碳化硅纤维材料耐高温性能突出,我国工业化水平亟需提高

  • 2019-04-26
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碳化硅纤维具有突出的耐高温性能,在军工和民用领域都有很大的应用空间,本文主要从性能、制备、应用、研究现状等方面对碳化硅纤维进行了介绍。

摘要:碳化硅纤维具有突出的耐高温性能,在军工和民用领域都有很大的应用空间,本文主要从性能、制备、应用、研究现状等方面对碳化硅纤维进行了介绍。

碳化硅纤维是一种高性能陶瓷材料,是以有机硅化合物为原料经纺丝、碳化或气相沉积而制得具有β-碳化硅结构的无机纤维,属陶瓷纤维类。碳化硅纤维最突出的优点是耐高温性能好,在1000℃以下力学性能基本上不发生变化,温度高达1300℃以上性能才开始下降,是目前所有增强材料中工作温度最高的。此外,碳化硅纤维还具有良好的力学性能、耐化学腐蚀、耐辐照和吸波性能等优异性能。

碳化硅的制备方法

目前碳化硅纤维的制备方法主要有三种,分别为先驱体转化法、化学气相沉积法和活性炭转化法(见表1)。目前由日本矢岛教授1975年发明的PIP法是目前制备碳化硅纤维的主要方法,ACF法还在研究发展阶段。

表1 碳化硅纤维的制备工艺

(资料来源:中国知网)

碳化硅基复合材料

碳化硅纤维的主要用途包括:一是可用作高温耐热材料,如耐高温传送带、金属熔体过滤材料、汽车尾气收尘过滤器等;二是作为增强材料,通常以复合材料的形式应用,碳化硅纤维所具备的抗蠕变、抗氧化、高强度、高模量、耐化学腐蚀、抗疲劳等优异性能正好满足航空航天、军工武器装备对高温材料的需求,而碳化硅纤维与陶瓷和金属基体能够很好相容,因此被认为是很有前景的结构材料之一。

碳化硅陶瓷基复合材料:碳化硅纤维可以和陶瓷基体在性能上互补,陶瓷具有耐高温、低密度、高比强和高比模的特点,但同时也具有脆性大、可靠性差的弱点,限制了实用性。增强纤维具有高弹性、连续性、高强度等特点,在陶瓷基体中引入碳化硅纤维作为增强材料正好能够提高陶瓷基体的韧性和可靠性。目前常用的增强纤维有碳化硅纤维、碳纤维和氧化物纤维,而碳化硅纤维具有的优越的耐高温性能和低密度,可用于制造航空发动机的热端部件,包括燃烧室、尾喷管部位、涡轮外环、加力燃烧室、转子叶片、导向叶片等。

碳化硅金属基复合材料:金属基复合材料同时具备金属材料和非金属材料的双重性能,拥有更好的耐磨性、韧性、热膨胀、导电性等机械物理性能,而引入碳化硅作为增强纤维的金属基复合材料,性能更加优越,成本也低于硼纤维等其他增强纤维,在军工武器装备、航空航天、汽车、运动器材等领域都有较大的应用空间。常见的碳化硅金属基复合材料有铝基复合材料、镁基复合材料、碳钛基复合材料和铜基复合材料等。

碳化硅纤维的研究现状

国外:日本是最早研究碳化硅纤维的国家,目前也是世界上碳化硅纤维制备工艺最成熟的国家,但是日本的碳化硅纤维产品的80%由美国包销,目前国际上最主要的碳化硅纤维企业是日本碳(Nippon Carbon)公司和宇部兴产(Ube Industries)。PIP是碳化硅纤维最广泛使用的制备方法,随着航空航天领域对热端构件材料的性能要求提升,碳化硅纤维已经发展至第三代,均已实现工业化生产,分别为高氧高碳碳化硅纤维、低氧高碳碳化硅纤维和近化学计量比碳化硅纤维(见表2),第三代碳化硅纤维的杂质氧、游离碳含量已经大大减少,但是减少氧含量依然是PIP法碳化硅制备工艺的研究重点。

表2 国外已经实现了三代碳化硅纤维的产业化

(资料来源:中国知网)

国内:国内碳化硅纤维制备工艺方面,各项关键技术以经取得突破,综合性能接近国外同类产品。工业化生产方面,国内已实现了第一代碳化硅纤维的工业化,初步实现第二代碳化硅纤维生产。我国碳化硅纤维的研究现状和工业化情况见表3。

表3 我国碳化硅纤维的研究现状和工业化情况

(资料来源:广发证券研究中心)

目前,我国部分碳化硅纤维技术已经与国际接轨,但整体上我国距离国际先进水平还有较大差距,特别是工业化生产水平方面尤为明显。

结语

碳化硅纤维具有突出的耐高温性能,作为增强材料受到航空航天领域的关注,用于制造发动机的热端部件;目前世界上最广泛的制备碳化硅纤维的工艺是先驱体转化法,国外目前已经实现了三代碳化硅纤维的工业化生产;我国碳化硅纤维技术水平已达到国际水平,但工业化生产方面差距较大。


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