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根據(jù)國際市場研究機(jī)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(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，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)動機(jī)上特別是在航空發(fā)動機(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。

SiCf/SiC及Ox/Ox在航空發(fā)動機(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(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。

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(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。SiCf/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，同時兼具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。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(jī)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(jī)核心機(jī)高溫結(jié)構(gòu)及渦噴、渦扇發(fā)動機(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(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(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：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)