陶瓷基复合材料进入高速发展阶段

1.陶瓷基复合材料正在引领工程领域变革

1.1陶瓷基复合材料具有耐高温和轻量化两大特性

陶瓷基复合材料(CMC)是近年来材料科学前沿领域的关键成果，美国GE公司称"陶瓷基复合材料代替高温合金引发了发动机高温材料领域的一场革命"。陶瓷基复合材料是一种高性能复合材料，由陶瓷基体和分布在其中的增强相组成。与单晶高温合金相比，SiC/SiC陶瓷基复合材料具有轻质、高强、抗氧化、对裂纹不敏感、耐温性优等特点，CMC因其特性在航空航天、能源、交通等领域具有广泛的应用前景，具体体现在:

1)耐高温:当前，航空发动机追求高推重比(战机发动机)、高涵道比(商用发动机)、高功重比(涡轴发动机)，依据布雷顿循环原理，可通过提高压缩比和增温比来提升燃气涡轮效率。对于航空发动机，Cr/SiC的使用温度为1650C，SiCr/Sic的使用温度为1450C，提高SiC纤维的使用温度可使SiCr/SiC使用温度提高到1650C。1)与聚合物复合材料相比，CMC可提高强度和使用温度。2)与高温合金相比，在无空气冷却和热障涂层的情况下，碳化硅基CMC可降低冷却气流量15%~25%，提高工作温度150~350C，潜在使用温度可达1650C，同时实现减重。3)与陶瓷材料相比，CMC可改善脆性、缺陷敏感性并抑制缺陷体积效应，提高可靠性。与Cr/C复合材料相比，CMC可提高抗氧化性、强度和使用寿命。由此可见，CMC是高推重比航空发动机高温部件用最具潜力的关键热结构材料之一。

1.1不同增强体与基体的结合产生不同类型的陶瓷基复材

陶瓷基复合材料主要由纤维增强体、陶瓷基体和界面三部分组成。1)纤维增强体:材料的骨架，主要承受载荷，在基体开裂过中，保持材料的完整性，提高材料抵抗破坏的能力。常见的陶瓷基纤维有碳纤维、碳化硅纤维、氮化硅纤维、氧化物纤维等。2)基体:主要成分为陶瓷，主要起到传递载荷、隔离纤维、保护纤维和调节性能的作用。陶瓷基体中的陶瓷主要有氧化物陶瓷基体、碳化物陶瓷基体、氮化物陶瓷基体以及玻璃陶瓷基体。3)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。对于非氧化物陶瓷基复合材料，常用的界面层体系有热解碳界面层、氮化硼界面层和复合界面层。

2政策发力助推，国内不断追赶国际领先水平

2.1国外率先研发，国内起步较晚但已实现技术突破

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:CVI工艺已实现工业化生产，PIP工艺较为成熟，MI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。

2.2国家出台多项政策，助推陶瓷基复材研发及产业化

近年来，国家针对陶瓷基复合材料、高性能陶瓷/纤维材料等新材料出台多项政策，推动陶瓷基复合材料的研发及产业化。CMC工艺壁垒高，且外国对我国长期实施技术封锁，导致初期我国陶瓷基复合材料市场进展缓慢。随着国家对CMC的重视及相关政策的出台，高校、研究机构与企业深度合作，联合开展技术攻关，大力推进CMC的研发生产。这些政策激发了国内企业和科研人员的积极性，吸引大量人才投身CMC领域。如今，我国已在部分CMC关键技术上取得重要突破，逐步摆脱对国外技术的依赖，产业发展初见曙光。

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