比金属更耐烧，比树脂更抗热：这种复合材料正在重塑航空航天

由于复合材料质量轻、具有较高的比强度、比模量以及较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温、耐烧蚀、透电磁波，吸波隐蔽性、可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。

自从先进复合材料投入航空航天应用以来，有三件值得一提的成果。第一件是美国全部用碳纤维复合材料制成一架八座商用飞机-里尔2100号并试飞成功；第二件是采用大量先进复合材料制成的哥伦比亚号航天飞机，这架航天飞机用碳纤维/环氧树脂制作长18.2m、宽4.6m的主货舱门，用凯芙拉纤维/环氧树脂制造各种压力容器。在这架代表近代最尖端技术成果的航天飞机上使用了树脂、金属和陶瓷基复合材料；第三件是使用了先进复合材料作为主承力结构，制造了可载80人的波音-767大型客运飞机，不仅减轻了重量，还提高了飞机的各种飞行性能。

复合材料在这几个飞行器上的成功应用，表明了复合材料的良好性能和技术的成熟，对于复合材料在重要工程结构上的应用是一个极大的推动。

图1 庞巴迪里尔45XR商务飞机

图2 哥伦比亚号航天飞机（右上角为失事现场图片）

图3 波音767

在这些令人瞩目的应用中，金属基与树脂基复合材料凭借各自优势占据了重要地位，但随着航空航天技术向更高速度、更极端环境发起挑战——从高超音速飞行器穿越大气层时的数千摄氏度高温，到火箭发动机喷管持续承受的烈焰炙烤，一种更能扛住"冰火考验"的材料逐渐走到舞台中央。它既继承了复合材料轻量化、高强度的核心优势，又在耐高温、抗烧蚀性能上实现了质的飞跃，这便是今天我们要深入探讨的主角——陶瓷基复合材料。

陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites,CMC）是一种以陶瓷为基体，与增强体和界面层三部分组成的复合材料，最早于20世纪70年代，由法国波尔多大学的Roger Naslain教授提出了陶瓷基复合材料这一概念。

陶瓷基体：是指陶瓷材料，如氧化铝、氮化硅、碳化硅等。

增强体：是指增加复合材料强度和韧性的材料，如碳纤维、硅碳纤维、碳化硅纤维等。

增强体作为分散相，起到承载和增韧的作用，其中纤维增强陶瓷基复合材料被认为是陶瓷材料增韧的理想途径；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；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。

SiCf/SiC复合材料的组成结构

资料来源：王衍飞等《SiCf/SiC陶瓷基复合材料制备技术研究进展》

陶瓷基复合材料构成及分类

资料来源：张金,等.连续纤维增强陶瓷基复合材料新型界面相研究进展[J].硅酸盐学报,2021,49(9):1869-1877

作为可以替代传统合金材料成为航空研究领域的各结构部件使用材料，陶瓷基具有诸多优势：（1）高比强度和比模量、低密度。碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，其比强度是传统金属材料的数倍密度仅为高温合金的1/3~1/4，在航空领域用于制造飞行器机翼、机身结构件等，可有效减轻结构重量，提升飞行性能；（2）良好的耐高温性能。在航空发动机热端部件，如燃烧室、涡轮叶片等应用中，能在高温燃气环境下长时间稳定工作，提高发动机的热效率和工作可靠性；（3）出色的抗热震性。材料受热冲击时，界面层可通过滑移、脱粘等机制吸收能量阻止裂纹扩展，频繁经受高温熔炼与冷却过程而不损坏；（4）环保性。由于冷却气流量降低且火焰筒处于高温状态，燃料燃烧效率显著提升，从而大幅减少了尾气中一氧化碳和氮氧化物等有害气体的排放，使尾气更加清洁；（5）耐磨损、耐腐蚀。其抗疲劳和抗蠕变性能优异，能够在长期高应力环境下保持稳定性。

陶瓷基复材怎么分类？

根据陶瓷基体的不同，主流CMC材料有碳化硅陶瓷基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料，不同基体特性不同，适用于不同的服役环境。

陶瓷基复合材料种类及应用环境

1、氧化物CMC

氧化物/氧化物陶瓷基复材以高强度氧化物纤维为增强体、氧化物陶瓷为基体。长时耐温能力略低于SiCf/SiC复材（约为1150℃)，密度在2.5-2.8g/cm3，相较于SiCf/SiC复材具备低成本优势，主要应用于航空发动机的喷管及小型发动机的高温部位。

