【解析】碳化硅陶瓷基復(fù)合材料行業(yè)深度報(bào)告

我國從20世紀(jì)80年代開始,，就有張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì),，以及中航工業(yè)復(fù)材中心,、航天材料及工藝研究所,、國防科大,、中科院硅酸鹽研究所等單位先后跟蹤國際前沿啟動研發(fā)工作,。我國研究SiC纖維的主要單位有國防科技大學(xué),、廈門大學(xué)等，并取得了卓有成效的成果,；蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國首家成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)SiC纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè),。目前國內(nèi)已經(jīng)突破第二代SiC纖維和SiC/SiC復(fù)合材料研制關(guān)鍵技術(shù)，具備了構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力,，但在工程產(chǎn)業(yè)化方面與西方發(fā)達(dá)國家尚存在明顯差距,。

1.SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料概述
1.1 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料——航空發(fā)動機(jī)高溫合金首選替代材料

為了提高航空發(fā)動機(jī)的推重比和降低燃料消耗，最根本的措施是提高發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度,。數(shù)據(jù)顯示航空發(fā)動機(jī)渦輪前溫度每提高100度,，在發(fā)動機(jī)尺寸不變的條件下，推重比可以增加10%,。

渦輪前溫度與航空發(fā)動機(jī)熱端部件材料的最高允許工作溫度直接相關(guān),。

50至60年代，發(fā)動機(jī)熱端部件材料主要是鑄造高溫合金,，其使用溫度為800~900°C,；70年代中期，定向凝固超合金開始推廣,，其使用溫度提高到接近1000°C,；進(jìn)入80年代以后，相繼開發(fā)出了高溫單晶合金,、彌散強(qiáng)化超合金以及金屬間化合物等,，并且熱障涂層技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，使熱端部件的使用溫度提高到1200~1300°C,，已接近這類合金熔點(diǎn)的80%,。雖然通過各種冷卻技術(shù)可進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)口溫度，但作為代價(jià)降低了熱效率,，增加了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和制造難度,，而且對小而薄型的熱端部件難以進(jìn)行冷卻，因而再提高的潛力極其有限,。

陶瓷基復(fù)合材料正是人們預(yù)計(jì)在21世紀(jì)中可替代高溫合金的發(fā)動機(jī)熱端結(jié)構(gòu)首選材料,。

陶瓷材料的耐高溫,、低密度、高比強(qiáng),、高比模,、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，使其具有替代金屬成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的潛力,。但陶瓷材料的脆性大和可靠性差等致命弱點(diǎn)阻礙了它的實(shí)用化。而連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料(CFRCMC,，Continuous Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites,，簡稱CMC)彌補(bǔ)了陶瓷材料的短板。

它基于陶瓷組分,，采用高強(qiáng)度,、高彈性纖維與成分相同或相近的陶瓷基體相互復(fù)合而成。由連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)增強(qiáng)陶瓷基體復(fù)合成材的混搭組合,，類似于“鋼筋+混凝土”的優(yōu)勢互補(bǔ),，連續(xù)的陶瓷纖維根據(jù)需要，可編織成二維或三維的“鋼筋”骨架（即纖維預(yù)制體）,、“混凝土”則為骨架周圍緊密填充的陶瓷基體材料“水泥”,，形成“1+1>2”的效果，具備高比模,、耐高溫,、抗燒蝕、抗粒子沖蝕,、抗氧化和低密度的優(yōu)勢,。它可以具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感,、沒有災(zāi)難性損毀,。

連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料主要包括碳纖維增強(qiáng)碳化硅（C/SiC）和碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅（SiC/SiC）兩種。由于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差,，國內(nèi)外普遍認(rèn)為,，航空發(fā)動機(jī)熱端部件最終獲得應(yīng)用的是SiC/SiC。

1.2SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的性能特點(diǎn)
SiC/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。

