中國粉體網(wǎng)訊 陶瓷基復合材料作為先進熱結構材料，具有高強度、耐高溫、輕質(zhì)等特點，是影響航空航天重要裝備核心性能的關鍵材料之一。面向國防科技工業(yè)需求，推動該材料研究和應用對保障重要裝備跨代發(fā)展和關鍵材料自主可控至關重要。
陶瓷基復合材料常見制備工藝主要有化學氣相沉積法（CVI）、前驅(qū)體浸漬裂解法（PIP）和金屬熔滲反應法（RMI）。CVI工藝通過氣相小分子熱解沉積實現(xiàn)材料致密化，但不適用厚壁樣件；PIP工藝通過前驅(qū)體反復浸漬-裂解進行致密化，往往需要重復9-16輪，且前驅(qū)體利用率低（30wt%左右）。
CVI和PIP兩種工藝周期長、成本高大大限制了其廣泛應用。與前兩者相比，RMI工藝制備周期相對較短，但高溫金屬熔體對纖維損傷程度大，顯著影響材料的力學性能。
高效率、低成本的陶瓷基復合材料制備新工藝
北京理工大學張中偉教授團隊開發(fā)了一種具有原位自增密的陶瓷基復合材料快速制備技術，旨在實現(xiàn)材料的高效、高通量、低成本制備。開發(fā)了無機填料改性的新型高粘聚硅硼氮烷前驅(qū)體，具備低揮發(fā)份、高陶瓷產(chǎn)率和填料穩(wěn)定負載特性；創(chuàng)新性提出活性金屬作為氣相固碳/固氮引發(fā)劑，實現(xiàn)C/SiBCN復合材料的快速致密化，這種技術被命名為ViSfP-TiCOP。該工藝方法對縮短陶瓷基復合材料制備周期、提高前驅(qū)體利用效率、并降低材料制備成本具有非常重要意義和經(jīng)濟價值，為進一步擴大陶瓷基復合材料的應用領域提供了全新的思路和策略。
ViSfP-TiCOP快速制備技術流程圖
北理工團隊開發(fā)了CMCs新型快速制備工藝方法ViSfP-TiCOP，創(chuàng)新性提出活性金屬的原位氣相碳化與氮化機理提升致密化進程。由于極低的揮發(fā)份含量、高交聯(lián)度和原位Ti增密機理，新型SiBCN-M前驅(qū)體陶瓷產(chǎn)率高達87wt%。僅3輪重復浸漬-裂解，完成Cf/SiBCN-Ti復合材料致密化（孔隙率＜10Vol%）。ViSfP-TiCOP工藝對CMCs的制備周期可以降低到400h以下，相比于傳統(tǒng)的PIP成型工藝，ViSfP-TiCOP工藝大幅縮減了工藝周期，實現(xiàn)了CMCs的低成本、高通量及快速化制備。
該方法為陶瓷基復合材料提供了一種無壓、低工藝溫度（1200℃）環(huán)境且不依賴高價值工藝裝備的快速成型技術，大大縮短制備周期、降低成本，為陶瓷基復合材料降本增效和擴大應用具有重要的現(xiàn)實意義和工程價值。
陶瓷基復合材料市場規(guī)模將達到1700億元
根據(jù)Markets and Markets的報告，2023年，全球陶瓷基復合材料市場規(guī)模從2019年的697.76億元增長至775億元，復合年增長率為2.65%。預計2024年市場規(guī)模為854.44億元，至2031年，該市場規(guī)模有望接近1700億元，2024-2031年復合增速將超過10%，陶瓷基復合材料將迎來高速發(fā)展期。
隨著航空航天、新能源等領域的不斷發(fā)展，這些領域?qū)Ω邷責峤Y構材料的性能提出了更高的要求，作為極具應用前景的高溫熱結構材料，隨著制備技術、加工技術的不斷迭代，陶瓷基復合材料有望迎來高性能、低成本、大規(guī)模的發(fā)展，其市場空間有望大幅抬升，其中航空航天的應用將更是其中重點發(fā)展賽道。
來源：復合材料力學、中航證券研究所
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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