陶瓷基复合材料的市场前景
- The global ceramic matrix composites market is expected to grow from USD 11.35 亿 2021 至 美元 12.26 亿 2022 (CAGR 8.05%) and reach USD 17.15 亿 2026 (CAGR 8.75%), according to Research And Markets.
- Ceramic matrix composites combine a ceramic matrix, 增强纤维和界面层; the fibers overcome the brittleness, mechanical unreliability and low conductivity that limit monolithic ceramics.
- C/SiC composites toughen silicon carbide with carbon fibers that absorb fracture energy through crack deflection, fiber pull-out and fracture, making them leading candidates for aero-engines, gas turbine hot-end components, 高速制动器, nuclear energy and heat exchangers.
- SiCf/SiC composites reinforce a SiC matrix with SiC fibers, keeping high-temperature, 氧化, corrosion and impact resistance while fixing the low fracture toughness of SiC ceramics; Oxide/Oxide composites serve around 1150 C for tens of thousands of hours with low density (关于 2.5 克/厘米3).
- Automotive lightweighting is the next growth engine: McKinsey expects lightweight materials in vehicles to rise from 30% 自 70% 由 2030, and ceramic matrix composites are among the most important candidates.
陶瓷基复合材料的市场前景
根据 Research And Markets 的一份报告, 国际市场研究机构, 全球陶瓷基复合材料市场预计将从美元起成长 11.35 亿 2021 至 美元 12.26 亿 2022, 复合年增长率 8.05%. 市场预计将增长到美元 17.15 亿 2026 复合年增长率 8.75%.
陶瓷材料具有高熔点等优良性能, 高硬度, 耐腐蚀性, 和抗氧化性, 并可在极端环境条件下使用, 因此，它们在工程领域得到了迅速发展, 特别是在航空领域, 航空 航天, 汽车, 军事等领域. 然而, 脆性, mechanical unreliability and low electrical conductivity of 陶瓷 limit their wide application. 将第二相材料引入陶瓷基体是改善陶瓷材料结构和性能的有效途径.
结果, 陶瓷 matrix composites came into being.
陶瓷基复合材料 (CMC公司) 由陶瓷基体组成, 增强纤维和界面层. 将纤维作为增强材料引入陶瓷基体中，形成以纤维为增强相，陶瓷基体为连续相的复合材料.
具有耐高温的特点, 耐磨性, 耐高温蠕变性, 低导热系数, 低热膨胀系数, 耐化学腐蚀, 高强度, 高硬度, 介电和波传输.
因为它可以广泛用于有机材料基和金属基材料不能满足性能要求的工作条件, 它已成为理想的高温结构材料, 并且越来越受到人们的关注.
特别, 作为轻量级, 高性能结构复合材料, 广泛应用于高温领域, 并已成为航空发动机的首选材料, 特别是航空发动机的核心部件. 有鉴于此, 许多国家正在积极开展陶瓷基复合材料的研究.
Composites are still emerging; the established volume work remains alumina, covered in 精密切割氧化铝.
C/SiC陶瓷基复合材料
碳纤维不仅具有低密度的特点, 高比强度, 耐磨性, 耐腐蚀性, 电导率, 导热, 和低摩擦系数, 还具有优良的高温机械性能.
在惰性大气和上方环境中 2000 °C, 机械性能仍然没有降低. 然而, 其耐高温抗氧化性差, 所以它通常与金属复合, 陶瓷, 树脂, 等. 制备用于航空航天、军事等尖端技术领域的先进复合材料.
在热结构陶瓷基复合材料领域, 碳化硅因其优异的高温机械性能而成为基体材料的主要候选者之一 (强度, 抗氧化性, 抗蠕变性, 等。), 低热膨胀系数和摩擦系数, 优异的导热性和导电性.
然而, 碳化硅陶瓷的缺点是易碎.
C/SiC陶瓷基复合材料通过添加碳纤维来增强SiC陶瓷, 它可以通过裂纹挠度使材料吸收断裂能, 断裂过程中的碳纤维拔出和断裂等机理.
它不仅增强了材料的强度和韧性, 同时也保留了SiC基体优异的高温性能, 这是制备高性能先进结构材料的绝佳方法.
它已成为高性能航空发动机的主要候选材料, 并将逐步应用于燃气轮机热端部件等设备, 高速制动器, 核能, 和热交换器.
SiCf/SiC复合材料
SiCf/SiC陶瓷基复合材料是指将SiC纤维作为增强材料引入SiC陶瓷基体中，形成以引入的SiC增强纤维为分散相，以SiC陶瓷基体为连续相的复合材料.
