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陶瓷基复合材料行业:航空航天应用领域景气度上行 国内市场展现出良好发展前景

一、陶瓷基复合材料具备独特优势,主要应用于航空航天领域

根据观研报告网发布的《中国陶瓷基复合材料行业现状深度研究与投资前景分析报告(2024-2031年)》显示,陶瓷基复合材料(Ceramic MatrixComposites, CMCs)是战略性高温热结构材料。相比其他高温热结构材料,陶瓷基复合材料,耐高温、抗氧化性能优越,具有较高比强度和比刚度,广泛应用于航空航天、核电、汽车等领域。

陶瓷基复合材料(Ceramic MatrixComposites, CMCs)是战略性高温热结构材料。相比其他高温热结构材料,陶瓷基复合材料,耐高温、抗氧化性能优越,具有较高比强度和比刚度,广泛应用于航空航天、核电、汽车等领域。

资料来源:观研天下整理

陶瓷基复合材料应用领域

应用领域 应用情况
航空 SiCf/SiC 可实现耐高温、抗氧化、轻量化、长寿命,是航空发动机的热端理想材料,已批量应用于热端静止件,转动件的应用正在探索中。
核能 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。
刹车 Cf/SiC 具有良好的摩擦性和抗氧化性,而且摩擦性能对外界环境介质不敏感,有望成为传统粉末冶金和C/C 复合材料刹车材料的良好替代品。碳陶刹车盘已批量应用于汽车和飞机,在高铁上也已得到应用。
航天 Cf/SiC 抗氧化能力弱于SiCf/SiC,但耐高温能力优于SiCf/SiC,可有效解决高超声速飞行器的防热需求和减重需求,还可用于火 箭发动机和卫星反射镜,在航天领域已实现成熟应用。
导弹天线罩 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。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。

资料来源:观研天下整理

目前陶瓷基复合材料在航空航天领域的应用发展较快,根据数据,2022年全球航空航天领域在陶瓷基复合材料市场占比达到37%,随着航空航天景气度上行,预计未来几年航空航天仍将处于陶瓷基复合材料应用主导地位。

目前陶瓷基复合材料在航空航天领域的应用发展较快,根据数据,2022年全球航空航天领域在陶瓷基复合材料市场占比达到37%,随着航空航天景气度上行,预计未来几年航空航天仍将处于陶瓷基复合材料应用主导地位。

数据来源:‘观研天下数据中心整理’

二、碳化硅纤维增强、氧化物纤维增强陶瓷基复合材料市场空间广阔

陶瓷基复合材料可分为碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料、碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料、超高温陶瓷基复合材料、氧化物纤维增强氧化物陶瓷基复合材料四条技术路线。

碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料、氧化物纤维增强氧化物复合材料分别具备性能优势、成本优势,市场空间广阔。碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料耐高温性能较好,且相较于Cf/SiC,抗氧化性有大幅提升,目前技术成熟,应用范围广泛,可应用于高温高载部件;氧化物纤维增强氧化物复合材料中Al2O3材料易获取,制成纤维生产成本低,Al2O3/Al2O3 生产成本仅为SiCf/SiC复合材料的1/2;并且氧化物具有优秀的高温环境抗氧化性。

