一、陶瓷基復(fù)合材料為新型戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)材料，耐高溫、抗氧化等性能優(yōu)異
陶瓷基復(fù)合材料（CeramicMatrixComposites,CMC)為新型戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)材料，是指在陶瓷基體中引入增強(qiáng)材料，形成以引入的增強(qiáng)材料為分散相，以陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料。陶瓷基復(fù)合材料因具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、耐高溫、輕量化和抗氧化等優(yōu)異性能，使其在航空航天、能源、交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
陶瓷基復(fù)合材料性能
| 性能 | 相關(guān)情況 |
| 高強(qiáng)度 | CMC的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于一般的金屬材料和塑料材料，具有較好的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性，能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。 |
| 高硬度 | CMC的硬度較高，比普通的金屬材料和塑性材料具有更高的抗磨損性能，在摩擦副界面應(yīng)用廣泛。 |
| 高耐磨性 | CMC具有很好的耐磨性能，能夠在惡劣的環(huán)境中保持較長時間壽命。 |
| 耐高溫 | CMC在物理或化學(xué)性質(zhì)方面相較于碳/碳材料和高溫合金均有顯著提升。與高溫合金相比，其將服役溫度從600-1300℃提升至1150-2000℃的區(qū)間。這一性能的突破為航空發(fā)動機(jī)和燃機(jī)效率的提升提供關(guān)鍵條件，使其在高溫領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。 |
| 輕量化 | 與高溫合金材料相比，部分陶瓷基復(fù)合材料部件能夠減重30%到50%。在航空航天領(lǐng)域，航空發(fā)動機(jī)和航天熱防護(hù)部件的減重可以提供更好的推重比或增加有效載荷，從而直觀地提升應(yīng)用端性能。 |
| 抗氧化性 | 與碳/碳材料相比，CMC在高溫環(huán)境下具有更好的氧化穩(wěn)定性。這使得其能夠在高溫氧化環(huán)境中長期使用，同時降低對熱防護(hù)涂層研發(fā)和應(yīng)用的成本要求，提高材料在高溫環(huán)境下的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。 |
| 可設(shè)計性 | 纖維紡織技術(shù)的引入使CMC可設(shè)計性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性大幅提高，材料設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計耦合性提高，可根據(jù)不同部件的性能需求設(shè)計可達(dá)到最佳的熱/力特性匹配。 |
資料來源：公開資料，觀研天下整理
根據(jù)觀研報告網(wǎng)發(fā)布的《中國陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研與投資趨勢研究報告（2025-2032年）》顯示，陶瓷基復(fù)合材料是繼金屬材料之后的無機(jī)非金屬材料中最重要的材料之一。通常而言，陶瓷基復(fù)合材料主要由纖維增強(qiáng)體、陶瓷基體和界面三部分組成。其中增強(qiáng)體作為分散相，起到承載和增韌的作用，常見有碳纖維、碳化硅纖維、氮化硅纖維、氧化物纖維等；陶瓷基體作為連續(xù)相，主要成分為陶瓷，起到保護(hù)纖維和傳遞載荷的雙重作用；界面層位于纖維和陶瓷基體之間，起到傳遞載荷、阻止裂紋擴(kuò)展和阻擋外部環(huán)境侵害的作用，對于非氧化物陶瓷基復(fù)合材料，常用的界面層體系有熱解碳界面層、氮化硼界面層和復(fù)合界面層。
