陶瓷基复合材料专题报告：新型热结构材料战略地位凸显，产业化应用拐点将至

中泰证券研究所专业｜领先｜深度｜诚信 ｜证券研究报告｜ 陶瓷基复合材料专题报告： 新型热结构材料战略地位凸显，产业化应用拐点将至 2024.10.5 分析师：陈鼎如 执业证书编号：S0740521080001 Email：chendr01@zts.com.cn 分析师：马梦泽 执业证书编号：S0740523060003Email：mamz@zts.com.cn 1 核心观点 战略地位突出：CMC是新型热结构材料，SiC纤维和CMC制备是各国攻关重点 CMC材料因其突出的耐高温、抗氧化、低密度性能，成为最重要的高温热结构材料之一。不同增强体的CMC适应于不同的应用环境，SiCf/SiC复材是航发热端部件理想材料，Cf/SiC复材多应用于航天领域。SiC纤维是CMC制备的核心成分，日美等国已实现三代连续SiC纤维的工业化生产与应用，国内已具备二代SiC纤维产业化能力。 多重需求驱动：航发迭代驱动产业化拐点，先进核能及航天市场广阔 航发CMC：新一代航发向高效化和轻量化方向发展，CMC有望于热端取代高温合金。国外CMC材料在航发中温中载静止件上应用已进入批产阶段，未来将遵循“中温中载—高温中载—高温高载”路径实施验证及工程化应用。国内航发型号更迭需求释放叠加技术体系初步成熟，国产四代航发有望成为CMC规模化应用平台，另据我们测算，国内军/商用航发CMC市场空间或于2028年达200亿元。 高温结构吸波材料：因CMC具备吸波功能，防热/隐身/结构一体化CMC在国外已有应用基础。国内隐身装备列装需求确定，同时 隐身涂层企业如佳驰科技、华秦科技等已开展涂层向构件的系统性探索。 先进核能CMC：SiCf/SiC复材是聚变堆和先进裂变反应堆重要的候选结构材料，国内有望受益于四代核电及聚变加速推进。 航天CMC：Cf/SiC复材因其优异的高温性能，在航天飞行器热结构、火箭发动机和卫星反射镜等航天领域有广泛应用场景。 规模供给初成：GE通过垂直整合实现全过程自主供应，国内通过“产学研”协同初步具备规模生产能力 GE“内外兼修”的航发CMC产业化经验：1）先进技术转化：GE与日本碳素公司成立合资公司快速吸收第三代SiC纤维制造技术，并在本土成立纤维工厂实现技术转化。2）供应链自主：积极在本土建立CMC全过程生产供应链，以实现自主供应及一体化降本。 2 国内通过“产学研”协同工程化攻关，细分龙头初步具备规模生产能力：1）SiC纤维：①火炬电子：子公司立亚新材的SiC纤维供应规模处国内领先为主，同时积极向下游布局CMC材料实现价值链贯通；②宁波众兴：与国防科大和中科院过程所合作具备一定先发优势；③湖南泽睿：作为国内领先的掺杂SiC纤维供应商瞄准低成本路线，将碳化硅纤维价格降低至万元以下。2）CMC材料/构件：①西安鑫垚：国内首个CMC材料产业化公司，在空天飞行器/发动机/碳陶刹车领域产业化能力最强；②上海瑞华晟：华秦科技控股子公司，承担董绍明院士的航发CMC科技成果产业化，24H2实现试生产。③体制内单位：以中国航发、中航工业、航天科技、航天科工、中广核、中核集团等军工央企下属科研单位为主，部分具备CMC材料小批量生产能力。 3 目录 CONTENTS 中泰证券研究所 专业｜领先｜深度｜诚信 1.CMC材料：新型战略性热结构材料，工程化应用是攻关重点 2.需求驱动：航发迭代驱动产业化拐点，先进核能/航天市场广阔 3.供给格局：GE全流程自主供应领跑全球，国内产学研协同初具批 产基础 4.投资建议 陶瓷基复合材料(CeramicMatrixComposites,CMCs)是战略性高温热结构材料。 在三大材料体系（金属材料、有机材料、无机材料）中，陶瓷与水泥、玻璃等同属无机材料门类。先进陶瓷和陶瓷基复合材料是一种全新的结构材料，历经近40年发展，陶瓷基复合材料已在航空航天、交通运输、新能源等领域实现工程应用或工程验证，是最重要的高温热结构材料之一。 