CMC材料性能、制备步骤及供需情况如何？

陶瓷基复材相比其他高温热结构材料，耐高温、抗氧化性能优越，具有较高比强 度和比刚度。

1.CMC材料：新型战略性热结构材料，工程化应用是攻关重点

性能优异：新型战略性热结构材料，耐高温/抗氧化性能突出

陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites, CMCs)是战略性高温 热结构材料。 在三大材料体系（金属材料、有机材 料、无机材料）中，陶瓷与水泥、玻 璃等同属无机材料门类。先进陶瓷和 陶瓷基复合材料是一种全新的结构材 料，历经近40年发展，陶瓷基复合材 料已在航空航天、交通运输、新能源 等领域实现工程应用或工程验证，是 最重要的高温热结构材料之一。

陶瓷基复材相比其他高温热结构材料，耐高温、抗氧化性能优越，具有较高比强 度和比刚度。 耐高温蠕变、抗氧化：CMC材料工作温度可达1600℃，可有效提高飞行器在高温 环境下的使用寿命；且CMC材料能够在高温有氧环境下保持较高的稳定性，一定程 度上减少了环境障涂层的使用成本。 低密度：CMCs自身具有低密度的特点，其重量约为高温合金的1/3，因此具有较 高的比强度，可有效减轻结构件的质量。

陶瓷基复合材料由增强体、界面层和陶瓷基体组成，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。 1）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。 2）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。 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。 通过陶瓷基体与增强体的结合，使得CMC材料在保证陶瓷耐高温、高强度和低密度性能前提下，克服了传统陶瓷的疲劳特性和韧性 问题。

工艺壁垒：SiC纤维制备居核心地位，联用工艺是CMC制备长期趋势

由于SiCf /SiC复材在航空涡轮发动机热端部件和新型空天飞行器防热结构等领域具有广泛应用前景，我们以SiCf /SiC复材为例探讨 CMC材料的发展及制备工艺。 SiCf /SiC复合材料的制备流程大致分为纤维(束)编织成预制体、制备纤维表面的界面层、基体增密、机加工成型和环境障涂层制备等 五个主要步骤。

SiC纤维制备：居CMC材料制备流程的核心地位，国外已实现三 代连续SiC纤维的工业化生产与应用。 制备工艺：先驱体转化法具备生产效率高与成本低优势。目前SiC 纤维的制备方法主要有化学气相沉积（CVD）法和先驱体转化法。① CVD法：最早制备SiC纤维的方法，其制备的SiC纤维纯度较高，但由 于直径较粗无法进行编织，且成本较高，应用受到限制。②先驱体转 化法：与CVD法相比，先驱体转化法生产效率高、成本低，适合于工 业化生产，是目前采用广泛且技术最成熟的制备方法。 研究进展：根据其化学成分、氧含量和C/Si原子比，SiC纤维主要 分为三代。①第一代：高氧高碳SiC纤维；②第二代是低氧高碳SiC纤 维；③第三代是近化学计量比的SiC纤维。国外已经实现了三代连续 SiC纤维的工业化生产与应用，SiC纤维的制造企业主要集中在日本和 美国，包括日本碳公司（Nippon Carbon）、日本宇部公司（Ube Industries）和美国道康宁公司（Dow Corning）等，纤维商品号为 Nicalon系列、Tyranno系列和Sylramic。 国内方面，上世纪90年代起，国防科技大学实现第一、二代SiC纤维 工程化，第三代SiC纤维中试研制，同时与宁波众兴签署合作协议， 开展第二代SiC纤维产业化。本世纪初，厦门大学与开始进行SiC纤维 研制，后与福建立亚新材合作，建成了第二代、第三代SiC纤维商品 化生产线。

2.需求驱动：航发迭代驱动产业化拐点，先进核能/航天市场广阔

航发CMC材料：有望于热端取代高温合金，全球工程化应用持续推进

新一代航发向高效化和轻量化的方向发展，高温合金应用遇到瓶颈。 瓶颈一：推重比提升→涡轮进口温度提高，未来高推重比发动机远超高温合金耐温极限。 第四代战机F22的发动机F119推重比为10，其涡轮进口温度达1900K。面向未来的推重比12-15的发动机涡轮进口平均温度超过2000K，推重 比15-20以上的发动机涡轮进口温度最高可达2200K-2450K，远超高温合金材料的耐温极限（单晶材料：1350K）。 瓶颈二：高推重比发动机的冷气量不增反减，结构重量大幅降低，高温合金密度不占优势。

