碳化硅--复合材料、

复合材料

姓名：黄福明

学号：2015141421022 专业：金属材料工程

碳化硅增强体

碳化硅纤维是典型的以碳和硅为主要成分的陶瓷纤维，在形态上有晶须和连续纤维两种。作为先进复合材料最重要的增强材料之一，它具有高温耐氧化性、高硬度、高强度、高热稳定性、耐腐蚀性和密度小等优点。与碳纤维相比，碳化硅纤维在极端条件下也能够保持良好的性能，故而在航空航天、军工武器装备等高科技领域备受关注，常用作耐高温材料和增强材料。此外，随着制备技术的发展，碳化硅纤维的应用逐渐拓展到高级运动器材、汽车废烟气除尘等民用工业方面。

一、碳化硅纤维的制备方法

碳化硅纤维的制备方法主要有先驱体转化法、化学气相沉积法（CVD)和活性炭纤维转化法三种。三种制备方法各有优缺点，而且使用不同制备方法得到的碳化硅纤维也具有不同的性能。

1、先驱体转化法

先驱体转化法是由日本东北大学矢岛教授等人于1975年研发，包括先驱体合成、熔融纺丝、不熔化处理与高温烧结4大工序。

先驱体转化法制备碳化硅纤维需要先合成先驱体——聚碳硅烷（PCS)，矢岛教授以二甲基二氯硅烷等为原料，通过脱氯聚合为聚二甲基硅烷，再经过高温（450 ～500℃）分解处理转化为聚碳硅烷纤维（PCS），，采用熔融法在250 ～350℃下将PCS纺成连续PCS纤维，然后经过空气中约200℃的氧化交联得到不熔化聚碳硅烷纤维，最后在惰性气氛或高纯氮气保护下1300℃左右裂解得到碳化硅纤维。先驱体转化法制备原理其实就是将含有目标元素的高聚物合成先驱体，再将先驱体纺丝成有机纤维，然后通过一系列化学反应将有机纤维交联成无机陶瓷纤维。

随着碳化硅制备技术的不断改进，逐渐形成了 3代碳化硅纤维。第1代碳化硅纤维是以矢岛教授研发的方法制备而成。由于在制备过程中引入了氧，纤维中的氧质量分数为10%～15%，在高温下碳化硅纤维的稳定性变差，影响了纤维在高温环境下的强度和弹性模量。因此，为改善这个问题研制初了第 2代碳化硅纤维。第 2代碳化硅纤维是在无氧气氛中采用电子辐照对原纤维进行不熔化处理，利用这种方式来降低碳化硅纤维中的氧含量，从而保障其在高温环境下的稳定性。同样，为满足航空和军工领域对高温材料性能的更高要求，开发了第3代碳化硅纤维。第3代碳化硅纤维中的杂质氧、游离碳含量进一步降低，接近碳化硅的化学计量比。虽然第3代碳化硅纤维的杂质氧、游离碳含量减少，但是目前控制纤维中

的硅（Si）和碳（C）的比例，减少氧含量依旧是该制备方法研究的重点。

先驱体转化法制备碳化硅纤维是目前采用比较广泛的一种方法，技术相对成熟、生产效率高、成本低，适合于工业化生产。

2、化学气相沉积法（CVD)

化学气相沉积法是在管式反应中采用汞电极直接用直流电或射频加热，将钨丝或碳丝载体加热到1300℃左右，在氢气中清洁其表面，再进入圆柱形反应室，在反应室中通入氢气和氯硅烷气体混合物，混合气体的标准成分是70%氢气+30%氯硅烷，在灼热的芯丝表面上反应生成碳化硅并沉积在芯丝表面。其结构大致可分为四层，由纤维中心向外依次是芯丝、富碳的碳化硅层、碳化硅层和外表面富硅涂层。

化学气相沉积法制备连续碳化硅纤维是一个复杂的物理化学过程，一般有以下几个步骤：反应气体向热芯丝表面迁移扩散；反应气体被热芯丝表面吸附；反应气体在热芯丝表面上裂解；反应尾气的分解和向外扩散。因此，碳化硅的沉积速率和质量强烈地依赖于反应温度、反应气体的浓度、流量、流动状态、反应气体的纯度和芯的表面状态等影响因素。用化学气相沉积法制备碳化硅纤维时，纤维表面呈张应力状态，从而使碳化硅纤维在用力作用下或在制备复合材料过程中具有表面损伤敏感性，易降低纤维强度。纤维表面越光滑，这种张应力分布就越小，性能就越好。