SiC/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(diǎn),，同時(shí)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。這種材料可以在1316°C的高溫環(huán)境下保待其理化特性不退化,。當(dāng)SiC/SiC材料表面噴有熱障涂層時(shí),，其最高工作溫度可繼續(xù)增加至1480°C。盡管現(xiàn)代商用發(fā)動機(jī)渦輪前溫度可達(dá)1650°C,，額外的170°C溫差仍需采用壓氣機(jī)引氣冷卻來彌補(bǔ),，但這一引氣量相比使用傳統(tǒng)高溫合金材料的葉片已大為減少。據(jù)初步計(jì)算,，采用耐溫1480°C的CMC材料高壓渦輪葉片可使發(fā)動機(jī)燃油消耗率降低6%,。同時(shí)，采用CMC材料制成的燃燒室高溫襯墊所需的冷卻氣量也大幅減少,，進(jìn)而降低冷卻空氣同燃油摻混后不完全燃燒生成氮氧化物的機(jī)會,，其氮氧化物的減排潛力可達(dá)33%。

2SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用
2.1.SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的應(yīng)用趨勢
SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)襯,、燃燒室筒,、噴口導(dǎo)流葉片、機(jī)翼前緣,、渦輪葉片和渦輪罩環(huán)等部位,。
國外在碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件的研究與應(yīng)用方面，基于先易后難（先靜止件后轉(zhuǎn)動件,，從低溫到高溫）的發(fā)展思路,，首先發(fā)展中溫和中等載荷的靜止件，例如尾噴管調(diào)節(jié)片/密封片和內(nèi)椎體等,；再發(fā)展高溫,、中等載荷靜止件，例如火焰筒,、火焰穩(wěn)定器及渦輪外環(huán),、導(dǎo)向葉片。更高載荷的靜止件或轉(zhuǎn)動件,，例如渦輪轉(zhuǎn)子和渦輪葉片還處于探索階段,。

2.2 國外SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料研制脈絡(luò)
20世紀(jì)80年代，法國率先研制出牌號為CERASEPR系列的SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料,，并成功應(yīng)用于M88-2發(fā)動機(jī)（配套法國陣風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)）噴管外調(diào)節(jié)片和F100型發(fā)動機(jī)（配套美國F-15/F-16戰(zhàn)斗機(jī)）調(diào)節(jié)片上,。

隨后各個(gè)國家持續(xù)加大對SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)領(lǐng)域投入，如美國NASA的HIPTET,、HSR/EPM和UEET計(jì)劃,，日本的AMG計(jì)劃等，SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造技術(shù)逐漸成熟,，應(yīng)用范圍也日益廣泛,。據(jù)報(bào)道,，SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料目前已經(jīng)成功應(yīng)用于F110-GE-129發(fā)動機(jī)尾噴管、F136發(fā)動機(jī)渦輪葉片,、F414發(fā)動機(jī)和CFM LEAPX發(fā)動機(jī)渦輪罩環(huán)等構(gòu)件,。

CFM是GE和法國賽峰集團(tuán)（SAFRAN）旗下斯奈克瑪公司（SNECMA）對半合資成立的公司，已向波音和空客提供了2.5萬余臺中型客機(jī)用噴氣發(fā)動機(jī),。其經(jīng)典之作CFM-56 是全球裝機(jī)最多的一款發(fā)動機(jī)產(chǎn)品,，堪稱傳奇。

法國賽峰集團(tuán)設(shè)計(jì)的陶瓷基復(fù)合材料(CMC)尾噴口在2015年6月16日搭載在CFM56-5B發(fā)動機(jī)上完成了首次商業(yè)飛行,。賽峰通過旗下兩家公司Herakles和SNECMA設(shè)計(jì),、制造了該尾噴口驗(yàn)證件并進(jìn)行了地面試驗(yàn)。在2012年于A320上執(zhí)行了初始試驗(yàn)后,，CMC尾噴口驗(yàn)證件于2015年4月22日通過歐洲航空安全局(AESA)商業(yè)飛行使用認(rèn)證。賽峰認(rèn)為這項(xiàng)認(rèn)證確認(rèn)了其開發(fā)先進(jìn)CMC零件的能力,，能夠滿足日益增長的航空要求,。
CFM公司針對單通道客機(jī)的新一代發(fā)動機(jī)LEAP-X預(yù)計(jì)于2016年投放市場，該發(fā)動機(jī)將配備由CMC材料制造而成的高壓渦輪導(dǎo)向葉片,。這被業(yè)內(nèi)公認(rèn)為商用發(fā)動機(jī)制造技術(shù)的又一次革新,。

