陶瓷基复合材料是以陶瓷材料为基体，以陶瓷纤维、晶须、晶片或者颗粒为补强体，通过适当的复合工艺制备且性能可设计的一类新型材料，又称为多相复合陶瓷材料或复相陶瓷，包括纤维（或晶须）增韧（或增强）陶瓷基复合材料、异相颗粒弥散强化复相陶瓷。原位生长陶瓷复合材料、梯度功能复合陶瓷及纳米陶瓷复合材料。该类材料是上世纪80年代逐渐发展起来的，可通过补强体的加入改善其本征脆性，以避免突发性破坏[1]。
陶瓷基复合材料在高技术领域、航空航天、国防以及国民经济各部门具有广阔的应用前景，是先进材料领域的研究前沿之一，也是我国高新技术计划的一项重点研究领域。陶瓷基复合材料在有机材料基和金属材料基复合材料不能满足性能要求的工况下可以得到广泛应用，成为理想的高温结构材料，主要用作机械加工材料、耐磨材料、高温发动机燃烧室及连接杆、航天器保护材料、高温热交换器材料、高温耐腐蚀材料、轻型装甲材料、分离或过滤器材料、承载/透波/隔热材料等。复相陶瓷是未来发动机热端结构的首选材料，可替代金属及其合金[2]。
世界主要发达国家都在积极开展陶瓷基复合材料的研究，并不断拓宽其应用领域。
碳纤维和碳化硅((Cf/SiC)复合材料是其中的一个重要材料体系，大量文献资料表明，Cf/SiC复合材料具有耐高温和高抗热震性能、高耐磨性和高硬度、耐化学腐蚀特性、高导热、低热膨胀系数(1 X 10-6~ 4 X 10-6 K-1)等优异的性能。
另一个重要体系为碳颗粒和碳化硅(Cp/SiC)复合材料，它具有良好的机械加工、热稳定、耐化学腐蚀、高导热、低热膨胀系数等性能，主要应用于机械密封材料、耐火材料及玻璃熔炼用夹具、模具材料等。SiC纤维增强SiC体系具有高的比强度和比刚度、良好的高温力学性能和抗氧化性能以及优异的抗辐照性能和耐腐蚀性能，在航空航天和核聚变领域都有着广泛的应用前景[3]。
而C/C复合材料体系具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能广泛用于固体火箭发动机喷管、航天飞机结构部件、飞机及赛车的刹车装置、热元件和机械紧固件、热交换器、航空发动机的热端部件、高功率电子装置的散热装置和撑杆等方面，另一方面重要的应用则集中在生物医用材料，作为人体骨修复和骨替代物。
SNECMA、GE、EADS、MT Aerospace（MT）等制造商是目前制备2D C/SiC和SiC/SiC陶瓷基复合材料的主要成熟生产商。各制造商采用的原料、制备工艺均有所不同，因此材料性能差异较大。
20 世纪80 年代初，法国SNECMA 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Cerasepr A300和Sepcarbinoxr A262 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发动机上开展了SiCf/SiC 复合材料涡轮转子的验证工作，这代表陶瓷基复合材料应用范围已经拓展到了发动机的转动件，使用陶瓷基复合材料已成为新一代发动机的典型标志[2]。
航空航天领域
SiC/SiC复合材料因其低密度、高强度、耐冲击、抗氧化等优点而被用作高性能发动机的热端部件材料。20世纪90年代法国Snecma公司研发了CERASEP系列的SiC/SiC复合材料，并将该材料成功应用在了M-88型发动机的喷管调节片上，标志着SiC/SiC复合材料在航空方面的应用已经开始。目前，Snecma公司对CERASEP系列进行了升级并制备了燃烧室衬套等发动机组件（图1）。
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图1 燃烧室
2005年结束的IHPTET计划中，GE、Allison、Foster-Miller等公司开发并验证了大量陶瓷基复合材料涡轮发动机高温部件，如静子叶片、后框架前缘插件和燃烧室火焰筒等（图2）。其中，静子叶片在UEET计划的支持下进行了台架试车，结果表明， SiC/SiC复合材料叶片比高温合金叶片明显更具优势。最近的NGLT计划则将SiC/SiC复合材料作为空间飞行器的发动机高热部件材料而开展研究。复合材料在航天方面除了高热部件外还可作为卫星天线、反射镜的支撑结构等。
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图2 静子叶片、后框架前缘插件和燃烧室火焰筒
美国Hyper-Therm HTC公司在NASA的支持下制备了主动冷却的液体火箭发动机复合材料整体推力室（图3）。法国SEP公司用SiC/SiC复合材料制成的SCD-SEP火箭试验发动机已经通过点火试车（图4）。