因具有优异的热/力学性能，CMC材料被视为军用/商用航空发动机核心机热端结构最理想的材料。 相比镍基高合，CMC有以下显著优势：1）能承受更高的温度（CMC材料耐温极限比镍基高温合金提高约150K，可达1500K），可显著减少 冷却气消耗量约15%-25%，从而提高发动机效率；2）CMC材料密度（2.0-2.5g/cm3）为高温合金的1/4-1/3，可以显著降低发动机重量（发 动机减重30%-70%）从而大幅提高推重比；3）高温下优异的持久强度；4）可设计性强，纤维纺织技术的引入使CMC可设计性和结构适应性 大幅提高，材料设计和结构设计耦合性提高，可根据不同部件的性能需求设计可达到最佳的热/力特性匹配。

国外CMC材料在航发中温中载静止件上应用已进入批产阶段，高温中载静 止件正进行全寿命验证。 20世纪50年代起，欧美国家就已展开了CMC在航空发动机热端部件上的应用尝试，现 阶段发达国家已实现 CMC 材料从低承力部件（尾喷管，火焰筒）发展到高承力部件 （涡轮导向器叶片和涡轮转子叶片）的工程化应用。航空发动机喷管调节片/密封片等中 温中等载荷静止件已完成全寿命验证并进入实际应用和批量生产阶段，燃烧室火焰筒和 内外衬等高温中等载荷静止件正进行全寿命验证，有望进入实际应用阶段。

全球开展航发CMC材料研究与应用的企业中，GE公司走在世界前列，其余 航发巨头抓紧CMC材料布局。 ·GE公司：1）军用航发方面，2009年GE公司研制的SiCf /SiC复材低压导向叶片在 F136发动机上完成验证并于2010年完成首飞。2014年GE公司以F414发动机为验证平 台，开展了涡轮转子叶片的试验。2）商用航发方面，2016年在LEAP发动机的涡轮外环 率先使用SiCf /SiC复材并已批产，继而在新型GE9X商用发动机的燃烧室、 导向叶片、 涡轮外环等结构使用了该材料。3）燃气轮机方面，H型燃气轮机使用了SiCf/SiC复材涡 轮外环。 2016年以来，GE公司先后建立了涵盖“碳化硅纤维-预浸料-结构件”全流程 的4个工厂，产量预计达到每年 2 万件以上。法国赛峰：SiCf /SiC复材主要践行者之一，掌握CVI工艺并首先应用于M88-2发动机尾 喷管外调节片。此后该公司研制的SiCf /SiC复材的内调节片在F-15/16飞机上进行试飞。罗罗公司：2014年收购美国专门从事SiCf /SiC复材研发的Hyper-Therm公司，进行了 大规模扩建及考核验证工作，并在Advance及Ultra-fan等新型号中开展涡轮外环的验证 工作。同时，罗罗公司与波音公司合作，研发出的氧化铝纤维增强氧化铝的内锥体，并 借助Trent1000发动机平台，于2013年年底在波音787客机上进行飞行测试。

高温结构吸波材料：CMC材料具备防热/隐身/结构性能一体化优势

随着超声速巡航导弹、新一代隐身战机等高马赫数飞行器的迅速发展，对飞行器 高温部位的隐身能力提出更高的要求。武器装备需要隐身的部位按照工作温度划分， 可分为常温和高温两类。1）常温下，绝大多数吸波材料特别是磁性吸收剂填充树脂基 复合材料具有优异的吸波性能。2）对于以高马赫数飞行的飞行器表面、发动机尾喷管、 巡航导弹端头冒等工作温度达 700℃甚至 1000℃以上的部位而言，传统的磁性吸收剂 以及聚合物等因为化学分解和性能下降等因素已经不能满足吸波材料的使用要求（整体 性、高温强度、耐烧蚀性、吸波性能）。

当CMC材料替代金属部件用作高温吸波结构材料时，可在满足部件热、力使用性 能要求的前提下赋予其雷达隐身功能，且不会增加装备重量。纤维增强吸波陶瓷基 复合材料是可承受热、力载荷，具备吸波功能，并可维持外形的一类结构功能一体化高 温吸波材料。与高温吸波涂层相比，高温吸波结构材料的典型特征是具备承载功能，可 用于制造隐身飞机和巡航导弹的头锥、尾翼、鱼鳞板及尾喷管等。