2.3 世界三大航空發(fā)動機(jī)巨頭對陶瓷基復(fù)合材料的應(yīng)用研究
2.3.1 GE公司
21世紀(jì)初，GE公司引入CMC材料制造地面燃機(jī)的渦輪罩環(huán),，同時(shí)從靜子部件,、開始擴(kuò)展CMC在噴氣發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用范圍。2016年投入使用的LEAP-1發(fā)動機(jī)的渦輪罩環(huán)由CMC材料制造,，將實(shí)現(xiàn)CMC在商用航空發(fā)動機(jī)上的首次應(yīng)用,。一旦GE9X發(fā)動機(jī)在2020年之后投入使用，將極大擴(kuò)展CMC在商用發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用范圍,。該發(fā)動機(jī)的燃燒室火焰筒,、第一級高壓渦輪噴管和罩環(huán)以及第二級高壓渦輪噴管都由CMC制造。2015年初,，GE9X發(fā)動機(jī)的首個(gè)全套CMC零部件在一臺改造過的GEnx-1B發(fā)動機(jī)上開始試驗(yàn),。2014年末，GE在一臺F414渦扇發(fā)動機(jī)平臺上驗(yàn)證了由CMC制成的低壓渦輪葉片的耐溫性和耐久性,，這是CMC材料在旋轉(zhuǎn)部件上的首次成功應(yīng)用,。

2.3.2 羅·羅公司
羅·羅計(jì)劃將CMC引入其軍民用發(fā)動機(jī)產(chǎn)品線。其計(jì)劃內(nèi)容包括在Advance系列的較小型號發(fā)動機(jī)上使用帶有CMC內(nèi)襯的無罩環(huán)渦輪以及urtraFan概念里的CMC噴管,。2015年前后,，羅羅公司還與Orbital-ATK公司一道加入了波音公司的787環(huán)保演示驗(yàn)證機(jī)項(xiàng)目，在美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）的Cleen項(xiàng)目指導(dǎo)下利用一臺Trent1000發(fā)動機(jī)測試陶瓷噴管,。試驗(yàn)結(jié)果顯示CMC材料系統(tǒng)的耐高溫性能超過了超合金,，重量比鈦合金降低了20%,，有效降低了燃油消耗。

羅·羅公司2015年收購了位于美國加州的專業(yè)CMC生產(chǎn)商Hyper-Therm公司,，該公司與NASA合作開發(fā)了首先用于液體火箭推進(jìn)系統(tǒng)的主動冷卻,、連續(xù)纖維增強(qiáng)SiC基復(fù)合材料推力室。

2.3.3 普·惠公司
普·惠公司十分注重耐高溫陶瓷基復(fù)合材料在軍民用發(fā)動機(jī)熱端轉(zhuǎn)子部件上的應(yīng)用研究,，而對CMC在熱端靜子部件上的應(yīng)用效果卻并不看好,。一部分原因源于普·惠新發(fā)動機(jī)的低壓渦輪級數(shù)配置，另一部分原因則是普·惠更加偏愛現(xiàn)金合金材料的熱傳導(dǎo)性能,。與其他廠商5~7級的低壓渦輪相比,，普·惠發(fā)動機(jī)的低壓渦輪只有3級，因此普惠主要關(guān)注能夠承受2700°C以上高溫的CMC材料,，并認(rèn)為CMC應(yīng)用于轉(zhuǎn)子件上才能帶來最大收益,。普·惠還打算在未來高壓渦輪轉(zhuǎn)子葉片上使用耐高溫能力更強(qiáng)的CMC材料，這也是CMC材料低密度特性的價(jià)值所在,。

普·惠公司認(rèn)為,，除制造成本外，CMC在靜子件的應(yīng)用還面臨很多問題,，其中一個(gè)問題就是熱傳導(dǎo)性,。CMC的傳熱性相對較弱，而靜子部件的重量要求又沒有轉(zhuǎn)子部件那么苛刻,，因此具有更強(qiáng)傳熱能力的合金材料可能比CMC更適合制造靜子部件,。

3SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造工藝與加工工藝
3.1 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造工藝
SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的制造工藝主要包括聚合物浸漬裂解工藝（PIP, Polymer Infiltrationand Pyrolysis）、化學(xué)氣相滲透工藝（CVI, ChemicalVapor Infiltration）和反應(yīng)浸滲工藝（RI, Reaction Infiltration）等,。日本和法國分別以PIP和CVI技術(shù)見長,，德國在RMI技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)世界領(lǐng)先，美國以CVI和PIP技術(shù)為主,。目前在SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料制造工藝領(lǐng)域領(lǐng)先的研究機(jī)構(gòu)主要有法國Boreleaux大學(xué),、美國Oak-Ridge國家實(shí)驗(yàn)室和日本Osaka Prefecture大學(xué)等。

上世紀(jì)七十年代初期法國Bordeaux大學(xué)Naslian教授發(fā)明了CVl制造連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料 (簡稱CMC- SIC)的新方法,，現(xiàn)已發(fā)展成為工程化技術(shù),，而后美國購買了法國專利。

3.2 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料加工工藝
由于SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的硬度大,，特別是材料由基體,、纖維等多部分構(gòu)成，具有明顯的各向異性,，加工后 SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的表面形貌,、尺寸精度和位置精度等對構(gòu)件的安全性、可靠性和使用壽命等都有重要影響，已成為制約SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件工程化應(yīng)用的主要瓶頸之一,。

SiC/SiC 陶瓷基復(fù)合材料的加工主要包括切邊,、鉆孔、三維成型和微槽成型等內(nèi)容,。加工工藝主要包括機(jī)械加工,、水射流加工、激光加工3類,。

4SiC纖維概述
4.1 SiC纖維生產(chǎn)工藝
SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料通常由SiC纖維,、界面層、SiC陶瓷基體和熱防護(hù)涂層組成,。

SiC纖維位于SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的上游,，是整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈至關(guān)重要的一環(huán)。由于SiC纖維有著其它纖維無可替代的作用,，發(fā)達(dá)國家紛紛投入大量資金致力于此類陶瓷纖維的研制與開發(fā),。目前世界上僅日本和美國能批量提供通用級和商品級的SiC纖維，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)能達(dá)百噸級的僅有日本碳公司和日本宇部興產(chǎn)株式會社,，典型產(chǎn)品牌號分別為Nicalon NL-200及Tyranno Lox M,。

目前制備連續(xù)SiC纖維的方法主要有：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（3P, Preceramic Polymer Pyrolysis）、化學(xué)氣相沉積法（CVD ,Chemical Vapor Deposited）,、活性碳纖維轉(zhuǎn)化法（CVR, Chemical Vapor Reaction）等。其中,，化學(xué)氣相沉積法已逐漸被淘汰,，先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是目前比較成熟且已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的方法，是SiC纖維制備研究的主流方向,。

先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備SiC纖維,，其工藝路線可分為聚碳硅烷（PCS）合成、熔融紡絲,、不熔化處理和高溫?zé)��?大工序,，即首先由二甲基二氯硅烷脫氯聚合為聚二甲基硅烷，再經(jīng)過高溫（450～500℃）熱分解,、重排,、縮聚轉(zhuǎn)化為聚碳硅烷；在250～350℃下,，聚碳硅烷在多孔紡絲機(jī)上熔紡成連續(xù)聚碳硅烷纖維,，再經(jīng)過空氣中約200 ℃的氧化交聯(lián)得到不熔化聚碳硅烷纖維，最后在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下1000℃以上裂解得到SiC纖維,。