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图3 整体推力室
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图4 喷管热试车
核聚变领域[1]
核聚变反应堆是实现大规模可控聚变反应，放出巨大热量的装置，是获得和使用核聚变能的核心部件。自上世纪国际热核实验堆(ITER ， International Thermal nuclear Experimental Reactor)计划启动开始，人类正走向世界上首个商用聚变堆运行发电的实现。聚变堆的主要部件包括包层、屏蔽层、磁体和辅助系统等，其中包层担负着将聚变能转换成热能的任务，且工作在高温、高辐照、高应力的严酷条件下。ITER计划能否最终成功，包层材料技术至关重要。
SiC/SiC复合材料具有良好辐照稳定性、低的氚渗透率和诱导辐射，被认为是很有前景的核聚变堆候选材料。SiC/SiC复合材料在聚变堆中的应用主要是在包层的第一壁、偏滤器以及流道插件等部件上。
包层是聚变堆中最重要的部件，主要起能量转换、增殖中子以及屏蔽的作用。第一壁(First Wall)是包容等离子体区和真空区的部件，直接面向等离子体。SiC/SiC复合材料作为第一壁/包层结构材料，必须有良好的抗辐照损伤性能，良好的室温和高温力学性能，能承受高表面热负荷。选用SiC/SiC复合材料作为结构材料的包层概念设计有自冷铿铅包层(SCLL， Self-Cooled Lithium Lead breeder blanket)和氦冷陶瓷包层(HCCB， Helium-Cooled Ceramic breeder blanket)，前者包括欧盟的PPCS-D，TAURO，美国的ARIES-I和ARIES-AT，后者包括日本的DREAM和A-SSTR2（图 5）。
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图5 第一壁/包层结构材料
流道插件(FCI，Flow Channel Insert)是应用于液态包层的功能部件，作为电绝缘和热绝缘体，隔离高温铿铅与结构材料如低活化马氏体钢的直接接触，可以降低磁流体力学(MHD)效应并提高液态金属铿铅的出口温度，从而提高包层的热转换效率。用SiC/SiC复合材料制造FCI的包层概念设计主要有双冷铿铅包层(DOLL，Dual-Coolant Lithium Lead blanket)，包括中国的FDS-II,欧盟的PPCS-C，美国的ARIES-ST，ARIES-AT等（图6）。
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图6 流道插件
偏滤器是聚变堆中的一个高热流部件，的源分开以及排除聚变反应产生的氦灰。其主要作用是使等离子体与产生杂质。欧盟的PPCS-D，TAURO，美国的ARIES-AT以及日本的DREAM偏滤器设计中曾采用了SiC/SiC复合材料作为结构材料（图7）。
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图7 偏滤器
刹车系统
C/SiC 陶瓷基复合材料作为一种新型的刹车材料，与传统的金属和半金属刹车材料相比，具有密度低、摩擦系数稳定、磨损量小、制动比大和使用寿命长等突出优点；与C/C复合材料相比,C/SiC复合材料具有克服C/C摩擦材料缺点的潜力，具有密度低、强度高、耐高温、热物理性能好等特点，尤其是摩擦系数高且稳定，对环境的影响不敏感等。美国的Aircraft Braking S ystems Corporation、Goodrich、Honewell 和OAI 4大公司对C/SiC 刹车材料进行了研究。韩国DACC公司已经为F16战斗机研究开发出C/SiC 刹车盘。国内对C/SiC 刹车材料的研究报道也较多。总之，C/SiC陶瓷复合材料显著提高了使用温度和减少刹车系统的体积,大大提高了刹车的安全性,所以其作为新一代刹车材料具有广阔的应用前景[3]。近日，北汽首款电动超跑ARCFOX-7正式在北京车展亮相，而这款车的刹车盘就使用了碳陶瓷刹车盘（图8）。
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图8 北汽首款电动超跑ARCFOX-7
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