2、非氧化物CMC

（1）碳纤维增强碳化硅陶瓷基复材(Cf/SiC)复材具备优异的高温性能，但高温下抗氧化性能较差，适用于短时极端服役工况（如航天领域)。Cf/SiC复材是最早发展起来和应用最成熟的CMC材料体系，国内进展方面，西工大、国防科大和中科院上硅所牵头，Cf/SiC复材已作为热结构和空间相机支撑结构等应用于飞行器和高分辨率空间遥感卫星。

（2）碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复材(SiCf/SiC)具有密度低（密度为2.1-2.8g/cm3)、耐高温(1200-1350℃可长时使用），相比Cf/SiC复材具有更好的抗氧化和长时耐高温性能，主要应用于航空发动机高温热端部件，如燃烧室、高/低压涡轮等。

（3）超高温陶瓷基复材是以锆(Zr)、铪(Hf)和钽(Ta)等过渡金属的碳化物或硼化物等陶瓷相为基体，具备抗热震性、抗氧化、耐烧蚀特性，用于满足固体火箭发动机、火箭燃烧室以及高超声速飞行器等对热结构、热防护材料提出的更高要求。

陶瓷基复材发展怎么样？

国外陶瓷基复合材料的研究起步早，成果斐然。

1977年，法国提出以SiC基体替代树脂基体制造陶瓷基复合材料，引发全球研究热潮。此后，各国对CMC的研究不断深入，CMC的应用面越发广泛。

美国通用电气自90年代初投入超10亿美元研发，成功将CMC应用于发动机旋转部件，在亨茨维尔投资建厂实现大规模生产。

法国塞峰集团前身在80年代就进行相关应用探索，掌握领先技术，通过合作不断拓展产品应用。

如今，国外在航空航天等高端领域广泛应用CMC，持续推动该技术发展。

国内CMC的发展起步相对较晚，但在技术追赶方面已实现多个关键技术突破。

国内对CMC的研究始于20世纪80年代，当时主要是高校和科研院所开展基础研究工作。此后，我国在CMC领域不断努力追赶，通过持续投入研发、加强产学研合作等方式，逐步取得了一系列成果。

1)在SiC纤维方面：第二代碳化硅纤维已发布国家标准，产业趋于成熟，第三代碳化硅纤维也实现了技术突破，实验室研发产品与日本同类型产品水平相近。

2)在制备工艺上：化学气相渗透法（CVI）工艺已实现工业化生产，先驱体浸渍裂解法（PIP）工艺较为成熟，反应熔渗法（RMI）工艺也有相关单位及企业布局。

3)在刹车、飞行器防热等领域，碳陶刹车盘已批量应用于汽车、飞机和高铁等。在航空发动机领域，第三代SiC纤维的生产以及CMC在航发上尚未实现规模化工程应用。

国内陶瓷基复合材料发展历程

资料来源：申万宏源证券，新材料纵横

陶瓷基复合材料的制备方法

热压法：热压法是一种常用的陶瓷基复合材料制备方法。首先将陶瓷粉末与增强相（如碳纤维、玻璃纤维等）混合均匀，然后将混合物放入模具中，经过一定的温度和压力条件下进行热压，使得陶瓷粉末和增强相充分结合，最终得到陶瓷基复合材料制品。

热压成型时，混合物装入专用模具后，引入电磁加热辊作为核心加热组件。其基于电磁感应原理实现快速加热，升温速率远高于传统方式，且温度场均匀（温差≤±2℃），能量转换效率超90%，能精准调控温度以适配不同陶瓷体系需求。同时施加轴向压力，使材料在高温高压下致密化，最终制品致密度≥95%，抗弯强度较传统工艺提升20%-30%。

溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是一种制备陶瓷基复合材料的新型方法。首先将陶瓷前驱体（如硅酸酯、铝酸盐等）与增强相混合，在一定的条件下形成溶胶，然后通过凝胶化过程使得溶胶形成凝胶，最终通过热处理制备出陶瓷基复合材料。

拉伸成型法：拉伸成型法是一种制备纤维增强陶瓷基复合材料的方法。首先将陶瓷粉末与增强相混合，然后通过拉伸成型设备将混合物进行拉伸成型，最终得到纤维增强的陶瓷基复合材料。

