CMC组成、分类、应用及市场规模如何？

陶瓷基复合材料主要由陶瓷基体、纤维以及界面层组成。

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。纤维构成陶瓷基复 合材料的骨架，是主要承载单元。基体的主要作用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 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，常用基体有氧化铝（Al2O3）、钇铝石榴 石（YAG）、氧化锆（ZrO2）等，非氧化物 CMC 中 SiC 的高温抗氧化性强，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，此外以氮化硅为增强纤维的 CMC 也在研究应 用中。 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。

 CMC 在航发领域已实现批量应用，航天及核能等领域极具应用前景。（1）航发领域：SiCf/SiC 是航空发动机的热端理想材料，已批量应用于热端静止件。提高涡轮前温度是提高航空发动机综合性能的有效方式，涡轮前温度已逐渐接近高温合金的耐温极限。大 推重比、高效率和长寿命一直都是航空发动机研究领域永恒的追求，而提高涡轮进口燃气温度（TIT）可直接提 升航空发动机的综合性能。在过去八十年里航空发动机涡轮进口前燃气温度急剧提高，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）。

相比高温合金，CMC 具有耐高温、轻量化和寿命长的特点，被各国视为下一代航空发动机战略性热结构材 料。相比于镍基高温合金，CMC 材料有以下显著优势：（1）比高温合金能承受更高的温度（CMC 材料耐温极 限比镍基高温合金提高约 150℃~350℃，潜在使用温度可达 1650℃），可显著减少冷却气消耗量约 15%～25%， 从而提高发动机效率，同时还能减少氮氧化物的排放；（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， 使用寿命长；（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，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。目前，各航空强国普遍认为：CMC 是航空发动机高温结构材 料的关键核心技术之一，直接体现一个国家先进航空发动机和先进武器装备的设计和制造能力。

CMC 是航空发动机的热端理想材料，潜在应用部位为燃烧室/加力燃烧室、涡轮导向叶片、涡轮外环、涡 轮叶片、尾喷管调节片/密封片等，特种航空发动机一般采用 SiCf/SiC 尾喷管以满足隐身性能。对于特种航空发 动机而言，发动机尾喷管是重要红外辐射源之一，因此还需要考虑材料的隐身性能。与 Cf/SiC 以及 Ox/Ox 相比，SiCf/SiC 的吸波性能更好，可实现发动机的隐身，因此特种航空发动机的尾喷一般采用 SiCf/SiC。

对于 CMC 的应用，国外中温中载静止件已进入批产阶段，高温中载件正在进行全寿命验证，高温高载转 动件仍在探索。国外在陶瓷基复合材料构件的研究与应用方面，基于先易后难、先低温后高温、先静子后转子 的层层递进的发展思路，充分利用现有的成熟发动机进行考核验证。首先发展中温（700℃~1000℃）和中等载 荷（低于 120MPa）的静子件，如尾喷口调节片/密封片、内锥体等；再发展高温（1000℃~1300℃）中等载荷静 子件，如火焰筒、火焰稳定器、涡轮导向叶片和涡轮外环等；最后验证高温高载荷（高于 120MPa）的转子件， 如涡轮转子、涡轮叶片。总的来说，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，可以实现减重 50%以上；燃烧室火焰筒和内外衬、导向叶片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，涡轮外环已进入批产阶段；而涡轮转子、涡轮叶片等高温高载荷转动 件尚处于探索研究阶段，使用寿命与应用要求相距甚远。

GE 是目前对于 SiCf/SiC 应用最成功的公司，已将其批量应用于 LEAP、GE9X 和 GE3000。2009 年，该 公司研制的 SiCf/SiC 复合材料低压导向叶片在 F136 发动机上完成验证，并于 2010 年完成首飞。2016 年在 L EAP 发动机的涡轮外环率先使用 SiCf/SiC 复合材料并已批产，显著降低冷气的消耗量并显著改善外环的服役特性和 使用寿命，一台 LEAP 发动机有 18 个 CMC 零件，总重量为 1kg。继而在新型 GE9X 商用发动机的燃烧室内衬 和外衬、两级导向叶片和一级涡轮外环共五个部件使用了该材料，耗油率比 GE90-115B 降低 10%，该型号已于 2020 年获得美国 FAA 适航认证，成为目前世界上推力最大的商用喷气发动机。在燃气轮机方面，H 型燃气轮机 使用了 SiCf/SiC 复合材料涡轮外环，其燃烧效率创造了世界纪录。新一代特种涡轴 GE3000 发动机使用了陶瓷 基复合材料，比 T700 型发动机耗油率降低 25%、全生命周期成本降低 35%，寿命延长 20%，功重比提高 65%。

