陶瓷基复合材料(CMC)与碳化硅纤维
核心观点：
●更高的高温特性、更低的密度，CMC材料成为新型大推重比发动机理想材料。
降雨量单位发展更高效率发动机的关键在于提高工作温度，而提高工作温度之关键又取决于材料的研制，因此具有耐高温、低密度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能的CMC材料，成为了新型高推重比航空发动机、空天飞机等重要武器装备高温部件的理想材料。在航空发动机上，CMC材料主要用于热端部件，如喷管、燃烧室火焰筒、低压涡轮静子叶片和喷管调节片等，并逐步探索在低压涡轮转子叶片的应用，在高压载荷区域的应用尚在探索期。
●碳化硅纤维是制备CMC材料的重要原材料。
CMC材料主要由增强纤维、陶瓷基体、界面层制备而成。其中，碳化硅纤维的研制技术处于快速发展中，且其作为增强纤维能够为CMC材料带来更好的耐热性能，是制备CMC材料的重要原材料，正日益受到航空发动机领域的关注。
●国外已发展出三代碳化硅纤维，国内已突破各项关键技术，进行一二代产品产业化生产。
目前，国外已发展出三代碳化硅纤维，并实现了三代产品的产业化。国内正以产学研模式开展工艺的创新与技术的产业化，已突破制备过程的各项关键技术，初步实现了一、二代产品的产业化。国防科技大学是中国最早进行碳化硅纤维研制的单位，目前已与苏州赛菲、宁波众兴新材展开合作；此外，厦门大学已于2015年3月与火炬电子签署《技术（技术秘密）独占许可合同》展开合作。
●CMC材料应用范围广阔，重点应用领域航空航天将推动CMC产业发展。
强军政策下，航空/航天发动机作为飞机与火箭的“心脏”，将成为现代化武器装备体系的重要一环。“两机”专项的启动，也将推动中国航空发动机的研制与生产。CMC材料是大推重比发动机热端部件的理想材料，航空航天对于大推重比发动机的需求将直接拉动CMC材料的需求。此外，除了航空/航天发动机的热端部件，CMC材料还在刹车片、卫星光机构件、热防护结构、核电设备构件、光伏/电子构件等领域有着较广泛的应用。
●风险提示
新材料研发具有不确定性，下游发动机的研发具有不确定性，市场应用前景具有不确定性，军品采购具有不确定性。
目录索引
b twin陶瓷基复合材料（CMC）：新型战略性热结构材料 (4)
CMC材料性能优异，由陶瓷基体与纤维组成 (4)
CMC材料是航空/火箭发动机的理想材料 (5)
航空发动机的构成与选材要素 (5)
CMC材料应用于航空发动机的优缺点 (7)
CMC材料的应用及进展 (8)
CMC材料研制的难点与国外进展 (8)
国内总体上处于应用研究阶段 (11)
碳化硅纤维是制备CMC材料的关键 (11)
CMC材料制备工艺 (11)
碳化硅纤维的研究进展 (12)
国外已发展出三代碳化硅纤维，高温稳定性逐渐提升 (12)
国内已突破各项关键技术，但生产规模与批次间稳定性仍需提高 (13)
航空航天将推动CMC产业发展 (14)
发达国家起步早，巨头GE投资扩产彰显CMC价值 (14)
航空、航天两大领域引领CMC需求 (15)
CMC产业链梳理 (17)
投资建议与风险提示 (19)
图表索引
图1：陶瓷基复合材料的构成 (4)
图2：CMC材料与其他材料性能对比 (5)
图3：涡扇航空发动机的构成 (6)
图4：CMC材料相对于高温合金的优势和劣势 (7)
图5：CMC材料在不同温度下的使用寿命及应用 (8)
图6：CMC材料的研究进展 (9)
图7：F-100发动机调节片由CMC材料制成 (10)
图8：陶瓷基复合材料材料的制备工艺 (12)
空间友情留言代码图9：三代碳化硅纤维结构组成和性能对比 (13)
图10：通用公司F414发动机 (15)
图11：美国战斗机各代次占比 (16)
图12：中国战斗机各代次占比 (16)
碳化硅用途图13：21世纪以来中国各年航天发射次数 (17)
图14：CMC材料产业链 (17)
表1：CMC材料在航空发动机上的应用 (10)
表2：三种制备工艺对比 (12)
表3：国内碳化硅纤维制备技术现状 (13)
表4：国内主要的CMC生产及研制单位 (18)
表5：国内主要的碳化硅纤维生产及研制单位 (18)
陶瓷基复合材料（CMC）：新型战略性热结构材料