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二、陶瓷基復(fù)合材料細(xì)分種類眾多，不同特點引領(lǐng)差異化應(yīng)用
陶瓷基復(fù)合材料按照不同增強(qiáng)體與基體的組合分，可分為碳纖維碳化硅基復(fù)合材料（Cf/SiC）、碳化硅纖維碳化硅基復(fù)合材料（SiCf/SiC）、超高溫陶瓷復(fù)合材料、氧化物纖維/氧化物陶瓷基復(fù)合材料等。不同的陶瓷基復(fù)合材料具有不同的性能特點，應(yīng)用場景也存在差異。如Cf/SiC材料常在航空航天器的熱防護(hù)系統(tǒng)及汽車的剎車盤中使用；SiCf/SiC材料常在航發(fā)核心熱端部件如燃燒室、渦輪葉片中使用。
陶瓷基復(fù)合材料分類及其應(yīng)用領(lǐng)域
| 類型 | 相關(guān)概述 | 應(yīng)用領(lǐng)域 |
| 碳纖維碳化硅基復(fù)合材料（Cf/SiC） | 是一種耐1650℃高溫的新型結(jié)構(gòu)材料，由碳纖維增強(qiáng)體與碳-碳化硅雙基體構(gòu)成。這種復(fù)合材料以引入的碳纖維為分散相，以SiC陶瓷為連續(xù)相，從而充分利用了碳纖維的增強(qiáng)作用，保持高溫性能，提高韌性和強(qiáng)度。 | 常在航空航天器的熱防護(hù)系統(tǒng)及汽車的剎車盤中使用 |
| 碳化硅纖維碳化硅基復(fù)合材料（SiCf/SiC） | 是以碳和硅為主要成分的陶瓷纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫及抗氧化特性，可在1200℃以上環(huán)境中長期穩(wěn)定使用。 | 常在航發(fā)核心熱端部件如燃燒室、渦輪葉片中使用 |
| 超高溫陶瓷復(fù)合材料 | 是以鋯(Zr)、鉿(Hf)和鉭(Ta)等過渡金屬的碳化物或硼化物等陶瓷相為基體，具備抗熱震性、抗氧化、耐燒蝕特性。 | 用于滿足固體火箭發(fā)動機(jī)、火箭燃燒室以及高超聲速飛行器等對熱結(jié)構(gòu)、熱防護(hù)材料要求更高領(lǐng)域 |
| 氧化物纖維/氧化物陶瓷基復(fù)合材料 | 是一種以氧化物為基體和增強(qiáng)材料的復(fù)合材料。這類材料通常具有高的硬度、強(qiáng)度和耐磨性，同時保持了氧化物的化學(xué)穩(wěn)定性。同時，長時耐溫能力略低于SiCf/SiC復(fù)材（約為1150℃)，密度在2.5-2.8g/cm3，相較于SiCf/SiC復(fù)材具備低成本優(yōu)勢。 | 主要應(yīng)用于航空航天、核能、電子封裝及牙科修復(fù)等領(lǐng)域 |
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三、航空航天引領(lǐng)需求提升，全球陶瓷基復(fù)合材料將迎來高速發(fā)展期
陶瓷基復(fù)合材料作為新型戰(zhàn)略性熱結(jié)構(gòu)材料,憑借其卓越的性能和廣泛的應(yīng)用前景,正迎來高速發(fā)展的黃金時期。2019-2023年我國陶瓷基復(fù)合材料市場規(guī)模從697.8億元增長至775億元，年復(fù)合增長率為2.7%。而預(yù)計2024-2031年復(fù)合增速將超過10%。
目前在陶瓷基復(fù)合材料的下游市場中，航空航天市場占據(jù)主導(dǎo)地位。數(shù)據(jù)顯示，在2023年全球陶瓷基復(fù)合材料的下游應(yīng)用中，航空航天占比最大43%，引領(lǐng)著市場需求提升；其次為能源動力，占比23%。
數(shù)據(jù)來源：PrecedenceResearch，觀研天下整理
航空航天領(lǐng)域：
陶瓷基復(fù)合材料（CMC)由于具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、熱化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，是制造推重比10倍以上航空發(fā)動機(jī)的理想耐高溫結(jié)構(gòu)材料。
目前陶瓷基復(fù)合材料是高溫渦輪關(guān)鍵材料。據(jù)航空發(fā)動機(jī)技術(shù)人員表示，發(fā)動機(jī)渦輪前溫度提高100度，發(fā)動機(jī)推力可以提高20%左右，而第6代戰(zhàn)斗機(jī)采用的高推重比發(fā)動機(jī)渦輪前溫度將會突破2000度，對高溫渦輪提出更高要求。制造耐溫度能力更強(qiáng)、重量更輕、使用壽命更高的高溫渦輪就成為第6代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)瓶頸，而陶瓷基復(fù)合材料就是制造這種高溫渦輪的關(guān)鍵材料。
