中國粉體網(wǎng)訊 先進陶瓷具有耐高溫、高強度和剛度、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能，但同時也存在一個本身固有的致命弱點——脆性。陶瓷在服役條件下受到應(yīng)力作用時會產(chǎn)生裂紋、甚至斷裂而導(dǎo)致材料失效，產(chǎn)生災(zāi)難性破壞。采用高強度、高模量的連續(xù)陶瓷纖維與基體復(fù)合，是提高陶瓷韌性和可靠性的一個有效方法。碳化硅纖維正是連續(xù)陶瓷纖維中的一種，并且由連續(xù)碳化硅纖維增韌的碳化硅陶瓷基復(fù)合材料（SiC/SiC CMC）是目前國際公認的最有潛力的發(fā)動機熱結(jié)構(gòu)材料之一。
碳化硅纖維的制備
碳化硅纖維是一種以碳和硅為主要成分的高性能陶瓷材料，具有高溫耐氧化性、高硬度、高強度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和密度小等優(yōu)點。制備碳化硅纖維主要有4種方法：先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學(xué)氣相沉積法、超微細粉高溫?zé)Y(jié)法和活性炭纖維轉(zhuǎn)化法。
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法是由日本東北大學(xué)矢島教授等人于1975年研發(fā)，包括先驅(qū)體合成、熔融紡絲、不熔化處理與高溫?zé)Y(jié)4大工序。
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維的工藝流程
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維是目前采用比較廣泛的一種方法，技術(shù)相對成熟、生產(chǎn)效率高、成本低，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。此外，采用不同種類的SiC先驅(qū)體，人們相繼研發(fā)了Si-C-N，Si-Ti-C-O，Si-B-C-N等多功能陶瓷纖維。
化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法(CVD)是在一定條件下，呈氣態(tài)或蒸汽態(tài)的物質(zhì)在氣相或氣固界面上發(fā)生反應(yīng)以固態(tài)的形式形成涂層沉積在被涂件表面上�；瘜W(xué)氣相沉積法制備碳化硅纖維的基本原理就是在連續(xù)的鎢絲或碳絲芯材上沉積碳化硅。
該方法的制備過程中，利用碳絲更為合適。一方面，碳的質(zhì)量比鎢的質(zhì)量小，可以制得更輕的碳化硅纖維；另一方面，鎢與碳化硅會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得在高溫環(huán)境下碳化硅纖維的強度變差。在碳絲上沉積碳化硅能夠得到更穩(wěn)定的碳化硅纖維及其復(fù)合材料。
CVD法制備的SiC纖維純度高、強度高、抗蠕變性能優(yōu)異，與金屬反應(yīng)性小，但是直徑較大，編織困難，不利于CMC的制備。而且CVD法SiC纖維制備工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率較低，成本高，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。
超微細粉高溫?zé)Y(jié)法
粉燒結(jié)法是主要是以SiC微粉為原料，添加一定量的粘結(jié)劑以及燒結(jié)助劑(B、Al2O3等)，通過物理混合后，經(jīng)干法紡絲或熔融紡絲制得纖維原絲，再經(jīng)高溫?zé)崽幚慝@得SiC纖維。通過該方法制備的SiC纖維具有較好的耐高溫性和抗蠕變性，但是纖維直徑較大、強度較低，不利于工業(yè)化應(yīng)用。
活性炭纖維轉(zhuǎn)化法
活性炭纖維轉(zhuǎn)化法也稱為化學(xué)氣相反應(yīng)法，是在先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和CVD法之后被研發(fā)出來的。該法利用氣態(tài)SiO與多孔碳反應(yīng)生成SiC纖維，主要包括三大工序：
（1）活性炭纖維的制備；
（2）在真空條件下，將活性炭纖維與SiO氣體置于1200℃~1300℃下反應(yīng)生成SiC纖維；
（3）將所得SiC纖維在氮氣保護下1600℃處理1h。
活性炭纖維轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維的過程
該方法生產(chǎn)的SiC纖維主要由β-SiC微晶組成，氧含量低，但在纖維的制備過程中，SiO與碳反應(yīng)時會發(fā)生膨脹效應(yīng)，伴隨著裂紋和微孔產(chǎn)生，從而導(dǎo)致纖維拉伸強度較低，僅為1.0GPa左右。但是纖維仍存在有微孔，因此該項技術(shù)還有待進一步的改進。
經(jīng)過數(shù)十年的研究，國際上已研發(fā)出具有代表意義的三代SiC纖維。根據(jù)纖維中氧、碳的含量的不同，可將這三代SiC纖維歸類為高氧高碳、低氧高碳和近化學(xué)計量比纖維。
國外3代碳化硅纖維的基本情況
而我國對碳化硅纖維的研究起步較晚，其研究和應(yīng)用相對落后。在商業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模與批次間質(zhì)量穩(wěn)定性等方面還需開展進一步工作。
碳化硅纖維的應(yīng)用
陶瓷基復(fù)合材料
SiC纖維由于具備良好的抗蠕變、耐氧化、抗化學(xué)腐蝕性以及可相容于陶瓷基體優(yōu)點，可作為纖維增強陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的高溫結(jié)構(gòu)材料，可廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域�？蓱�(yīng)用于發(fā)動機的熱端部件，包括尾噴管部位、燃燒室、加力燃燒室、渦輪外環(huán)、導(dǎo)向葉片、轉(zhuǎn)子葉片等。
來源：GE Aviation
金屬基復(fù)合材料
常見的碳化硅金屬基復(fù)合材料有碳化硅增強鋁基復(fù)合材料、碳化硅增強鈦基復(fù)合材料、碳化硅增強鎂基復(fù)合材料、碳化硅增強銅基復(fù)合材料等。經(jīng)過碳化硅纖維增強的金屬基復(fù)合材料，在比強度、比剛度、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性能和耐磨性能等方面具有更優(yōu)異的性能，并且易于生產(chǎn)出合格的金屬基復(fù)合材料，成本相較于硼纖維低，在航空航天、軍工武器裝備以及運動器材、汽車等民用工業(yè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景。
來源：網(wǎng)絡(luò)
小結(jié)
碳化硅纖維經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展，其制備方法和性能已經(jīng)得到了較大的改進和提升。其中，先驅(qū)體轉(zhuǎn)換法的制備技術(shù)比較成熟，而活性炭纖維轉(zhuǎn)化法是實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)碳化硅纖維的一個重要研究方向。伴隨國防事業(yè)現(xiàn)代化、軍事力量和武器裝備科技化的加速發(fā)展，作為高性能纖維的代表，碳化硅纖維將以其優(yōu)異的耐高溫、耐腐蝕、吸波性等受到了廣泛的關(guān)注。
參考資料：
江洪,陳亞楊.碳化硅纖維國內(nèi)外研究進展
鄒豪等.碳化硅纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀及其在航空發(fā)動機上的應(yīng)用
陳代榮等.連續(xù)陶瓷纖維的制備、結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用：研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向
余漢青.先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備碳摻雜和硼碳摻雜碳化硅纖維的研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）
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