GE完成了首个 CMC 低压涡轮转子叶片的验证，研制的下一代特种变循环发动机 XA1000 是 CMC 应用最 广泛的发动机。2014 年 GE 航空集团以 F414 发动机为验证平台，在 1650℃下经过 500 个严酷的循环考核，完 成了首个低压涡轮转子叶片的验证。GE 在 XA100 发动机的部件使用 CMC 材料和聚合物基复合材料(PMC)等， 是所有商用或特种发动机中 CMC 使用最广泛的发动机，与之前的产品相比，XA100 发动机的燃油效率提高了 25%，推力提升 10%，散热能力也到了很好的改善。目前已经完成了第二台 XA100 变循环发动机的第三轮测试， 该发动机可用于 F-35 和第六代战斗机。

（2）航天领域：SiCf/SiC 可用于飞行器防热，氮化硅纤维有望制备新一代导弹天线罩。SiCf/SiC 可有效解决高超声速飞行器的防热需求和减重需求。随着航空航天领域的不断发展，各国对高超 声速飞行器等技术越来越重视。由于在长时间飞行、大气层再入飞行和跨大气飞行时面对严重的烧蚀、高速气 流的冲击以及大梯度热冲击的影响，急需一种耐高温、耐烧蚀、抗冲击的材料解决这些问题。SiCf/SiC 复合材 料的耐高温性能可使其作为最新一代的烧蚀防热材料，用于航天飞机、高超声速飞行器等的热防护，同时轻量化的特点还可以有效减轻飞行器的重量。 日本将 SiCf/SiC 复合材料应用于空天飞机 HOPE-X 的平面翼板及前沿曲面翼板等热保护系统上。同时，洛 克希德马丁公司在美国哥伦比亚航天飞机上大量使用了基于 SiCf/SiC 复合材料的耐热瓦，应用效果显著，该飞 行器已执行了近 30 多次任务。

导弹天线罩需要具备承载、耐温、透波、耐蚀等多功能于一体，陶瓷基透波复合材料是天线罩透波材料的 发展趋势。天线罩透波材料的发展主要经历了三个阶段：有机透波材料、陶瓷透波材料、陶瓷基透波复合材料。 从上世纪 80 年代至今，飞行器及导弹飞行速度进一步提升，而单相陶瓷透波材料由于自身性能特点，在高温 下韧性和稳定性不足，逐渐达不到高速飞行所面临的更加恶劣的环境对天线罩材料的要求。因此通过结合各种 陶瓷材料的优点，将材料优化设计组合为一体称为新的研究思路，开始研究制备增强增韧的陶瓷基透波复合材 料。美国与前苏联都先后研发了适用于高速导弹天线罩的陶瓷基透波复合材料并成功应用。

连续 Si3N4 纤维有望替代石英纤维，制备新一代高马赫数导弹天线罩。近年来，超高音速导弹的快速发展 对耐高温透波陶瓷纤维提出了迫切需求。目前，国内外高温透波材料的增强体主要为石英纤维。石英纤维具有 高强度、低密度特性，且介电损耗低，可以实现宽频透波。但是，石英纤维在高于 900℃的温度下会因晶粒粗化 而导致强度迅速下降，从而显著降低复合材料性能。随着中远程精确制导导弹的快速发展，新一代导弹的速度 提高，天线罩的工作温度已经提升到 1000℃以上，且工作环境更加恶劣，这对高温透波材料提出了新的需求。 连续 Si3N4 纤维的耐温性能优于石英纤维，且当碳含量控制在 5 wt% 以下时，纤维具有良好的高温透波性能， 因此有望替代石英纤维，用于制备新一代高马赫数导弹天线罩，氮化硅纤维一般用于增强氮化硼和氧化硅，目 前对于氮化硅纤维天线罩的应用仍处于早期阶段。

