1 2018年陶瓷基复合材料CMC与碳化硅纤维行业分析报告 2

正文目录 陶瓷基复合材料（CMC）：新型战略性热结构材料 .......................................... 4 CMC材料性能优异，由陶瓷基体与纤维组成 ................................................... 4 CMC材料是航空/火箭发动机的理想材料 ......................................................... 6 航空发动机的构成与选材要素............................................................................ 6 CMC材料应用于航空发动机的优缺点 ............................................................... 8 CMC材料的应用及进展 ..................................................................................... 10 CMC材料研制的难点与国外进展 ..................................................................... 10 国内总体上处于应用研究阶段.......................................................................... 13 碳化硅纤维是制备CMC材料的关键 ................................................................ 14 CMC材料制备工艺 ............................................................................................. 14 碳化硅纤维的研究进展...................................................................................... 15 国外已发展出三代碳化硅纤维，高温稳定性逐渐提升.................................. 15 国内已突破各项关键技术，但生产规模与批次间稳定性仍需提高.............. 16 航空航天将推动CMC产业发展 ........................................................................ 17 发达国家起步早，巨头GE投资扩产彰显CMC价值 ..................................... 17 航空、航天两大领域引领CMC需求 ................................................................ 18 CMC产业链梳理 ................................................................................................. 21 相关建议.............................................................................................................. 23 风险提示.............................................................................................................. 23

图目录 图1：陶瓷基复合材料的构成 ............................................................................. 4 图2：CMC材料与其他材料性能对比 ................................................................. 5 图3：涡扇航空发动机的构成 ............................................................................. 7 图4：CMC材料相对于高温合金的优势和劣势 ................................................. 9 3

图5：CMC材料在不同温度下的使用寿命及应用 ........................................... 10 图6：CMC材料的研究进展 ............................................................................... 11 图7：F-100发动机调节片由CMC材料制成 .................................................... 12 图8：陶瓷基复合材料材料的制备工艺 ........................................................... 14 图9：三代碳化硅纤维结构组成和性能对比 ................................................... 16 图10：通用公司F414发动机 ............................................................................ 18 图11：美国战斗机各代次占比 ......................................................................... 20 图12：中国战斗机各代次占比 ......................................................................... 20 图13：21世纪以来中国各年航天发射次数 .................................................... 21 图14：CMC材料产业链 ..................................................................................... 22

表目录 表1：CMC材料在航空发动机上的应用 ........................................................... 13 表2：三种制备工艺对比 ................................................................................... 15 表3：国内碳化硅纤维制备技术现状 ............................................................... 16 表4：国内主要的CMC生产及研制单位 .......................................................... 22 表5：国内主要的碳化硅纤维生产及研制单位 ............................................... 23 4

陶瓷基复合材料（CMC）：新型战略性热结构材料 CMC材料性能优异，由陶瓷基体与纤维组成 陶瓷基复合材料（CMC），陶瓷基体与纤维取长补短。CMC材料是指将陶瓷基体和纤维增强材料复合而成的材料，使得陶瓷基体和纤维增强材料在性能上取长补短，形成互补。  陶瓷具有耐高温、低密度、高比强、高比模等特性，但同时，它对缺陷的敏感性和体积的敏感性，导致其具有脆性大和可靠性差的致命弱点，限制了实用 化。  纤维具有连续性、高强度、高弹性等特点，是提高陶瓷基体韧性和可靠性的有效途径。CMC材料主要由陶瓷基体、增强纤维和界面层组成。CMC材料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，通常由增强纤维、界面层和陶瓷基体三部分组成。  陶瓷基体：陶瓷基体是复合材料重要的组成部分，其主要成分和结构对材料综合性能具有重要的影响  增强纤维：纤维作为复合材料的主要承力部分，对材料的性能具有决定性作用。其影响因素包括：纤维型号、纤维的体积含量以及纤维的编织方法等。  界面层：界面层是处于复合材料纤维和基体之间的一个局部微小区域，虽然其在复合材料中所占的体积分数不到10%，却是影响陶瓷基复合材料力学性能、抗环境侵蚀能力等性能的关键因素，主要有热解碳界面层（PyC）、BN界面层和复合界面层。

图1：陶瓷基复合材料的构成

CMC材料可以根据陶瓷基体和增强纤维的不同进行分类，连续碳化硅纤维 5

增韧碳化硅陶瓷基复合材料（SiC/SiC CMC）是目前国际公认的最有潜力的发动机热结构材料之一。  按增强纤维分类：CMC材料的增强纤维可以分为碳化硅纤维、碳纤维和氧化物纤维，其中碳化硅纤维由于其在耐热性方面的卓越性能，正日益受到航空发 动机领域的关注，目前碳化硅纤维的生产大多集中在国外。  按基体分类：能够用作CMC材料基体的陶瓷主要有三类，即非氧化物陶瓷 （SiC）、氧化物陶瓷（Al2O2）和玻璃陶瓷，其中碳化硅陶瓷在航空发动机的热端部件上取得了广泛应用。 CMC材料性能优异：耐高温、密度低。CMC材料具有耐高温、高强度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能。CMC材料与其主要的竞争对手镍钴高温合金、钛合金等相比，不但耐高温性能很高，密度也比镍钴高温合金、钛合金等低。

图2：CMC材料与其他材料性能对比