C/SiC復(fù)合材料代替飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)原有金屬材料，能夠降低50%的質(zhì)量，提高系統(tǒng)安全性和可靠性。用C/SiC復(fù)合材料代替原有金屬材料能夠通過延長使用時間降低成本，同時實現(xiàn)耐燒蝕、隔熱、承載等結(jié)構(gòu)功能一體化。C/SiC復(fù)合材料是目前研究最多、應(yīng)用最成功且最廣泛的陶瓷基復(fù)合材料。
陶瓷基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用
| 產(chǎn)品領(lǐng)域 | 應(yīng)用示例 | 應(yīng)用優(yōu)勢 |
| 飛行器熱防護(hù)系統(tǒng) | 美國X-33、X-37和X-38熱防護(hù)系統(tǒng)使用C/SiC復(fù)合材料，如鼻錐、熱防護(hù)面板、副翼等德國DASA公司制造的飛行器防熱構(gòu)件（機(jī)翼前緣和防熱面板）測試發(fā)現(xiàn)在1,600℃空氣中暴露30min后強(qiáng)度保留率仍達(dá)80%日本試驗空間飛機(jī)HOPE-X的第二代熱結(jié)構(gòu)材料使用了C/SiC取代剛性陶瓷瓦作為熱防護(hù)面板 | 利用C/SiC復(fù)合材料代替飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)原有金屬材料能夠降低50%的質(zhì)量，提高系統(tǒng)安全性和可靠性，通過延長使用時間降低成本，同時實現(xiàn)耐燒蝕、隔熱、承載等一體化結(jié)構(gòu)功能 |
| 航空航天發(fā)動機(jī) | 美國和法國以推重比8-10航空發(fā)動機(jī)為演示平臺，對噴管、燃燒室和渦輪進(jìn)行大量應(yīng)用驗證SiC/SiCCM已在工作溫度超過2000°F(1093℃)的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)熱端部件上取得應(yīng)用，其工作溫度比金屬高200-500℃F | 在航空發(fā)動機(jī)上，陶瓷基復(fù)合材料主要用于熱端部件，如噴管、燃燒室、渦輪和葉片等，可提高工作溫度潛力400-500℃，結(jié)構(gòu)減重50%-70%。迄今為止陶瓷基復(fù)合材料的使用溫度已可達(dá)到1650℃或更高，用陶瓷發(fā)動機(jī)代替金屬發(fā)動機(jī)，燃油消耗可降低10%-20%，功率提高30%以上，在節(jié)能環(huán)保上體現(xiàn)出巨大效益 |
| 空間探測領(lǐng)域 | 應(yīng)用于超輕結(jié)構(gòu)反射鏡框架和鏡面底襯 | 陶瓷基復(fù)合材料具有重量小、強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)小和抗環(huán)境輻射等優(yōu)點，有望解決大型太空反射鏡結(jié)構(gòu)輕量化和尺寸穩(wěn)定性的難題 |
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我國高度重視航空航天發(fā)展，給陶瓷基復(fù)合材料帶來廣闊市場空間。一方面，當(dāng)前我國軍用飛機(jī)數(shù)量及代次與美國差距較大，先進(jìn)軍機(jī)更新迭代需求迫切。根據(jù)《世界空軍2024》披露數(shù)據(jù)，2023年底美國軍機(jī)保有量總計12603架，而中國軍機(jī)保有量總計僅3294架，我國包括戰(zhàn)斗機(jī)、特種任務(wù)機(jī)、運輸機(jī)、武裝直升機(jī)和教練機(jī)在內(nèi)的各類軍機(jī)數(shù)量均與美國有著巨大差距。在代次結(jié)構(gòu)上，中美軍機(jī)代差明顯，美國戰(zhàn)斗機(jī)保有量為2750架，主要為第三代與四代戰(zhàn)斗機(jī)，二代戰(zhàn)機(jī)基本淘汰；我國戰(zhàn)斗機(jī)保有量為1578架，主要仍為第二代和三代戰(zhàn)斗機(jī)，整體水平比美國落后一代，升級換裝需求迫切。
