陶瓷基复合材料CMC与碳化硅纤维行业分析报告.docx
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陶瓷基复合材料CMC与碳化硅纤维行业分析报告
陶瓷基复合材料CMC与碳化硅纤维行业分析报告
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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
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/SiCCMC)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
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
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。
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
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
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。
图6:
CMC材料的研究进展
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150~350℃,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。
图7:
F-100发动机调节片由CMC材料制成
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
国内总体上处于应用研究阶段
国内总体尚处于应用研究阶段,部分研究成果开始初步产业化。
根据《CMC材料发展现状及其在航空发动机上的应用》,国内从事CMC结构件研制的单位有航空工业复材中心、北京航材院、西北工业大学、航天材料及工艺研究所、国防科技大学等。
其中西北工业大学研制的燃烧室浮壁模拟件和尾喷管调节片构件已通过了航空发动机环境的初步验证和短时考核,国防科技大学研制的调节片也通过了相关试车考核。
但总体来说,国内的CMC材料在产业化和应用等方面仍与西方发达国家存在明显差距。
碳化硅纤维是制备CMC材料的关键
CMC材料制备工艺
CMC的原材料:
主要包括增强纤维、界面层和陶瓷基体。
陶瓷基体包括非氧化物基体、氧化物基体材料、玻璃陶瓷基体;增强纤维主要有碳纤维、碳化硅纤维、氧化物纤维等;界面层主要包括热解碳界面层(PyC)、BN界面层和复合界面层。
图8:
陶瓷基复合材料材料的制备工艺
制备技术:
制备工艺是应用的核心,目前有三种主流制备技术。
目前的制备工艺主要有化学气相渗透法(CVI)、聚合物浸渍裂解工艺(PIP)和熔体浸渗工艺(RMI),其中CVI是最先进和最基础的方法。
表2:
三种制备工艺对比
碳化硅纤维的研究进展
国外已发展出三代碳化硅纤维,高温稳定性逐渐提升
根据结构组成和性能,国外碳化硅纤维已发展出为三代,且三代产品已经实现工业化与商品化。
第一代碳化硅纤维为高氧高碳型,其氧含量在10%以上,含有部分碳化硅XOY相和游离碳,在温度高于1200°C时,纤维的性能会明显下降,限制了其在高温构件中的应用。
工业化产品以日本碳公司的Nicalon200纤维和日本宇部公司的TyrannoLOX-M纤维为代表。
第二代碳化硅纤维为低氧、高碳含量型,基于第一代纤维中高氧高碳结构对热力学稳定性的影响,通过改进工序大幅降低了含氧量,提升了材料的高温稳定性。
工业化产品以日本碳公司的Hi-Nicalon纤维和日本宇部公司的TyrannoZM纤维等为代表。
第三代碳化硅纤维为近化学计量比型,由于第二代纤维中游离碳多,会降低纤维在高温氧化气氛中的稳定性,日本碳公司在二代纤维的基础上进一步降低游离碳含量,成功研制接近碳化硅化学计量比的第三代纤维,显著提升了纤维的模量,并且具有优异抗氧化性能和抗蠕变性能,显著拓宽了其在航空航天热端构件领域的应用。
