5 6.13 0.0038 S-玻璃纖維 2.49 4020 85.0 5.1 5.21 0.0068 M-玻璃纖維 2.77 3700 91.6 4.5 7.00 0.003

44、9 D-玻璃纖維 2.10 2000 52.0 4.5 4.00 0.0026 石英纖維 2.20 1700 72.0 4.6 3.78 0.0002 高硅氧玻璃纖維 2.30 2500 52.0 4.5 4.00 0.0048 Kerlar-49 纖維 1.46 3620 137.0 3.3 2.50 0.0015 UHMWPE 纖維 0.9 5010 172.0 3.5 3.00 0.0001 資料來源：樹脂基復合材料在雷達天線罩上的應用，方正證券研究所 2.1.2 微晶玻璃微晶玻璃 微晶玻璃微晶玻璃是是一一種含有大量微晶種含有大量微晶相和玻璃相的相和玻璃相的多晶固體材料多晶固體材料， 也

45、稱為， 也稱為玻玻璃陶瓷璃陶瓷或或結晶化玻璃結晶化玻璃，是介于玻璃和是介于玻璃和陶瓷之間陶瓷之間的一種材料的一種材料，因此同時兼具玻璃和陶瓷的優點，與傳統的玻璃和陶瓷相比，它在機械強度、耐腐蝕性、耐熱性、耐磨性、抗氧化性、膨脹系數等許多方面都表現出特別優異的性能。 1955 年，美國 Corning 公司開發了一種微晶玻璃（Pyroceram9606）透波材料，其抗熱震性能優于傳統氧化鋁陶瓷，且介電常數隨溫度和頻率的變化不大。從 20 世紀 60 年代開始，該材料廣泛應用于 34Ma的美國導彈天線罩，如“小獵犬”、“韃靼人”、“百舌鳥”等導彈。我國中科院上海硅酸鹽研究所也于 20 世紀 60

46、年代研制成功了微晶玻璃，并成功應用于某型超音速中低空防空導彈。 17 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表20： 美國“小獵犬”防空導彈 圖表21： 美國“百舌鳥”空空導彈 資料來源：從臺導彈頭罩開裂看防空導彈頭罩技術 ，方正證券研究所 資料來源：從臺導彈頭罩開裂看防空導彈頭罩技術 ，方正證券研究所 微晶玻微晶玻璃的璃的制備制備原原材料材料：制備微晶玻璃的原材料和制備其他玻璃品種的原料基本相同，主要成分有二氧化硅、氧化硼、氧化鋁、氧化鈉等。 微晶玻璃微晶玻璃頭罩頭罩制備制備主要的主要的生產工藝生產工藝如下如下：基礎玻璃組分的設計原料的選擇配合料的制備玻璃配合料的熔化基礎

47、玻璃的成形玻璃體的核化與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藝方法又可分為壓延法、壓制法、澆鑄法、燒結法和浮法。 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為原料英玻璃或熔融石英為原料，經破碎、成型經破碎、成型、燒成等、燒成等一系列制作工藝形成的制品。一系列制作工藝形成的制品。石英陶瓷具備石英玻璃的熱膨脹系數小、熱穩定性高等優良特性，而且還具有一些石英玻璃制品所不具備的性質，如發生少量析晶也仍可使用等，是制造天線罩的優良材料。 上世紀 50 年代后期，美國 Georgia 理工學院在美國海軍的資助下，最先研制出石英陶瓷，該材料

48、介電常數和介電損耗很低，且對溫度和電磁波頻率十分穩定，熱膨脹系數低，滿足再入環境條件下的熱絕緣和抗熱沖擊特性要求，同時還可以實現較高的透波率，是一種綜合性能優異的天線罩透波材料。目前，美國的目前，美國的“愛愛國國者者”防空導彈防空導彈和和“潘興潘興”彈道彈道導彈導彈、意、意大利的大利的“阿斯派阿斯派德德”空空導彈空空導彈、俄羅斯的、俄羅斯的“C-300”防空導彈防空導彈等眾多型號導彈等眾多型號導彈使用石英陶瓷頭罩使用石英陶瓷頭罩。 18 國防軍工-行業深度報告 敬請關注文后特別聲明與免責條款 圖表22： 美國 PAC-2 愛國者防空導彈 資料來源：新浪軍事，方正證券研究所 我國也用石英陶瓷制備

49、了防空導彈天線罩并得到了應用。經過幾十年的研發生產，我國在石英陶瓷制備工藝、性能研究、新工藝及防潮涂層和天線罩檢測等方面均取得了較大進展，石英陶瓷天線罩材料制備石英陶瓷天線罩材料制備技術水平已處于國技術水平已處于國際際前前列列。 石英石英陶瓷陶瓷天線罩天線罩制備制備方法：方法： 石英陶瓷天線罩以高純度石英玻璃管為原材料進行制造，主要制備步驟有原料粉碎球磨制成漿成型陰干燒成（燒成的溫度在11501350）。 目前， 熔融石英陶瓷的成型工藝有注漿成型、 注凝成型、 等靜壓成型、等，其中工業上最常用的是注漿成型和注凝成型。 注漿成型：注漿成型：注漿成型是將熔融石英陶瓷顆粒懸浮于水中制成漿料，然后注入

50、石膏模具中，經自然或強制干燥后，即可取出得到素坯。影響注漿成型的因素有很多，主要有漿料粘度、模具材質和結構以及注漿工藝。工藝過程包括漿料制備、模具制備以及注漿。注漿成型工藝生產效率高，適合于大規模工業生產。但是，由于石英陶瓷泥漿與傳統泥漿相比具有固相含量高、觸變性強、流動性和懸浮性差等特點，在注漿成形大尺寸或實心制品時，工藝條件較為苛刻。 注凝成型：注凝成型：其為建立在傳統注漿成型的基礎上衍變發展起來新型技術，20 世紀 90 年代由美國橡樹嶺國家重點實驗室 Omatete 等提出并研發，其將傳統的成型工藝與有機化學理論完美的結合，其是采用凝膠體系中聚合反應形成高分子網絡結構把陶瓷粉體原位固化