碳化硅纤维的结构特点与性能、用途？

2022-12-30 16:39 已解决

自20世纪80年代SiC纤维问世以来，SiC纤维已有三次明显的产品迭代，其耐热性与强度都得到了明显增强。目前，第三代碳化硅纤维的最高耐热温度达1800-1900℃，耐热性和耐氧化性均优于碳纤维。

材料强度方面，第三代碳化硅纤维拉伸强度达2.5～4GPa，拉伸模量达290～400GPa，在最高使用温度下强度保持率在80%以上。


碳化硅长丝的制造过程是将聚硅烷在400℃以上,发生热转位反应，使侧链上的甲基以亚甲基的形式，导入主链的硅-硅间，形成聚碳硅烷,然后通过干法纺丝或熔体纺丝制成纤维。



为防止纤维在碳化过程中发生熔融粘接，须先在较低温度下作不熔化处理。不熔化纤维在真空或惰性气体中加热至1200～1500℃，侧链的甲基与氢同时脱出后只留下硅-碳的骨架成分，并形成β-碳化硅结构的纤维。最后进行上浆处理及集束卷绕。上浆剂的种类视最终用途而定，用于增强塑料时上浆剂可选用环氧树脂，增强金属及陶瓷时则要求进一步在较低温度下将上浆剂热分解掉。由碳化硅细晶粒组成的连续纤维，可用气相沉积或纺丝烧结法制造。



碳化硅纤维用途


碳化硅纤维用途十分广泛，主要用作耐高温材料和增强材料。耐高温材料包括热屏蔽材料、耐高温输送带、过滤高温气体或熔融金属的滤布等；用做增强材料时，常与碳纤维或玻璃纤维合用，以增强金属（如铝）和陶瓷为主，如做成喷气式飞机的刹车片、发动机叶片、着陆齿轮箱和机身结构材料等，还可用做体育用品，其短切纤维则可用做高温炉材等。



SiC纤维的一个主要用途是制作SiC复合陶瓷基材料（CMC材料）。



这种材料是在SiC陶瓷基体的基础上，将SiC纤维作为增强材料引入基体中制作而成的，是一种尖端复合材料。



CMC材料是高温合金的替代品，相比于高温合金具有更强的耐热性、抗氧化性，同时具有更低的密度。



在航空发动机领域，应用CMC材料可以进一步提高涡轮进气温度，进而提升发动机效率。



同时，CMC材料降低了结构密度，实现了轻量化，提升了航空器的推重比。



因此，SiC复合陶瓷基材料被认为是临近空间飞行器、可重复使用航天器的热结构部件的理想材料，其研发和应用得到了主流机构与航空发动机制造商的高度重视。


碳化硅纤维的应用
SiC纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、抗蠕变、耐腐蚀、与陶瓷基体相容性好等一系列优异性能，是一种非常理想的增强纤维，在航空、航天、兵器、船舶和核工业等一些高技术领域具有广泛的应用前景，是发展高技术武器装备以及航空航天事业的战略原材料。



由连续SiC纤维增强的SiC陶瓷基复合材料（SiCf/SiC）强度高、密度低、使用温度高，在高推重比发动机上的应用具有显著的减重效果，是替代现有超高温耐热合金的理想选择。



SiCf/SiC复合材料在航空航天发动机的耐热部件、高超音速运输推进系统、原子核反应堆材料等领域具有广阔的应用前景。日本、美国等发达国家针对高性能连续SiC纤维开展了大量的基础和应用研究，并已实现了连续SiC纤维的工业化生产。由于连续SiC纤维在军事领域的重要应用前景及其在航空、航天等高技术领域的战略地位，长期以来，西方发达国家对该产品实行垄断政策，并对我国进行严密的产品和技术封锁。