4.2 SiC纖維的代際劃分及主要性能
1975年日本東北大學(xué)的Yajima（矢島圣使）教授用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法成功開發(fā)出連續(xù)SiC纖維,，奠定了先驅(qū)體法制備SiC纖維工業(yè)化的基礎(chǔ)。1978年日本碳公司取得Yajima教授的SiC纖維專利實(shí)施權(quán)后,，在日本新技術(shù)開發(fā)事業(yè)團(tuán)的支持下,，組織國內(nèi)30多名頂級材料專家,，經(jīng)近10年的努力，耗資約11億日元,，于1989年完全實(shí)現(xiàn)了纖維的工業(yè)化生產(chǎn),，產(chǎn)品以Nicalon商品名正式進(jìn)入市場銷售。日本宇部興產(chǎn)公司也于1988年產(chǎn)業(yè)化制成功另一種連續(xù)Si-Ti-C-O纖維,，以Tyranno商品名銷售,。美國也于同期制備了多晶纖維，并以Sylramic商品名銷售,。

根據(jù)纖維組成,、結(jié)構(gòu)及性能的發(fā)展變化過程，先驅(qū)體法制備的SiC纖維可分為三代,，第一代為高氧碳SiC纖維,，第二代為低氧高碳含量SiC纖維，第三代為近化學(xué)比SiC纖維,。其中,，第一、二代SiC纖維基本是低密度,、高碳含量,、無定形纖維，其耐溫性能一般不超過1300℃,；第三代為高密度,、近化學(xué)計(jì)量比、多晶SiC纖維,，其耐溫性能大于1700℃,，能夠滿足許多尖端裝備需要。

第一代SiC纖維
以日本碳素公司（Nippon Carbon）的Nicalon 200纖維和宇部興產(chǎn)（Ube Industries）的Tyranno LOX-M纖維為代表的高氧碳SiC纖維,，一代纖維均采用氧化交聯(lián)方式,，最終纖維中的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%~15%，當(dāng)使用溫度達(dá)到1200℃以上,，纖維中的SiCxOy相發(fā)生分解反應(yīng),，納米SiC晶體長大，導(dǎo)致力學(xué)性能急劇下降,。
第二代SiC纖維
以日本碳素公司的Hi-Nicalon纖維和宇部興產(chǎn)公司的Tyranno LOX-E,、Tyranno ZM和Tyranno ZE等低氧、高碳含量SiC纖維為代表,，主要采用電子束交聯(lián),，第二代SiC纖維中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，自由碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較高，SiC晶粒尺寸較第一代大,，纖維使用溫度由1200℃提高到1300℃,。
第三代 SiC纖維
以日本碳素公司的Hi-NicalonType S、宇部興產(chǎn)的Tyranno SA以及美國道康寧（Dow Corning）公司的Sylramic等牌號的近化學(xué)計(jì)量比SiC纖維為代表,，在組成上接近SiC化學(xué)計(jì)量比,，游離碳和雜質(zhì)氧含量明顯降低，在結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為高結(jié)晶度的SiC多晶結(jié)構(gòu),，其耐溫能力大幅提升至1700℃,。

5國內(nèi)SiC陶瓷基復(fù)合材料及SiC纖維研制概況
5.1 國內(nèi)SiC陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件研制情況
我國從20世紀(jì)80年代開始，就有張立同院士領(lǐng)導(dǎo)的西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)團(tuán)隊(duì),，以及中航工業(yè)復(fù)材中心,、航天材料及工藝研究所、國防科大,、中科院硅酸鹽研究所等單位先后跟蹤國際前沿啟動研發(fā)工作,。“硅陶瓷基復(fù)合材料”課題被列入總裝“九五”預(yù)研計(jì)劃,，要求該課題在“九五”期間完成制備工藝研究,，并對CMC-SiC的模擬件在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺上考核，結(jié)果僅用5年時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了由制造工藝研究到構(gòu)件考核的跨越,。
目前國內(nèi)已經(jīng)突破第二代SiC纖維和SiC/SiC復(fù)合材料研制關(guān)鍵技術(shù),，具備了構(gòu)件研制和小批量生產(chǎn)能力，但在工程產(chǎn)業(yè)化方面與西方發(fā)達(dá)國家尚存在明顯差距,。

