中國粉體網(wǎng)訊  根據(jù)國際市場研究機(jī)構(gòu)Research And Markets的報(bào)告，全球陶瓷基復(fù)合材料市場預(yù)計(jì)將從2021年的113.5億美元增長到2022年的122.6億美元,，復(fù)合年增長率為8.05%,。預(yù)計(jì)該市場將在2026年增長到171.5億美元,，復(fù)合年增長率為8.75%。

什么是陶瓷基復(fù)合材料,？

陶瓷材料具有高熔點(diǎn),、高硬度、耐腐蝕,、抗氧化等優(yōu)良特性,，能夠在極端環(huán)境條件下使用，因而在工程領(lǐng)域得到了迅速的發(fā)展,，特別是應(yīng)用于航空,、航天、汽車,、軍事等領(lǐng)域,。然而陶瓷的脆性、機(jī)械不可靠性和低導(dǎo)電性限制了其廣泛應(yīng)用,。在陶瓷基體中引入第二相材料是改善陶瓷材料結(jié)構(gòu)和性能的有效途徑,。

于是,，陶瓷基復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）由陶瓷基體,、增強(qiáng)纖維和界面層構(gòu)成,，在陶瓷基體中引入纖維作為增強(qiáng)材料，形成以纖維作為增強(qiáng)相,、以陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料,。它具有耐高溫、耐磨,、抗高溫蠕變,、熱導(dǎo)率低、熱膨脹系數(shù)低,、耐化學(xué)腐蝕,、強(qiáng)度高、硬度大及介電,、透波等特點(diǎn),，因其在有機(jī)材料基和金屬材料基不能滿足性能要求的工況下可以得到廣泛應(yīng)用，而成為理想的高溫結(jié)構(gòu)材料,，越來越受到人們的重視,，尤其是作為一種輕質(zhì)、高性能的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在高溫領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,，成為在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件上使用的首選材料。鑒于此,，許多國家都在積極開展陶瓷基復(fù)合材料的研究,。

SiC_f/SiC及O_x/O_x在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的潛在使用部位

幾種典型陶瓷基復(fù)合材料及應(yīng)用

C/SiC陶瓷基復(fù)合材料

碳纖維不僅具有密度低、比強(qiáng)度高,、耐磨,、耐腐蝕、導(dǎo)電,、導(dǎo)熱,、摩擦系數(shù)低等特性，而且還具備十分優(yōu)異的高溫力學(xué)性能,，其在惰性氣氛,、2000℃以上環(huán)境中，力學(xué)性能仍然不下降,。但其高溫抗氧化性較差,，因此通常與金屬、陶瓷,、樹脂等復(fù)合,，制備應(yīng)用于航空航天,、軍事工業(yè)等尖端技術(shù)領(lǐng)域的先進(jìn)復(fù)合材料。

在熱結(jié)構(gòu)陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域中,，碳化硅以其優(yōu)異的高溫力學(xué)性能（強(qiáng)度,、抗氧化性、抗蠕變性等）,、低的熱膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù),、優(yōu)良的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性，成為基體材料的主要候選之一,。然而SiC陶瓷的缺點(diǎn)是脆性較大,。

C/SiC陶瓷基復(fù)合材料通過添加碳纖維來增強(qiáng)SiC陶瓷，可以使材料在斷裂過程中依靠裂紋偏轉(zhuǎn),、碳纖維的拔出和斷裂等機(jī)制吸收斷裂能,，不僅增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)保留了SiC基體優(yōu)異的高溫性能,，是制備高性能先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料的極好方式,，成為高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要候選材料，并將逐步應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件,、高速剎車,、核能以及熱交換器等裝置。

SiC_f/SiC復(fù)合材料

SiC_f/SiC陶瓷基復(fù)合材料是指在SiC陶瓷基體中引入SiC纖維作為增強(qiáng)材料,，形成以引入的SiC增強(qiáng)纖維為分散相,，以SiC陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料。SiC_f/SiC陶瓷基復(fù)合材料保留了SiC陶瓷耐高溫,、高強(qiáng)度,、抗氧化、耐腐蝕,、耐沖擊的優(yōu)點(diǎn),，同時(shí)兼具SiC纖維增強(qiáng)增韌作用，克服了SiC陶瓷斷裂韌性低和抗外部沖擊載荷性能差的先天缺陷,。SiC_f/SiC復(fù)合材料作為一種綜合性能優(yōu)異的高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料,，在航空、航天,、核能,、汽車等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，成為目前各個(gè)西方國家的研究熱點(diǎn),。

GE9X發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用的SiC_f/SiC復(fù)合材料部件

氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料

O_x/O_x復(fù)合材料是指以氧化物陶瓷為基體與氧化物纖維（直徑一般為10～12μm）復(fù)合的一類材料,。該材料比SiC_f/SiC的耐溫能力略低（1150℃左右），但由于不存在氧化問題，其壽命可達(dá)到上萬小時(shí),，加之密度低（約2.5g/cm³）,、價(jià)格合理，是渦軸,、燃?xì)廨啓C(jī)核心機(jī)高溫結(jié)構(gòu)及渦噴,、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料。

