2018年陶瓷基复合材料CMC与碳化硅纤维行业分析报告

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)

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)

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

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

CMC材料是航空/火箭发动机的理想材料

航空发动机的构成与选材要素

典型的航空（涡扇）发动机由进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管几大部件构成。根据文献《涡轮风扇发动机的工作特点》（王国华）的介绍，涡扇发动机工作过程中，首先进气道吸入空气，一路空气通过风扇的内涵部分，经过压气机加压，进入后面的燃烧室，在燃烧室里空气和燃油混合燃烧，高温燃气在高压涡轮内膨胀作功，最后从内涵喷管高速喷出，产生推力；另一路空气经外涵道风扇压缩后流入外涵道然后从外涵喷管喷出，也产生推力。其中进气道、风扇和压气机部分为低温部分，燃烧室、涡轮和尾喷管为高温部分。

进气道：空气由进气道进入发动机内部，以尽可能小的总压损失完成高速气体的减速增压任务。

风扇：风扇可以增大吸入空气的量，同时也可以产生推力，使得燃气充分燃烧。

压气机：利用高速旋转叶片对空气做功部件，用以压缩空气提高空气压力，并将压缩空气送入燃烧室。

燃烧室：燃料在其中燃烧生成高温燃气的装置，以产生高温高压燃气。

涡轮：通过高温高压燃气驱动旋转装置，将燃气热能转换为机械能，带动风扇或桨叶。

尾喷管：使燃气继续膨胀，高速向后喷出产生反作用推力。