陶瓷基复合材料组成、分类、市场规模及制备工艺介绍

陶瓷基复合材料高温性能优异。

陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composites，CMC）是指在陶瓷基体中引入增强材料，形成以引入的增 强材料为分散相，以陶瓷基体为连续相的复合材料。其中分散相可以为连续纤维、颗粒或者晶须，目前研究较 多的是连续纤维增强的陶瓷基复合材料。连续纤维增强陶瓷基复合材料保留了陶瓷材料耐高温、抗氧化、耐磨 耗、耐腐蚀等优点的同时，充分发挥陶瓷纤维增强增韧作用，克服了陶瓷材料断裂韧性低和抗外部冲击载荷性 能差的先天缺陷。 陶瓷基复合材料主要由陶瓷基体、纤维以及界面层组成。纤维构成陶瓷基复合材料的骨架，是主要承载单 元。碳化硅陶瓷基体在复合材料中主要是填充纤维预制件内部空隙，将纤维束包裹起来，连成一体，起到传递 载荷及保护纤维的双重作用。界面相位于纤维与基体之间的结合处，在二者之间起到传递载荷的“桥梁”作用； 此外，当裂纹扩展至中间层时，可通过裂纹偏转和界面脱粘等能量耗散机制，阻止裂纹向纤维内部扩展。

相比树脂基复合材料和金属，CMC 具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能， 使其具有接替金属作为新一代高温结构材料的潜力，CMC 被美国国防部列为重点发展的 20 项关键技术之首。

按照陶瓷基体的不同，CMC 一般为氧化物基及非氧化物基两大类，非氧化物基耐高温能力更强。氧化物 CMC，增强材料采用氧化物纤维，基体材料多为高熔点金属氧化物，常用基体有氧化铝（Al2O3）、钇铝石榴石 （YAG）、氧化锆（ZrO2）等；非氧化物陶瓷基复合材主要以 SiC 作为基体，此外还有超高温陶瓷基复合材料。 氧化物 CMC 从材料成分上直接避免被高温氧化的问题，但耐温能力相对较弱，SiC 的高温抗氧化性最强，密度 小，并有较低的热胀系数和较高的热导系数，因此以 SiC 为基体的 CMC-SiC 是研究的重点。

CMC-SiC 按照增强纤维的不同，可进一步分为 Cf/SiC（碳陶）和 SiCf/SiC，后者是近年来研究的热点。 用于增强 SiC 基体的纤维主要为碳纤维和碳化硅纤维，对应的 CMC 分别为 Cf/SiC（碳陶）和 SiCf/SiC，与碳纤 维相比，SiC 纤维在耐氧化、抗蠕变等方面具有显著的优势，同时，SiC 纤维与基体 SiC 具有良好的相容性， 无热膨胀失配等问题。所以自 20 世纪 70 年代末 SiC 纤维实现量产以来，连续碳化硅纤维增韧的碳化硅基复 合材料( SiCf /SiC CMC) 一直是研究热点。

全球 CMC 市场规模高速增长，北美和欧洲占据大部分市场，碳化硅基 CMC 市场占比最高。根据 MARKETSANDMARKETS 统计，2022 年全球 CMC 市场规模为 119 亿美元，统计范围包含 C/C、C/SiC、Ox/Ox、 SiC/SiC。预计 CMC 市场规模将以 10.5%的 CAGR 增长，2028 年达到 216 亿美元。分区域来看，北美和欧洲将 占据大部分市场，分具体产品来看，SiC 作为基体的 CMC 市场占比最高。

目前用于国防与航空航天领域的 CMC 市场占比最高，其次是汽车，能源领域的需求也将持续增长。CMC 极致的耐温性能使其适用于国防与航空航天的严苛工作环境，但因其成本较高，国防与航空航天领域对成本敏 感度相对较低，因此对 CMC 的应用最为广泛。汽车碳陶刹车盘对 CMC 的需求也较大。燃气轮机以及核电领域 对 CMC 的市场需求也将持续扩大。

CMC 组件的制备工艺复杂，壁垒极高。总体来看，陶瓷基复合材料的制备工艺分为纤维制备、预制体编 织、纤维界面层制备、基体制备和增密、机加工成型几步。对于工作环境恶劣的 CMC 组件，如航空发动机热 端部件，还需制备环境障涂层。 氧化物 CMC 和非氧化物 CMC 的制备流程基本一致，但每个环节涉及的具体工艺有所差别。非氧化物 CMC 中，Cf/SiC 和 SiCf/SiC 的制备工艺基本一致，纤维制备过程有所差异，因 SiCf/SiC 是 CMC 研究的重点，所以 下文以 SiCf/SiC 为例描述 CMC 的制备工艺。