下一代材料之王：探索陶瓷基复合材料在新能源领域的创新应用

下一代材料之王：探索陶瓷基复合材料在新能源领域的创新应用

陶瓷基复合材料（CMC）作为一种集多种优异性能于一身的新型材料，在航空发动机等领域展现出了巨大的潜力，正逐渐成为材料界的焦点。本文将从材料特性、全球市场格局、中国发展现状等多个维度，深入探讨陶瓷基复合材料在新能源领域的创新应用。

陶瓷基复合材料的特性与优势

陶瓷基复合材料是通过在陶瓷基体中引入增强材料而形成的，它巧妙地结合了金属和陶瓷的性能优点，实现了性能的优化匹配。其密度极低，仅为高温合金的 1/3 - 1/4，这一特性在减轻结构质量方面具有显著优势，对于航空航天领域来说，减轻重量意味着可以提高飞行器的燃油效率、增加航程或提升载荷能力。同时，在无需空气冷却和环境障涂层的情况下，其工作温度便可超过 1200°C，潜在使用温度甚至可达 1600°C，相比传统的高温合金材料，在高温环境下具有无可比拟的优势。这种高温耐受性使得陶瓷基复合材料成为航空发动机燃烧室、加力燃烧室、涡轮热端部件等高温部位的理想材料，能够有效提升发动机的性能和效率。此外，陶瓷基复合材料还具有减重和提升性能的双重效果，为航空发动机的设计和制造带来了新的突破点。

陶瓷基复合材料的原材料与结构

陶瓷基复合材料的原材料构成包括三个核心部分：增强纤维、界面层以及陶瓷基体。增强纤维种类多样，其中碳纤维、碳化硅纤维以及氧化物纤维等是目前研究的热点。这些纤维具有高强度、高弹性等特点，能够阻止裂纹的扩展，从而提高陶瓷的韧性和可靠性。界面层由热解碳界面层（PyC）、BN 界面层以及复合界面层构成，其作用是在增强纤维和陶瓷基体之间起到过渡和连接的作用，提高两者之间的结合强度和相容性。陶瓷基体包括非氧化物基体、氧化物基体材料和玻璃陶瓷基体，不同的基体材料具有不同的性能特点，可根据具体的应用需求进行选择。

全球陶瓷基复合材料市场格局

从全球范围来看，日本和美国在增强材料及陶瓷基复合材料市场占据主导地位。他们成功开发出了三代高温稳定的产品，并在多款先进的航空发动机中广泛应用了陶瓷基复合材料（CMC），部分替代高温合金以提升发动机性能。包括 GE、Snecma、P&W 等在内的国外先进航空发动机厂商已完成对 CMC 典型件和模拟件的考核，使得 CMC 材料在多种军民用航空发动机型号中得到了广泛的应用。例如，GEnx 发动机上就多处采用了复合材料，这充分展示了陶瓷基复合材料在航空发动机领域的重要地位和应用前景。

我国陶瓷基复合材料的发展现状

我国在陶瓷基复合材料产业化方面尚处于起步阶段，但近年来进展逐步加速。目前，我国已经成功突破了第二代高性能陶瓷材料的研制关键技术，初步具备了构件研制和小批量生产的能力，第三代材料的产业化也展现出了良好的发展前景。国内的研制单位主要包括国防科技大学、厦门大学、西北工业大学、北京航空材料研究院、中国商发、北京航空航天大学等高校和科研机构。在产业链方面，我国已经建立了较为完整的陶瓷基复合材料产业链，涵盖了上游的陶瓷基体、PCS（既可作为陶瓷基体，也可用于制备增强纤维的原材料）、增强纤维材料等；中游的陶瓷基复合材料制备以及下游的应用领域。

在上游领域，有多家企业表现突出。火炬电子依托立亚系子公司开展 PCS、SiC 纤维、Si3N4 纤维业务。子公司立亚化学主要从事 PCS 业务，突破了各项工程化制备关键技术，技术水平及产品性能均达到国际领先水平，现已建成年产 100 吨各类陶瓷先驱体生产能力，且规划产能为 200 吨，近年来产销高速增长。立亚新材主要从事 SiC 纤维、Si3N4 纤维业务，背靠厦门大学，实现了第二代、第三代 SiC 纤维和氮化硅纤维的量产，拥有年产 30 吨产能各类陶瓷纤维生产线，产品技术及水平达到国际一流，打破了国外技术垄断和封锁。苏州赛菲集团依托国防科大实现了第一代碳化硅纤维的产业化，拥有多个国家和省级工程中心及联合实验室。该集团的江苏赛菲新材料有限公司碳化硅 (SiC) 纤维制品项目计划生产多种产品，致力于碳化硅纤维和高性能陶瓷材料工程化生产，总投资达 22.2 亿元，将持续扩大产业规模。宁波众兴新材料科技有限公司与国防科大和中科院过程所合作，建有第二代碳化硅纤维产线，取得国防科大第二代连续 SiC 纤维制备技术的独家使用权，建成国内首条 10 吨级第二代连续 SiC 纤维和年产 40 吨 PCS 产线，并与中科院合作在纤维制备方面取得多项重大突破。泽睿新材背靠中南大学，积极推进低成本第三代碳化硅纤维研制，依托省级科研平台实现了碳化硅纤维产业化突破，建立了规模化生产基地，先后完成了三代纤维的技术攻关和批产，在建 20 吨 SiC 纤维产线，还将第三代碳化硅纤维价格降低至远低于市场价。