工业化产品以日本碳公司的Hi-NicalonS纤维、日本宇部公司的
TyrannoSA纤维和美国道康宁公司的Sylramic纤维等为代表。
图9:
三代碳化硅纤维结构组成和性能对比
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
国内CMC研究起步相对较晚。
中国的CMC材料研究起步相对较晚,火炬电子公告显示,目前国内CMC材料研制技术领先的厦门大学2002年才开始从事高性能陶瓷材料的基础研究,比国外晚了几十年。
制备工艺方面,国内已经突破了碳化硅纤维制备的各项关键技术,综合性能达到或接近国外同类产品。
表3:
国内碳化硅纤维制备技术现状
工程化生产方面,国内已实现第一代碳化硅纤维工程化生产,初步实现第二代碳化硅纤维工程化生产。
2011年苏州赛力菲与国防科技大学合作,实现了第一代碳化硅纤维的产业化;2017年12月众兴新材在国内首次实现了第二代碳化硅纤维的量产。
宁波众兴新材:
公司官网报道,2016年8月,公司与国防科技大学签署了技术转让合作协议,2017年12月,10吨级生产线顺利投产,经改进后年产量可超20吨,公司厂房内还预留了3条生产线的空间,未来全部投产后年产量将达到80吨至100吨。
苏州赛菲:
据镇江新区政府门户网站披露,苏州赛菲在镇江投资17.48亿元建设了年产10吨碳化硅纤维、30吨碳化硅微粉及15吨高性能碳化硅陶瓷制品生产线,其中6.25吨碳化硅纤维销售外供,3.75吨碳化硅纤维供内部自用,用于生产下游产品15吨碳化硅高性能陶瓷制品。
同时苏州赛菲官网报道,2017年10月,公司镇江工厂生产线工艺成功定型,已可转入稳定供货阶段。
火炬电子:
公司公告披露,公司引进了厦门大学的工艺技术,2015年非公开发行股份募集资金10.26亿元,其中8.265亿元用于CASAS-300碳化硅纤维产业化项目,建成后将具备10吨/年的产能,目前已完成了5吨/年的产能建设,并于2017年实现了600余万元的销售收入。
航空航天将推动CMC产业发展
发达国家起步早,巨头GE投资扩产彰显CMC价值
发达国家起步早,率先广泛应用。
20世纪80年代初,法国斯奈克玛公司率先开展陶瓷基复合材料在航空发动机喷管部位的应用研究,先后研制出了CeraseprA300和SepcarbinoxrA262碳化硅基复合材料。
随后美国、日本等也不断加大该领域的支持,特别是近几年美国在F414发动机上应用了CMC复合材料低压涡轮转子,这代表陶瓷基复合材料应用范围已经拓展到了发动机的传动件,作为新一代航空发动机高温材料,发达国家已经开始广泛应用。
图10:
通用公司F414发动机
巨头GE投资扩产彰显CMC价值。
据中国民航网2017年3月1日报道,GE公司官方预测2013-2023年航空发动机市场对CMC的需求将递增10倍。
据此,为应对CMC部件需求增长带来的产能压力,GE积极布局CMC产业。
近十年内,为了将先进的CMC技术引入市场,GE航空集团投资高达15亿美元,以建设CMC材料产业相关的全球研发中心和生产设施:
2015年10月,GE投资2亿多美元在在阿拉巴马州亨茨维尔建立大批量原料生产厂,其中一家用于生产碳化硅纤维材料,另一间工厂将使用碳化硅陶瓷纤维来生产CMC部件所需要的单向预浸材料,全面投产时,亨茨维尔厂CMC材料的年产量将达20吨。
2013年6月GE投资1.25亿美金,在美国北卡罗莱纳州的阿什维尔建设1.16
万平方米的生产基地,用以支撑LEAP-X发动机CMC部件的量产,也为日后的9X发动机供应所需CMC批产部件,并将逐步应用到为波音787和747-8提供动力的GEnx上,以及在CFM的新一代LEAP发动机上全面推广。
2012年4月GE还携手SNECMA对外发布,将联合日本碳素公司合资成立
NGS公司,生产和销售“Nicalon”品牌碳化硅连续纤维,以确保两家企业对CMC
关键原材料碳化硅纤维的持续供应能力。
航空、航天两大领域引领CMC需求
强军政策下,航空/火箭发动机成为现代化武器装备体系的重要一环。
2015年国防白皮书《中国的军事战略》指出,空军按照空天一体、攻防兼备的战略要求,实现国土防空型向攻防兼备型转变,构建适应信息化作战需要的空天防御力量体系。
而航空/火箭发动机在航空航天发展中尤为重要,因此国产航空/火箭发动机必将重点发展。