拉伸成型阶段，复合材料坯体通过热压复合设备完成致密化与定型。该设备由多组压辊与加热模块组成，坯体经预热、热压与冷却环节处理，实现连续化生产（效率较间歇式提升 3-5 倍），且能通过精密控制确保材料尺寸精度与产品一致性。

成型后的坯体经脱脂与烧结处理，最终产品纤维体积分数达 30%-60%，取向度≥90%，轴向拉伸强度较无序纤维增强材料提升 40% 以上，有效改善陶瓷脆性。

产业应用领域

陶瓷基复合材料（CMC）凭借其独特的性能优势，在多个行业中展现出巨大的应用潜力，特别是在航空航天、汽车工业、能源与化工等高端技术领域。以下是陶瓷基复合材料在不同产业中的具体应用：

1.航空航天

航空发动机

陶瓷基复合材料在航空发动机中的应用尤为重要，尤其是在发动机的涡轮叶片和燃烧室等高温、高压环境中。传统的金属材料在如此极端的工作条件下常常面临高温软化、氧化腐蚀等问题，而陶瓷基复合材料的引入则极大地解决了这些挑战。陶瓷基复合材料在高温下的强度保持能力、低热膨胀系数、以及出色的抗热震性，使得其成为替代金属材料的理想选择。特别是在航空发动机的涡轮叶片部分，陶瓷基复合材料能够承受极高的温度，从而提高发动机的热效率，提升发动机性能，同时降低燃料消耗，延长发动机的使用寿命。

热防护系统

在航天器的设计中，热防护系统是确保航天器在高温、极端气候条件下安全运行的关键组成部分。陶瓷基复合材料由于其优异的耐高温性和热稳定性，在航天器热防护系统中具有不可替代的作用。例如，陶瓷基复合材料广泛应用于航天飞机的热防护系统以及火箭发动机喷嘴。这些部件在进入地球大气层时，受到极端的热应力，而陶瓷基复合材料能够有效隔绝热源，保护航天器免受热损伤。通过将陶瓷基复合材料与其他材料的复合，能够提升热防护能力，为航天器提供更强的耐热性和更高的安全性。

2.汽车工业

高性能刹车材料

在汽车行业，陶瓷基复合材料的应用首先体现在高性能刹车系统上。传统金属刹车材料在高温下容易变软，导致刹车性能下降，而陶瓷基复合材料由于其出色的耐高温性、耐磨性，在汽车刹车系统中得到了广泛应用。例如，碳化硅（SiC）基陶瓷复合材料能够在极端温度下维持刹车盘的强度和刚性，显著提升刹车系统的耐久性和安全性。陶瓷刹车材料的耐腐蚀性和低噪音性能也使其成为高端汽车特别是赛车和豪华车的首选刹车系统材料。

特斯拉Model S实装的碳陶刹车盘套件

发动机部件

陶瓷基复合材料在汽车发动机部件中的应用也逐渐增多，特别是在气缸、活塞等高温高压部件中。传统金属材料在高温下容易发生形变或磨损，而陶瓷基复合材料的高强度和耐热性能够大大提升发动机的耐用性和工作效率。陶瓷基复合材料的轻质特性还能减少发动机的整体重量，提升燃油效率。此外，陶瓷基复合材料的低摩擦系数和较强的耐磨性，也使得发动机在长时间工作过程中能够保持更低的磨损，从而延长发动机的使用寿命。

3.能源与化工

高温反应堆

在核能行业，陶瓷基复合材料逐渐成为核反应堆的核心材料之一。由于核反应堆中的环境具有高温、高辐射和高腐蚀性，传统金属材料往往无法满足长时间工作的要求。陶瓷基复合材料因其高温稳定性、抗辐射性和耐腐蚀性，已被用作核反应堆结构材料或辐射防护材料。这些材料能够承受核反应堆内极端的温度和辐射环境，保证反应堆在安全和高效的状态下运行。

耐高温化学反应器

在化学工业中，陶瓷基复合材料也展现了其卓越的性能，特别是在需要耐高温、耐腐蚀的环境中。化学反应器、热交换器等设备在高温下长时间运行，常常面临腐蚀性气体的侵蚀。陶瓷基复合材料通过其优异的抗腐蚀性和高强度，能够在这些苛刻环境中提供更长的使用寿命和更高的可靠性，广泛应用于石油化工、煤气化等高温腐蚀环境。

