军工装备关键材料：先进陶瓷材料如何抢占制高点

说到先进陶瓷目前的市场形势，除了各材料行业都在极力靠拢的新能源领域外，军工领域也是先进陶瓷的一个非常火爆的市场。提高国防能力在任何时代下都是一个国家的首要重点任务之一，而提高国防能力首先就要从装备的升级开始。因此，作为军工装备的关键材料之一，先进陶瓷材料的发展也得到了强有力的驱动。

一、先进陶瓷已逐步成为新材料的重要组成部分

陶瓷是以粘土为主要原料，并与其他天然矿物经过粉碎混炼、成型和煅烧制得的材料以及各种制品，是陶器和瓷器的总称。陶瓷的传统概念是指所有以粘土等无机非金属矿物为原料的人工工业产品。它包括由粘土或含有粘土的混合物经混炼、成形、煅烧而制成的各种制品。陶瓷的主要原料是取之于自然界的硅酸盐矿物，因 此它与玻璃、水泥、搪瓷、耐火材料等工业同属于“硅酸盐工业”的范畴。

广义上的陶瓷材料指的是除有机和金属材料以外的其他所有材料，即无机非金属材料。陶瓷制品的品种繁多，它们之间的化学成分、矿物组成、物理性质，以及制 造方法，常常互相接近交错，无明显的界限，而在应用上却有很大的区别。因此，很难硬性地把它们归纳为几个系统，详细的分类法也说法不一，到现在国际上还没有一个统一的分类方法。按陶瓷的制备技术和应用领域分类，可分为传统陶瓷材料和先进陶瓷材料。

功能陶瓷在先进陶瓷中约占70%的市场份额，其余为结构陶瓷。陶瓷材料的军工应用则主要集中在结构材料及电子器件方面： 

对于航空发动机来说，提高涡轮前燃气温度是提高发动机推力的主要技术途径，但是目前的涡轮前燃气温度已经逐步接近高温合金自身的熔点，温度上升空间很小，因此需要有替代材料。陶瓷基复合材料具有耐高温特性，可用于热端构件。研究表明陶瓷基复合材料可将涡轮前燃气温度在现有的基础上提高300K以上。同时陶瓷基复合材料密度小，有利于发动机减重。随着民用航空业对提高燃油效率的不断追求，通用航空GE预计在今后十年陶瓷基复合材料在航空中的应用将增长十倍。 

陶瓷基复合材料可用于火箭发动机中。由于陶瓷基复合材料耐热冲击性高，对液体推进剂化学稳定性高，比金属材料耐高温，具有较高的抗蠕变性，是一种理想的液体火箭发动机热结构件材料。 

航天飞行器在进入大气的过程中，由于强烈的气动加热，飞行器的头锥和机翼前缘的温度高达1650℃，热防护系统是航天飞行器的关键技术之一。第一代热防护系统的设计是采用放热-结构分开的思想，即冷却结构外部加放热系统。C/SiC复合材料的发展，使飞行器的承载结构和放热一体化。尤其是哥伦比亚号热防护系统失效造成的机毁人亡事件后，使C/SiC陶瓷基复合材料更受关注。在热结构材料的构件中包括航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。 

卫星反射镜材料的性能要求是密度低、比刚度大、热膨胀系数CTE低、高导热性以及适当的强度和硬度、可设计性等。玻璃反射镜和金属反射镜加工成大型轻型反射镜都有一定的局限性。因此，国内外都正在研究C/SiC复合材料反射镜，该复合材料密度较低，刚度高，在低温下热膨胀系数小及导热性能良好，热性能和力学性能都比较理想，而且可以得到极好的表面抛光，是一种十分理想的卫星反射镜基座材料。美国、俄罗斯、德国、加拿大等利用碳纤维增强碳化硅复合材料(Cf/SiC)制备出高性能反射镜。 

如防弹衣、战机和装甲车的防护层等。防弹衣主要由衣套和防弹层两部分组成，防弹层可吸收弹头或弹片的动能，对低速弹头或弹片有明显的防护效果，在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸、腹部的伤害。热压碳化硼和碳化硅陶瓷基复合材料可以用于制造坚固的抗击打的盔甲板。我国是世界上三大的防弹衣生产国，在国际市场上，我国防弹衣价格大约500美元左右，而其他国家的防弹衣价格在800美元左右，在制造成本方面我国存在优势。

 

一些军用直升机均装配有包括陶瓷装甲座椅、陶瓷组件和陶瓷面板系统等部件在内的陶瓷装甲系统。此外，陶瓷基复合材料还应用在陆军的装甲战车上，如斯特瑞克中型装甲车。 

军用陶瓷电容器需求旺盛。电子陶瓷除了在民用领域被广泛应用，随着武器装备信息化的加速，如陶瓷电容器这类电子陶瓷在军工领域的需求不断增大，尤其是片式多层瓷介电容器（MLCC，市占率超过90%），而军用市场对电容器质量要求较高，中国军用陶瓷电容器市场规模常年保持10%以上的增长。

国内的先进陶瓷体系不断拓展，制备技术不断丰富与进步，应用领域也从单一的军事、航空航天推广到环保、新能源、电子信息等更为广泛的民用市场，陶瓷材料也从结构陶瓷、功能陶瓷向结构——功能一体化发展。针对目前国内先进陶瓷现状，仍需从几个方面进行重点研究开发：

• 陶瓷技术的基础理论研究和结构设计需要匹配应用领域对先进陶瓷的发展要求，能够对新体系、新产品、新应用和批量化转化提供技术保障
• 陶瓷粉体技术的研究与产业化，要打破高端粉体仍受国外制约的现状，满足陶瓷材料发展的基本需要
• 增韧技术的研究是突破先进陶瓷应用局限性的关键之一，强韧化技术将实现先进陶瓷应用翻天覆地的变化
• 降低先进陶瓷生产成本是突破先进陶瓷应用局限性的另一个关键因素，特别是大批量化生产制备技术、生产装备的精密制造技术、陶瓷精密加工技术的发展将决定成本降低的能力
• 注射成型、注凝成型和固体无模成型技术将成为最具批量化应用潜力的成型技术，微波烧结、放电等离子烧结技术将会给陶瓷材料性能带来质的飞跃

结合“十三五”规划的要求和工业发展的要求，能源转化载体的储能陶瓷、在环境保护中作用突出的过滤陶瓷（膜）等功能——结构一体化陶瓷、以氮化硅为代表综合性能优良的结构陶瓷、以AlON透明陶瓷为代表的光电陶瓷将成为应用、研究的主力。当今先进陶瓷材料的发展不再局限于传统技术，而更多的是与现代信息、自动化技术、不同材料的结合而形成新的技术科学（计算材料科学、功能-结构一体化等），先进陶瓷发展的新时代即将到来。