CMC材料性能优异，由陶瓷基体与纤维组成
陶瓷基复合材料（CMC），陶瓷基体与纤维取长补短。CMC材料是指将陶瓷基体
和纤维增强材料复合而成的材料，使得陶瓷基体和纤维增强材料在性能上取长补
短，形成互补。
●陶瓷具有耐高温、低密度、高比强、高比模等特性，但同时，它对缺陷的敏感
性和体积的敏感性，导致其具有脆性大和可靠性差的致命弱点，限制了实用
化。
●纤维具有连续性、高强度、高弹性等特点，是提高陶瓷基体韧性和可靠性的有
效途径。
CMC材料主要由陶瓷基体、增强纤维和界面层组成。CMC材料是指在陶瓷基体中
引入增强材料，形成以引入的增强材料为分散相，以陶瓷基体为连续相的复合材
料，通常由增强纤维、界面层和陶瓷基体三部分组成。
●陶瓷基体：陶瓷基体是复合材料重要的组成部分，其主要成分和结构对材料
综合性能具有重要的影响
●增强纤维：纤维作为复合材料的主要承力部分，对材料的性能具有决定性作
用。其影响因素包括：纤维型号、纤维的体积含量以及纤维的编织方法等。
●界面层：界面层是处于复合材料纤维和基体之间的一个局部微小区域，虽然
其在复合材料中所占的体积分数不到10%，却是影响陶瓷基复合材料力学
性能、抗环境侵蚀能力等性能的关键因素，主要有热解碳界面层（PyC）、
BN界面层和复合界面层。
图1：陶瓷基复合材料的构成
数据来源：《连续纤维增强陶瓷基复合材料的研究进展》（李专），广发证券发展研究中心
识别风险，发现价值
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CMC 材料可以根据陶瓷基体和增强纤维的不同进行分类，连续碳化硅纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料（SiC/SiC CMC ）是目前国际公认的最有潜力的发动机热结构材料之一。
行到水穷处 坐看云起时●按增强纤维分类：CMC 材料的增强纤维可以分为碳化硅纤维、碳纤维和氧化
物纤维，其中碳化硅纤维由于其在耐热性方面的卓越性能，正日益受到航空发动机领域的关注，目前碳化硅纤维的生产大多集中在国外。
●按基体分类：能够用作CMC 材料基体的陶瓷主要有三类，即非氧化物陶瓷
（SiC ）、氧化物陶瓷（Al 2O 2）和玻璃陶瓷，其中碳化硅陶瓷在航空发动机的热端部件上取得了广泛应用。
CMC 材料性能优异：耐高温、密度低。CMC 材料具有耐高温、高强度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能。CMC 材料与其主要的竞争对手镍钴高温合金、钛合金等相比，不但耐高温性能很高，密度也比镍钴高温合金、钛合金等低。 图2：CMC 材料与其他材料性能对比
数据来源：《浅谈陶瓷基复合材料的分类及性能特点》（蒋永彪），广发证券发展研究中心 CMC 材料是航空/火箭发动机的理想材料
航空发动机的构成与选材要素
典型的航空（涡扇）发动机由进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管几大部件构成。根据文献《涡轮风扇发动机的工作特点》（王国华）的介绍，涡扇发动机工作过程中，首先进气道吸入空气，一路空气通过风扇的内涵部分，经过压气机加压，进入后面的燃烧室，在燃烧室里空气和燃油混合燃烧，高温燃气在高压涡轮内膨胀作功，最后从内涵喷管高速喷出，产生推力；另一路空气经外涵道风扇压缩后流入外涵道然后从外涵喷管喷出，也产生推力。其中进气道、风扇和压气机部分为低温部分，燃烧室、涡轮和尾喷管为高温部分。
●进气道：空气由进气道进入发动机内部，以尽可能小的总压损失完成高速气体
的减速增压任务。
●
风扇：风扇可以增大吸入空气的量，同时也可以产生推力，使得燃气充分燃CMC 材料高温合金钛合金1450℃具有长寿命
2000℃具有有限寿命1100℃左右700℃左右
3~4×10-6/K 热膨胀系数低，高温
江西省抚州市东乡县不易变形
14×10-6/K 8~11×10-6/K 2~3g/cm 3
密度仅为高温合金的
1/3~1/48~9g/cm 3 4.5g/cm 3
耐高温性热膨胀系数密度
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