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根據(jù)國際市場研究機構(gòu)Research And Markets的報告，全球陶瓷基復(fù)合材料市場預(yù)計將從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、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)運而生。

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）由陶瓷基體、增強纖維和界面層構(gòu)成，在陶瓷基體中引入纖維作為增強材料，形成以纖維作為增強相、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、強度高、硬度大及介電、透波等特點，因其在有機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)動機上特別是在航空發(fā)動機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。

SiCf/SiC及Ox/Ox在航空發(fā)動機上的潛在使用部位

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制吸收斷裂能，不僅增強了材料的強度和韌性，同時保留了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)動機的主要候選材料，并將逐步應(yīng)用在燃?xì)廨啓C熱端部件、高速剎車、核能以及熱交換器等裝置。

SiCf/SiC復(fù)合材料

SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料是指在SiC陶瓷基體中引入SiC纖維作為增強材料，形成以引入的SiC增強纖維為分散相，以SiC陶瓷基體為連續(xù)相的復(fù)合材料。SiCf/SiC陶瓷基復(fù)合材料保留了SiC陶瓷耐高溫、高強度、抗氧化、耐腐蝕、耐沖擊的優(yōu)點，同時兼具SiC纖維增強增韌作用，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。SiCf/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，成為目前各個西方國家的研究熱點。

GE9X發(fā)動機應(yīng)用的SiCf/SiC復(fù)合材料部件

氧化物/氧化物陶瓷基復(fù)合材料

Ox/Ox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SiCf/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，加之密度低（約2.5g/cm3）、價格合理，是渦軸、燃?xì)廨啓C核心機高溫結(jié)構(gòu)及渦噴、渦扇發(fā)動機尾噴管結(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，增強與陶瓷基體的結(jié)合，有利于電子、聲子和機械應(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強玻璃和玻璃-陶瓷及低熔點陶瓷基復(fù)合材料上應(yīng)用最多，且最為有效，熱壓燒結(jié)時的溫度應(yīng)接近或略高于玻璃的軟化點，這樣利于粘性流動，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：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，并實現(xiàn)在微觀尺度上的成分設(shè)計；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。要想增加電動汽車?yán)m(xù)航里程，除了增加電池性能外，另一個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)計到2030年，汽車行業(yè)對輕質(zhì)材料的使用將從30%增加到70%，這將極大推動陶瓷基復(fù)合材料市場的發(fā)展。

來源：中國粉體網(wǎng)