未來裝備費用增速有望加快，有力保障軍機(jī)升級換代要求。在“三步走”戰(zhàn)略的指導(dǎo)下，我國國防預(yù)算穩(wěn)步增長，2024年國防預(yù)算為16655.4億元，同比增長7.2％，2025年這一數(shù)據(jù)達(dá)到了17846.65億元。預(yù)計未來我國國防支出將從“補(bǔ)償期”轉(zhuǎn)向“趕超期”，國防預(yù)算增速有望超過GDP增速，結(jié)合裝備費占比不斷提升，裝備費用將有力保障軍機(jī)升級換代要求。
數(shù)據(jù)來源：公開數(shù)據(jù)，觀研天下整理
另一方面，隨著民用航空運輸周轉(zhuǎn)率快速增加，我國民用客機(jī)需求也在上升。根據(jù)《2023年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，截至2024年底，我國民航客機(jī)機(jī)隊規(guī)模為4394架；根據(jù)航空工業(yè)發(fā)布的《中國商飛公司2022-2041年民用飛機(jī)市場預(yù)測年報》，預(yù)計到2042年將會增加至9171架，包括渦扇支線客機(jī)898架，單通道噴氣客機(jī)6451架以及雙通道噴氣客機(jī)1822架，中國航空市場正在從高速增長轉(zhuǎn)向高質(zhì)量增長。
此外，隨著衛(wèi)星遙感產(chǎn)業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，對高性能材料的需求將進(jìn)一步增加，陶瓷基復(fù)合材料作為理想的空間相機(jī)結(jié)構(gòu)材料，有望在該領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用和更大的市場份額。目前衛(wèi)星遙感已在自然資源、生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)農(nóng)村、住房城鄉(xiāng)建設(shè)、氣象、海洋等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，未來有著廣闊發(fā)展前景。
能源領(lǐng)域：
C/SiC和SiC/SiC可用于核聚變反應(yīng)堆第一壁構(gòu)件，適應(yīng)高溫輻照環(huán)境。此外，由于陶瓷基復(fù)合材料優(yōu)良的耐磨損和抗腐蝕性能，在石油化工領(lǐng)域可作為重要的結(jié)構(gòu)件。
當(dāng)前新型核能系統(tǒng)，如四代核電和聚變堆，正處于快速發(fā)展階段。2023年我國在建核電工程穩(wěn)步推進(jìn)，全年新開工核電機(jī)組5臺，核電工程建設(shè)投資完成額949億元，創(chuàng)近五年最高水平；商運核電機(jī)組繼續(xù)保持安全穩(wěn)定運行，額定裝機(jī)容量5703萬千瓦，位列全球第三。截至2024年底，我國在建核電機(jī)組27臺，連續(xù)第18年位居全球第一位。
而從長遠(yuǎn)的核能發(fā)展趨勢來看，未來將朝著更高效、安全和可持續(xù)的方向發(fā)展。目前全球眾多現(xiàn)役核電站在長期運行后面臨部件老化、性能下降等問題，急需升級改造。反應(yīng)堆的一些結(jié)構(gòu)部件采用CMC復(fù)合材料后，將由于其高耐久性延長核電站使用壽命，降低維護(hù)成本和安全風(fēng)險。同時，在提高發(fā)電效率方面，基于其良好的熱導(dǎo)率，用于熱交換部件能優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換過程，提升發(fā)電效能，使核電站在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高電力輸出，滿足能源市場不斷增長的需求，這將促使核電站在升級改造中對CMC復(fù)合材料的需求大幅增加。
四、我國研究起步較晚但發(fā)展快，目前已建成相對完善的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈
我國陶瓷基復(fù)合材料發(fā)展起步相對較晚，于20世紀(jì)80年代才開始發(fā)展，且當(dāng)時主要是高校和科研院所開展基礎(chǔ)研究工作。但近年來，在政策推動以及市場需求驅(qū)動下，相關(guān)企業(yè)通過持續(xù)投入研發(fā)、加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作等方式，行業(yè)得到了較大發(fā)展，并在技術(shù)追趕方面實現(xiàn)了多個關(guān)鍵技術(shù)突破，國產(chǎn)替代進(jìn)程不斷加速。