中游在陶瓷基复合材料的制备方面，我国也拥有众多领先企业。西安鑫垚依托西北工业大学陶瓷基复合材料工程中心成立，牵头筹建有国家发改委批复的陶瓷基复合材料制造技术国家工程研究中心，具备完善的科研平台和军工资质，通过三个国家级平台的协同合作，形成了完整的科研成果转化链条，正在建设全国首个陶瓷基复合材料智能制造园区，预计达产后年产量 100 吨，年产值 20 亿元。中航高科的子公司中航复材设立超高温复合材料研究室开展陶瓷基及碳基复合材料研究，实现了基于 PIP 工艺的陶瓷基材料热端部件小批量生产，同时发展了其他多种工艺，产品种类丰富。优材百慕具备碳陶刹车盘技术储备，尚待进入市场。

在下游应用领域，陶瓷基复合材料也有着广泛的应用。例如在航空航天领域，我国已将 Cf/SiC 作为热结构和空间相机支撑结构等应用于飞行器和高分辨率空间遥感卫星，在飞机刹车材料的应用上处于国际领先地位；SiCf/SiC 方面，国内近年来针对先进航空发动机热端部件开展了大量陶瓷基复合材料的研究工作，研制了各类模拟件和试验件，部分构件已进入应用验证阶段，但尚未实现规模化工程应用。在汽车领域，碳陶刹车盘成为了一个重要的应用方向。金博股份的金博碳陶实现了碳 / 陶制动盘从产品设计、配方开发、生产制造到应用匹配的全产业链的批量化制备，短纤碳陶刹车盘价格显著低于国外产品，已与多家车企开展合作并成为定点供应商。天宜上佳的碳陶制动盘面向新能源车、高端乘用车、商用车以及特种车辆，与多家车企建立合作关系，全力推动碳陶制动盘产业化建设，在四川江油产业园区加速布局碳陶制动盘产线。北摩高科的碳陶刹车盘已成功用于军机，并与索通发展合作，拓展碳 / 碳、碳 / 陶复合材料在民品领域的应用。中天火箭布局 CMC 耐烧蚀部件，碳陶刹车盘实现小批交付，计划与主机厂或制动系统代理商建立合作，进一步扩大市场份额。博云新材较早开展碳陶刹车盘的研究，其产品已应用于无人机领域，推动形成了碳陶材料刹车盘产品，扩展了公司碳基产品线。

陶瓷基复合材料的应用领域拓展

除了航空航天和汽车领域，陶瓷基复合材料在其他领域也有着重要的应用。在航天工业中，可用于 “烧蚀材料”，当宇宙航天器返回地球时，能吸收大量的热，保证航天器本体的安全。在新能源领域，风力发电机叶片是其重要应用之一，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、力学性能优异等特点，使其成为大型风力发电机叶片的主导产品。在汽车轻量化方面，陶瓷基复合材料的应用能够降低原材料成本、提高使用效率，对于新能源汽车的发展具有重要意义。国外的研究表明，利用陶瓷基复合材料对新能源电动车进行轻量化后，整车减重幅度显著，续航里程大幅增加，电池质量和成本也相应下降，同时降低了高性能电池的研究难度。

我国航发产业对陶瓷基复合材料的需求趋势

我国航发产业对陶瓷基复合材料的需求或已出现拐点。根据中国航发公众号 2024 年 1 月 3 日的文章，中国航发航材院表面工程研究所组织工作研讨会，面对陶瓷基复合材料迅速增长的研制和交付需求，团队制定措施，形成工作思路，为任务交付做好保障，这表明下游产业对 CMC 的需求在增加。然而，我国在 SiCf/SiC 方面，与国外相比还存在一些差距，企业数量较少、单体规模较小、产业链薄弱，普遍存在产能有限、产品批次稳定性差、生产成本高等问题。但随着国内企业和科研机构的不断努力，我国在陶瓷基复合材料领域的技术水平和产业化能力正在逐步提升，未来有望在航空发动机等高端制造业中实现更大规模的应用。

陶瓷基复合材料的未来展望

陶瓷基复合材料作为下一代新兴材料的代表，具有广阔的发展前景。随着我国在该领域的研究不断深入和产业化进程的加速，其在航空、汽车、新能源等高端制造业中的应用将不断拓展和深化。政府对新材料产业的重视和支持也将为陶瓷基复合材料的发展提供有力的政策保障。同时，国内企业应加强产学研合作，不断提升技术创新能力，解决目前存在的问题，提高产品质量和性能，降低生产成本，进一步增强我国在全球陶瓷基复合材料市场的竞争力。相信在不久的将来，陶瓷基复合材料将为我国高端制造业的发展带来新的飞跃，推动我国科技水平和综合国力的提升。

总之，陶瓷基复合材料以其独特的性能优势在众多领域展现出了巨大的应用潜力，我国在该领域已经取得了一定的成绩，但也面临着一些挑战。通过不断的努力和创新，我国有望在陶瓷基复合材料领域实现更大的突破，为我国的经济发展和科技进步做出重要贡献。