中國(guó)粉體網(wǎng)訊  根據(jù)Markets and Markets的報(bào)告，2023年，全球陶瓷基復(fù)合材料市場(chǎng)規(guī)模從2019年的697.76億元增長(zhǎng)至775億元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為2.65%。預(yù)計(jì)2024年市場(chǎng)規(guī)模為854.44億元，至2031年，該市場(chǎng)規(guī)模有望接近1700億元，2024-2031年復(fù)合增速將超過10%，陶瓷基復(fù)合材料將迎來高速發(fā)展期。

氧化物/氧化物排氣系統(tǒng)安裝在Passport20發(fā)動(dòng)機(jī)上

01.起源與發(fā)展歷程

所謂陶瓷基復(fù)合材料是指以陶瓷材料為基體，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。   

1958年，美國(guó)Chance-Vought公司在進(jìn)行碳/酚醛樹脂固化時(shí)，由于操作失誤，固化溫度過高，導(dǎo)致酚醛樹脂炭化形成碳基體，意外獲得了C/C復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料被用于航天器的熱防護(hù)系統(tǒng)、頭錐、機(jī)翼前緣等熱端部件，隨后推廣應(yīng)用到飛機(jī)的剎車制動(dòng)盤，以及汽車的剎車系統(tǒng)等。

由于C/C在高溫環(huán)境的氧化穩(wěn)定性較差，1977年，法國(guó)波爾多大學(xué)的Roger Naslain教授提出了以SiC基體替代C基體，采用化學(xué)氣相滲透工藝制造了首批以SiC為基體的陶瓷基復(fù)合材料（Ceramic-Matrix Composite,CMC），能夠在高溫氧化環(huán)境下長(zhǎng)期使用。自此，陶瓷基復(fù)合材料引起了全球范圍內(nèi)的研究熱潮并持續(xù)至今。其發(fā)展歷程如下。

陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)用發(fā)展階段，來源：中航證券

02.分類與特性

相對(duì)于其他材料體系，陶瓷基復(fù)合材料的密度低，可有效減輕結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量；同時(shí)陶瓷基復(fù)合材料的工作溫度可達(dá)1600 ℃，可有效提高飛行器在高溫環(huán)境下的使用壽命；并且陶瓷基復(fù)合材料能夠在高溫有氧環(huán)境下保持較高的穩(wěn)定性，一定程度上減少了環(huán)境障涂層的使用成本。因此，陶瓷基復(fù)合材料的主要優(yōu)勢(shì)性能集中在輕質(zhì)、耐高溫和抗氧化性三個(gè)方面。

根據(jù)陶瓷基體的不同，陶瓷基復(fù)合材料可以分為氧化物和非氧化物陶瓷基復(fù)合材料。

氧化物陶瓷基復(fù)合材料是以氧化鋁、氧化鋯等氧化物陶瓷為基體，與增強(qiáng)纖維、增韌劑等成分組成的復(fù)合材料。在氧化物陶瓷基復(fù)合材料中，增強(qiáng)纖維通常采用碳纖維、玻璃纖維、氮化硅纖維等，其中碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度等優(yōu)點(diǎn)，是氧化物陶瓷基復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)纖維。

非氧化物陶瓷基復(fù)合材料是以碳化硅、氮化硅等非氧化物陶瓷為基體，與增強(qiáng)纖維、增韌劑等成分組成的復(fù)合材料。在非氧化物陶瓷基復(fù)合材料中，增強(qiáng)纖維通常采用碳纖維、氮化硅纖維等，其中碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、低密度等優(yōu)點(diǎn)，是非氧化物陶瓷基復(fù)合材料中最常用的增強(qiáng)纖維。增韌劑通常采用以碳化硅纖維和氮化硅纖維為代表的非氧化物陶瓷纖維，這些纖維具有較好的韌性和抗沖擊性能，能夠提高非氧化物陶瓷基復(fù)合材料的韌性和抗沖擊性能。             

03.應(yīng)用領(lǐng)域

航空航天領(lǐng)域

陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫性能，可以用于制造航空飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、渦輪葉片、尾噴管等高溫部件，以及導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。此外，陶瓷基復(fù)合材料還可以用于制造飛機(jī)機(jī)身、機(jī)翼、起落架等結(jié)構(gòu)件，以及衛(wèi)星等空間飛行器的部件。

陶瓷基復(fù)合材料在典型發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用，（a）M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管；（b）GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)SiCf/SiC部件

兵器領(lǐng)域

陶瓷基復(fù)合材料可以用于制造輕質(zhì)高強(qiáng)的裝甲、護(hù)板等防護(hù)部件，以及輕質(zhì)高強(qiáng)的彈頭、彈殼等彈藥部件。

