打造國(guó)防高科技重要戰(zhàn)略材料CMC，預(yù)計(jì)未來5年國(guó)內(nèi)CMC需求量將達(dá)100噸每年[圖]

CMC 文爭(zhēng) 2019-08-09 05:29 來源：智研咨詢

軍工特種陶瓷材料作為增強(qiáng)纖維特別適用于制備陶瓷基復(fù)合材料（CMC），CMC被視為取代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金、實(shí)現(xiàn)減重增效“升級(jí)換代材料”之首選。預(yù)測(cè)未來10年僅航發(fā)市場(chǎng)對(duì)CMC的需求將遞增10倍。高性能特種陶瓷纖維的量產(chǎn)將直接推動(dòng)相關(guān)CMC材料的量產(chǎn)，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)CMC的大量應(yīng)用。

一、CMC材料概況：

航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵熱結(jié)構(gòu)替代用材陶瓷基復(fù)合材料（CMC）是以陶瓷為基體與各種纖維復(fù)合的一類復(fù)合材料，具有密度低、耐高溫、優(yōu)異的高溫抗氧化性能等顯著優(yōu)勢(shì)，具體可應(yīng)用于：

1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)，燃燒室-噴管、整體導(dǎo)向器、整體渦輪、導(dǎo)向葉片、渦輪間過渡機(jī)匣、尾噴管等表面溫度高、氣動(dòng)載荷大的區(qū)域；

2）導(dǎo)彈，發(fā)動(dòng)機(jī)部件等；

3）大型運(yùn)載火箭，擴(kuò)張段等；

4）航天飛機(jī)，頭部和機(jī)翼前緣等。

因此，CMC被視為取代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金、實(shí)現(xiàn)減重增效“升級(jí)換代材料”之首選。CMC在航空航天、兵器、核工業(yè)等高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用前景非常廣闊。

CMC與高溫合金的性能對(duì)比

對(duì)比項(xiàng)	高溫合金	CMC	航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用對(duì)比
密度	7.93~8.4g/cm3	2~3.2g/cm3	CMC僅為高溫合金的1/4~1/3，用于燃燒室、調(diào)節(jié)片/密封片等部件，能夠直接減重50%左右。
耐高溫性能	耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度在1100℃左右。	工作溫度高達(dá)1650℃。	應(yīng)用CMC能夠簡(jiǎn)化甚至省去冷卻結(jié)構(gòu)，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，提高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度和使用壽命。在無冷卻結(jié)構(gòu)的條件下，可以在1200℃長(zhǎng)期使用。
高溫抗氧化性能	-	-	CMC在高溫有氧環(huán)境保持較高的穩(wěn)定性，降低了熱防護(hù)涂層成本。

數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

對(duì)于軍用發(fā)動(dòng)機(jī)：提高推重比、降低服役成本是研制焦點(diǎn)?，F(xiàn)有推重比10一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到1500℃；正在研制的推重比12~15的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口平均溫度超過1800℃。然而，目前耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度在1100℃左右，且必須采用隔熱涂層以及設(shè)計(jì)最先進(jìn)的冷卻結(jié)構(gòu)。因此，現(xiàn)有的高溫合金材料體系（鎳基等）已發(fā)展到接近其使用溫度的極限，難以滿足先進(jìn)航發(fā)的熱結(jié)構(gòu)用材需求，CMC工作溫度高達(dá)1650℃，將成為替代航發(fā)高溫合金最具應(yīng)用潛力的材料。

對(duì)于民航發(fā)動(dòng)機(jī)：降低油耗、提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命是研制焦點(diǎn)。預(yù)測(cè)截至2020年飛機(jī)飛行燃油成本還會(huì)進(jìn)一步下降29%~31%，其中17%~19%源于發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是受益于陶瓷基復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用。

CMC用于軍用發(fā)動(dòng)機(jī)F100

數(shù)據(jù)來源：公共資料整理

CMC用于民航發(fā)動(dòng)機(jī)Leap-X

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二、CMC市場(chǎng)空間

未來5年國(guó)內(nèi)CMC需求量將達(dá)100噸/年。隨著我國(guó)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的定型、空間飛行器技術(shù)的迫切需求和快速發(fā)展，將大量需要陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品。此外，陶瓷基復(fù)合材料在民用領(lǐng)域中也已經(jīng)展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。預(yù)計(jì)我國(guó)未來5年內(nèi)對(duì)陶瓷基復(fù)合材料的需求量將達(dá)100噸/年，按照增強(qiáng)纖維占CMC重量30%計(jì)算，國(guó)內(nèi)陶瓷纖維的需求量為30噸/年。

