打造國防高科技重要戰略材料CMC，預計未來5年國內CMC需求量將達100噸每年[圖]

CMC 文爭 2019-08-09 05:29 來源：智研咨詢

軍工特種陶瓷材料作為增強纖維特別適用于制備陶瓷基復合材料（CMC），CMC被視為取代航空發動機高溫合金、實現減重增效“升級換代材料”之首選。預測未來10年僅航發市場對CMC的需求將遞增10倍。高性能特種陶瓷纖維的量產將直接推動相關CMC材料的量產，進而推動我國CMC的大量應用。

一、CMC材料概況：

航空發動機關鍵熱結構替代用材陶瓷基復合材料（CMC）是以陶瓷為基體與各種纖維復合的一類復合材料，具有密度低、耐高溫、優異的高溫抗氧化性能等顯著優勢，具體可應用于：

1）航空發動機，燃燒室-噴管、整體導向器、整體渦輪、導向葉片、渦輪間過渡機匣、尾噴管等表面溫度高、氣動載荷大的區域；

2）導彈，發動機部件等；

3）大型運載火箭，擴張段等；

4）航天飛機，頭部和機翼前緣等。

因此，CMC被視為取代航空發動機高溫合金、實現減重增效“升級換代材料”之首選。CMC在航空航天、兵器、核工業等高技術領域應用前景非常廣闊。

CMC與高溫合金的性能對比

對比項	高溫合金	CMC	航空發動機領域應用對比
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、調節片/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1650℃。	應用CMC能夠簡化甚至省去冷卻結構，優化發動機結構，提高發動機工作溫度和使用壽命。在無冷卻結構的條件下，可以在1200℃長期使用。
高溫抗氧化性能	-	-	CMC在高溫有氧環境保持較高的穩定性，降低了熱防護涂層成本。

數據來源：公共資料整理

對于軍用發動機：提高推重比、降低服役成本是研制焦點。現有推重比10一級的發動機渦輪進口溫度達到1500℃；正在研制的推重比12~15的發動機渦輪進口平均溫度超過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計最先進的冷卻結構。因此，現有的高溫合金材料體系（鎳基等）已發展到接近其使用溫度的極限，難以滿足先進航發的熱結構用材需求，CMC工作溫度高達1650℃，將成為替代航發高溫合金最具應用潛力的材料。

對于民航發動機：降低油耗、提高發動機使用壽命是研制焦點。預測截至2020年飛機飛行燃油成本還會進一步下降29%~31%，其中17%~19%源于發動機，特別是受益于陶瓷基復合材料的廣泛應用。

CMC用于軍用發動機F100

數據來源：公共資料整理

CMC用于民航發動機Leap-X

數據來源：公共資料整理

二、CMC市場空間

未來5年國內CMC需求量將達100噸/年。隨著我國高推重比航空發動機的定型、空間飛行器技術的迫切需求和快速發展，將大量需要陶瓷基復合材料產品。此外，陶瓷基復合材料在民用領域中也已經展現出巨大的發展潛力。預計我國未來5年內對陶瓷基復合材料的需求量將達100噸/年，按照增強纖維占CMC重量30%計算，國內陶瓷纖維的需求量為30噸/年。

國外CMC在航空發動機的應用層面已逐漸打開，呈現出從低溫向高溫、從冷端向熱端部件、從靜子向轉子的發展趨勢。短期應用目標為：尾噴管、火焰穩定器、渦輪罩環等；中期應用目標為：低壓渦輪葉片、燃燒室、內錐體等；遠期應用目標為：高壓渦輪葉片、高壓壓氣機和導向葉片等。CMC在國外已成功應用于多款發動機型號并實現工程化生產，將成為航空發動機制造的主流趨勢，市場空間巨大。

陶瓷基復合材料在航空發動機上的應用情況

發動機型號	材料體系	應用部位	效果
M88-2	Cf/XXX復合材料	外調節片	2002年開始投入批生產，在國際上首次實現陶瓷基復合材料在發動機上的應用。
F119	XXX復合材料	矢量噴管內壁板和外壁板	有效減重，從而解決飛機重心后移問題。
F414	XXX復合材料	燃燒室	能夠提供較大的溫升，較長的壽命，需要的冷卻空氣較少。
F100	XXX	密封片	累計工作時間1300h，1200℃/100h，減重60%。XXX材料比金屬密封片具有更好的抗熱機械疲勞性能。
F100-PW-229	XXX基密封片	密封片	在Pratt&Whitney（FL）和Arnold（TN）空軍基地進行了600h以上的地面試車試驗，并在2005年和2006年通過F-16和F-15E試飛試驗。
F110	XXXf/XXX	調節片	累計工作時間500h，1200℃/100h，增加推力35％。取樣性能測試結果表明，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復合材料	燃燒室火焰筒，高壓渦輪靜子葉片	改進了熱力和應力分析；質量減輕，冷卻空氣量減少。
XTC97	XXX復合材料	燃燒室	在目標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、火焰穩定器和尾噴管調節片	通過了軍用發動機試驗臺、軍用驗證發動機的嚴格審定，在高溫高壓燃氣下未受損傷。
Trent800	0XXX復合材料	扇形渦輪外環	可大幅度節省冷卻氣量、提高工作溫度、降低結構重量并提高使用壽命。
F136（配裝F35）	CMC	渦輪3級導向葉片	耐溫能力可達1200℃，重量僅有鎳合金的1/3。可能是陶瓷基復合材料在噴氣發動機熱端部件上得到的首次商業應用。
Trent	CMC	尾椎	截至2013年1月，運行73h，未有熱或結構應力問題發生。
Leap-X	CMC	低壓渦輪導向葉片	質量僅為傳統材料的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。

數據來源：公共資料整理

三、CMC產業格局

CMC由陶瓷基體、界面層和增強纖維3部分組成，分別是，陶瓷基體：高溫結構陶瓷；界面層：連接增強相纖維和連續相基體的紐帶；增強纖維：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CMC材料制備工藝有所不同：日本擁有聚碳硅烷（PCS）和連續高性能陶瓷纖維制備技術，主要用PIP工藝制備CMC；法國以CVI技術為主，且技術水平屬國際領先；德國以RMI和PIP技術為主，特別是RMI技術世界領先；美國對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。

硅光集成技術的發展路線演進