核工業(yè)領(lǐng)域 

陶瓷基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕性能，可以用于制造核反應(yīng)堆的部件，如燃料元件、控制棒等。

汽車工業(yè)領(lǐng)域

陶瓷基復(fù)合材料具有輕量化、高強(qiáng)度、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，可以用于制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室、氣缸套等高溫部件，以及汽車車身、底盤等結(jié)構(gòu)件。

能源領(lǐng)域

陶瓷基復(fù)合材料可以用于制造高溫爐具、熱交換器等能源設(shè)備，以及太陽能電池板等新能源設(shè)備。

其他領(lǐng)域

陶瓷基復(fù)合材料還可以應(yīng)用于電子、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如制造電子設(shè)備的散熱器、光學(xué)鏡片、生物材料的植入物等。

04.制備工藝

目前，陶瓷基復(fù)合材料的制備方法主要有化學(xué)氣相滲透法（CVI）、反應(yīng)熔體滲透法（RMI）、漿料浸漬熱壓法（SIHP）、前驅(qū)體浸漬熱解法（PIP）、化學(xué)液氣相沉積法（CLVD）以及混合工藝等。

CVI工藝是將碳纖維預(yù)成型體置于沉積爐中，源氣通過擴(kuò)散或由壓力差產(chǎn)生的定向流動(dòng)輸送至預(yù)成型體周圍后再向其內(nèi)部擴(kuò)散，在纖維表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并原位沉積。根據(jù)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的特征，CVI可分為等溫化學(xué)氣相浸滲、熱梯度強(qiáng)制對(duì)流化學(xué)氣相浸滲、壓力梯度化學(xué)氣相浸滲和脈沖化學(xué)氣相浸滲。   

RMI又叫作熔融滲硅法，其工藝流程是在高溫真空環(huán)境下將熔融Si滲入到纖維預(yù)制體增強(qiáng)多孔碳中，使Si熔體與碳基體反應(yīng)生成SiC基體，該工藝可以通過調(diào)整纖維預(yù)制體增強(qiáng)多孔碳的體積密度和孔隙率控制最終復(fù)合材料的密度。

CMC的熔滲工藝

SIHP工藝流程是將SiC粉、燒結(jié)助劑與有機(jī)黏結(jié)劑等和溶劑混合制成料漿，碳纖維經(jīng)料漿浸漬后紡制成無緯布，切片模壓成型后熱壓燒結(jié)進(jìn)而得到最終的復(fù)合材料。其工藝較簡(jiǎn)單、制備周期短、成本低且接近凈尺寸成型。

PIP工藝是將液相前驅(qū)體浸漬到真空、密封的纖維預(yù)制體內(nèi)，前驅(qū)體在高溫下經(jīng)交聯(lián)、裂解、陶瓷化等過程獲得多孔復(fù)合材料，為提高復(fù)合材料致密化程度需要多次浸漬/裂解過程。PIP工藝制備溫度低（<1200℃），纖維受熱損傷程度小，適合制備形狀復(fù)雜的大型復(fù)合材料構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)近凈成型；主要缺點(diǎn)是基體存在大量收縮裂紋和孔洞，孔隙率高，基體強(qiáng)度低、純度不高，多次浸漬/裂解循環(huán)導(dǎo)致制造周期長(zhǎng)。   

CLVD是一種可以快速致密化的制備工藝，通過加熱排出預(yù)制體內(nèi)部的前驅(qū)體可以在脈沖間隔時(shí)間內(nèi)被補(bǔ)充，從而纖維束間和層間的間隙可以被很好地致密化，進(jìn)而獲得均勻的陶瓷基體。CLVD可以有效避免化學(xué)氣相滲透法中的表面結(jié)殼現(xiàn)象，且制備速率是其兩倍之多。

小結(jié)

經(jīng)過多年的追趕，我國(guó)在高性能陶瓷纖維方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工程化技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)化，陶瓷基復(fù)合材料的制備技術(shù)、加工技術(shù)、連接技術(shù)、可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)等也均取得了很大提高，并進(jìn)行了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的多種構(gòu)件設(shè)計(jì)、研制與考核，但與歐美及日本等先進(jìn)國(guó)家相比尚存在較大差距，與國(guó)外工程化應(yīng)用研究相比也存在巨大差距。未來，加快陶瓷復(fù)合材料的研究將有力推動(dòng)我國(guó)重大裝備的創(chuàng)新與發(fā)展。

參考來源：

[1]李龍彪.陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用與適航符合性驗(yàn)證研究進(jìn)展

[2]齊晶晶等.陶瓷基復(fù)合材料的特點(diǎn)和發(fā)展前景探討

[3]馬宇等.飛行器陶瓷基復(fù)合材料輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

[4]中航證券研究所

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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