根據(jù)西北工業(yè)大學(xué)張立同院士2003年1月發(fā)表在《航空制造技術(shù)》上的《新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展》,，“我國高推重比航空發(fā)動機(jī)的研制對陶瓷基復(fù)合材料也提出了需求，CMC-SiC燃燒室浮壁模擬件和尾噴管調(diào)節(jié)片構(gòu)件已分別在發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺和發(fā)動機(jī)上成功地進(jìn)行了初步驗(yàn)證,。”,；“西北工業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過近7年的努力,，自行研制成功擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的CVI法制備 CMC-SiC的工藝及其設(shè)備體系，CVI-CMC-SiC的整體研究水平已躋身國際先進(jìn)行列,�,！保弧澳壳耙殉晒ρ兄屏�20余種160余件CV I-CMC-SiC構(gòu)件,，其中液體火箭發(fā)動機(jī)全尺寸C/SiC噴管通過了高空臺試車,，CMC-SiC浮壁瓦片模擬件和調(diào)節(jié)片分別通過了航空發(fā)動機(jī)環(huán)境的短時(shí)間考核，C/SiC固體火箭發(fā)動機(jī)導(dǎo)流管通過了無控飛行考核,�,！庇纱丝梢娫缭谑�余年前我國碳化硅陶瓷基��(fù)合材料的工程化研制工作就已取得較大進(jìn)展。

根據(jù)2006年10月西工大張立同院士及廈門大學(xué)陳立富教授聯(lián)合署名發(fā)表的《高性能碳化硅陶瓷纖維現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與對策》,，“我國已打破國際封鎖,，自主攻克了碳化硅陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件批量制造技術(shù)，但是由于缺少高性能SiC纖維,，目前只能用碳纖維代替,。但是碳纖維耐氧化性差，嚴(yán)重限制了SiC/SiC在高溫長時(shí)熱力氧化環(huán)境中的應(yīng)用,，不能滿足航空發(fā)動機(jī)熱結(jié)構(gòu)部件的要求,。”由此可見,，十年前我國SiC纖維的研制工作尚無法滿足下游結(jié)構(gòu)件的發(fā)展需要,。

5.2 國內(nèi)SiC纖維研制情況
SiC纖維因其特殊性，一直被作為軍事敏感材料,，國外對我國實(shí)行技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷,。國內(nèi)必須獨(dú)立自主的開發(fā)和研究SiC纖維，尤其是耐超高溫的SiC纖維,，才能促進(jìn)國內(nèi)先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展和武器裝備的研制,，提高我國軍事實(shí)力和綜合國力。

我國研究SiC纖維的主要單位有國防科技大學(xué),、廈門大學(xué)等,，并取得了卓有成效的成果；蘇州賽力菲陶纖有限公司是我國首家成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)SiC纖維產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的企業(yè),。

我國從20世紀(jì)80年代開始SiC纖維的研究,，比日本晚8年左右，而與美國和德國幾乎同步,。20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初,，國防科技大學(xué)和廈門大學(xué)分別開展了含鋁SiC纖維和低氧SiC纖維、含雜SiC纖維的研究,。在師昌緒,、才鴻年、張立同和劉大響等一批院士的建議和支持下,，這些研究獲得國家有關(guān)科技計(jì)劃的支持,。

國防科技大學(xué)是我國最早開展先驅(qū)體法制備SiC纖維和含鈦SiC纖維研究的單位，經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)室制得短纖維到制備連續(xù)纖維和工業(yè)化開發(fā)過程,。以馮春祥教授為首的科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過艱苦的探索,，于1991年建成了國內(nèi)第一條連續(xù)碳化硅纖維實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線。目前已建成了產(chǎn)能500kg/年的SiC纖維中試生產(chǎn)線,，制得了具有較好力學(xué)性能的連續(xù)SiC纖維及含鈦碳化硅纖維,。

在中國工程院張立同院士的領(lǐng)導(dǎo)下,，廈門大學(xué)特種先進(jìn)材料實(shí)驗(yàn)室通過自主開發(fā)以及與國際合作研制，形成了國際先進(jìn),、國內(nèi)唯一的高性能連續(xù)陶瓷纖維的制造平臺,。制得的SiC纖維性能接近日本同類產(chǎn)品水平，目前正在進(jìn)行小批量生產(chǎn)技術(shù)的完善,。廈門大學(xué)的特色在于通過電子束輻射和熱化學(xué)交聯(lián)的方式,，實(shí)現(xiàn)了SiC原絲纖維的非氧氣氛交聯(lián)，制得低氧含量的交聯(lián)纖維,，再經(jīng)過高溫?zé)�成制得低氧含量的高耐溫SiC纖維,。