陶瓷基复合材料技术路线对比

类别 碳纤维增强碳化硅陶瓷基复台材料 碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料 超高温陶瓷基复合材料 (氧化物)纤维增强氧化物陶瓷基复合材料
材料 Cf/SiC SiCf/SiC Cf/ZrB2-SiC, Cf /HfB2-SiC, Cf /ZrC, Cf /HfC等 Al203f/A1203, A1203f/mullite,mullite/mullite等
特点 耐高温(<1800℃) 耐高温(<1650℃)、抗氧化性好 耐超高温(>=2000℃)、抗氧化性、良好抗震性、抗氧化、耐烧蚀 成本低、优异的高温抗氧化和抗水汽腐蚀性能
技术难点 氧化问题,低温抗氧化能力弱;碳纤维预制体编织技术落后 SiCf/SiC在水氧环境下不稳定、氧化脆化现象明显;连接技术限制 实现重复长时间使用,避免Zr02相变破坏结构稳定性 层间剪切强度弱;热导率偏低形成较大的热应力;受氧化铝晶粒生长限制,服役温度受到很大限制
解决方法 热膨胀自愈合、玻璃相封填愈合 采用环境障碍涂层(EBCs)、新型的RE3Si2C2涂层;玻璃陶瓷连接、陶瓷先驱体连接、瞬态共晶相连接以及MAX相连接等 添加稀土元素 重点发展三维纤维织物增韧复合材料;研制更高耐温能力的纤维;采用FGI层能提升材料的服役温度;发展适用于P-Al203/A1203的热障涂层提升部件的服役温度
应用部位 组合襟翼、尾喷管调节器、飞机面板、刹车材料 喷管调节器、密封片、燃烧室火焰筒/内衬、涡轮转子叶片(高温高载部件)、商用航空发动机热端部件 - 喷嘴及中心部件、燃烧室衬套排气部件、密封片、发动机混合器、中心锥

资料来源:观研天下整理

三、政策支持下我国陶瓷基复合材料展现出良好发展前景

陶瓷基复合材料的制备工艺分为纤维制备、预制体编织、纤维界面层制备、基体制备和增密、机加工成型几步。对于工作环境恶劣的CMC 组件,如航空发动机热端部件,还需制备环境障涂层。

CMC 工艺壁垒高,且外国对我国长期实施技术封锁,导致初期我国陶瓷基复合材料市场进展缓慢。近年来,随着国家针对陶瓷基复合材料、高性能陶瓷/纤维材料等新材料出台多项措施,推动陶瓷基复合材料的研发生产,并对陶瓷基复合材料标准进行规范,我国陶瓷基复合材料展现出良好的发展前景。

碳化硅纤维方面,早期SiC 纤维是我国CMC 产业的瓶颈环节,目前我国第二代碳化硅纤维已发布国家标准,标志着相关产业已经成熟,第三代SiC 纤维已实现技术突破,实验室研发的产品与日本同类型产品水平相近。氮化硅纤维方面,国内连续Si3N4 纤维已经实现批产,我国基本与美、日、德、法并跑。陶瓷基复合材料制备方面,我国CVI 工艺已实现工业化生产,PIP工艺较为成熟,MI 工艺也有相关单位及企业布局。

陶瓷基复合材料行业相关政策

时间 政策 主要内容
2011年 《工业转型升级规划(2011—2015年)》 对新材料产业发展做出规划,提出大力提升高性能纤维及其复合材料发展水平。
2017年 《“十三五”材料领域科技创新专项规划》 提出以陶瓷基复合材料等为重点,突破结构与复合材料制备及应用的关键共性技术,提升先进结构材料的国际竞争力。
2020年 《关于扩大战略性新兴产业投资,培育壮大新增长点增长极的指导意见》 指出加快新材料产业强弱项,加快在高性能纤维材料、高强高导耐热材料等领域形成突破。
2021年 《“十四五”原材料工业发展规划》 指出提升纤维新材料、复合材料等综合竞争力,攻克先进陶瓷材料。
2021年 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》 聚焦高端新材料,推动高性能陶瓷、无机非金属材料取得突破,加强高性能纤维及其复合材料的研发应用。
2021年 《2021年全国标准化工作要点》 提出持续开展新材料标准领航行动,推动碳纤维及其复合材料的标准研制。
2022年 《关于化纤工业高质量发展的指导意见》 提出研发第三代连续碳化硅纤维制备技术,突破氧化铝纤维、硅硼氮纤维、氧化错纤维等制备关键技术。
2022年 《鼓励外商投资产业目录〈2022年版)》 将高性能陶瓷基复合材料及其制品列在鼓励类中,鼓励外商投资。
2024年 《产业结构调整指导目录》(2024年本) 包含多项先进陶瓷相关技术、产品及相关设备入选鼓励类目录,其中包含航空航天高性能陶瓷、碳化硅纤维等。
2024年 《重点新材料首批次应用示范指导目录(2024年版)》 对三类陶瓷基复合材料的性能(室温拉伸强度、拉伸模量、断裂韧性等)进行了规范。

资料来源:观研天下整理(zlj)

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