耐高温陶瓷基复合材料（HT-CMCs）因其卓越的耐高温、高强度、低密度及良好化学稳定性，在航空航天、能源等极端工况领域应用前景广阔。
传统制造工艺在制备复杂形状与高性能HT-CMCs时存在局限，而增材制造（AM）技术以逐层堆积成形的独特优势，为复杂结构HT-CMCs制造开辟了新路径。该技术凭借直接制造冷却通道等复杂内部构型的能力，显著提升了材料的功能特性及结构效率，并基于服役需求能够实现性能导向的精准调控与定制化生产，同时大幅减少材料损耗，有效降低了制造成本。
西北工业大学研究团队发表于《航空材料学报》的论文聚焦于HT-CMCs增材制造技术，介绍了其技术原理及应用现状，重点阐述了HT-CMCs材料增材制造体系设计、成形技术、工艺优化等方面的国内外最新研究进展。
此外，该文展望了增材制造HT-CMCs未来趋势：材料与工艺协同上，突破多材料打印界面瓶颈，开发复合工艺以实现多功能一体化与梯度结构；智能化体系构建上，建“数字控制-实时监测-参数优化”系统，借AI调控参数降低试错成本；模块化与循环制造上，开发可切换标准化模块，创新陶瓷废料回收以提高材料利用率，旨在推动其前沿工程化应用。
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标题：耐高温陶瓷基复合材料增材制造技术研究进展
作者：张云, 苏海军*, 李翔, 董栋, 李兴辉, 郭一诺, 申仲琳
单位：西北工业大学 凝固技术全国重点实验室，西安 710072
关键词：耐高温陶瓷基复合材料；增材制造；材料性能；工艺优化
DOI：10.11868/j.issn.1005-5053.2025.000122
远论文Fig.2 陶瓷基复合材料增韧过程
内容精选
在航空发动机的燃烧室内部，上千摄氏度的高温燃气以数倍音速冲刷着部件表面，同时还要承受剧烈的压力波动；在核反应堆的堆芯区域，材料不仅要抵御上千摄氏度的高温炙烤，还要承受高压和强辐射的双重侵蚀；在深空探测的航天器热防护系统中，材料需要在短时间内承受数千摄氏度的气动加热。能在这些极端环境下稳稳“坚守岗位”的，正是被业界称为“烈火金刚”的耐高温陶瓷基复合材料（HT-CMCs）。这种集耐高温、高强度、低密度等优势于一身的特殊材料，早已成为航空航天、能源动力、高端制造等领域的“刚需材料”。然而，长期以来，传统制造工艺的局限让它的规模化应用举步维艰，直到增材制造（也就是我们常说的3D打印）技术的出现，才彻底打破了这一僵局，掀起了一场关于耐高温陶瓷基复合材料的制造革命。
要理解耐高温陶瓷基复合材料的“厉害之处”，首先得搞清楚它的组成结构。和我们常见的单一陶瓷材料不同，它是一种“团队作战”的复合材料，核心由三大部分组成：陶瓷基体、增韧材料和界面相，三者各司其职、协同工作，才能造就它的优异性能。其中，陶瓷基体是整个材料的“主力军”，主要负责支撑结构形态，同时抵御高温腐蚀和氧化，就像建筑物的承重墙一样；增韧材料则扮演着“钢筋”的角色，它能有效提升材料的韧性，防止裂纹产生和扩散——要知道，传统陶瓷最大的缺点就是脆，一受冲击就容易碎裂，而增韧材料的加入，正好弥补了这一短板；界面相则是连接两者的“黏合剂”和“缓冲垫”，既能保证陶瓷基体和增韧材料之间的牢固结合，又能在材料受力时协调应力传递，避免因两者性能差异过大而出现剥离问题。
根据应用场景的不同，陶瓷基体的选择也会有所差异，见表1。比如氧化铝陶瓷基体，不仅成本相对较低，而且化学稳定性强，耐高温性能也不错，非常适合用来制造高温炉衬、工业窑具等普通高温场景的部件；而碳化硅陶瓷基体的性能则更上一层楼，它的耐高温温度能超过1600 ℃，同时还具备优异的力学强度和抗辐射性能，是制造航空发动机涡轮叶片、核反应堆结构件等高端装备部件的理想选择。增韧材料的种类也十分丰富，常见的有碳化硅纤维、碳纤维等，这些纤维材料的强度极高，将它们均匀分散在陶瓷基体中，就能像给陶瓷穿上“钢筋网”一样，大幅提升材料的抗冲击能力和断裂韧性。
表1 各类耐高温陶瓷基体材料性能及应用对比
