不同陶瓷基体与增强纤维的选择及组合方式具有不同性能优势。
陶瓷基复合材料（CMC）作为特种陶瓷材料下游重要产品之一，具备耐高温、密 度小、耐磨耗、耐腐蚀、抗氧化等优异性能。根据《浅谈陶瓷基复合材料的分类及 性能特点》（蒋永彪，2017，科技创新与应用），陶瓷基复合材料（CMC）是以 陶瓷为基体与各种纤维复合的一类复合材料，在继承单相陶瓷耐高温的优点基础上， 通过增韧机理设计，达到增加材料韧性的目的，有效解决了陶瓷的脆性问题，在航 空、航天、国防等领域得到广泛应用。根据《陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用及热分析研究进展》（杜昆，2022，推进技术），CMC长期以来都被美国 作为下一代航空发动机涡轮部件首选战略热结构材料，也成为各国重点研究的战略 热结构材料，广泛应用于航空航天发动机等领域。
不同陶瓷基体与增强纤维的选择及组合方式具有不同性能优势。根据《连续纤维增 强陶瓷基复合材料的研究进展》（李专，2007，粉末冶金材料科学与工程）， CMC材料由高强度的陶瓷纤维和陶瓷基体复合而成，基体材料有很多种，与纤维 之间的界面相容性是重要指标之一，此外还需考虑弹性模量、挥发性、抗蠕变和抗 氧化等性能；陶瓷基复合材料的纤维种类较多，高温力学性能是重要决定因素，同 时还应具有密度低、直径小、比强度和比模量高等特点，在氧化性或其它有害气体 环境中有较高的强度保持率，满足加工和使用性能要求。举例来看，基体材料方面， 非氧化基体由于其具有较高的强度、耐磨性和抗热震性及优异的高温性能，与金属 材料相比还具有密度较低等特点，受到市场重视；增强纤维方面，据《连续纤维增 强陶瓷基复合材料的研究进展》（李专，2007，粉末冶金材料科学与工程），日本 碳素公司生产的低含氧量碳化硅纤维（Hi-Nicalon）具有较好的高温稳定性，其强 度在1500～1600℃温度下变化不大。
增韧方式中，通过三维空间连续和网状结构提高抗热震冲击能力，连续纤维增强陶 瓷基复合材料（FRCMC）成为主流陶瓷基复材之一。根据《浅谈陶瓷基复合材料 的分类及性能特点》（蒋永彪，2017，科技创新与应用），陶瓷基复合材料根据增 强体分成连续增强和不连续增强两大类：其中，连续增强的复合材料包括一方向、 二方向和三方向纤维增强的复合材料，也包括多层陶瓷复合材料；不连续增强的复 合材料包括晶须、晶片和颗粒的第二组元增强体和自身增强体。其中，连续纤维增 强陶瓷基复合材料具有与传统复合材料完全不同的空间拓扑结构形式，即陶瓷增强 体在三维空间连续，基体也在三维空间连续，增强体与基体在空间呈交织网络结构。 根据《连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展》（李专，2007，粉末冶金材料科 学与工程），在多种增韧途径中连续纤维增强陶瓷基复合材料（FRCMC）最引人 注目，一方面，它克服了单一陶瓷材料脆性断裂的缺点，提高了材料的抗热震冲击 能力；另一方面，它保持了陶瓷基体耐高温、低膨胀、低密度、热稳定性好的优点。
陶瓷基复合材料（CMC）主要应用于航空航天等领域，在航空发动机领域渗透率 有望不断提高。与常规材料相比，陶瓷基复合材料具有耐高温、密度小，强度大、 抗高温蠕变性能。目前主要应用于航空航天、国防、能源与电力、电路与电子等领 域，涉及航空/航天发动机、刹车系统、轻型光学反射镜、高温连接件、热保护系 统等产品。航空发动机领域：发展高推重比航空发动机，被视为取代航空发动机高 温合金材料的首选之一。航天领域：用于火箭发动机热结构件、飞行器热防护系统。
1.航空发动机领域应用
提高军用航空发动机单位推力和结构效率越发依赖于先进材料。根据《碳化硅陶瓷 基复合材料在航空发动机上的应用需求及挑战》（刘巧沐，2019，材料工程），推 重比是衡量发动机技术水平和工作能力的综合指标之一。随着气动热力学的发展、 部件综合设计技术的进步、结构简化带来的减重以及材料工艺等专业的综合发展， 发动机推重比逐渐提高。但国内外的研究表明在维持发动机布局和不改变常规金属 材料的前提下，基于气动、热力、部件设计以及结构减重等技术手段的改进，最多 只能将发动机的推重比提高到14左右。对于推重比12-15及更高的发动机，则必须 在新材料、新工艺应用和新结构设计等方面取得更大突破，如在发动机低温部件 （外涵机匣、风扇机匣等）使用树脂基复合材料或金属基复合材料、在高温部件 （火焰筒、涡轮导叶、喷管调节片等）使用陶瓷基复合材料，才能使推重比最终达 到15及以上。根据《陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用及热分析研究进展》 （杜昆，2022，推进技术），第四代战机F22的发动机F119推重比为10，其涡轮 进口温度达1900K。面向未来的推重比12-15的发动机涡轮进口平均温度超过 2000K，推重比15-20以上的发动机涡轮进口温度最高可达2200K-2450K，远超高 温合金材料的耐温极限。
相较镍基高温合金，陶瓷基复合材料具有耐高温、密度小、可设计性强等优势。根 据《航空发动机用陶瓷基复合材料研究进展》（杨金华，2021，复合材料），发动机的高温部件主要包括燃烧室、高/低压涡轮及喷管等，其中高/低压涡轮部件主要 包含导向器叶片、转子叶片及涡轮外环。在应用陶瓷基复合材料之前，这些部件主 要采用高温合金。从20世纪40年代开始，高温合金的耐温能力逐渐提升，尤其是在 20世纪40至50年代，锻造高温合金的耐温能力提升明显，之后处于缓慢提升期， 基本上每10年增加约35℃。目前，高温合金的耐温极限维持在1100℃附近，而陶 瓷基复合材料的应用将发动机部件的耐温能力提升至1200-1350℃。与此同时，陶 瓷基复合材料构件质量通常为镍基高温合金构件质量的1/4-1/3，不仅可以通过提高 构件的工作温度提高燃油经济性，还可以通过减轻质量实现燃油经济性的提高，具 有耐高温、密度小、可设计性强等优势。
