从航空钢材到触觉传感器 细数那些还被卡着脖子的领域

来源:金融界网站
招商策略研究:张夏 陈刚
今年六月《科技日报》总编辑刘亚东曾做题为“除了那些核心技术,我们还缺什么”演讲。《从操作系统到芯片——细数那些还被卡着脖子的领域(上)》梳理了15项卡脖子技术,本文将继续梳理,以期投资者在相关方向布局有所启发。
核心观点
航空发动机短舱:目前全球能够独立研制高推力大涵道比涡扇发动机短舱的公司仅有两家,分别事美国古德里奇和奈赛公司。国内目前能够独立研制航空发动机,但是却缺失与之匹配的短舱;主要依赖进口,国内已开始布局。相关上市公司:中航飞机等。
触觉传感器:目前全球传感器厂商众多,而触觉传感器以日本最优,其余国家尚处于实验室阶段。国内对触觉传感器早有布局,但也仍处于传感器阶段。随着物联网兴起,国内开始在“电子皮肤”领域展开布局。相关上市公司:汉威电子、中航电测、苏州固锝、通富微电等。
重型燃气轮机膜:目前国际上重型燃气轮机主要为美国ge、日本三菱、德国西门子和意大利安萨尔多4家。国内立项研究重型燃气轮机,已取得阶段性成果,有望在2030年进入先进国家行列。相关上市公司:上海电气、中国动力、中国重工等。
航空钢材:以起落架钢材为例,美国300m钢材适用范围最广,美国九成以上飞机起落架使用;而国内c919试飞时仍依赖进口。目前国内高端钢材与国际先进水平仍有较大差距,但国内在优质低合金钢和特殊质量低合金钢领域开始发力。相关上市公司:st*抚钢等。
透射电镜和扫描电镜:透射电镜市场主流厂商为日本电子、日立和fei以及德国蔡斯,占据全球80%的市场份额。国内在70年代达到了国际先进水平,后来由于各种原因而中断,目前国内暂无透射电镜生产商,扫描电镜只有北京中科科仪。相关上市公司:永新光学等。
掘进机主轴承:主轴承作为掘进机的核心部件,占总成本的1/20。国内掘进机已经达到世界先进水平,但主轴承还完全依赖进口。世界上能研制掘进机主轴承的企业仅为德国的罗特艾德、imo、fag和瑞典的skf。国内掘进机主轴承国产化已取得一定的进展,已掌握直径3米的主轴承核心技术。相关上市公司:中国铁建、徐工机械等。
超紧密抛光工艺:超精密抛光工艺作为电子产业的灵魂,应用于多个领域,包括:集成电路制造、医疗器械、汽车配件、数码配件、精密模具、航空航天等等。目前美日等顶级抛光工艺已满足60英寸基片的精密抛光要求。国内在精密抛光工艺上欠缺关键设备,但目前我国在新材料的研制上和国际传统的超精密抛光水平相差无几。相关上市公司:鼎龙股份、江丰电子、晶盛机电等。
高强度不锈钢:国内航空事业的崛起带动我国不锈钢产业的发展,就目前而言,在新材料的研发技术与发达国家还有较大差距,仍将长期处于仿制阶段。我国在不锈钢产业开始加大布局,现已成为不锈钢的最大产地。相关上市公司:st*抚钢、久立特材、永兴特钢、方大特钢、柳钢股份等。
目 录
01
航空发动机短舱
1、航空发动机核心部件
航空发动机作为飞机的核心,为飞机提供动力,其技术难度极高,尤其是在军用发动机方面,作为三代机、四代机的核心装备。据测算,未来20年民用大中型的航空发动机市场空间超过1.6万亿元。未来20年中国需要新增民航大中型飞机超过6300架以上,潜在民用航空发动机新增需求超过1.3万台。
如果说发动机是飞机的核心,那么发动机短舱则是确保核心能够正常运转的保护罩,是飞机飞行的关键设备,涉及飞机性能、操作安全性、系统可靠性、重量、成本和环保等相关的关键航空技术。
短舱是在飞机上安放发动机的舱室,主要由发动机进气道、整流罩、内部固定装置、反推装置和尾喷口组成。短舱主要作用是固定发动机,优化发动机气流,保护发动机免受外部损害;发动机短舱将发动机包裹其中,保护和发动机,并为发动机部分附件提供安装平台。短舱通过发动机后端与飞机连接,短舱需要保障发动机在各种飞行状态下均能正常工作,并将发动机的推力转化为飞机的动力,在飞行时实现推进和转向等操作。
短舱的集成技术要求非常高,是航空推进系统最重要的核心部件之一,需要在多重限制的极端环境(高温、高压、高速)下实现降噪、除冰、调节内外温差、防火防雷击、支撑发动机与机翼连接吊架之间的负载、刹车(借助反推装置)、美化飞机等多项功能。由于器技术难度极高,成本约占全部发动机的1/4左右。预计短舱市场空间约4000亿元。