“两机”重大专项全面启动,航空发动机产业将加速发展。
“十三五”期间我国全面启动实施航空发动机和燃气轮机重大专项,以突破“两机”关键技术,推动大型客机发动机、先进直升机发动机、重型燃气轮机等产品的研制。
据新华网2016年11月25日报道,未来十年,全球市场对涡扇、涡喷发动机的累计需求量将超7.36万台,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。
军机方面,中国军用飞机总量低于美国,且仍以二、三代老旧机型为主,换装需求迫切。
根据MilitaryBalance2017的数据,中国现役战斗机总量居世界第二位,仅次于美国。
但从各机型装备数量来看,按传统“四代法”划分,二代机约占37%,三代机仅占32%,另有20%属于攻击机,更为先进的三代半战机和四代机仍处于快速列装的初期。
而美国主力机型已几乎全部完成了三代机和四代机的换装。
图11:
美国战斗机各代次占比
图12:
中国战斗机各代次占比
民机方面,国产大飞机商业化,为CMC材料在民用航空领域提供发展机遇。
商用飞机的发动机同样需要CMC材料,中国稳步的经济增长将带来航空运输业的发展,未来中国对民航客机的需求很大,同时国产C919大飞机已于2017年5月成功首飞,目前已获得大量订单,将为CMC材料在民用航空领域提供发展机遇。
中国民航客机需求大。
根据中国商飞发布的《中国商飞公司2017-2036年民用飞机市场预测年报》,中国稳步的经济增长将带来航空运输业的发展,未来二十年中国的机队年均增长率为5.2%,旅客周转量年均增长率为6.1%,中国市
场将需要8575架客机。
C919订单充足。
据新华网3月6日,C919大飞机目前已累计获得28家客户的815架订单,并且未来将会出现命名为“929”等更多国产大飞机。
航天方面,发射数量稳步提升,2010年后年均发射18次。
1970年,中国第一颗卫星“东方红一号”上天,标志着中国能用自制火箭发射国产卫星,此后,中国卫星行业实现了一连串的技术突破:
掌握一箭多星技术,独立发射地球静止轨道卫星,卫星发射的数量、种类和功能有了质的提升。
进入21世纪,中国卫星取得了更多成就,航天发射数量稳步提升,2010年后,中国航天年发射数量从未低于15次,年均发射18次,而2000年到2009年,年均发射仅不到7次。
图13:
21世纪以来中国各年航天发射次数
CMC产业链梳理
国内碳化硅纤维生产单位主要有火炬电子、苏州赛菲和宁波众兴新材;CMC材料的生产研制机构主要有西安鑫垚、西安超码科技、中航复材、中科院上海硅酸盐研究所和航天材料及工业研究所。
图14:
CMC材料产业链
目前国内CMC制备厂商主要有:
西安鑫垚复合材料、西安超码科技、中航复材、中科院上海硅酸盐研究所、航天材料及工业研究所。
下游应用主要集中在航空航天发动机、大型运载火箭、各类导弹发动机、航天飞机、特种飞机以及核能电站等领域。
表4:
国内主要的CMC生产及研制单位
国内碳化硅纤维研制高校包括厦门大学和国防科技大学,并已经分别和火炬电子、苏州赛菲、宁波众兴新材进行合作。
其中国防科技大学是最早研究碳化硅纤维的单位,产品性能已达到或接近国外同类产品水平;厦门大学特种陶瓷先进材料实验室从2002年起开始研发碳化硅纤维。
表5:
国内主要的碳化硅纤维生产及研制单位
相关建议
由于具有更高的耐热性和更低的密度,CMC材料成为新型大推重比发动机的理想材料,碳化硅纤维是CMC材料的重要原材料。
作为一种国际禁运的战略性资源,碳化硅纤维在中国具有迫切的产业化需求,且潜力较大。
我们认为,未来中国新军机列装、大飞机发动机国产化、火箭发射次数稳步提升等利好因素将对CMC材料产业的发展起到重要推动作用。
中国目前已突破三代碳化硅纤维的各项关键技术,正在进行一二代产品的产业化,在先进碳化硅纤维的产业化、批次间稳定性上距离国外企业尚有一些差距,参与碳化硅纤维的研制仅有火炬电子、苏州赛菲、宁波众兴新材等公司,建议关注相关公司的产业化进程。
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。
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