例如在SiC纖維方面：我國已形成以國防科大、廈門大學(xué)和中南大學(xué)為研發(fā)中心的三個產(chǎn)業(yè)集群。其中第二代碳化硅纖維已發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)趨于成熟，火炬電子、蘇州賽菲和眾興新材均建成年產(chǎn)10噸級產(chǎn)線；第三代碳化硅纖維也實現(xiàn)了技術(shù)突破，實驗室研發(fā)產(chǎn)品與日本同類型產(chǎn)品水平相近，不過目前僅火炬電子實現(xiàn)量產(chǎn)，國內(nèi)供應(yīng)高度依賴進(jìn)口，國產(chǎn)替代空間巨大。
在Si3N4纖維方面：國內(nèi)主要研制單位為山東工陶院、國防科技大學(xué)和廈門大學(xué)，已具備批產(chǎn)能力。雖然國內(nèi)Si3N4纖維的發(fā)展稍晚于國外，但是基礎(chǔ)研究發(fā)展很快，基本形成了與美、日、德、法并跑的科研格局。
在AI2O3纖維方面：2022年，上海榕融新材料先進(jìn)制造基地一期項目在臨港新片區(qū)落成投產(chǎn)，項目產(chǎn)能可達(dá)700噸，成功突破了國內(nèi)AI2O3纖維長期無法實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的技術(shù)瓶頸。該項目的投產(chǎn)使上海榕融成為世界第三家、中國第一家具有AI2O3連續(xù)纖維量產(chǎn)能力的企業(yè)，填補(bǔ)了國內(nèi)高性能纖維材料的行業(yè)空白，為AI2O3/AI2O3CMC的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
在碳化硅纖維方面：湖南澤睿新材料有限公司已經(jīng)突破“異質(zhì)元素?fù)诫s”產(chǎn)業(yè)技術(shù)，可提供國內(nèi)種類最全和產(chǎn)能最大的摻雜系列碳化硅纖維。Zerafber®S20和Zerafber®S10兩款高性價比摻雜碳化硅纖維，能夠在800-1200℃的空氣中長時間使用，國內(nèi)首次將碳化硅纖維價格降低至萬元以下。
另外在制備工藝上：CVI工藝已實現(xiàn)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。在剎車、飛行器防熱等領(lǐng)域，碳陶剎車盤已批量應(yīng)用于汽車、飛機(jī)和高鐵等。在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域，第三代SiC纖維的生產(chǎn)以及CMC在航發(fā)上尚未實現(xiàn)規(guī)?；こ虘?yīng)用。
目前我國已建成相對完善的陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈。具體來看，我國陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈包括上游的陶瓷基體、PCS（既可作為陶瓷基體，也可用于制備增強(qiáng)纖維的原材料）、增強(qiáng)纖維材料等；中游為陶瓷基復(fù)合材料制備；下游則為應(yīng)用領(lǐng)域，包括航空航天、核能、剎車系統(tǒng)等領(lǐng)域。
資料來源：公開資料，觀研天下整理
值得注意的是，雖然近年我國陶瓷基復(fù)合材料已在多個關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破，但當(dāng)前該領(lǐng)域仍處于市場開發(fā)階段，企業(yè)數(shù)量較少、單體規(guī)模較小，主要由依托高校及科研院所開展產(chǎn)學(xué)研合作的民營企業(yè)和軍工央企集團(tuán)子公司和下屬科研單位主導(dǎo)。未來，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合將成為新進(jìn)入者推動CMC市場突破的重要途徑。（WW）
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