陶瓷基复合材料（CMC）与碳化硅纤维.pdf

识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 1 / 20 专题研究 |国防军工 2018 年 07 月 24 日 证券研究报告 本报告联系人：滕春晓 021-60750604 tengchunxiaogf Table_Title 广 发军工参军策（卷二十 六 ） 陶瓷基复合材料 (CMC)与 碳化硅纤维 Table_AuthorHorizontal 分析师： 胡正洋 S0260516020002 分析师： 赵炳楠 S0260516070004 021-60750639 010-59136613 huzhengyanggf zhaobingnangf Table_Summary 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 。 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 。 Table_Report 相关研究 ： 广发军工参军策（卷二十 五 ） :战斗机 2018-06-14 广发军工参军策（卷二十四） :空军和空军装备 2018-03-21 广发军工参军策（卷二十三） :运载火箭发射进入快车道，商业发射市场蓄势待发 2018-03-12 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 2 / 20 专题研究 |国防军工 目录索引 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 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 3 / 20 专题研究 |国防军工 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 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 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 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 4 / 20 专题研究 |国防军工 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 请务必阅读末页的免责声明 5 / 20 专题研究 |国防军工 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 。 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 （ Al2O2）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，高温不易变形14 10 - 6 /K 8 11 10 - 6 /K23g /cm 3密度仅为高温合金的1/3 1/48 9g /cm 3 4 .5g /cm 3CMC 材料与其主要竞争对手性能 比较耐高温性热膨胀系数密度识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 6 / 20 专题研究 |国防军工 烧。 压气机： 利用高速旋转叶片对空气做功部件，用以压缩空气提高空气压力，并将压缩空气送入燃烧室。 燃烧室： 燃料在其中燃烧生成高温燃气的装置，以产生高温高压燃气。 涡轮： 通过高温高压燃气驱动旋转装置，将燃气热能转换为机械能，带动风扇或桨叶。 尾喷管： 使燃气继续膨胀 ， 高速向后喷出产生反作用推力。 图 3： 涡扇 航空发动机的构成 数据来源： 鹏 芃 科艺 ， 涡轮风扇发动机的工作特点（王国华） ， 广发证券发展研究中心 涡扇发动机的 涡轮 由 高压涡轮和低压涡轮 组成 ，同时分为转子部件和静子部件。 对于涡扇发动机而言，其涡轮部件可以根据其受到的压力相对值分为高压涡轮和低压涡轮；同时， 根据各部件是否可旋转可将其 分为涡轮转子和涡轮静子，转子和静子担负着不同的任务。 高压涡轮驱动压气机，低压涡轮驱动风扇。 燃烧室产生的高温燃气在首先高压涡轮中膨胀作功， 从而驱动压气机工作，然后燃气会在低压涡轮内继续膨胀，从而驱动风扇工作 。 