2、短舱集成技术
短舱是一套极为复杂的集成系统,从开发到生产和供应都需要长时间的积累,而且短舱越大技术难度越高。因为当所需发动机推力越大,制作的直径也越大,短舱面积也因此增加,势必增加空气阻力,降低飞行效率。因此需要从涉及、材料和工艺上不断改进需求。随着新型发动机短舱的集成度提高,提升了飞行性能,同时也增大了短舱集成的技术难度。
短舱的基本设计要求:发动机需要固定在短舱内,同时短舱能够承受发动机产生的推力以及相应的力矩,转化为飞机自身的动力。同时还需要有足够的空间安装其他部件,包括降温、降噪、除冰等功能。未来短舱的发展目标是:更轻(大量使用复合材料或先进合金材料)、更静、更高效(智能化和更电气化)、更易使用和维护。
伴随c919项目的展开,国产航空发动机项目也逐步推进。c919选配的是cfm国际公司(通用电气和赛峰集团合资公司)的leap-1c发动机,而短舱的设计是由奈赛公司(nexcelle)首创,相关资料显示,leap-1c独特的一体式结构,以及o型涵道反推装置系统,能减轻重量、提高反推效率,并便于发动机维护。
2017年底,cj-1000ax首台整机在上海完成装配,并进入验证期。验证机直径1.95米,长3.29米;包含风扇/增压级、核心机、低压涡轮和附件传动机匣装置,由近35000个零组件组成。但由于我国短舱技术的缺失,目前尚无与之匹配的短舱。
3、国内外短舱主要厂商
短舱作为发动机核心设备,其重要性不言而喻。但世界上能研制民用大涵道比发动机的共有3家公司,分别是美国通用电气(ge)、普拉特·惠特尼集团公司(pratt &;;; whitney group )和英国的罗尔斯·罗伊斯(rolls-royce)。
而能独立研制高推力大涵道比涡扇发动机短舱的公司仅有两家。一个是航空顶级制造商美国古德里奇(goodrich),生产新一代大涵道比航空发动机短舱,运用于波音787和空客a350/a320neo等,也包括庞巴迪c系列和巴西航空公司的e系列支线飞机。另一个是奈赛公司(nexcelle),由美国通用和法国赛峰合资,向波音737、a330等飞机的推进系统提供短舱。
赛峰集团旗下赛峰短舱公司(safran nacelles)是世界领先的飞机发动机短舱制造商,负责设计、制造和支持飞机发动机短舱,是目前世界上唯一参与所有细分市场的短舱制造商,同时也为顶级公务机提供先进短舱,是空客发动机的主要供应商。公司凭借卓越的技术实力,集成所有短舱零部件,以最大程度低优化飞机推进系统性能,为当前市场提供最佳解决方案。从公务机到a380,中国市场上超过四分之一的民用飞机采用了赛峰短舱公司的产品。赛峰短舱公司广泛服务于国航、东航、南航、海航、香港航空、天津航空和四川航空等20多家中国航空公司,为250多架飞机提供售后支持服务。
目前我国尚无自主研制短舱的专门机构,高校也未设置相关学科。西安赛威短舱有限公司(savi),是由赛峰短舱公司与中航飞机股份有限公司(中航飞机000768.sz)共同出资组建;致力于生产喷气发动机短舱组件,这在中国尚属首家。该公司现负责为所有的a320系列cfm56发动机生产短舱反推装置门,同时将生产中国商飞c919集成推进系统中的短舱组件。
02
触觉传感器
1、传感器市场现状
传感器作为一种检测装置,通过接收被测量的信息,按一定规律变换成电信号或其他方式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器的特点包括:微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化;它是实现自动检测和自动控制的首要环节。因为传感器的存在,让物体有了触觉、味觉和嗅觉等器官。随着物联网技术的发展,传感器在物联网发展中所扮演的角色越来越重要,目前传感器产品需求大幅增加,并且重心逐渐转向技术含量较高的mems传感器领域,mems传感器的精确度决定了所收集信息的品质。物联网2017市场规模为1.16万亿,同比增长26%;预计物联网的高增长将带来传感器市场的行业景气,2017年传感器销售额125.71亿元,同比增长16%;预计2018年传感器销售额将达到133.06亿元。
