中國粉體網訊 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力作用時會產生裂紋、甚至斷裂而導致材料失效，產生災難性破壞。采用高強度、高模量的連續陶瓷纖維與基體復合，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陶瓷纖維中的一種，并且由連續碳化硅纖維增韌的碳化硅陶瓷基復合材料（SiC/SiC CMC）是目前國際公認的最有潛力的發動機熱結構材料之一。
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、高熱穩定性、耐腐蝕性和密度小等優點。制備碳化硅纖維主要有4種方法：先驅體轉化法、化學氣相沉積法、超微細粉高溫燒結法和活性炭纖維轉化法。
先驅體轉化法
先驅體轉化法是由日本東北大學矢島教授等人于1975年研發，包括先驅體合成、熔融紡絲、不熔化處理與高溫燒結4大工序。
先驅體轉化法制備碳化硅纖維的工藝流程
先驅體轉化法制備碳化硅纖維是目前采用比較廣泛的一種方法，技術相對成熟、生產效率高、成本低，適合于工業化生產。此外，采用不同種類的SiC先驅體，人們相繼研發了Si-C-N，Si-Ti-C-O，Si-B-C-N等多功能陶瓷纖維。
化學氣相沉積法
化學氣相沉積法(CVD)是在一定條件下，呈氣態或蒸汽態的物質在氣相或氣固界面上發生反應以固態的形式形成涂層沉積在被涂件表面上。化學氣相沉積法制備碳化硅纖維的基本原理就是在連續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，碳的質量比鎢的質量小，可以制得更輕的碳化硅纖維；另一方面，鎢與碳化硅會發生化學反應，使得在高溫環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定的碳化硅纖維及其復合材料。
CVD法制備的SiC纖維純度高、強度高、抗蠕變性能優異，與金屬反應性小，但是直徑較大，編織困難，不利于CMC的制備。而且CVD法SiC纖維制備工藝復雜，生產效率較低，成本高，不利于工業化生產。
超微細粉高溫燒結法
粉燒結法是主要是以SiC微粉為原料，添加一定量的粘結劑以及燒結助劑(B、Al2O3等)，通過物理混合后，經干法紡絲或熔融紡絲制得纖維原絲，再經高溫熱處理獲得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，不利于工業化應用。
活性炭纖維轉化法
活性炭纖維轉化法也稱為化學氣相反應法，是在先驅體轉化法和CVD法之后被研發出來的。該法利用氣態SiO與多孔碳反應生成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。
活性炭纖維轉化法制備碳化硅纖維的過程
該方法生產的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與碳反應時會發生膨脹效應，伴隨著裂紋和微孔產生，從而導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，因此該項技術還有待進一步的改進。
經過數十年的研究，國際上已研發出具有代表意義的三代SiC纖維。根據纖維中氧、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，其研究和應用相對落后。在商業化生產規模與批次間質量穩定性等方面還需開展進一步工作。
碳化硅纖維的應用
陶瓷基復合材料
SiC纖維由于具備良好的抗蠕變、耐氧化、抗化學腐蝕性以及可相容于陶瓷基體優點，可作為纖維增強陶瓷基復合材料(CMC)的高溫結構材料，可廣泛應用于航空航天等領域。可應用于發動機的熱端部件，包括尾噴管部位、燃燒室、加力燃燒室、渦輪外環、導向葉片、轉子葉片等。
來源：GE Aviation
金屬基復合材料
常見的碳化硅金屬基復合材料有碳化硅增強鋁基復合材料、碳化硅增強鈦基復合材料、碳化硅增強鎂基復合材料、碳化硅增強銅基復合材料等。經過碳化硅纖維增強的金屬基復合材料，在比強度、比剛度、熱膨脹系數、導熱性能和耐磨性能等方面具有更優異的性能，并且易于生產出合格的金屬基復合材料，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、汽車等民用工業方面具有廣泛的應用前景。
來源：網絡
小結
碳化硅纖維經過幾十年的研究和發展，其制備方法和性能已經得到了較大的改進和提升。其中，先驅體轉換法的制備技術比較成熟，而活性炭纖維轉化法是實現工業化生產碳化硅纖維的一個重要研究方向。伴隨國防事業現代化、軍事力量和武器裝備科技化的加速發展，作為高性能纖維的代表，碳化硅纖維將以其優異的耐高溫、耐腐蝕、吸波性等受到了廣泛的關注。
參考資料：
江洪,陳亞楊.碳化硅纖維國內外研究進展
鄒豪等.碳化硅纖維增韌碳化硅陶瓷基復合材料的發展現狀及其在航空發動機上的應用
陳代榮等.連續陶瓷纖維的制備、結構、性能和應用：研究現狀及發展方向
余漢青.先驅體轉化法制備碳摻雜和硼碳摻雜碳化硅纖維的研究
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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