经过漫长的发展，现代陶瓷完成了在性能和结构上的飞跃，在人们生活的方方面面扮演着重要的角色。现代陶瓷材料耐高温、硬度高、耐磨损、耐腐蚀、相对密度轻，这些优良性能使它脱颖而出。但陶瓷的一大特性——脆性，又令陶瓷材料的使用受到限制。在这样的背景下，陶瓷基复合材料应运而生。

1、什么是陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料根据成分可以分为氧化物陶瓷基复合材料和非氧化物陶瓷基复合材料两大类。氧化物陶瓷基包括氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化锌、氧化锰等；非氧化物陶瓷基包括氮化硅、氮化硼、碳化硅、硫化钼等。在应用中，最重要的技术是对陶瓷粉体材料进行改性与包覆。改性与包覆工艺主要解决两个问题：一是超细粉体或晶须会出现严重的团聚，团聚的粉体与所复合的材料难以进行有效链接；二是超细粉体或晶须与所复合的材料亲和性不好。两者在相互混合时，界面出现间隙且处于分离状态不能相容。上述两个问题如能得到解决，所生产的复合材料就能获得比较高的性能。

在陶瓷基复合材料中，先进陶瓷成分的加入，使其应用范围超越了很多常规材料，并展现出更加优异的综合性能。

2、陶瓷基复合材料的应用

在航天工业中，陶瓷基复合材料可用于“烧蚀材料”。当宇宙航天器完成任务返回地球时，稠密的大气层是它的必经之地。高速的飞行速度使航天器和空气之间产生强烈的摩擦，由此而放出的热量瞬间可高达8000～10000℃，“烧蚀材料”此时吸收大量的热烧掉自己的一部分，同时使周围的温度降低以保证航天器本体安然无恙。

在现代航空工业中，陶瓷基复合材料以密度小、强度高、易成型、价格合理的综合性能占领了其工业领域的巨大空间。据了解，美国生产的B-2隐身轰炸机，其机体的结构材料几乎全是复合材料。

在新能源领域，风力发电机叶片是最基础和最关键的部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。陶瓷基复合材料的工艺性好、成本低、密度小、维护费用低、耐雷击、耐腐蚀、耐紫外线、力学性能优异，使其成为大型风力发电机叶片的主导产品。

汽车轻量化是新能源汽车的一个重点发展方向。陶瓷基复合材料的应用，使降低原材料成本、提高使用效率事半功倍。国外曾有学者研究：一辆整备质量1550kg的新能源电动车，车载动力电池450kg，一次充电续驶里程为186km。利用碳纤维复合材料使其轻量化后，整车减重至1011kg，减重幅度达34.8%，同样充一次电，续驶里程增至275.5km，增加了89.5km，提高了48.1%。如果维持一次充电续驶里程186km不变，则动力电池仅需250kg就能达到目标，电池质量可减少200kg，减少了44.4%，相应的电池成本也将下降44%，这是一个非常了不起的降本绩效。

更令人兴奋的是，研究发现，减重后整备质量为805kg的新能源电动车（包括250kg电池），由于自重的降低，导致能耗大幅降低，其电池能量密度只要达到250Wh/kg，充一次电就能续驶里程450km，达到传统汽油发动机车辆加满汽油后能够行驶的里程数，这使得高性能电池的研究难度大大降低。

根据B&S报告《Ceramic Matrix Composites Market-Global Forecast to 2026 and 2031》，2020 年全球陶瓷基复合材料市场需求为2400吨，预计到2026年全球市场规模将达到4900 吨，2021年起，复合增长率将达11%。产业信息网研究数据表明，预计我国“十四五”期间内对陶瓷基复合材料的需求量将达100 吨/年，且未来10年仅航发市场对CMC的需求将递增10 倍。

3、陶瓷基复合材料是下一代战略性热结构材料

陶瓷基复合材料性能优越，是实现航发减重增效的先进材料。陶瓷基复合材料（Ceramic Matrix Composite，CMC）是以陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，具有类金属断裂韧性，对裂纹不敏感、没有灾难性损毁，它在保持传统陶瓷材料（氮化硅、碳化硅等）耐高温、高强度和刚度、密度低、抗腐蚀等优良性能的同时，克服了其脆性大的致命弱点，提高了其韧性和可靠性。陶瓷基复合材料较镍基高温合金具有耐高温、密度低、优异的高温抗氧化性能等突出优势，被视为下一代航空发动机战略性热结构材料，更是未来发动机的核心技术之一。

CMC 材料一般包括四大结构单元：增强纤维、陶瓷基体、增强纤维和陶瓷基基体之间的界面相以及表面环境障碍涂层。

根据增强纤维的不同，陶瓷基复合材料又可以分为碳化硅纤维、碳纤维等复合材料。根据西安鑫垚，碳化硅（SiC）纤维作为增强纤维制备的陶瓷基复合材料较碳纤维（C/C）制备的陶瓷基复合材料性能更优异。

Sic 碳纤维密度为传统金属材料的 1/4~1/10,具有类似金属的韧性和可靠性，使用寿命长达数百小时，比 C/C 有着更好的力学性能和抗氧化性能。

CMC（SiC）材料已成功应用于多款国外发动机型号，对比高温合金具备较高替代价值。

该材料多应用于航发燃烧室、密封片、调节片等位置，并呈现出从低温向高温、从冷端向热端部件、从静子向转子的发展趋势，该材料应用于航发某些关键热端部件对于高温合金有较高替代价值。

据 RR 公司预测，先进航发中 CMC 材料质量占 比达 30%以上。以一台 WS10B 发动机质量（约为 1.7 吨）测算，CMC 材料用量可达 0.5 吨左右，增强纤维用量 0.15 吨。

根据《陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用及热分析研究进展》，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 150K，可达 1500K），可显著减少冷却气消耗量 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，伴随着计算机 CAE 技术发展，CMC 材料力学分析模型也向微-细-宏观多尺度发展，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。

国内 CMC 研究起步较晚，供应商稀缺。我国陶瓷基复合材料的研究起步较晚，产业化水平较低，与美国、法国等西方先进国家尚存在较大差距。

我国在 2006 年自主攻克了 CMC 的批量制造技术，但由于国内无法大批量生产高性能碳化硅（SiC）纤维，只能用碳纤维代替，导致 CMC 的应用被制约。目前国内能够供应 CMC 材料的只有少数几家公司。

目前我国已形成以国防科大和厦门大学为中心的两个碳化硅纤维产业集群。

国防科大的碳化硅纤维技术产业化对应的是苏州赛菲和宁波众兴材料，目前这两者都已建成 10吨/年碳化硅纤维的生产线。火炬电子依托厦门大学，产品和技术先进性都较前两者更胜，且独占专利权。

根据公司公告，CASAS-300 特种陶瓷材料属于第二代、第三代 SiC 纤维材料，该技术属国内首创，处于国内、外同行业的领先水平。子公司立亚新材掌握了“高性能特种陶瓷材料”产业化的一系列专有技术，实现从 0 到 1 的突破，产品系列覆盖全面，是国内少数具备陶瓷材料规模化生产能力的企业之一。

结合西安鑫垚公司披露，增强纤维占CMC重量30%，推算国内陶瓷纤维的需求量为30吨/年。若火炬电子该产线建设完成并全部投产（10吨/年），结合国防科大合作两个产业平台（苏州赛菲、宁波众兴），国内碳化硅（SiC）增强纤维的年产能或超 30 吨/年，可满足预计需求。

文章来源： 中国建材报，远瞻智库，新华社