陶瓷基復合材料行業：航空航天應用領域景氣度上行國內市場展現出良好發展前景

2024-10-08 09:42

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一、陶瓷基復合材料具備獨特優勢，主要應用于航空航天領域

根據觀研報告網發布的《中國陶瓷基復合材料行業現狀深度研究與投資前景分析報告（2024-2031年）》顯示，陶瓷基復合材料(Ceramic MatrixComposites, CMCs)是戰略性高溫熱結構材料。相比其他高溫熱結構材料，陶瓷基復合材料，耐高溫、抗氧化性能優越，具有較高比強度和比剛度，廣泛應用于航空航天、核電、汽車等領域。

陶瓷基復合材料(Ceramic MatrixComposites, CMCs)是戰略性高溫熱結構材料。相比其他高溫熱結構材料，陶瓷基復合材料，耐高溫、抗氧化性能優越，具有較高比強度和比剛度，廣泛應用于航空航天、核電、汽車等領域。

資料來源：觀研天下整理

陶瓷基復合材料應用領域

應用領域	應用情況
航空	SiCf/SiC 可實現耐高溫、抗氧化、輕量化、長壽命，是航空發動機的熱端理想材料，已批量應用于熱端靜止件，轉動件的應用正在探索中。
核能	SiCf/SiC 復合材料以其高熔點、高熱導率、高溫穩定性、較小的中子吸收截面、優良的中子輻照穩定性等優異性能，成為反應堆包層第一壁、流道插件、控制桿和分流器等的理想候選材料。
剎車	Cf/SiC 具有良好的摩擦性和抗氧化性，而且摩擦性能對外界環境介質不敏感，有望成為傳統粉末冶金和C/C 復合材料剎車材料的良好替代品。碳陶剎車盤已批量應用于汽車和飛機，在高鐵上也已得到應用。
航天	Cf/SiC 抗氧化能力弱于SiCf/SiC，但耐高溫能力優于SiCf/SiC，可有效解決高超聲速飛行器的防熱需求和減重需求，還可用于火箭發動機和衛星反射鏡，在航天領域已實現成熟應用。
導彈天線罩	導彈天線罩需要具備承載、耐溫、透波、耐蝕等多功能于一體，陶瓷基透波復合材料是天線罩透波材料的發展趨勢。連續Si3N4 纖維有望替代石英纖維，制備新一代高馬赫數導彈天線罩。

資料來源：觀研天下整理

目前陶瓷基復合材料在航空航天領域的應用發展較快，根據數據，2022年全球航空航天領域在陶瓷基復合材料市場占比達到37%，隨著航空航天景氣度上行，預計未來幾年航空航天仍將處于陶瓷基復合材料應用主導地位。

數據來源：‘觀研天下數據中心整理’

二、碳化硅纖維增強、氧化物纖維增強陶瓷基復合材料市場空間廣闊

陶瓷基復合材料可分為碳纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料、碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料、超高溫陶瓷基復合材料、氧化物纖維增強氧化物陶瓷基復合材料四條技術路線。

碳化硅纖維增強陶瓷基復合材料、氧化物纖維增強氧化物復合材料分別具備性能優勢、成本優勢，市場空間廣闊。碳化硅纖維增強陶瓷基復合材料耐高溫性能較好，且相較于Cf/SiC，抗氧化性有大幅提升，目前技術成熟，應用范圍廣泛，可應用于高溫高載部件；氧化物纖維增強氧化物復合材料中Al2O3材料易獲取，制成纖維生產成本低，Al2O3/Al2O3 生產成本僅為SiCf/SiC復合材料的1/2；并且氧化物具有優秀的高溫環境抗氧化性。