在基體方面,，目前國內(nèi)外研究的重點(diǎn)還是石英基體,、莫來石基體和氧化鋁基體。在纖維方面,，主要分為石英纖維,、鋁硅酸鹽纖維和氧化鋁纖維三類。

石墨烯/陶瓷基復(fù)合材料

石墨烯具有優(yōu)異的力學(xué),、電學(xué)和熱學(xué)性能,，使之成為最具吸引力的材料之一。同時(shí)石墨烯具有大的比表面積,，更容易分散在陶瓷基體中,，可以改善陶瓷基復(fù)合材料的界面性能，增強(qiáng)與陶瓷基體的結(jié)合,，有利于電子,、聲子和機(jī)械應(yīng)力的傳遞，是制備性能優(yōu)異的陶瓷復(fù)合材料的理想填料,。眾多研究表明,，石墨烯/陶瓷復(fù)合材料具有優(yōu)異的機(jī)械性能、導(dǎo)電性,、導(dǎo)熱性,、耐摩擦磨損性能等。

如何制備陶瓷基復(fù)合材料,？

傳統(tǒng)的漿料浸滲工藝

漿料浸滲工藝目前在制造長纖維補(bǔ)強(qiáng)玻璃和玻璃-陶瓷及低熔點(diǎn)陶瓷基復(fù)合材料上應(yīng)用最多，且最為有效,，熱壓燒結(jié)時(shí)的溫度應(yīng)接近或略高于玻璃的軟化點(diǎn),，這樣利于粘性流動(dòng)，以促進(jìn)致密化過程的進(jìn)行,。

溶膠-凝膠法

這種方法是近年來發(fā)展起來的,，溶膠-凝膠法是將金屬醇鹽在室溫或略高于室溫下水解、縮聚,，得到溶膠和凝膠,，再將其進(jìn)行熱處理，得到玻璃和陶瓷。

熔體浸滲法

熔體浸滲法在金屬基復(fù)合材料方面得到了廣泛應(yīng)用,，并且卓有成效,。但迄今為止，在陶瓷基復(fù)合材料方面所做的工作仍然較少,，還未得到應(yīng)有的重視,。這種方法只需通過浸滲處理即可得到完全致密和沒有裂紋的基體，從預(yù)制件到成品的處理過程中,，其尺寸基本不發(fā)生變化,，適合于制作任何形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件。

CMC的熔滲工藝

化學(xué)氣相浸滲工藝（CVI）

CVI工藝是在CVD工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種制備復(fù)合材料的新方法,，CVI法能將反應(yīng)物氣體滲入到多孔體內(nèi)部,，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并進(jìn)行沉積，特別適用于制備由連續(xù)纖維增強(qiáng)的陶瓷基復(fù)合材料,。與固相粉末燒結(jié)法和液相浸漬法相比,，CVI工藝在制備陶瓷基復(fù)合材料方面具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：①可以在較低溫度下制備材料，如在800～1200℃下制備SiC陶瓷,，而傳統(tǒng)的粉末燒結(jié)法的燒結(jié)溫度在2000℃以上,；②可以制備硅化物、碳化物,、氮化物,、硼化物和氧化物等多種陶瓷材料，并實(shí)現(xiàn)在微觀尺度上的成分設(shè)計(jì),；③可以制備形狀復(fù)雜,、近凈尺寸和纖維體積分?jǐn)?shù)高的部件，由于制備過程是在較低溫度下進(jìn)行,，并且不需外加壓力,，材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力小，纖維幾乎不受損傷,。

小結(jié)

除了航空航天及國防領(lǐng)域需要應(yīng)用到大量陶瓷基復(fù)合材料外,，今后全球范圍內(nèi)對(duì)輕質(zhì)汽車的高需求也將促進(jìn)陶瓷基復(fù)合材料市場的迅速增長。要想增加電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程,，除了增加電池性能外,，另一個(gè)方法就是給汽車減重，這將促使汽車制造商將注意力轉(zhuǎn)向輕質(zhì)復(fù)合材料,，以替代車輛中較重的鋼和鐵,，陶瓷基復(fù)合材料無疑就是最重要的候選材料之一。根據(jù)麥肯錫的數(shù)據(jù),，預(yù)計(jì)到2030年,，汽車行業(yè)對(duì)輕質(zhì)材料的使用將從30%增加到70%,，這將極大推動(dòng)陶瓷基復(fù)合材料市場的發(fā)展。

[1]康永等.陶瓷基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

[2]江舟等.陶瓷基復(fù)合材料及其環(huán)境障涂層發(fā)展現(xiàn)狀研究

[3]向陽等.氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展

[4]鄧衛(wèi)斌等.石墨烯/陶瓷復(fù)合材料的研究進(jìn)展

[5]邱海鵬.SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料研究及應(yīng)用

[6]楊金華等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用陶瓷基復(fù)合材料研究進(jìn)展

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

注：圖片非商業(yè)用途,，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除