国外研究方面，CMC材料是国外研制高温吸波材料的主要方向。美国洛马公司将 CMC材料制成的吸波结构用于F-117A飞机的尾喷管，可承受1093℃高温；采用SiC和 聚醚醚酮混杂纤维增强的结构吸波材料适宜制造巡航导弹头锥和火箭发动机壳。法国马 特拉防御公司开发的Matrabsorb系列500高温吸波材料可在1000℃条件下使用，用于亚 音速导弹喷管、进气道等高温部位。法国SEP公司制造的C/SiC复材喷瓣、尾喷管调节 片已用在Rafel 战斗机M88SNEMA发动机和Mirage2000战斗机M53发动机上。

国内对高温结构吸波材料的研究起步较晚，侧重于SiCf /SiC复材。目前国内对纤维 增强吸波陶瓷基复合材料较少，西北工业大学和国防科技大学开展了较为系统的研究， 虽然与国外耐高温结构吸波材料的研究尚有较大差距，但为发展防热/隐身/结构性能一 体化的陶瓷基复合材料奠定了基础。

核能CMC材料：SiCf /SiC复材是先进核能系统候选结构材料

SiCf /SiC复材以其优异高温强度、辐照稳定性、化学稳定性和低感生放射性, 成为聚变堆和先进裂变反应堆重要的候选结构材料。2011年日本福岛核事故后，核能界对核燃料安全提出了更高的要求，美国能源部（DOE）率先提出事故容错燃料概念，可显著提 高核燃料在正常工况下的经济性及在事故工况下的安全性，被视为核能发展的里程碑变革，也是国际核电强国争相竞逐的核心技术， 其中SiCf /SiC复材被认为是一种理想的事故容错核燃料（ATF）包壳材料。此外，随着第四代先进核能系统的发展，SiCf /SiC复材也成为其中关键结构部件的重要候选材料，如作为高温反应堆的核燃料/吸收 体的包壳材料、铅基堆的结构容器材料和熔盐堆的热工水力段等。此外，由于SiCf /SiC复材具有良好辐照稳定性、低的氚渗透率和诱 导辐射，被认为是很有前景的核聚变堆候选材料，其在聚变堆中的应用主要是在包层的第一壁、偏滤器以及流道插件等部件上。

3.供给格局：GE全流程自主供应领跑全球，国内产学研协同初具批产基础

海外经验：GE航发CMC领先全球，产业化组织“内外兼修”

历经30年布局，GE航空在航发CMC材料技术成熟度和应用程度上领先全球，并正致力于扩大CMC应用范围。 发展历程：20世纪90年代GE公司开始研发CMC制备技术，自2007年GE航空集团从GE能源集团接手陶瓷基复合材料产品部以来， 公司在航发CMC上的应用研究与开发取得长足进步，目前GE公司正致力于研究和扩大CMC的应用范围。 产品应用：首个投入使用的CMC零件是LEAP发动机的高压涡轮一级外环，每台LEAP发动机有18个外环来引导气流，保障涡轮叶 片的效率。GE航空在航空发动机中使用CMC的零件包括燃烧室衬管、导向叶片、整流罩、转子叶片、加力燃烧室冷却流道、尾喷口 叶片。2020年初，世界上最大最先进和效率最高的双发飞机波音777X飞机顺利完成首飞，搭载的发动机GE9X是目前世界上最大的 全新一代商用航发，其燃烧室和高压涡轮部分采用CMC材料，GE9X发动机的重量比采用高温合金减轻约1/3，减小冷气消耗量达 15%，燃油消耗显著降低。同时发动机推力、推重比和燃油热效率均取得显著提高，在世界航空发动机发展中具有里程碑意义。

国内供给：“产学研”协同工程化攻关，细分龙头初步具备规模生产能力

国内航空/航天/核能CMC产业链企业较为集中，民企依托高校/科研院所进行产学研合作，体制内多以军工央企集团下属科研单位 为主。 上游SiC纤维：国内碳化硅纤维生产企业主要有火炬电子、宁波众兴、湖南泽睿，分别为国防科大、厦门大学、中南大学对应产业化平台。 CMC材料/构件：国内CMC材料/构件生产研制机构包括：1）民企：西安鑫垚（背靠西工大）、上海瑞华晟（华秦科技子公司，背靠中科 院上硅所）、睿创新材（背靠中科院上硅所）；2）中国航发、中航工业、航天科技、航天科工、中广核、中核集团等军工央企下属科研单位。