陶瓷基复材相比其他高温热结构材料，耐高温、抗氧化性能优越，具有较高比强度和比刚度。 ·耐高温蠕变、抗氧化：CMC材料工作温度可达1600℃，可有效提高飞行器在高温环境下的使用寿命；且CMC材料能够在高温有氧环境下保持较高的稳定性，一定程度上减少了环境障涂层的使用成本。 ·低密度：CMCs自身具有低密度的特点，其重量约为高温合金的1/3，因此具有较高的比强度，可有效减轻结构件的质量。 陶瓷在材料体系中属无机材料门类 金属材料 黑色金属、有色金属等 有机材料 塑料、纤维、橡胶、树脂等 CMC具备耐高温性能CMC具备较高比强度与比刚度 4 无机材料水泥、陶瓷、玻璃等 陶瓷基复合材料由增强体、界面层和陶瓷基体组成，通过适当的复合工艺所制成的复合材料。 1）增强体作为分散相，起到承载和增韧的作用。其中纤维增强陶瓷基复合材料被认为是陶瓷材料增韧的理想途径。 2）陶瓷基体作为连续相，起到保护纤维和传递载荷的双重作用。 3）界面层位于纤维和陶瓷基体之间，起到传递载荷、阻止裂纹扩展和阻挡外部环境侵害的作用。 通过陶瓷基体与增强体的结合，使得CMC材料在保证陶瓷耐高温、高强度和低密度性能前提下，克服了传统陶瓷的疲劳特性和韧性 问题。 陶瓷基复合材料构成及分类 𝑺i𝑪f/𝑺i�复合材料的组成结构 按照基体类型，主流CMC材料有碳化硅陶瓷基复合材料、氧化物陶瓷基复合材料，不同基体特性不同，适用于不同的服役环境。 1）非氧化物CMC ·碳纤维增强碳化硅陶瓷基复材（Cf/SiC）：Cf/SiC复材具备优异的高温性能，但高温下抗氧化性能较差，适用于短时极端服役工况（如航天领域）。Cf/SiC复材是最早发展起来和应用最成熟的CMC材料体系，国内进展方面，西工大、国防科大和中科院上硅所牵头，Cf/SiC复材已作为热结构和空间相机支撑结构等应用于飞行器和高分辨率空间遥感卫星。 ·碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复材（SiCf/SiC）：SiCf/SiC复材具有密度低（密度为2.1-2.8g/cm³）、耐高温（1200-1350℃可长时使用），相比Cf/SiC复材具有更好的抗氧化和长时耐高温性能，主要应用于航空发动机高温热端部件，如燃烧室、高/低压涡轮等。 ·超高温陶瓷基复材：以Zr、Hf和Ta等过渡金属的碳化物或硼化物等陶瓷相为基体，具备抗热震性、抗氧化、耐烧蚀特性，用于满足固体火箭发动机、火箭燃烧室以及高超声速飞行器等对热结构、热防护材料提出的更高要求。 2）氧化物CMC 常见复合材料增强纤维及其耐温性能 ·氧化物/氧化物陶瓷基复材：以高强度氧化物纤维为增强体、氧化物陶瓷为基体。长时耐温能力略低于SiCf/SiC复材（约为1150℃），密度在2.5-2.8g/cm³，相较于SiCf/SiC复材具备低成本优势，主要应用于航空发动机的喷管及小型发动机的高温部位。 陶瓷基复合材料种类及应用 环 境6 由于SiCf/SiC复材在航空涡轮发动机热端部件和新型空天飞行器防热结构等领域具有广泛应用前景，我们以SiCf/SiC复材为例探讨 CMC材料的发展及制备工艺。 SiCf/SiC复合材料的制备流程大致分为纤维(束)编织成预制体、制备纤维表面的界面层、基体增密、机加工成型和环境障涂层制备等五个主要步骤。 𝑺i𝑪f/𝑺i�复合材料制备流程 先驱体 性 SiC 纤维 型号 及其 制备 路线 和微 观示意图 代表 SiC纤维制备：居CMC材料制备流程的核心地位，国外已实现三 代连续SiC纤维的工业化生产与应用。 ·制备工艺：先驱体转化法具备生产效率高与成本低优势。目前SiC纤维的制备方法主要有化学气相沉积（CVD）法和先驱体转化法。①CVD法：最早制备SiC纤维的方法，其制备的SiC纤维纯度较高，但由于直径较粗无法进行编织，且成本较高，应用受到限制。