SiCf/SiC陶瓷基复合材料保留了耐高温的优点, 高强度, 抗氧化性, SiC陶瓷的耐腐蚀性和抗冲击性. 同时, 具有SiC纤维增强和增韧的作用, 克服了SiC陶瓷断裂韧性低、抗外冲击载荷差的固有缺陷.
作为一种综合性能优良的高温热结构材料, SiCf/SiC复合材料在航空领域具有广阔的应用前景, 航空 航天, 核能, 汽车等领域, 并成为西方各国的研究热点.
氧化物/氧化物陶瓷基复合材料
Ox/Ox复合材料是指以氧化物陶瓷为基体和氧化物纤维复合的一类材料 (一般 10-12 直径 μm). 该材料的耐温性略低于SiCf/SiC (约1150°C), 而是因为没有氧化问题,
其使用寿命可达数万小时, 结合低密度 (约2.5g/cm3) 价格合理, 它是涡轮轴的首选材料, 燃气涡轮核心发动机高温结构及涡轮喷气发动机, 涡扇发动机尾喷嘴结构.
在矩阵方面, 目前国内外的研究重点仍然是石英基体, 莫来石基体和氧化铝基体. 在纤维方面, 主要分为三类: 石英纤维, 铝硅酸盐纤维和氧化铝纤维.
石墨烯/陶瓷基复合材料
石墨烯具有优良的机械性能, 电学和热学特性, 使其成为最具吸引力的材料之一. 同时, 石墨烯具有较大的比表面积，更容易分散在陶瓷基体中, 可以改善陶瓷基复合材料的界面性能，增强与陶瓷基体的结合.
有利于电子的转移, 声子和机械应力, 是制备性能优异的陶瓷复合材料的理想填料. 大量研究表明，石墨烯/陶瓷复合材料具有优异的机械性能, 电导率, 导热, 耐摩擦性和耐磨性, 等.
总结
除了大量陶瓷基复合材料在航空航天和国防领域的应用外, 未来全球对轻量化汽车的高需求也将推动陶瓷基复合材料市场的快速增长.
为了增加电动汽车的续航里程, 除了提高电池性能外, 另一种方法是减轻汽车的重量. 这将促使汽车制造商将注意力转向轻质复合材料，以取代车辆中较重的钢和铁, 陶瓷基复合材料无疑是最重要的候选者之一.
根据麦肯锡的数据, 轻量化材料在汽车工业中的使用预计将从 30% 自 70% 由 2030, 这将极大地促进陶瓷基复合材料市场的发展.
常见问题
What is a ceramic matrix composite (CMC公司)?
A ceramic matrix composite is composed of a ceramic matrix, 增强纤维和界面层. Fibers are introduced into the ceramic matrix as a reinforcing phase, forming a composite with high temperature resistance, 耐磨性, 抗蠕变性, 低导热系数, low thermal expansion and high strength that monolithic ceramics cannot reliably deliver because of their brittleness.
How big is the ceramic matrix composites market?
According to Research And Markets, the global CMC market grew from USD 11.35 亿 2021 to an expected USD 12.26 亿 2022 复合年增长率 8.05%, and it is expected to reach USD 17.15 亿 2026 复合年增长率 8.75%.
What is the difference between C/SiC and SiCf/SiC composites?
C/SiC composites strengthen a silicon carbide matrix with carbon fibers, which absorb fracture energy through crack deflection, fiber pull-out and fracture while keeping the SiC matrix’s high-temperature performance. SiCf/SiC composites instead introduce SiC fibers into the SiC matrix, retaining high temperature, 氧化, corrosion and impact resistance while overcoming the low fracture toughness of SiC ceramics.
Why are ceramic matrix composites preferred for aero-engines?
CMCs work where organic and metal-based materials cannot meet performance requirements: they are lightweight, high-temperature resistant structural materials with high strength, low thermal expansion and chemical corrosion resistance. C/SiC has become a main candidate material for high-performance aero-engines, and Oxide/Oxide composites are preferred for turboshaft, gas turbine core and turbojet or turbofan tail nozzle structures.
What will drive future demand for ceramic matrix composites?
Beyond aerospace and defense, global demand for lightweight vehicles is the key driver. To increase electric vehicle cruising range, automakers are replacing heavier steel and iron with lightweight composites. McKinsey expects lightweight materials in the automotive industry to increase from 30% 自 70% 由 2030, greatly promoting the CMC market.
由Ensoll工程团队审查.