（3）核工业领域：SiCf/SiC 辐照稳定性好，是核工业的理想候选材料。在核能领域，SiCf/SiC 复合材料以其高熔点、高热导率、高温稳定性、较小的中子吸收截面、优良的中子辐 照稳定性等优异性能，成为反应堆包层第一壁、流道插件、控制杆和分流器等的理想候选材料。 SiCf/SiC 有望取代锆合金作为水堆燃料原件的包壳材料。核燃料元件是核反应堆的核心组件，它对核反应 堆的经济与安全有直接的影响。目前正在使用的核电站多数是以锆合金为燃料元件的轻水反应堆，然而，锆合 金包壳本身存在着的问题包括吸氢、水中的腐蚀和芯－壳反应等，无法解决核燃料元件的长期安全性问题。 SiCf/SiC 复合材料具有高温蒸汽腐蚀动力学低、中子经济性高、辐照稳定性好、以及优异的高温力学性能等特 点，被认为是理想的核燃料元件包壳材料，有希望代替锆合金应用于轻水堆。美国通用原子公司利用 SiCf/SiC 复合材料制备了具有三层结构的新型水堆燃料元件，内层和最外层为 SiC，中间层为 SiCf/SiC。

此外，碳化硅还在高温气冷堆、熔盐堆、气冷快堆、事故容错材料等方向具有应用前景。目前日本和美国 的应用进度世界领先。

我国航发产业对陶瓷基复合材料的需求或已出现拐点。根据中国航发公众号 2024 年 1 月 3 日的文章，“新 年开工第一天，中国航发航材院表面工程研究所组织各专业组召开工作研讨会，梳理总结前期工作、部署新一 年工作安排。2024 年，面对陶瓷基复合材料迅速增长的研制和交付需求，团队集思广益总结问题，制定调整措 施，形成 2024 年初步工作思路，为任务交付做好全面保障”，表明下游产业对 CMC 的需求拐点或已出现。 军民领域共同驱动航发产业增长，带来海量 CMC 需求。我国航发产业是武器装备中尚未完成升级换代并 且供需缺口仍然很大的领域。十四五期间，产业持续解决供给瓶颈，提升其质量水平，新机配发及旧发更换带 来较大需求；下一代航发产品推进研发进程，新材料新工艺逐渐成熟，或将成为“十五五”期间升级换代、存 量更新的主要增量；同时随着列装规模的逐渐扩大及常态化高强度演训，航空发动机维修需求将持续释放，有 效支撑相关产业中上游业务增长；受国产大飞机产业及低空经济拉动，中国航发集团重点发力民用航发产品。

随着 CMC 在航发领域渗透率的持续提高，军民用航发有望打开 CMC 的市场需求空间。 商业航天领域催化剂频出，有望推动卫星和火箭对于 CMC 的需求增长。政策端，2024 年政府工作报告提出，积极打造商业航天等新增长引擎。商业航天作为战略性新兴产业，得到了国家的高度重视和支持。火箭发 射端，海南国际商业航天发射中心一号发射工位已经正式竣工，这标志着中国首个商业航天发射场在形成发射 能力过程中取得了关键进展；位于宁波象山的中国第五座航天发射场建设有序推进。企业端，国央企集团加速 布局商业航天，卫星制造端与火箭发射端加速补齐短板，航天科技集团于今年 9 月分别成立了商业卫星公司与 商业火箭公司。随着我国商业主体性确定，行业整体有望加速发展。

同时，随着供应链的变革，由传统军工供 应链体系转向商业与民营市场，成本与效率有望大幅提升。产品端，在刚结束的第十五届珠海航展上，嫦娥六 号探测器、鹊桥二号卫星、重型运载火箭等重磅展出，可重复运载火箭、80 吨级可重复使用液氧甲烷发动机等 与公众见面，展现了航天重大工程任务和可重复使用火箭领域取得的进展和突破。CMC 可用于卫星镜筒、火箭 发动机喷管以及作为飞行器的防热材料，商业航天的蓬勃发展有望带动 CMC 的需求快速增长。 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。未来燃气轮机以及核电领域对 CMC 的市场需求也将持续扩大。