②先驱体转化法：与CVD法相比，先驱体转化法生产效率高、成本低，适合于工业化生产，是目前采用广泛且技术最成熟的制备方法。 三代SiC纤维的组成结构、性能和价格 ·研究进展：根据其化学成分、氧含量和C/Si原子比，SiC纤维主要分为三代。①第一代：高氧高碳SiC纤维；②第二代是低氧高碳SiC纤维；③第三代是近化学计量比的SiC纤维。国外已经实现了三代连续SiC纤维的工业化生产与应用，SiC纤维的制造企业主要集中在日本和美国，包括日本碳公司（NipponCarbon）、日本宇部公司（UbeIndustries）和美国道康宁公司（DowCorning）等，纤维商品号为Nicalon系列、Tyranno系列和Sylramic。 国内方面，上世纪90年代起，国防科技大学实现第一、二代SiC纤维工程化，第三代SiC纤维中试研制，同时与宁波众兴签署合作协议，开展第二代SiC纤维产业化。本世纪初，厦门大学与开始进行SiC纤维研制，后与福建立亚新材合作，建成了第二代、第三代SiC纤维商品化生产线。 PIP/CVI/RMI工艺路线 复合材料制备:单一工艺具备局限性，联用工艺是发展趋势。 1）前驱体浸渍裂解工艺PIP：制备碳化硅纤维编织体后，将含Si的有机聚合物先驱体(如PCS)溶液或熔融体渗入到编织体中，通过高温裂解转化为SiC基体，浸渍-裂解重复进行直至达到指定致密度。 2）化学气相渗透工艺CVI：以气态三氯甲基硅烷等作为源气，与载气一起通入放置SiC纤维编织件的沉积炉中，源气通过扩散或者在压力差的驱动下传输至编织件周围，并扩散到内部，进而在纤维表面发生化学反应并沉积SiC基体。 3）反应熔体渗透工艺RMI：利用熔融硅的毛细管效应浸渗至纤维预制体内部，然后在一定温度下发生化学反应生成SiC基体。 ·发展趋势：现阶段CVI法和RMI法都已实现大规模工业化生产，PIP法制备大型结部件也逐步达到实用化水平。鉴于单一工艺的局限性，多工艺联用是未来制备SiCf/SiC复合材料构件的重要发展趋势，主要包括CVI和PIP、CVI和RMI以及PIP和RMI等工艺的组合。 ·研究进展：日本拥有聚碳硅烷(PCS)和连续SiC纤维制备技术，主要开展PIP工艺研究,特别在SiCf/SiC复材制备上具有较高水平；法国以CVI技术为主，且技术水平属国际领先；德国以RMI和PIP技术为主，RMI技术世界领先；美国对PIP、CVI和RMI工艺均有较高研究水平，RMI工艺已成为GE公司CMC材料制备主流工艺。 不同工艺技术路线之间的优缺点及参数比较 制备工艺 制备周期/d 工艺温度/℃ 制备构件类型 孔隙率/% PIP 20 1100~1200 复杂形状 10~25 CVI 20 1000~1100 复杂形状 10~20 RMI 5 1400~1700 复杂形状 <5 NITE 3~5 1500~1700 简单形状 <5 优点缺点 制备所需温度高,可制备结构复杂的大尺寸构件 生产效率低，生产周期长，孔隙多 纤维损伤程度低，得到的陶瓷基制备时间长，所需成本高，沉积 体杂质少 制备工艺简洁，反应快，周期短，致密化程度高 制备速度快，产品具备孔隙率低 、热导率高、结晶程度高 速率慢，复合材料孔隙多处理温度高，易损伤纤维 制备工艺复杂，易损伤材料的微观结构 9 10 目录 CONTENTS 中泰证券研究所 专业｜领先｜深度｜诚信 1.CMC材料：新型战略性热结构材料，工程化应用是攻关重点 2.需求驱动：航发迭代驱动产业化拐点，先进核能/航天市场广阔 3.供给格局：GE全流程自主供应领跑全球，国内产学研协同初具批 产基础 4.投资建议 新一代航发向高效化和轻量化的方向发展，高温合金应用遇到瓶颈。 ·瓶颈一：推重比提升→涡轮进口温度提高，未来高推重比发动机远超高温合金耐温极限。 第四代战机F22的发动机F119推重比为10，其涡轮进口温度达1900K。面向未来的推重比12-15的发动机涡轮进口平均温度超过2000K，推重比15-20