陶瓷基复合材料已在高温涡轮叶片、高温燃烧室、调节/密封片等部件实现应用。 根据《新一代发动机高温材料—陶瓷基复合材料的制备、性能及应用》（焦健， 2014，先进高温材料），美国、欧洲和日本等国家围绕陶瓷基复合材料相继开展了 多个国家级的研究计划，如NASA的IHPTET（High Performance Turbine Engine Technology）、UEET（Ultra Efficient Engine Technology）计划、日本的AMG （Advanced Materials Gas Generator）计划等，以期能够将发动机热端部件的服 役温度提高到1650℃甚至更高。经过几十年的发展，陶瓷基复合材料已经在高温涡 轮叶片、高温燃烧室、调节/密封片等部件上进行了相关典型件测试和工程化应用。
2.航天领域应用
在航天领域，CMC材料大量应用在发动机壳体、导弹弹翼、弹头、航天飞机舱门、 太阳能电池帆板、天线等部件上。作为近十多年来发展迅速的新型复合材料， CMC材料具有高熔点、刚度、硬度和高强温度，抗蠕变，疲劳性能好等特点，在 航天领域一直被广泛采用，大量应用在发动机壳体、导弹弹翼、弹头、航天飞机舱 门、太阳能电池帆板、天线等部件上。尤其是作为高温结构材料，CMC材料在航 天飞行器需要承受极高温度的特殊部位的使用具有很大的潜力。
3.市场空间
CMC材料全球市场空间有望以较快的复合增速持续增长，航空航天领域需求为主 要驱动力。根据Straits Research发布的报告《Ceramic Matrix Composites Market: Information by Product, Applications, and Region – Forecast till 2030》，2021年 全球陶瓷基复合材料（CMC）市场规模为30.6亿美元，并预计将在2030年达到 90.4亿美元，期间年复合增长率（CAGR）为12.79%。由于CMC材料具有卓越的 机械性能与功率重量比，可减轻重量，实现较高水平的燃油效率并减少污染，航空 航天业以及汽车工业对此类材料的需求不断增加，预计未来几年全球市场对CMC 材料的需求将会以较快的复合增速持续提升。根据应用领域划分，CMC材料应用 领域包括航空航天、国防、能源与电力、电路与电子等。参考Grand View Research发布的报告《Ceramic Matrix Composites Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product, By Application, And Segment Forecasts, 2022-2030》， CMC材料在航空航天领域的应用发展较快，2021年占全球份额的36%以上，其次 是国防、能源与电力、电路与电子等领域。
亚太地区CMC材料增速有望高于全球平均水平。依据Grand View Research发布的 报告《Ceramic Matrix Composites Market – Global Industry Analysis And Forecast (2022-2029)》，从地区来看，目前北美地区在CMC材料的国际市场中占据最大份 额，其CMC材料收入占全球总收入的44.9%以上。推动北美CMC材料需求的重要 因素包括来自航空航天装备制造商的需求和投资、以及为升级国防装备与政府机构 的合作。与此同时，预计亚太地区将以较快速度发展，主要受益于航空航天和国防 工业不断增长的需求和对新型技术发展的持续投入。
在连续纤维增韧陶瓷基复合材料研究及增强体纤维制备方面，日本企业领跑。据 《连续纤维增韧陶瓷基复合材料的发展机载航空发动机上的应用》（左平等，2019， 燃气涡轮试验与研究），日企业在连续纤维增韧陶瓷基复合材料的研究上处于世界 前列，再增前提纤维的制备方面具有垄断地位。根据《连续SiC纤维增强SiC陶瓷基 复合材料的现状研究》（王玥，2022，纤维复合材料），目前，国外能够实现碳化 硅商业化出售的公司只有日本碳素公司（Nicalon系列）、日本宇部公司（ZMI和 Tyranno系列）、美国道康宁公司（Syramic纤维）和NASA（Syramic-iBN纤维）。 目前美国GE公司已经大量使用日本碳素公司的Nicalon纤维制备SiC/SiC导向叶片 以及涡轮外环等部件，应用于其商业化的发动机中。
国内校企合作是推动陶瓷基复合材料技术发展的重要形式之一，火炬电子领先布局 产业化发展。高校研究方面，根据《陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件应用及 热分析研究进展》（杜昆，2022，推进技术），目前国内的北京航空航天大学和南 京航空航天大学在CMC涡轮叶片方面的研究较多，并且主要集中的数值模拟方法 和性能考核等方面。校企合作方面，火炬电子与厦门大学较早进行科研合作；国防 科技大学与苏州赛菲、宁波众兴新材展开合作；西安鑫垚依托西北工业大学陶瓷复 合材料工程中心发展等。据火炬电子2022年报，公司通过技术独占许可方式掌握了 CASAS-300特种陶瓷材料产业化的一系列专有技术，技术水平领先；作为国内少 数具备陶瓷材料规模化生产能力的企业之一，产品性能和产能已具备稳定供货能力； 报告期内，通过与专业投资机构合作设立产业基金，推动新材料下游发展，实现产 业链的良性循环。