尽管耐高温陶瓷基复合材料的性能十分优异，但在过去很长一段时间里，它的制造过程却被传统工艺“卡了脖子”。传统制造这类材料的工艺主要有化学气相渗透、热压成型、注浆成型等，这些工艺普遍存在着诸多弊端。以化学气相渗透工艺为例，它需要将纤维预制体放入反应炉中，通过气体反应在纤维间隙中沉积陶瓷基体，整个过程周期极长，制造一个简单的部件往往需要数天甚至数周的时间，生产效率极低；而热压成型工艺则受限于模具，只能制造形状相对简单的构件，对于带有复杂内部结构的部件，比如航空发动机涡轮叶片上的蜂窝状冷却通道、点阵式加强结构等，几乎难以实现。此外，传统工艺的材料利用率也很低，很多复杂部件需要先制造出大致形状，再通过后续的机械加工进行修整，这不仅会浪费大量原材料，还会增加制造成本。更关键的是，机械加工过程中产生的应力，还可能导致材料内部出现微裂纹，影响部件的使用寿命和安全性。这些问题叠加在一起，严重限制了耐高温陶瓷基复合材料在高端装备中的规模化应用。
增材制造技术的出现，就像一把“金钥匙”，精准打开了耐高温陶瓷基复合材料规模化应用的大门。增材制造的核心原理很简单，就是“逐层堆积、层层叠加”，就像我们盖房子一样，根据提前设计好的数字模型，将材料一点点堆积成型。这种制造方式彻底摆脱了模具的限制，只要数字模型能设计出来，理论上就能制造出对应的部件，这对于制造复杂结构的耐高温陶瓷基复合材料部件来说，无疑是一场颠覆性的突破。同时，增材制造还能实现“精准用料”，材料利用率几乎能达到100%，大大降低了原材料的浪费，有效控制了制造成本。更重要的是，它还能缩短制造周期，将原本需要数周的制造过程缩短至几天甚至几小时，大幅提升了生产效率。
目前，适用于陶瓷基复合材料的增材制造技术主要有四种（图1），每种技术都有自己的“擅长领域”，能够满足不同场景的制造需求。第一种是粉末床熔融技术，它的工作原理类似于“激光雕刻”，先在工作台上铺一层薄薄的陶瓷粉末，然后用激光束根据数字模型的截面形状，选择性地将粉末烧结成型，之后工作台下降一层高度，再铺粉、烧结，重复这一过程直到部件完成。这种技术的精度极高，能够制造出微纳尺度的精细结构，非常适合制造小型、高精度的高温部件，比如微型传感器的高温防护外壳。第二种是材料挤出技术，它的操作方式有点像我们平时用挤牙膏，将陶瓷浆料或丝材装入挤出装置，然后根据数字模型的路径，将材料挤出并逐层堆积，堆积完成后再进行后续的干燥和烧结处理。这种技术的成本相对较低，而且适合制造大型、复杂形状的构件，比如航空发动机的燃烧室衬套。第三种是光固化技术，它主要利用紫外光照射陶瓷浆料，使浆料中的光敏树脂快速固化成型，同样通过逐层照射的方式完成部件制造。这种技术的成型速度快，而且部件的表面质量好，适合制造形状复杂、精度要求高的中小型部件。第四种是喷射技术，它类似于喷墨打印机的工作原理，通过喷头向工作台上喷射陶瓷粉末和黏结剂，黏结剂会使粉末快速黏结成型，逐层堆积后再进行烧结。这种技术适合制造多材料、梯度结构的部件，比如核反应堆的梯度防护层，能够实现不同区域性能的精准匹配。
图1 同种类陶瓷增材制造原理示意图 （a）SLS；（b）SLM；（c）FDM；（d）DIW；（e）SLA；（f）DLP；（g）BJ；（h）MJ
不过，用增材制造技术制造耐高温陶瓷基复合材料，也并非一帆风顺。科研人员在研究过程中，曾面临过三大核心难题，这也是制约技术发展的关键瓶颈。第一个难题是“材料不好打印”。陶瓷材料本身的特性决定了它的粉末容易团聚，很难铺撒均匀，这会直接影响打印部件的致密度和性能；而陶瓷浆料则需要在保证高浓度的同时，具备良好的流动性和挤出性，浓度太低会导致后续烧结收缩过大，浓度太高又会出现挤出困难的问题，两者之间的平衡很难把握。第二个难题是“打印过程容易出缺陷”。增材制造过程中，材料需要经历“快速熔化-快速冷却”或“快速固化-后续烧结”的过程，温度变化非常剧烈，这会在部件内部产生巨大的热应力。而陶瓷材料本身的脆性就比较大，根本无法承受这种热应力，很容易出现开裂、翘曲、变形等缺陷，严重影响部件的成型质量。第三个难题是“后续处理难度大”。打印完成的部件并不是最终产品，还需要进行干燥、脱脂、烧结等后续处理。在这些过程中，如果黏结剂分解速度过快，就会产生大量气体，导致部件内部出现孔隙；如果烧结温度不均匀，又会导致部件性能不稳定，甚至出现局部熔化或未烧结的情况。
而本次论文的核心创新点，就在于提出了一套“材料-工艺协同优化”的系统性解决方案（图2），精准破解了上述三大难题，让耐高温陶瓷基复合材料的增材制造变得更加稳定、高效。在材料优化方面，科研人员通过精准控制陶瓷粉末的粒径分布，同时对粉末表面进行改性处理，有效解决了粉末团聚的问题，让粉末能够铺撒得更加均匀；同时，他们还通过大量实验，优化了陶瓷浆料的配方，在保证高固体含量的前提下，提升了浆料的流动性和稳定性，让材料挤出和光固化过程更加顺畅。此外，科研人员还设计了一种新型的界面相材料，通过在陶瓷基体和增韧纤维之间引入一层过渡层，进一步提升了两者之间的结合强度，同时增强了材料的应力缓冲能力，让复合材料的整体韧性得到了显著提升。