每个涡轮包含转子和静子： 涡轮转子负责做功，静子负责导向。 涡轮转子部件由转子叶片、涡轮盘、涡轮轴等部件构成，其主要任务是做功 ，又称工作轮；而静子部件由静子叶片（又称导向叶片）、涡轮机匣、轴承座等部件构成，其主要任务是使燃气流以一定的方向流出，从而推动工作轮做功。 航空发动机的选材 需考虑 六大 要素 。 航空材料专家 傅恒志院士 在 论文未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋向 中介绍， 航空发动机选材 具有六大出发点 ，即 可承受的最高温度 、 高温比强度与比寿命 、 高温抗氧化能力 、 韧性 、 密度 和 可加工性 。 风扇 压气机 燃烧室 涡轮 尾喷管低温部分 高温部分高压涡轮 低压涡轮识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 7 / 20 专题研究 |国防军工 可承受最高温度： 材料可承受的最高温度 直接决定了是否可以用在航空发动机的高温部件，尤其对 于大推重比发动机而言，超高的燃气出口温度更是对材料的耐高温能力具有很高的要求。 高温 比 强度和比寿命： 大多数材料在高温下会出现强度降低、抗疲劳性能减弱等现象，从而导致材料寿命下降，因此航空发动机选材需关注在高温下依然具有较高比强度和比寿命的材料。 高温抗氧化能力： 航空发动机排出的高温燃气具有很高的氧化性，因此恶劣的服役环境对材料的高温抗氧化性也提出了要求。 密度 ： 航空材料的轻量化能够大大提高燃油的经济性，从而大幅降低成本，因此在关注材料是否能满足耐高温和强度的同时，低密度也是关注的重点。 韧性 ： 航空发动机某些部件会受到高温燃气强烈的冲击，因此在这些部件需要材料具有较高的韧性，以抵抗冲击，避免发生脆断。 可加工性： 由于航空构件大多结构复杂，需要经过大量的成型工艺，并且需要通过焊接、机械连接等方式完成各部件的连接，因此对材料的可加工性也提出了高要求。 CMC材料应用于航空发动机的优缺点 CMC材料的 核心优势在于高温 性能 和 低密度 ，而 劣势在于 韧性、可加工性 。 从 航空发动机选材的六大要素来看 ， CMC材料优势体现在 可承受的最高温度更高、高温比强度高、比寿命长、高温抗氧化能力好； 而在韧性 和 可加工性方面不如高温合金。 因此， CMC材料制成的航空发动机能够承受更高的温度，并且在高温环境下寿命更长；但同时韧性和可加工性等相对较差，对航空发动机的制造工艺提出了更大挑战。 图 4： CMC 材料相对于高温合金的优势和劣势 数据来源： 未来航空发动机材料面临的挑战与发展趋向 （ 傅恒志 ） ，广发证券发展研究中心 由于超强的高温性能和低密度 ， CMC材料成为大推重比发动机理想材料 。 发展更高效率热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更高工作温度材料的研制，镍、钴基高温合金已发展到接近其使用温度的极限， 因而对高温部优势可承受的最高温度高温比强度与比寿命高温抗氧化能力适应更大推重比发动机的高温劣势韧性可加工性可承受更高拉剪和疲劳载荷可适应氧化腐蚀等恶劣环境复杂构件的连接与加工是难题脆性断裂是服役隐患更低的密度 可实现构件大幅减重识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 8 / 20 专题研究 |国防军工 件不得不采用各种高效气冷结构以及先进热障涂层等措施，但是采用气冷结构降低了发动机的燃烧效率、增加了设计、加工的难度。 因此具有耐高温、高强度、抗氧化、抗腐蚀、耐磨损等一系列优越性能 CMC材料，成为了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 。 使用温度和寿命范围广，全面覆盖航空发动机和火箭发动机 。 CMC材料作为一种新型战略性热结构材料，使用温度范围极广，在不同温度范围具有不同的使用寿命， 并且 对应不同的 用途，例如在 1450以下具有长达数百乃至上千小时的寿命，可用于航空发动机、刹车片等；在 2000以下具有数十分钟至数十小时的有限寿命，可用于液体火箭发动机和冲压发动机等；而在高达 2800的温度下，具有几秒的 瞬时 寿命，可用于固体火箭发动机。 图 5： CMC 材料在不同温度 下的使用寿命及 应用 数据来源： 西安鑫 垚 陶瓷复合材料官网，材料人 网站 ，广发证券发展研究中心 CMC材料的应用及进展 CMC材料研制 的 难点 与国外进展 使用温度、使用载荷（压强）、静止件 or转动件，是 CMC材料研制难点的三个维度。 