碳化硅纖維是一種高性能陶瓷材料，從形態(tài)上分為晶須和連續(xù)碳化硅纖維，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，在航空航天、軍工武器等領(lǐng)域備受關(guān)注。
碳化硅纖維的制備方法主要有三種，分別是先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法、化學氣相沉積法（CVD)和活性炭纖維轉(zhuǎn)化法：
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法由日本東北大學矢島教授等人于1975年研發(fā)，主要包括先驅(qū)體合成、熔融紡絲、不熔化處理與高溫燒結(jié)四大工序，是目前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)。先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備原理是將含有目標元素的高聚物合成先驅(qū)體——聚碳硅烷（PCS)，再將先驅(qū)體紡絲成有機纖維，然后通過一些列化學反應將有機纖維交聯(lián)成無機陶瓷纖維。
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維工藝流程
隨著碳化硅纖維制備工藝的改善，目前已經(jīng)形成了三代產(chǎn)品。第一代碳化硅纖維是以日本碳公司生產(chǎn)的Nicalon 200和Tyranno LOX-M為代表，由于在其制備過程中引入了氧，纖維中的氧質(zhì)量分數(shù)為10%～15%，在高溫下碳化硅纖維的穩(wěn)定性變差，影響了纖維在高溫環(huán)境下的強度和彈性模量。為改善該問題研制了第二代碳化硅纖維，以日本碳公司的Hi-Nicalon與宇部興產(chǎn)公司的Tyranno LOX-E、Tyranno ZM和Tyranno ZE為代表，通過在無氧氣氛中采用電子輻照對原纖維進行不熔化處理來降低碳化硅纖維中的氧含量，從而保障其在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。為滿足航空和軍工領(lǐng)域?qū)Ω邷夭牧闲阅艿母咭�，日本和美國分別開發(fā)了第三代碳化硅纖維，以日本碳公司的Hi-Nicalon S、宇部興產(chǎn)公司的Tyranno SA以及美國道康寧公司的Sylramic纖維為代表，第三代碳化硅纖維中的雜質(zhì)氧、游離碳含量進一步降低，接近碳化硅的化學計量比。
國外3代碳化硅纖維的基本情況
我國對高性能連續(xù)碳化硅纖維產(chǎn)品的研究始于上世紀 80年代，經(jīng)過 30 余年的發(fā)展，目前已經(jīng)實現(xiàn)了多項關(guān)鍵技術(shù)的實質(zhì)性突破，但與日本、美國等國家還存在一定差距。國防科技大學是國內(nèi)最早開始研發(fā)制備碳化硅纖維的高校,于 1991 年建成了國內(nèi)第一條連續(xù)碳化硅纖維實驗生產(chǎn)線，在先驅(qū)體 PCS 合成、多孔熔融紡絲、原絲不熔化及連續(xù)纖維高溫燒成領(lǐng)域均已實現(xiàn)明顯突破，實現(xiàn)了第三代碳化硅纖維的小規(guī)模制備，主要性能達到或接近國外同類水平。
2005 年，蘇州賽菲集團有限公司與國防科技大學接洽成果轉(zhuǎn)化任務，并于2010 年歷史性地實現(xiàn)我國連續(xù)碳化硅纖維的產(chǎn)業(yè)化，成為世界第 4 家產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)，隨后賽菲集團在蘇州、宿遷、鎮(zhèn)江等地完成了碳化硅產(chǎn)業(yè)鏈的布局。
2016 年，寧波眾興與國防科技大學簽署合作協(xié)議，獲得國防科技大學第二代連續(xù)碳化硅陶瓷纖維制備技術(shù)獨家使用權(quán)，開展第二代連續(xù)碳化硅陶瓷纖維制備技術(shù)的工程化研發(fā)，目前已經(jīng)建成了年產(chǎn) 40 噸級聚碳硅烷（PCS）生產(chǎn)線以及年產(chǎn)10噸級第二代連續(xù)碳化硅陶瓷纖維（Shincolon-Ⅱ）生產(chǎn)線。
廈門大學特種先進材料實驗室在張立同院士的領(lǐng)導下，通過自主開發(fā)以及與國際合作研制，形成了國際先進、國內(nèi)唯一的高性能連續(xù)陶瓷纖維的制造平臺,制得的碳化硅纖維性能接近日本同類產(chǎn)品水平。廈門大學的特色在于通過電子束輻射和熱化學交聯(lián)的方式，實現(xiàn)了 SiC 原絲纖維的非氧氣氛交聯(lián)，制得低氧含量的交聯(lián)纖維，再經(jīng)過高溫燒成制得低氧含量的高耐溫 SiC 纖維。
自 2015 年以來，中科院寧波材料所承擔了研制第三代碳化硅纖維的任務，經(jīng)過不懈的努力，自主研發(fā)了紡絲設(shè)備，在連續(xù)碳化硅纖維研制方面已取得重要進展，打通了從先驅(qū)體制備、熔融紡絲、不熔化到燒成整條技術(shù)路線。
2018 年，湖南博翔新材料有限公司開展了 10 噸 / 年含鈹碳化硅纖維生產(chǎn)線建設(shè)項目。
化學氣相沉積法（CVD法）
CVD法制備碳化硅纖維最早由美國AVCO公司于1972年進行研發(fā)，也是早期生產(chǎn)碳化硅纖維復合長單絲的方法，其基本原理是在連續(xù)的鎢絲或碳絲芯材上沉積碳化硅。相較鎢絲，在碳絲上沉積碳化硅能夠得到更輕、更穩(wěn)定的碳化硅纖維及其復合材料。
CVD法制備的碳化硅纖維的純度比較高，因此纖維在高溫下的強度、抗蠕變、穩(wěn)定性等性能良好。但與先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法相比，CVD法制備的碳化硅纖維直徑較粗，無法進行編織，因此在利用纖維制成復合材料時比較困難。此外，由于利用CVD法制備碳化硅纖維的設(shè)備成本較高，并且生產(chǎn)效率較低，該方法在實現(xiàn)碳化硅纖維工業(yè)化生產(chǎn)的過程中逐漸被淘汰。
活性炭纖維轉(zhuǎn)化法
活性炭纖維轉(zhuǎn)化法主要包括三大工藝環(huán)節(jié)，首先是制備活性炭纖維，可以采用酚醛基、瀝青基等有機纖維，經(jīng)過200～400℃在空氣中進行幾十分鐘至幾小時的不熔化處理，隨后進行碳化和活化處理制得活性炭纖維；然后，硅和二氧化硅在高溫下反應生成氣態(tài)的氧化硅，從而在一定真空度的條件下，控制溫度在 1200 ～1300℃，使活性炭纖維與氧化硅發(fā)生化學反應，轉(zhuǎn)化為碳化硅纖維；最后，控制溫度在 1600℃左右，在惰性氣體氮氣的環(huán)境下進行熱處理。
活性炭纖維轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維的過程
采用活性炭纖維轉(zhuǎn)化法制備碳化硅纖維的優(yōu)點主要在于成本低廉，生產(chǎn)的碳化硅纖維含氧量大幅降低，因而纖維的抗拉強度變大，可達1000MPa以上。與先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和CVD法相比，該方法更適用于工業(yè)化生產(chǎn)碳化硅纖維。但是生產(chǎn)的纖維仍存在微孔，該項技術(shù)的研究重點在于如何在制備過程中減少微裂紋的產(chǎn)生。