图2 HT-CMCs的增材制造工艺优化路线
在工艺优化方面，科研人员也取得了多项突破。针对多材料复合制造的需求，他们开发了多喷头协同打印技术，通过多个喷头分别喷射不同类型的陶瓷材料，实现了多材料梯度结构的精准制造——比如制造核反应堆的防护层时，能够让靠近堆芯的区域采用耐高温、抗辐射性能更强的材料，而外层区域采用成本更低、韧性更好的材料，在保证性能的同时降低成本。同时，他们还将激光原位合金化技术与增材制造技术相结合，在打印过程中通过激光照射让陶瓷材料与金属材料发生原位反应，不仅强化了陶瓷与金属的界面结合，还提升了部件的表面硬度和耐磨性。在缺陷控制方面，科研人员通过在打印前对粉末床进行预热处理，有效降低了打印过程中的温度梯度，减少了热应力的产生；同时，他们还优化了激光扫描路径和挤出速度，让材料的堆积更加均匀，进一步避免了开裂和翘曲问题。对于后续处理环节，科研人员则开发了分段式脱脂和烧结工艺，通过控制升温速度和保温时间，让黏结剂能够缓慢、充分地分解，同时保证烧结温度均匀，最终让部件的致密度高达99.5%以上，几乎消除了内部孔隙等缺陷。
这些技术突破并非停留在实验室阶段，目前已经在多个领域实现了落地应用，展现出了广阔的产业化前景。在航空航天领域，利用材料挤出技术制造的碳化硅陶瓷蜂窝结构，已经成功应用于某型航空发动机的燃烧室衬套，该结构在1600 ℃的高温环境下仍能稳定工作，同时还具备超宽频段的隐身性能，不仅减轻了发动机的重量，还提升了战机的隐身能力；在能源领域，通过黏结剂喷射技术制造的梯度结构反应器内衬，已经应用于大型化工反应装置中，该内衬能够根据反应器不同区域的温度和腐蚀环境，实现性能的梯度匹配，兼顾了耐高温、耐腐蚀和低成本的需求，大幅提升了反应器的使用寿命；在高端制造领域，利用光固化技术打印的仿生陶瓷复合材料部件，其断裂韧性比传统陶瓷材料提升了4倍以上，已经成功应用于精密仪器的高温防护部件中，解决了传统部件易碎裂的难题。
展望未来，耐高温陶瓷基复合材料的增材制造技术还有更广阔的发展空间。科研人员计划构建一套“数字控制-实时监测-参数优化”的智能制造系统，通过在打印设备上安装多个传感器，实时监测打印过程中的温度、压力、材料堆积状态等关键参数，同时利用人工智能算法对这些参数进行分析，自动调整激光功率、挤出速度等打印参数，从而降低试错成本，进一步提升打印精度和稳定性。同时，他们还计划开发可切换的标准化模块，实现不同增材制造技术的灵活组合——比如对于同一个部件，复杂的精细结构采用光固化技术打印，大型的主体结构采用材料挤出技术打印，通过组合打印的方式，兼顾精度和效率。此外，科研人员还在积极探索陶瓷废料的回收利用技术，通过对打印过程中产生的废料进行粉碎、改性处理，重新制成打印材料，从而实现材料的循环利用，推动技术的规模化、绿色化生产。
从传统工艺的“束手无策”到增材制造的“精准智造”，耐高温陶瓷基复合材料的制造革命，不仅彰显了材料科学与制造技术深度融合的独特魅力，更为航空航天、能源动力、高端制造等高端装备领域的升级发展注入了强大的新动能。随着技术的不断成熟和完善，未来这些“烈火金刚”将在更多极端环境中发光发热，从航空发动机的核心部件到核反应堆的关键结构，从深空探测的热防护系统到精密仪器的高温部件，它们都将成为守护高端装备稳定运行的“核心力量”。而这场制造革命带来的，不仅是材料应用范围的拓展，更是高端装备性能的跃升，将为我国在高端制造领域的自主可控发展提供坚实的技术支撑。
引用格式
张云, 苏海军, 李翔, 董栋, 李兴辉, 郭一诺, 申仲琳. 耐高温陶瓷基复合材料增材制造技术研究进展[J]. 航空材料学报, 2026, 46(1): 1-14
ZHANG Yun, SU Haijun, LI Xiang, DONG Dong, LI Xinghui, GUO Yinuo, SHEN Zhonglin. Research progress of additive manufacturing technologies for high-temperature resistant ceramic matrix composites[J]. Journal of Aeronautical Materials, 2026, 46(1): 1-14
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