在 这三个维度 中，任意提高某一维度的设计要求，都会对 CMC材料的研制提出更高的挑战。 在这三个维度中，首先获得突破的是“温度”，“动静件”和“使用载荷”的提高仍在探索期。 国外 在 CMC材料的研究方面基于先易后难的发展思路，按照从低温到高温，先静止件后转动件，从低压强到高压强的顺序进行研制。首先发展中等载荷中温的静止件，再发展高温中等载荷的静止件，而作为更高载荷的静止件和转动件，如涡轮转子和涡轮叶片还在摸索中。 1450 2000 2800 长寿命（数百上千小时）航空发动机核能和燃气电站高速刹车片有限寿命（数十分钟 数小时）液体火箭发动机冲压发动机热防护系统瞬时寿命（几秒 数十秒）固体火箭发动机CMC 材料在不同温度下的使用寿命及应用使用温度使用寿命应用识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 9 / 20 专题研究 |国防军工 图 6： CMC 材料 的研究进展 数据来源： 连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用（航空制造技术，王鸣） ，广发证券发展研究中心 当前 CMC材料在 航空 /火箭发动机 中主要应用于 非转子组件的 热端部件 。 由于 CMC材料具有极好的耐高温性能和高温稳定性， 但其韧性 相对 较差， 不进行工艺或其他方面的改进 容易发生脆性断裂 ，因此在航空 /火箭发动机上，主要应用于 非转子组件的 热端部件。 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 。 可提高工作温度的潜力 150350，结构减重30%70%，是发展推重比 10以上高推重比航空发动机的关键热结构材料 。 在航天发动机领域，高比冲液体火箭发动机主要使用 CMC推力室和喷管 。 可显著减重，提高推力室压力和寿命，同时减少再生冷却剂量，实现轨道动能拦截系统的小型化和轻量化 ； 固体火箭发动机主要使用 CMC作为气流通道的喉栓和喉阀， 可 提高动能拦截系统的变轨能力和机动性 ； 在冲压发动机方面，CMC可用于燃烧室和喷管喉衬，提高抗氧化烧蚀性能和发动机工作寿命，保证飞行器长航程。 识别风险 ， 发现价值 请务必阅读末页的免责声明 10 / 20 专题研究 |国防军工 图 7： F-100 发动机调节片由 CMC 材料制成 数据来源： 连续纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用（王鸣） ，广发证券发展研究中心 CMC材料在航空发动机上的应用研究始于 20世纪 80年代， 21世纪初首次批量生产。 20世纪 80年代 ， 法国斯奈克玛公司首次开展了 CMC材料在航空发动机喷管部位的应用研究，经过十多年的研制，成功将 CMC材料应用于喷管部位的外调节片，并在 M88-2型号发动机上得到了验证， 于 1996年试生产，并在 2002年投入批量生产。在法国之后，美日等国也不断加大了 CMC材料应用于航空发动机的研究力度， 并慢慢从相对低温部件向更高温的部件渗透、从静止部件向转动部件渗透 。 2015年， GE公司首次将 CMC材料试验应用于低压涡轮的转子叶片。 中国国防科技信息网 2015年 2月 14日报道， GE航空公司通过 F414涡扇发动机验证机的旋转低压涡轮叶片成功试验了世界上首个非静子组件的轻质陶瓷基复合材料（ CMC）部件 。 由于材料的韧性 和加工的难度 ， 将旋转的 CMC部件引入发动机工作温度最高、工况最恶劣的区域， 该试验代表了 CMC材料在航空领域应用的巨大突破。 由于 CMC制成的涡轮叶片仅为 传统镍基合金重量的 1/3， 更轻的叶片导致更小的离心载荷，意味着轮盘、轴承和其他部件能够更薄 ，结构性的变革能够带来更高的燃油效率 。 表 1： CMC材料在航空发动机上的应用 研制公司 发动机型号 应用机型 应用部位 应用效果 斯奈克玛 M88-2 阵风 外调节片 于 2002 年开始投入批 量 生产，在国际上首次实现了陶瓷基复合材料在发动机上的应用 普惠 F119 F-22 矢量喷管内壁板和外壁 板 有效减重，从而解决飞机重心后移问题 通用 F414 F/A-18 燃烧室 、 低压涡轮转子叶片（验证型号 ，首次应用于转子叶片 ） 能够提供较大的温升，较长的寿命，需要的冷却空气较少