来源：中国新材料产业发展报告2023
第8章 无机复合材料
8.1 无机复合材料产业发展的背景需求及战略意义
一、无机复合材料概述
材料是支撑世界高新技术和经济发展的必要物质基础。随着科技的快速发展，各个领域都对材料的服役性能提出越来越严苛的要求，单功能的材料 已经无法完全满足现代工业的需求，材料复合化是未来新材料发展的重要方向之一。复合材料作为一种由多种不同材料通过精密复合工艺融合形成的新一代材料，不仅保持了原始材料各自的特性优点，更可通过精心设计实现各组分性能间的互补与协同效应，从而展现出超越单一材料的卓越性能。此外，复合化设计灵活性还允许其兼具力学性能之外的其他功能性特征，如耐高温、导电等，从而实现材料的智能化与结构功能一体化。因此，世界各国纷纷将复合材料列入未来科技发展的重点方向，在我国的《中国制造2025》战略规划中，复合材料被明确列为国家重点发展领域的核心组成部分。
复合材料根据其基体材料分类主要可以分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料及碳基复合材料，其中后两种又被称为无机非金属复合材料，成为本章节讨论的重点内容。无机复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐磨损、隔热性能好等优异的综合性能，已在航空航天、交通运输、建筑、电子信息等高新技术领域中得到广泛应用，已成为国家诸多重大工程项目或前沿技术中必不可少的关键性材料，对于未来的科学发展和技术革新具有重大战略意义。近些年，我国为了进一步推动无机复合材料的发展和产业化，出台了一系列战略政策，组织实施重大科技专项，持续加大研发投入，不断提升相关产业的创新能力，我国在无机复合材料的研发能力和产业规模上均取得了显著提升，极大地增强了我国在航天、国防等领域无机复合材料产品的市场竞争力，对国民经济建设和国防安全保障做出了不可忽视的重大贡献。
二、无机复合材料的种类与应用
无机复合材料是一种具有良好力学性能、化学稳定性和耐高温性能的材料，其中陶瓷基复合材料和碳基复合材料(碳/碳复合材料)是无机复合材料中最为常用的两种类型，是航空航天工业发展的核心支撑材料，主要用于制作轻质、高强的航空航天结构部件，在极端环境下仍能保持优异的力学性能。
(1) 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料 (Ceramic Matrix Composites)是以陶瓷为基体，与纤维、晶须或颗粒增强体复合而成的一类高性能复合材料， 主要可以分为氧化物和非氧化物(碳化物、氮化物、硼化物等)陶瓷基复合材料。此类材料在继承陶瓷基体原有的耐高温、高强度等特点的基础上，通过加入高韧性的连续纤维增强体能阻止裂纹扩展，大幅提升了材料的韧性和抗脆性断裂能力，因而有效克服了传统陶瓷材料脆性大的主要瓶颈。陶瓷基复合材料的优势主要体现在以下方面。
①高温稳定性：陶瓷基复合材料在高温环境中展现出卓越的热稳定性和力学性能，可在1600°C以上的高温环境下稳定工作，且具备优异的抗蠕变、抗冲击及抗疲劳性能。
②轻量化：相较于金属基复合材料，陶瓷基复合材料密度更低，有利于降低结构重量，进而提升航空航天和交通运载工具的能源利用效率。
③耐腐蚀性：化学性质稳定，不易和酸碱发生反应，因此耐腐蚀性能比较优异。
④耐磨损性：由于陶瓷材料本身硬度高、结构紧密，使其在实际使用中表现出较高的耐磨损性。但是，陶瓷基复合材料的生产工艺较为复杂，涉及较长的制备周期、高昂的成本，以及严格的设备要求，导致其成品率相对受限，一般应用于航空航天和国防军事等高技术领域。
陶瓷基复合材料在现代工程中的应用领域主要包括如下。
①航空航天领域：用于制作各类耐高温结构件， 如飞行器的防热/隔热系统、航空和火箭发动机的热结构部件等。
②汽车工业：用于制造发动机零部件、刹车盘等。
③电子领域：用于制造绝缘体和封装材料。
④能源行业：用于制造高温热交换器、燃气涡轮等。
⑤医疗器械：用于制造牙科陶瓷、人工关节和骨科植入物。
(2) 碳/碳复合材料 碳/碳复合材料是由碳纤维及其织物作为增强材料，以碳或石墨作为基体，通过特殊工艺加工而成的复合材料，是为数不多能在超过2000°C惰性气氛中使用的结构材料，是航天航空热防护领域中不可或缺的关键材料。其优势体现在以下方面。
①高强度和刚度：碳基复合材料具有高比强度和高比模量，能够承受较高负载。
②轻质化：碳基复合材料具有较低的密度，对于减轻航空航天产品具有重要意义。
③耐腐蚀性：碳基复合材料具有较好的耐腐蚀性，不易被酸、碱和盐等化学物质侵蚀，适合在恶劣环境中使用。
④高温稳定性：碳基复合材料能够在高温惰性环境中使用，保持长期稳定的力学性能。
⑤导电性和导热性：由于基体和增强体都是碳基材料，具有优异的导电和导热能力。
⑥热冲击性：碳基复合材料可以通过调整材料的组成来实现良好的抗热冲击性和韧性。
⑦尺寸稳定性：得益于较低的热膨胀系数，碳基复合材料在温度变化时能保持良好的尺寸稳定性，尤其适用于精密工程。
碳/碳复合材料应用的领域主要包括如下。
①航空航天领域：用于制造火箭发动机和高超声速飞行器部件等。
②交通运输领域：用于制造飞机刹车盘和汽车发动机零件、刹车盘等。