可持续能源

随着全球对可持续能源的关注增加，陶瓷基复合材料在太阳能、风能等可再生能源领域也展现了巨大的应用潜力。在风力发电机叶片和太阳能热收集系统等设备中，陶瓷基复合材料通过提供更高效的热管理和更耐高温的材料性能，帮助提高设备的性能和耐久性，促进了清洁能源技术的发展。

4.其他领域

电子与电气

在电子元器件和导电材料中，陶瓷基复合材料同样有着广泛应用。随着电子设备对高温、耐腐蚀材料的需求增加，陶瓷基复合材料凭借其优异的耐高温性、绝缘性和抗腐蚀性，已成为一些关键电子元器件的理想材料。它们广泛用于高性能电气设备、半导体制造以及高温传感器等领域。

军事领域

陶瓷基复合材料在防弹装甲、航空武器系统的热防护材料等军事装备中的应用也非常重要。陶瓷基复合材料的高强度和抗热冲击性使其成为防弹装甲和其他军用装备的理想选择。特别是在现代战斗机、导弹防护系统中，陶瓷基复合材料通过提供更强的防护性和热稳定性，极大提高了军用装备的安全性和可靠性。

对于军用飞机而言，燃气涡轮发动机尾喷管部件的耐久性一直是有待攻克的难题，由于加力燃烧室工作环境恶劣，其寿命只有发动机其它部件寿命的50%，为了提高军用发动机尾喷管部件的使用寿命并减轻发动机重量，自20世纪80年代开始，陶瓷基复合材料调节片和密封片被陆续应用于军用发动机，并已经批量生产。由于SiC/SiC材料较氧化物陶瓷基复合材料有更好的吸波性能且可通过成分进一步调整吸波能力，军用陶瓷基复合材料排气部件多使用SiC/SiC材料。

海洋工程

在海洋深水作业中，陶瓷基复合材料的抗腐蚀性能使其在海洋环境中得到了重要应用。海洋环境的高盐、湿气和低温等特性对材料的腐蚀性要求极高，而陶瓷基复合材料通过优异的抗腐蚀性能，能够有效延长海洋工程设备的使用寿命，尤其是在深海钻探平台、海底管道等高腐蚀环境中的应用。

总的来说，陶瓷基复合材料在多个领域展现出巨大的应用潜力和优势，随着研究和技术的不断进步，其应用领域将不断扩展，带动相关产业的技术革新与发展。

航空航天及军工领域占比高需求大，市场规模将迎拐点

陶瓷基复合材料上游主要分为碳化硅纤维、碳纤维以及氮化硅三种纤维生产商，三类纤维材料分别对应中游的SiC/SiC、C/SiC和高温透波陶瓷基三种陶瓷基复合材料制造商。下游则主要为航空、航天、核能等领域的应用。

从工艺环节上来看，上游纤维生产覆盖从聚碳硅烷（PCS）等原材料到碳化硅等纤维的制造过程，部分企业向下覆盖至纤维预制体，主要产品为成品纤维及其织物。中游企业普遍覆盖从纤维结构制备、界面层制备、基体制备到成品加工和涂层制备的完整工艺流程。主要产品均为完整的终端应用部件。

从各环节的价值划分来看，原材料和陶瓷基复合材料制造业务分别创造了行业内40%和50%的附加值。纤维、基体等原材料和成品制备工艺一样具有较高的技术门槛和附加值。

2023年，全球陶瓷基复合材料市场规模预计为人民币775亿元，其中航空航天与国防应用占据市场主导地位，市场规模为471亿元，占比高达61%；汽车及能源应用次之，市场规模分别为133亿元、86亿元，占比分别为17%及11%。

2023年我国陶瓷基复合材料市场规模达到49.1亿元，在过去四年内年平均增长率4%。从2019年到2023年，我国陶瓷基复合材料市场处于在SiC/SiC、C/SiC等各领域实现技术突破的阶段，因此增长较为缓慢。

结合目前终端应用情况来看陶瓷基复合材料行业发展将有望迎来拐点，预计在2024-2031年间年平均增长率预计约为11.7%，2031年，我国陶瓷基复合材料将达到超百亿市场规模。

随着低空飞行器对高性能、高可靠性的追求，以及在一些特殊应用场景中对耐高温、抗烧蚀性能的严格要求，陶瓷基复合材料有望得到更广泛的应用。

文章参考资料：结构材料达人、材料圈、新材料纵横、材料碎碎念、复材产业圈、中航军工研究、上海联净

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