一、陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料主要由陶瓷基體、纖維以及界面層組成，其中：纖維構(gòu)成陶瓷基復(fù)合材料的骨架，是主要承載單元，一般具有高強(qiáng)度和高模量的特性，復(fù)合材料的強(qiáng)度很大程度上取決于增強(qiáng)纖維的強(qiáng)度;包覆在纖維表面的界面相相當(dāng)于連接在“骨架”上的“筋”，其不僅應(yīng)具備力學(xué)保險(xiǎn)絲作用，還應(yīng)具備傳遞載荷、保護(hù)纖維等作用;而基體則相當(dāng)于復(fù)合材料的“肌肉”，是形成復(fù)合材料外形和剛性的基本結(jié)構(gòu)單元，基體材料的強(qiáng)度和模量應(yīng)與纖維匹配，同時(shí)應(yīng)具有良好的抗氧化和抗腐蝕性能。
圖示：SiCf/SiC 復(fù)合材料的組成結(jié)構(gòu)示意圖
相比樹脂基復(fù)合材料和金屬，陶瓷基復(fù)合材料具有耐高溫、低密度、高比強(qiáng)、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，其密度僅為高溫合金的1/3，強(qiáng)度為其2倍，能夠承受1000℃～1500℃的長時(shí)間高溫使役（比高溫合金高200℃～240℃），且結(jié)構(gòu)耐久性更好，固有的斷裂韌性和損傷容限高。
按照陶瓷基體的不同，陶瓷基復(fù)合材料一般為氧化物基、非氧化物基兩大類，非氧化物基耐高溫能力更強(qiáng)。非氧化物基CMC又按照增強(qiáng)纖維的不同，主要分為Cf/SiC（碳陶）和SiCf/SiC（連續(xù)碳化硅纖維增韌的碳化硅基復(fù)合材料），后者耐氧化、抗蠕變等方面具有顯著優(yōu)勢，且SiC纖維與基體SiC具有良好的相容性，無熱膨脹失配等問題，材料部件壽命更長，是近年來研究的熱點(diǎn)。
二、應(yīng)用情況
在各類武器裝備中，航空發(fā)動機(jī)對材料和制造技術(shù)的依存度最為突出，航空發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速、高溫的苛刻使用條件和長壽命、高可靠性的工作要求，把對材料和制造技術(shù)的要求提到了極限。隨著航空發(fā)動機(jī)推重比的不斷提高，渦輪前進(jìn)氣口溫度也在不斷提高，傳統(tǒng)的鎳基高溫合金已達(dá)到耐溫極限(~1050°C)，無法滿足高性能航空發(fā)動機(jī)的耐溫需求。研究表明，將SiCf/SiC復(fù)合材料用于燃燒室、渦輪葉片、加力燃燒室和噴管等熱端部件，可使發(fā)動機(jī)工作溫度提高300~500°C，結(jié)構(gòu)減重50%~70%，推力提高30%~100%。
歐、美發(fā)動機(jī)制造商高度重視陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)開發(fā)，將其引入到過渡件、燃燒室內(nèi)襯、噴管導(dǎo)向葉片，甚至渦輪轉(zhuǎn)子件等熱端動部件。根據(jù)航材院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2024年4月在《航空材料學(xué)報(bào)》上發(fā)布的最新研究顯示，法國賽峰是最早開展陶瓷基復(fù)合材料研究的航空公司之一，最早在M88發(fā)動機(jī)噴管外調(diào)節(jié)片設(shè)計(jì)應(yīng)用陶瓷基復(fù)合材料，并于2015年開展SiCf/SiC復(fù)合材料混氣錐飛行驗(yàn)證；羅羅和普惠公司在SiCf/SiC復(fù)合材料方面以少量試車為主，尚未達(dá)到批產(chǎn)水平；GE公司是迄今為止真正實(shí)現(xiàn)SiCf/SiC復(fù)合材料在航空發(fā)動機(jī)上商業(yè)化應(yīng)用的公司，GE公司從20世紀(jì)80年代末就開始制備SiC/SiC復(fù)合材料技術(shù)攻關(guān)，經(jīng)歷工藝探索階段、大規(guī)模驗(yàn)證階段，從2016年開始已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，GE在美國建立了第一個(gè)垂直整合的CMC供應(yīng)鏈，包括SiC纖維、預(yù)浸料和CMC部件的生產(chǎn)，每年可生產(chǎn)20噸CMC預(yù)浸料，10噸SiC纖維和超過5萬個(gè)CMC發(fā)動機(jī)部件。GE 2019年的報(bào)道稱，GE 和CFM 發(fā)動機(jī)對 CMC的需求在過去十年中增長了 20 倍，預(yù)計(jì)CMC部件產(chǎn)量將在未來10年增長10倍。
圖示：歐美不同發(fā)動機(jī)上CMC的應(yīng)用部位和應(yīng)用情況
以在產(chǎn)F414航空發(fā)動機(jī)為例（下圖）其尾噴管二級封嚴(yán)片是用陶瓷基復(fù)合材料制造的：F414先后采用過兩種陶瓷基復(fù)合材料來制造二級封嚴(yán)片，首先是碳化硅/碳（SiCf/C），也就是碳化硅纖維增強(qiáng)碳基體；然后是氧化物/氧化物（Ox/Ox），主要使用氧化鋁（或莫來石）纖維增強(qiáng)氧化鋁陶瓷基體的體系，2011年生產(chǎn)的F414開始安裝氧化物CMC材料制造封嚴(yán)片。
圖示：現(xiàn)役F414發(fā)動機(jī)尾噴管陶瓷基復(fù)合材料封嚴(yán)片
除了航發(fā)之外，核能領(lǐng)域SiCf/SiC復(fù)合材料以其高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、高溫穩(wěn)定性、較小的中子吸收截面、優(yōu)良的中子輻照穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，成為反應(yīng)堆包層第一壁、流道插件、控制桿和分流器等的理想候選材料；以及高超聲速飛行器的防熱、減重需求，火箭發(fā)動機(jī)和衛(wèi)星反射鏡，高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩等領(lǐng)域均可得到使用。
三、制備工藝
CMC組件的制備工藝復(fù)雜，壁壘極高?？傮w來看，陶瓷基復(fù)合材料的制備工藝分為纖維制備、預(yù)制體編織、纖維界面層制備、基體制備和增密、加工幾步。對于工作環(huán)境惡劣的CMC組件，如航空發(fā)動機(jī)熱端部件，還需制備環(huán)境障涂層。
SiC纖維成本占CMC成品成本的50%以上，主要采用先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備。CMC復(fù)合材料的制備工藝中CVI、MI和PIP工藝較成熟，但存在各自的局限性。
三個(gè)主要工藝對比情況如下：