六SiC 陶瓷基復(fù)合材料構(gòu)件及 SiC 纖維市場前景
6.1國際航空發(fā)動機(jī)巨頭對 SiC 陶瓷基復(fù)合材料市場前景的判斷
來自 GE 公司官方的預(yù)測：2013-2023 年航空發(fā)動機(jī)市場對 CMC的需求將遞增 10 倍。據(jù)此,，為應(yīng)對 CMC 部件需求增長帶來的產(chǎn)能壓力,， 2013 年 6 月 GE 投資 1.25 億美金，在美國北卡羅萊納州的阿什維爾建設(shè) 1.16 萬 m2 的生產(chǎn)基地,，用以支撐 LEAP-X 發(fā)動機(jī) CMC 部件的量產(chǎn),，也為日后 GE9X 發(fā)動機(jī)供應(yīng)所需 CMC 批產(chǎn)部件，并將逐步應(yīng)用到為波音 787 和 747-8 提供動力的 GEnx 上,，以及在 CFM 的新一代 LEAP 發(fā)動機(jī)上全面推廣,。

為確保高端 SiC 纖維的供應(yīng)， 2012 年 4 月 GE 還攜手 SNECMA對外發(fā)布,，將聯(lián)合日本碳素公司合資成立 NGS 公司（ NGS AdvancedFibers Co. Ltd.）,，生產(chǎn)和售“Nicalon”品牌 SiC 連續(xù)纖維，以確�,！皟蓮�(qiáng)”對 CMC 關(guān)鍵原材料 SiC 纖維的持續(xù)供應(yīng)能力,。

GE 正努力將 CMC 應(yīng)用到發(fā)動機(jī)的各種部件，包括渦輪葉片升級用到 F414 中,，預(yù)計(jì)到 2016~2018 年間將日產(chǎn) 800 個(gè) CMC 成品部件,，以兌現(xiàn)大力拓展 CMC 發(fā)動機(jī)部件應(yīng)用的承諾。CFM 準(zhǔn)備從 2016 年開始由 CFM56 的生產(chǎn)逐漸過渡到 LEAP-X發(fā)動機(jī),，到 2020 年實(shí)現(xiàn)年產(chǎn) 1700 臺發(fā)動機(jī),。為實(shí)現(xiàn)這一產(chǎn)能需求，計(jì)劃投資 7.5 億美元,，在美國密西西比州埃利斯維爾新建和擴(kuò)建廠房，總面積擴(kuò)至 139350m2,，用于量產(chǎn) CMC 材料部件,。

6.2SiC 陶瓷基復(fù)合材料在我國航空航天發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景
根據(jù)《中國航天報(bào)》 2014 年 5 月的報(bào)道，中國航天科技集團(tuán)公司六院研制生產(chǎn)的陶瓷基復(fù)合材料噴管首次參加地面試車,，順利通過了發(fā)動機(jī)方案驗(yàn)證,。

根據(jù)中國商用航空發(fā)動機(jī)公司 2014 年發(fā)表在《航空制造技術(shù)》的《商用航空發(fā)動機(jī)陶瓷基復(fù)合材料部件的研發(fā)應(yīng)用及展望》,，我國商用航空發(fā)動機(jī)處在追趕先進(jìn)的研制階段，不遠(yuǎn)的將來,，也將推出裝配具有自主知識產(chǎn)權(quán) CMC 部件的國產(chǎn)長江系列商用航空發(fā)動
機(jī),。

由此可見，我國航空航天發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)對 SiC 陶瓷基復(fù)合材料的研制正在穩(wěn)步推進(jìn),。 SiC 陶瓷基復(fù)合材料與 SiC 纖維應(yīng)用前景值得期待,。


來源：國防軍工參考