③体育用品领域：用于制造高性能自行车框架、高尔夫球杆、网球拍等。
④能源领域：用于制造太阳能单晶拉制炉、石油和天然气开采设备等。
⑤电子和通信领域：用于制造射频天线、电子外壳和封装材料等。
三、无机复合材料产业发展的背景与意义分析
全球无机复合材料的市场需求已步入快速增长期，作为战略性尖端材料，在航空航天、国防军工、能源交通等关键领域的市场需求潜力巨大，其持续发展前景长远。特别是随着我国高推重比航空发动机项目的定型、高超声速飞行器技术的快速发展，陶瓷基复合材料与碳/碳复合材料的研发备受关注，在军用和民用领域展现出巨大的应用前景。
航天航空行业的迅猛发展对陶瓷基复合材料产生了直接的市场需求拉动效应。“十三五”规划期间，我国全面启动实施了航空发动机和燃气轮机重大专项，旨在攻克“两机”核心技术难关，加快大型客机发动机、先进直升机发动机、重型燃气轮机等产品的研制进程，因此为陶瓷基复合材料带来了高速发展契机。在航空方面，预计未来15年内，航空发动机的生产结构大致稳定，其中涡扇发动机的产量将达到11万台，总价值预估为1.2万亿美元。陶瓷基复合材料作为航空发动机中的关键材料，其需求也日益剧增。此外，《中国商飞公司2022-2041年民用飞机市场预测年报》指出，未来20年中国机队年均复合增长率为5.1%，到2041年预计将拥有10007架飞机。国产大飞机C919市场需求旺盛，至2022年年底已获得32家客户总计1035架飞机订单。国产大飞机的商业化运营，无疑为我国陶瓷基复合材料产业发展提供了重要的发展机遇。
碳/碳复合材料作为世界上新材料技术领域重点研究的一种超高温复合材料， 同样在航空航天领域具有广泛的应用，并形成了一定的产业规模。碳/碳复合材料因为优异的高温力学性能，被广泛用于制作各型固体火箭发动机喉衬、喷管及导弹头锥等耐烧蚀部件。同时，碳/碳复合材料在高超声速飞行器的鼻锥和机翼前缘等热防护部件上也已经获得了一定的应用，展现出较大的性能优势，作为一种新型热防护材料， 在未来将会推动我国高超声速飞行器的快速发展。碳/碳复合材料的研发也支撑着多种民用领域高温和耐磨部件产业的发展。凭借轻质、难熔且耐磨损等优良特性，碳/碳复合材料已经在大多数民航飞机制动盘上获得应用，形成了成熟的产业市场。另外，碳/碳复合材料在医用生物、核能、机电等领域也展现出了广阔的应用前景，若能解决其制备成本高、生产周期长等问题，有望进一步扩大碳/碳复合材料在民用领域的应用。
相比发展传统材料产业，大力发展高质量无机复合材料产业不仅能满足航天航空领域对材料高温性能的需求，还能满足其他应用领域对材料轻量化的需求，高质量无机复合材料具有高强度、高刚度和低密度的特点，有助于减轻产品的质量，提高交通运输中的燃油效率。通过开发无机复合材料结构功能一体化技术，还能赋予无机复合材料除了力学性能以外的其他物理/化学性能，使该材料具备导电、压电、阻尼、吸波、阻燃等其他性能，满足一些新型产业对材料功能性的需求。
发展高质量无机复合材料产业还能促使企业提高自身的研发能力和技术水平，推动技术创新，培养科技类拔尖人才，提升国家在尖端材料领域的竞争力和影响力。同时，无机复合材料产业的发展还能带来大量高新技术领域的就业机会，对推动高端材料产业的快速发展和经济增长有着积极作用，有助于提高国家的综合竞争力。
作者简介
黄文超，武汉理工大学研究员、博士生导师，国家级高层次人才(青年项目)获得者。主要从事先进复合材料和薄膜光电器件方面的研究，主持/参与国家级和省部级科研项目10余项，在Science、Nat. Photon.、 Nat. Comm.、Adv. Mater.等期刊上发表SCI论文70余篇，荣获澳大利亚同步辐射中心Stephen Wilkins奖章。
王传彬，武汉理工大学材料学科首席教授，材料复合新技术国家重点实验室研究员、博士生导师，长江学者特聘教授。主要从事先进复台材料及其特种薄膜与涂层的功能创新与设计、梯度结构构筑与制备技术开发、服役特性评价与工程化应用等研究工作，主持国家重点研发计划、基础加强计划重点基础研究项目、国家自然科学基金、军品配套研制项目等，荣获国家技术发明二等奖1项、省部级科技奖励一等奖5项，在国内外期刊发表学术论文200多篇，授权国家发明专利50余项。
石敏先，武汉理工大学教授、博士生导师。主要从事轻质复合材料、耐烧蚀复合材料、阻尼复合材料等领域的相关方面的研究。主持和参与国家自然科学基金、科技部国际合作专项、企业委托等项目20多项。发表论文40多篇，授权发明专利6项。获国家科技进步二等奖1项、教育部技术发明一等奖1项。
张联盟，武汉理工大学“战略科学家”、材料学科首席教授、博士生导师，中国工程院院士、亚太材料科学院院士。我国复合材料及其梯度化理论与工程应用专家。长期致力于材料的先进复合技术创新、梯度功能设计创新、工程应用创新，为我国先进复合材料的发展、国防能力的提升做出杰出贡献。以第一完成人获国家技术发明二等奖和国家科技进步二等奖2项、省部级科技一等奖6项；发表SCI收录论文500余篇，编、译著7部，授权国家发明专利近百项；此外，获国家教学成果二等奖2项，被授予国家教学名师、全国优秀科技工作者、全国建材行业科技创新领军者、湖北省优秀共产党员等荣誉称号。
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