传感器主要以人类的五感划分为五大类,分别包括视觉传感器(光敏)、听觉传感器(声敏)、嗅觉传感器(气敏)、味觉传感器(化学)以及触觉传感器(压敏、温敏、流体传感器);由于触觉是接触、滑动、压觉等机械刺激的总称,而大部分生物的触觉器遍布全身,而且种类不一,因此通过皮肤的感知的触觉只能定性而无法定量,因此触觉传感器的技术难度远远高于一般传感器。
目前触觉传感器主要应用于四个方面:1)让假肢获得接近真实的触觉;目前假肢可以让截肢者拥有部分功能但是并不能获得触觉,而触觉传感器可以通过模拟皮肤中的神经元传导信号,即“电子皮肤”;2)力传感器赋予工业机器人手腕触觉,可以感知机器人和机台的所有力,富士康于2017年引入数千机器人取代工人更是证明了未来制造业采用工业机器人是大势所趋;3)触觉传感器应用于仿生机器人,它们可以在严苛的工作环境下进行作业,替代人类但同时又可以获得相应的感知数据;4)穿戴式触觉传感器,近年来便携式智能电子产品发展日新月异,出现了众多多功能的可穿戴设备。而穿戴式触觉传感器是可模仿人与外界环境直接接触时的触觉功能,主要包括对力信号、热信号和湿信号的探测。同时穿戴式电子产品朝集成化方向发展,将成为具有良好柔性、空间适应性和功能性的穿戴式平台。除此之外,触觉传感器的适用范围将大大拓宽,在人机交互系统、智能机器人、移动医疗等领域具有巨大的应用前景。
2、国内触觉传感器市场归因
与国外相比,国内触觉传感器的发展仍有较大差距,目前国内市场中消费的绝大多数的触觉传感器均来自于欧美日韩等地区。国内市场市场和科研进展缓慢,主要集中于以下几个方面。
生产商制造工艺欠缺。目前国内有100多家企业进行传感器的生产,但是国内传感器企业大多从事生产气体、温度等类型。触觉传感器最重要的要求就是精确,而这一要求将我国触觉传感器的发展拒之门外。我国大部分关键零件依赖国外进口,主要原因是在于其缺乏稳定性和一致性,因此进一步阻碍触觉传感器的发展,形成了依赖进口、内生乏力的恶性循环。
制作材料纯度欠缺。除了生产工艺之外,制备材料也是制约行业发展的重要因素。石墨烯作为未来触觉传感器柔性发展的重要材料,目前只达到生产的标准,而尚未达到可以制作传感器的标准。因为材料纯度不够,将会影响电流传递,进而影响传感器的稳定性和灵敏度。
技术复杂,扩大发展鸿沟。日本在触觉传感器产业化方面较为领先,而其他国家大多处于实验室阶段。国产产品由于技术鸿沟将长期处于落后:一片巴掌大小的日本阵列式传感器售价10万元,并能保持严格的均一、稳定性;而国内产品多为一点式的,售价100元左右。但是其中的品质相差巨大。
3、国内主要公司
国内对触觉传感器的发展早有布局,但目前仅限于实验室阶段。
我国在触觉传感器的一种——多维力传感器的研究方面,很早就进行了布局。1987年东南大学和中国科学院合肥机械智能研究所获得863重点专项的支持,研制六维力传感器。目前静态精度已经达到误差率仅为1%—2%,和世界先进水平差不多;但是动态精度还有较大差距,动态耦合误差在5%—10%左右,还尚未达到工业机器人所需的使用要求。目前一个工业机器人的平均造价为12万元,而六维传感器的成本占据1/4,目前国内工业机器人还不具备规模化生产的要求。
可穿戴电子元件将成为未来传感器的发展趋势,其中“电子皮肤”将是重要的发展方向。得益于新材料和新工艺的出现,电子皮肤触觉传感器发展迅速,其性能在多方面已能模仿甚或超越人类皮肤,研究成果已逐渐应用于生产生活、康复医疗等多领域。在“电子皮肤”引领的新型传感器制造产业链中进行布局,或将有望“弯道超车”。
03
真空蒸镀机
1、oled产业霸主
oled作为第三代显示技术的核心,相对于lcd而言,相对于传统 lcd,oled具有三大优势:第一,无需背光源,更轻薄。第二,全固态结构,可靠性强,可弯曲。oled 器件为全固态结构,无真空、液体物质,并且可以做在柔性材料基板上。第三,色域广视角宽,响应快,适应穿戴设备需求。
尤其是下游需求爆发倒逼产业链扩容。oled由�...