一、陶瓷基復合材料具備獨特優(yōu)勢，主要應用于航空航天領(lǐng)域
根據觀(guān)研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國陶瓷基復合材料行業(yè)現狀深度研究與投資前景分析報告（2024-2031年）》顯示，陶瓷基復合材料(Ceramic MatrixComposites, CMCs)是戰略性高溫熱結構材料。相比其他高溫熱結構材料，陶瓷基復合材料，耐高溫、抗氧化性能優(yōu)越，具有較高比強度和比剛度，廣泛應用于航空航天、核電、汽車(chē)等領(lǐng)域。
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陶瓷基復合材料應用領(lǐng)域
| 應用領(lǐng)域 | 應用情況 |
| 航空 | SiCf/SiC 可實(shí)現耐高溫、抗氧化、輕量化、長(cháng)壽命，是航空發(fā)動(dòng)機的熱端理想材料，已批量應用于熱端靜止件，轉動(dòng)件的應用正在探索中。 |
| 核能 | SiCf/SiC 復合材料以其高熔點(diǎn)、高熱導率、高溫穩定性、較小的中子吸收截面、優(yōu)良的中子輻照穩定性等優(yōu)異性能，成為反應堆包層第一壁、流道插件、控制桿和分流器等的理想候選材料。 |
| 剎車(chē) | Cf/SiC 具有良好的摩擦性和抗氧化性，而且摩擦性能對外界環(huán)境介質(zhì)不敏感，有望成為傳統粉末冶金和C/C 復合材料剎車(chē)材料的良好替代品。碳陶剎車(chē)盤(pán)已批量應用于汽車(chē)和飛機，在高鐵上也已得到應用。 |
| 航天 | Cf/SiC 抗氧化能力弱于SiCf/SiC，但耐高溫能力優(yōu)于SiCf/SiC，可有效解決高超聲速飛行器的防熱需求和減重需求，還可用于火 箭發(fā)動(dòng)機和衛星反射鏡，在航天領(lǐng)域已實(shí)現成熟應用。 |
| 導彈天線(xiàn)罩 | 導彈天線(xiàn)罩需要具備承載、耐溫、透波、耐蝕等多功能于一體，陶瓷基透波復合材料是天線(xiàn)罩透波材料的發(fā)展趨勢。連續Si3N4 纖維有望替代石英纖維，制備新一代高馬赫數導彈天線(xiàn)罩。 |
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目前陶瓷基復合材料在航空航天領(lǐng)域的應用發(fā)展較快，根據數據，2022年全球航空航天領(lǐng)域在陶瓷基復合材料市場(chǎng)占比達到37%，隨著(zhù)航空航天景氣度上行，預計未來(lái)幾年航空航天仍將處于陶瓷基復合材料應用主導地位。
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二、碳化硅纖維增強、氧化物纖維增強陶瓷基復合材料市場(chǎng)空間廣闊
陶瓷基復合材料可分為碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料、碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料、超高溫陶瓷基復合材料、氧化物纖維增強氧化物陶瓷基復合材料四條技術(shù)路線(xiàn)。
碳化硅纖維增強陶瓷基復合材料、氧化物纖維增強氧化物復合材料分別具備性能優(yōu)勢、成本優(yōu)勢，市場(chǎng)空間廣闊。碳化硅纖維增強陶瓷基復合材料耐高溫性能較好，且相較于Cf/SiC，抗氧化性有大幅提升，目前技術(shù)成熟，應用范圍廣泛，可應用于高溫高載部件；氧化物纖維增強氧化物復合材料中Al2O3材料易獲取，制成纖維生產(chǎn)成本低，Al2O3/Al2O3 生產(chǎn)成本僅為SiCf/SiC復合材料的1/2；并且氧化物具有優(yōu)秀的高溫環(huán)境抗氧化性。
陶瓷基復合材料技術(shù)路線(xiàn)對比
| 類(lèi)別 | 碳纖維增強碳化硅陶瓷基復臺材料 | 碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料 | 超高溫陶瓷基復合材料 | (氧化物)纖維增強氧化物陶瓷基復合材料 |
| 材料 | Cf/SiC | SiCf/SiC | Cf/ZrB2-SiC， Cf /HfB2-SiC, Cf /ZrC, Cf /HfC等 | Al203f/A1203, A1203f/mullite，mullite/mullite等 |
| 特點(diǎn) | 耐高溫(<1800℃) | 耐高溫(<1650℃)、抗氧化性好 | 耐超高溫(>=2000℃)、抗氧化性、良好抗震性、抗氧化、耐燒蝕 | 成本低、優(yōu)異的高溫抗氧化和抗水汽腐蝕性能 |
| 技術(shù)難點(diǎn) | 氧化問(wèn)題,低溫抗氧化能力弱;碳纖維預制體編織技術(shù)落后 | SiCf/SiC在水氧環(huán)境下不穩定、氧化脆化現象明顯;連接技術(shù)限制 | 實(shí)現重復長(cháng)時(shí)間使用,避免Zr02相變破壞結構穩定性 | 層間剪切強度弱;熱導率偏低形成較大的熱應力;受氧化鋁晶粒生長(cháng)限制,服役溫度受到很大限制 |