陶瓷基復合材料技術路線對比

類別	碳纖維增強碳化硅陶瓷基復臺材料	碳化硅纖維增強碳化硅陶瓷基復合材料	超高溫陶瓷基復合材料	(氧化物)纖維增強氧化物陶瓷基復合材料
材料	Cf/SiC	SiCf/SiC	Cf/ZrB2-SiC， Cf /HfB2-SiC, Cf /ZrC, Cf /HfC等	Al203f/A1203, A1203f/mullite，mullite/mullite等
特點	耐高溫(<1800℃)	耐高溫(<1650℃)、抗氧化性好	耐超高溫(>=2000℃)、抗氧化性、良好抗震性、抗氧化、耐燒蝕	成本低、優異的高溫抗氧化和抗水汽腐蝕性能
技術難點	氧化問題,低溫抗氧化能力弱;碳纖維預制體編織技術落后	SiCf/SiC在水氧環境下不穩定、氧化脆化現象明顯;連接技術限制	實現重復長時間使用,避免Zr02相變破壞結構穩定性	層間剪切強度弱;熱導率偏低形成較大的熱應力;受氧化鋁晶粒生長限制,服役溫度受到很大限制
解決方法	熱膨脹自愈合、玻璃相封填愈合	采用環境障礙涂層(EBCs)、新型的RE3Si2C2涂層;玻璃陶瓷連接、陶瓷先驅體連接、瞬態共晶相連接以及MAX相連接等	添加稀土元素	重點發展三維纖維織物增韌復合材料;研制更高耐溫能力的纖維;采用FGI層能提升材料的服役溫度;發展適用于P-Al203/A1203的熱障涂層提升部件的服役溫度
應用部位	組合襟翼、尾噴管調節器、飛機面板、剎車材料	噴管調節器、密封片、燃燒室火焰筒/內襯、渦輪轉子葉片（高溫高載部件）、商用航空發動機熱端部件	-	噴嘴及中心部件、燃燒室襯套排氣部件、密封片、發動機混合器、中心錐

資料來源：觀研天下整理

三、政策支持下我國陶瓷基復合材料展現出良好發展前景

陶瓷基復合材料的制備工藝分為纖維制備、預制體編織、纖維界面層制備、基體制備和增密、機加工成型幾步。對于工作環境惡劣的CMC 組件，如航空發動機熱端部件，還需制備環境障涂層。

CMC 工藝壁壘高，且外國對我國長期實施技術封鎖，導致初期我國陶瓷基復合材料市場進展緩慢。近年來，隨著國家針對陶瓷基復合材料、高性能陶瓷/纖維材料等新材料出臺多項措施，推動陶瓷基復合材料的研發生產，并對陶瓷基復合材料標準進行規范，我國陶瓷基復合材料展現出良好的發展前景。

碳化硅纖維方面，早期SiC 纖維是我國CMC 產業的瓶頸環節，目前我國第二代碳化硅纖維已發布國家標準，標志著相關產業已經成熟，第三代SiC 纖維已實現技術突破，實驗室研發的產品與日本同類型產品水平相近。氮化硅纖維方面，國內連續Si3N4 纖維已經實現批產，我國基本與美、日、德、法并跑。陶瓷基復合材料制備方面，我國CVI 工藝已實現工業化生產，PIP工藝較為成熟，MI 工藝也有相關單位及企業布局。

陶瓷基復合材料行業相關政策

時間	政策	主要內容
2011年	《工業轉型升級規劃(2011—2015年)》	對新材料產業發展做出規劃，提出大力提升高性能纖維及其復合材料發展水平。
2017年	《“十三五”材料領域科技創新專項規劃》	提出以陶瓷基復合材料等為重點，突破結構與復合材料制備及應用的關鍵共性技術,提升先進結構材料的國際競爭力。
2020年	《關于擴大戰略性新興產業投資，培育壯大新增長點增長極的指導意見》	指出加快新材料產業強弱項，加快在高性能纖維材料、高強高導耐熱材料等領域形成突破。
2021年	《“十四五”原材料工業發展規劃》	指出提升纖維新材料、復合材料等綜合競爭力，攻克先進陶瓷材料。
2021年	《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》	聚焦高端新材料，推動高性能陶瓷、無機非金屬材料取得突破，加強高性能纖維及其復合材料的研發應用。
2021年	《2021年全國標準化工作要點》	提出持續開展新材料標準領航行動，推動碳纖維及其復合材料的標準研制。
2022年	《關于化纖工業高質量發展的指導意見》	提出研發第三代連續碳化硅纖維制備技術，突破氧化鋁纖維、硅硼氮纖維、氧化錯纖維等制備關鍵技術。
2022年	《鼓勵外商投資產業目錄〈2022年版)》	將高性能陶瓷基復合材料及其制品列在鼓勵類中，鼓勵外商投資。
2024年	《產業結構調整指導目錄》(2024年本)	包含多項先進陶瓷相關技術、產品及相關設備入選鼓勵類目錄，其中包含航空航天高性能陶瓷、碳化硅纖維等。
2024年	《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2024年版)》	對三類陶瓷基復合材料的性能（室溫拉伸強度、拉伸模量、斷裂韌性等)進行了規范。