碳化硅纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能、用途

碳化硅纖維是什么材料？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，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(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和密度小等優(yōu)點(diǎn)。與碳纖維相比，在極端條件下，碳化硅纖維能夠保持良好的性能。

碳化硅纖維的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與性能

自20世紀(jì)80年代SiC纖維問(wèn)世以來(lái)，SiC纖維已有三次明顯的產(chǎn)品迭代，其耐熱性與強(qiáng)度都得到了明顯增強(qiáng)。目前，第三代碳化硅纖維的最高耐熱溫度達(dá)1800-1900℃，耐熱性和耐氧化性均優(yōu)于碳纖維。

材料強(qiáng)度方面，第三代碳化硅纖維拉伸強(qiáng)度達(dá)2.5～4GPa，拉伸模量達(dá)290～400GPa，在最高使用溫度下強(qiáng)度保持率在80%以上。

碳化硅長(zhǎng)絲的制造過(guò)程是將聚硅烷在400℃以上,發(fā)生熱轉(zhuǎn)位反應(yīng)，使側(cè)鏈上的甲基以亞甲基的形式，導(dǎo)入主鏈的硅-硅間，形成聚碳硅烷,然后通過(guò)干法紡絲或熔體紡絲制成纖維。

為防止纖維在碳化過(guò)程中發(fā)生熔融粘接，須先在較低溫度下作不熔化處理。不熔化纖維在真空或惰性氣體中加熱至1200～1500℃，側(cè)鏈的甲基與氫同時(shí)脫出后只留下硅-碳的骨架成分，并形成β-碳化硅結(jié)構(gòu)的纖維。最后進(jìn)行上漿處理及集束卷繞。上漿劑的種類(lèi)視最終用途而定，用于增強(qiáng)塑料時(shí)上漿劑可選用環(huán)氧樹(shù)脂，增強(qiáng)金屬及陶瓷時(shí)則要求進(jìn)一步在較低溫度下將上漿劑熱分解掉。由碳化硅細(xì)晶粒組成的連續(xù)纖維，可用氣相沉積或紡絲燒結(jié)法制造。

碳化硅纖維用途

碳化硅纖維用途十分廣泛，主要用作耐高溫材料和增強(qiáng)材料。耐高溫材料包括熱屏蔽材料、耐高溫輸送帶、過(guò)濾高溫氣體或熔融金屬的濾布等；用做增強(qiáng)材料時(shí)，常與碳纖維或玻璃纖維合用，以增強(qiáng)金屬（如鋁）和陶瓷為主，如做成噴氣式飛機(jī)的剎車(chē)片、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、著陸齒輪箱和機(jī)身結(jié)構(gòu)材料等，還可用做體育用品，其短切纖維則可用做高溫爐材等。

SiC纖維的一個(gè)主要用途是制作SiC復(fù)合陶瓷基材料（CMC材料）。

這種材料是在SiC陶瓷基體的基礎(chǔ)上，將SiC纖維作為增強(qiáng)材料引入基體中制作而成的，是一種尖端復(fù)合材料。

CMC材料是高溫合金的替代品，相比于高溫合金具有更強(qiáng)的耐熱性、抗氧化性，同時(shí)具有更低的密度。

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，應(yīng)用CMC材料可以進(jìn)一步提高渦輪進(jìn)氣溫度，進(jìn)而提升發(fā)動(dòng)機(jī)效率。

同時(shí)，CMC材料降低了結(jié)構(gòu)密度，實(shí)現(xiàn)了輕量化，提升了航空器的推重比。

因此，SiC復(fù)合陶瓷基材料被認(rèn)為是臨近空間飛行器、可重復(fù)使用航天器的熱結(jié)構(gòu)部件的理想材料，其研發(fā)和應(yīng)用得到了主流機(jī)構(gòu)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商的高度重視。

碳化硅纖維的應(yīng)用

SiC纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗氧化、抗蠕變、耐腐蝕、與陶瓷基體相容性好等一系列優(yōu)異性能，是一種非常理想的增強(qiáng)纖維，在航空、航天、兵器、船舶和核工業(yè)等一些高技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，是發(fā)展高技術(shù)武器裝備以及航空航天事業(yè)的戰(zhàn)略原材料。

由連續(xù)SiC纖維增強(qiáng)的SiC陶瓷基復(fù)合材料（SiCf/SiC）強(qiáng)度高、密度低、使用溫度高，在高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用具有顯著的減重效果，是替代現(xiàn)有超高溫耐熱合金的理想選擇。

SiCf/SiC復(fù)合材料在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱部件、高超音速運(yùn)輸推進(jìn)系統(tǒng)、原子核反應(yīng)堆材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家針對(duì)高性能連續(xù)SiC纖維開(kāi)展了大量的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，并已實(shí)現(xiàn)了連續(xù)SiC纖維的工業(yè)化生產(chǎn)。由于連續(xù)SiC纖維在軍事領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景及其在航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略地位，長(zhǎng)期以來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)該產(chǎn)品實(shí)行壟斷政策，并對(duì)我國(guó)進(jìn)行嚴(yán)密的產(chǎn)品和技術(shù)封鎖。

審核編輯 ：李倩