| 解決方法 | 熱膨脹自愈合、玻璃相封填愈合 | 采用環(huán)境障礙涂層(EBCs)、新型的RE3Si2C2涂層;玻璃陶瓷連接、陶瓷先驅體連接、瞬態(tài)共晶相連接以及MAX相連接等 | 添加稀土元素 | 重點(diǎn)發(fā)展三維纖維織物增韌復合材料;研制更高耐溫能力的纖維;采用FGI層能提升材料的服役溫度;發(fā)展適用于P-Al203/A1203的熱障涂層提升部件的服役溫度 |
| 應用部位 | 組合襟翼、尾噴管調節器、飛機面板、剎車(chē)材料 | 噴管調節器、密封片、燃燒室火焰筒/內襯、渦輪轉子葉片（高溫高載部件）、商用航空發(fā)動(dòng)機熱端部件 | - | 噴嘴及中心部件、燃燒室襯套排氣部件、密封片、發(fā)動(dòng)機混合器、中心錐 |
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三、政策支持下我國陶瓷基復合材料展現出良好發(fā)展前景
陶瓷基復合材料的制備工藝分為纖維制備、預制體編織、纖維界面層制備、基體制備和增密、機加工成型幾步。對于工作環(huán)境惡劣的CMC 組件，如航空發(fā)動(dòng)機熱端部件，還需制備環(huán)境障涂層。
CMC 工藝壁壘高，且外國對我國長(cháng)期實(shí)施技術(shù)封鎖，導致初期我國陶瓷基復合材料市場(chǎng)進(jìn)展緩慢。近年來(lái)，隨著(zhù)國家針對陶瓷基復合材料、高性能陶瓷/纖維材料等新材料出臺多項措施，推動(dòng)陶瓷基復合材料的研發(fā)生產(chǎn)，并對陶瓷基復合材料標準進(jìn)行規范，我國陶瓷基復合材料展現出良好的發(fā)展前景。
碳化硅纖維方面，早期SiC 纖維是我國CMC 產(chǎn)業(yè)的瓶頸環(huán)節，目前我國第二代碳化硅纖維已發(fā)布國家標準，標志著(zhù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成熟，第三代SiC 纖維已實(shí)現技術(shù)突破，實(shí)驗室研發(fā)的產(chǎn)品與日本同類(lèi)型產(chǎn)品水平相近。氮化硅纖維方面，國內連續Si3N4 纖維已經(jīng)實(shí)現批產(chǎn)，我國基本與美、日、德、法并跑。陶瓷基復合材料制備方面，我國CVI 工藝已實(shí)現工業(yè)化生產(chǎn)，PIP工藝較為成熟，MI 工藝也有相關(guān)單位及企業(yè)布局。
陶瓷基復合材料行業(yè)相關(guān)政策
| 時(shí)間 | 政策 | 主要內容 |
| 2011年 | 《工業(yè)轉型升級規劃(2011—2015年)》 | 對新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出規劃，提出大力提升高性能纖維及其復合材料發(fā)展水平。 |
| 2017年 | 《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng )新專(zhuān)項規劃》 | 提出以陶瓷基復合材料等為重點(diǎn)，突破結構與復合材料制備及應用的關(guān)鍵共性技術(shù),提升先進(jìn)結構材料的國際競爭力。 |
| 2020年 | 《關(guān)于擴大戰略性新興產(chǎn)業(yè)投資，培育壯大新增長(cháng)點(diǎn)增長(cháng)極的指導意見(jiàn)》 | 指出加快新材料產(chǎn)業(yè)強弱項，加快在高性能纖維材料、高強高導耐熱材料等領(lǐng)域形成突破。 |
| 2021年 | 《“十四五”原材料工業(yè)發(fā)展規劃》 | 指出提升纖維新材料、復合材料等綜合競爭力，攻克先進(jìn)陶瓷材料。 |
| 2021年 | 《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展第十四個(gè)五年規劃和2035年遠景目標綱要》 | 聚焦高端新材料，推動(dòng)高性能陶瓷、無(wú)機非金屬材料取得突破，加強高性能纖維及其復合材料的研發(fā)應用。 |
| 2021年 | 《2021年全國標準化工作要點(diǎn)》 | 提出持續開(kāi)展新材料標準領(lǐng)航行動(dòng)，推動(dòng)碳纖維及其復合材料的標準研制。 |
| 2022年 | 《關(guān)于化纖工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的指導意見(jiàn)》 | 提出研發(fā)第三代連續碳化硅纖維制備技術(shù)，突破氧化鋁纖維、硅硼氮纖維、氧化錯纖維等制備關(guān)鍵技術(shù)。 |
| 2022年 | 《鼓勵外商投資產(chǎn)業(yè)目錄〈2022年版)》 | 將高性能陶瓷基復合材料及其制品列在鼓勵類(lèi)中，鼓勵外商投資。 |
| 2024年 | 《產(chǎn)業(yè)結構調整指導目錄》(2024年本) | 包含多項先進(jìn)陶瓷相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)品及相關(guān)設備入選鼓勵類(lèi)目錄，其中包含航空航天高性能陶瓷、碳化硅纖維等。 |
| 2024年 | 《重點(diǎn)新材料首批次應用示范指導目錄（2024年版)》 | 對三類(lèi)陶瓷基復合材料的性能（室溫拉伸強度、拉伸模量、斷裂韌性等)進(jìn)行了規范。 |
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