制备碳化硅纤维的基本原理就是在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅。该方法的制备过程中，利用碳丝更为合适。一方面，碳的质量比钨的质量小，可以制得更轻的碳化硅纤维；另一方面，钨与碳化硅会发生化学反应，使得在高温环境下碳化硅纤维的强度变差。在碳丝上沉积碳化硅能够得到更稳定的碳化硅纤维及其复合材料。CVD法制备的碳化硅纤维的纯度比较高，因此纤维在高温下的强度、抗蠕变、稳定性等性能良好。但是，与先驱体转化法相比，CVD法制备的碳化硅纤维直径较粗，无法进行编织，因此在利用纤维制成复合材料时比较困难，并且由于利用CVD法制备碳化硅纤维的设备成本较高，并且生产效率较低，该方法在实现碳化硅纤维工业化生产的过程中逐渐被淘汰。

3、活性炭纤维转化法

活性炭纤维转化法是在先驱体转化法和CVD法之后被研发出来的。该方法包括3个工序。首先是制备活性炭纤维。制备活性炭纤维可以使用酚醛基、沥青基等有机纤维制成，将有机原纤维经过200 ～400℃在空气中进行几十分钟至几小时的不熔化处理，随后进行碳化和活化处理，从而制得活性炭纤维。然后，由硅和二氧化硅在高温下反应生成气态的氧化硅，从而在一定真空度的条件下，控制温度在1 200 ～1 300℃，使活性炭纤维与氧化硅发生化学

反应，转化为碳化硅纤维。最后，控制温度在1 600℃左右，在惰性气体氮气的环境下进行热处理。

因为制备活性炭纤维的原材料价格比较低廉，并且制备过程也比较简单，所以利用活性炭纤维转化法制备碳化硅纤维的成本较低。与先驱体转化法和C V D法相比，该方法更适用于工业化生产碳化硅纤维。此外，利用活性炭纤维转化法制备碳化硅纤维主要由碳化硅微晶构成，氧含量仅占5.9%。由于氧含量的大大降低，纤维的抗拉强度变大，能达到1000MPa 以上。但是纤维仍存在有微孔，因此该项技术还有待进一步的改进。

二、碳化硅纤维的性能

①比强度和比模量高：碳化硅复合材料包含35%～50 %的碳化硅纤维，因此有较高的比强度和比模量，通常比强度提高1～4倍，比模量提高13倍；

②高温性能好：碳化硅纤维具有卓越的高温性能，碳化硅增强复合材料可提高基体材料的高温性能，比基体金属有更好的高温性能；

③尺寸稳定性好：碳化硅纤维的热膨胀系数比金属小，仅为(2.3～4.3)×10-6/℃，碳化硅增强金属基复合材料具有很小的热膨胀系数，因此也具有很好的尺寸稳定性能；

④不吸潮、不老化、使用可靠：碳化硅纤维和金属基体性能稳定，不存在吸潮、老化、分解等问题，保证了使用和可靠性；

⑤优良的抗疲劳和抗蠕变性：碳化硅纤维增强复合材料有较好的界面结构，可有效地阻止裂纹扩散，从而使其具有优良的抗疲劳和抗蠕变性能；

⑥较好的导热和导电性：碳化硅增强金属基复合材料保持了金属材料良好的导热和导电性，可避免静电和减少温差。

此外，碳化硅纤维复合材料具有卓越的力学性能、良好的热物理性能，优异的抗疲劳和抗蠕变性能。如碳化硅增强铝基复合材料SCDS6/6061的拉伸强度高达1550MPa，拉伸模量193GPa，比6061铝合金提高了好几倍；碳化硅增强钛基复合材料SCDS-6/Ti6Al4V的拉伸强度达1725MPa，拉伸模量193GPa，比Ti6Al4V 钛合金有成倍提高；碳化硅纤维增强氮化硅