國(guó)外CMC在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用層面已逐漸打開，呈現(xiàn)出從低溫向高溫、從冷端向熱端部件、從靜子向轉(zhuǎn)子的發(fā)展趨勢(shì)。短期應(yīng)用目標(biāo)為：尾噴管、火焰穩(wěn)定器、渦輪罩環(huán)等；中期應(yīng)用目標(biāo)為：低壓渦輪葉片、燃燒室、內(nèi)錐體等；遠(yuǎn)期應(yīng)用目標(biāo)為：高壓渦輪葉片、高壓壓氣機(jī)和導(dǎo)向葉片等。CMC在國(guó)外已成功應(yīng)用于多款發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)并實(shí)現(xiàn)工程化生產(chǎn)，將成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造的主流趨勢(shì)，市場(chǎng)空間巨大。

陶瓷基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用情況

發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)	材料體系	應(yīng)用部位	效果
M88-2	Cf/XXX復(fù)合材料	外調(diào)節(jié)片	2002年開始投入批生產(chǎn)，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)陶瓷基復(fù)合材料在發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用。
F119	XXX復(fù)合材料	矢量噴管內(nèi)壁板和外壁板	有效減重，從而解決飛機(jī)重心后移問題。
F414	XXX復(fù)合材料	燃燒室	能夠提供較大的溫升，較長(zhǎng)的壽命，需要的冷卻空氣較少。
F100	XXX	密封片	累計(jì)工作時(shí)間1300h，1200℃/100h，減重60%。XXX材料比金屬密封片具有更好的抗熱機(jī)械疲勞性能。
F100-PW-229	XXX基密封片	密封片	在Pratt&Whitney（FL）和Arnold（TN）空軍基地進(jìn)行了600h以上的地面試車試驗(yàn)，并在2005年和2006年通過F-16和F-15E試飛試驗(yàn)。
F110	XXXf/XXX	調(diào)節(jié)片	累計(jì)工作時(shí)間500h，1200℃/100h，增加推力35％。取樣性能測(cè)試結(jié)果表明，XXXf/XXX無明顯損傷。
XTC76/3	XXXf/XXX	燃燒室火焰筒	火焰筒壁可以承受1589K溫度。
XTC77/1	XXX復(fù)合材料	燃燒室火焰筒，高壓渦輪靜子葉片	改進(jìn)了熱力和應(yīng)力分析；質(zhì)量減輕，冷卻空氣量減少。
XTC97	XXX復(fù)合材料	燃燒室	在目標(biāo)油氣比下獲得了較小的分布因子
XTE76/1	XXXf/XXX	低壓渦輪靜子葉片	提高了強(qiáng)度和耐久性，明顯減少了冷卻空氣需要量。
EJ200	XXXf/XXX	燃燒室、火焰穩(wěn)定器和尾噴管調(diào)節(jié)片	通過了軍用發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)、軍用驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)的嚴(yán)格審定，在高溫高壓燃?xì)庀挛词軗p傷。
Trent800	0XXX復(fù)合材料	扇形渦輪外環(huán)	可大幅度節(jié)省冷卻氣量、提高工作溫度、降低結(jié)構(gòu)重量并提高使用壽命。
F136（配裝F35）	CMC	渦輪3級(jí)導(dǎo)向葉片	耐溫能力可達(dá)1200℃，重量?jī)H有鎳合金的1/3?？赡苁翘沾苫鶑?fù)合材料在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件上得到的首次商業(yè)應(yīng)用。
Trent	CMC	尾椎	截至2013年1月，運(yùn)行73h，未有熱或結(jié)構(gòu)應(yīng)力問題發(fā)生。
Leap-X	CMC	低壓渦輪導(dǎo)向葉片	質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)材料的1/2甚至更輕，但可以耐1200℃以上的高溫，并且不需要冷卻，易于加工。

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三、CMC產(chǎn)業(yè)格局

CMC由陶瓷基體、界面層和增強(qiáng)纖維3部分組成，分別是，陶瓷基體：高溫結(jié)構(gòu)陶瓷；界面層：連接增強(qiáng)相纖維和連續(xù)相基體的紐帶；增強(qiáng)纖維：主要承力部分，主要有C纖維、高性能特種陶瓷纖維、氧化物纖維等。

CMC制備工藝：CVI（化學(xué)氣相滲透法）、聚合物浸漬裂解工藝（PIP）、漿料浸漬熱壓法（SIHP）、溶體浸滲工藝（RMI）。各國(guó)CMC材料制備工藝有所不同：日本擁有聚碳硅烷（PCS）和連續(xù)高性能陶瓷纖維制備技術(shù)，主要用PIP工藝制備CMC；法國(guó)以CVI技術(shù)為主，且技術(shù)水平屬國(guó)際領(lǐng)先；德國(guó)以RMI和PIP技術(shù)為主，特別是RMI技術(shù)世界領(lǐng)先；美國(guó)對(duì)PIP、CVI和RMI工藝均有研究，且研究水平均較高。其中RMI工藝已成為GE公司CMC制備的主流工藝。

硅光集成技術(shù)的發(fā)展路線演進(jìn)