SiC纤维材料性质、制备方法、应用

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。
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。
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。
2.像碳化硅纤维这样具有低密度、高强度、高模量、耐高温、耐腐蚀、低热膨胀系数和高温抗氧化性的材料，
3.在最近几年得到了比较大的发展，
4.但这样的材料仍有许多特性等待着挖掘，碳化硅纤维的应用也会更加广泛。
参考文献
未来CMC的耐温性对SiC纤维的使用温度提出了更高的要求，提高SiC纤维的使用温度的关键在于抑制高温下SiC晶粒长大和晶相转变，降低SiC纤维中O的含量。抑制高温下SiC晶粒长大的有效方法是调整聚碳硅烷先驱体的Si/C比例，控制SiC纤维中Si，C元素含量，据报道SiC纤维的最佳化学计量式为Si1C1.1纤维中存在少量的剩余C，由于处于晶界的C能阻碍晶界的移动，从而有利于抑制晶粒长大，提高纤维的耐温性。另外，要提高纤维的高温热化学稳定性，必须设法降低纤维中O的含量，减少高温下小分子物质的产生，解决这一问题的方法有3种：一是避开空气不熔化处理过程，在制备全过程中尽量减少O的引入；二是加入烧结助剂，高温烧结除去Si—C一O纤维中的O并使纤维致密化；三是不经不熔化处理过程而直接制得SiC纤维。
此外，它还具有热变形系数小、光学性能好、各向同性、无毒、能够实现复杂形状的近净尺寸成型等优点，因而成为空间反射镜的首选材料。
2．SiC纤维制备方法[]
2.1化学气相沉积法
化学气相沉积法（CVD）早期制备纤维常用的方法是一种借助空间气相化学反应在衬底表面上沉积固态薄膜的工业方法。即在连续的钨丝或者碳丝芯材上沉积碳化硅。通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射频加热，把基体芯材加热到1200℃以上，通入氯硅烷和氢气的混合气体，经过反应裂解为碳化硅，并且沉积在钨丝或者碳丝表面。
弹性模量
130GPa
弯曲模量
120GPa
层间剪切强度
120MPa
压缩强度
1800MPa
热膨胀系数
0°方向
2.6×10-4℃-1
90°方向
2.0×10-4℃-1
密度
2.0×103㎏/㎥
3.3用作金属基复合材料碳化硅纤维可与金属铝等复合，碳化硅纤维/铝复合材料通常是用熔态金属模压方法制得。一般使用的纤维体积分数为30%～40%，抗张强度可达600MPa～800MPa左右。具有轻质、耐热、高强度、耐疲劳等优点，其性能见下表。可用作飞机、汽车、机械等部件及体育运动器材等。
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。
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。
耐辐照性能和吸波性能好。碳化硅材料是良好的吸波材料。在通量为3.2×1010中子/s的快中子辐照1.5/h，或者用能量为105eV数量级、200ns的强脉冲γ射线照射下，碳化纤维强度均无明显降低。
2.3活性炭纤维转化法
活性炭纤维转化法原理比较简单：利用气态的SiO与多孔活性炭反应便转化生成了SiC。该法制备SiC纤维成本低、过程简单。活性炭纤维转化法制备SiC纤维包括三大工序[]：①活性炭纤维制备；②在一定真空度的条件下，在1200℃—1300℃的温度下，活性碳纤维与SiO2发生反应而转化为SiC纤维；③在氮气气氛下进行热处理(1600℃)。其工艺路线见下图：
3.2用作树脂基复合材料碳化硅纤维可与环氧等树脂复合，制作优异的复合材料，其性能见下表。这种复合材料抗弯曲冲击强度是碳纤维复合材料的2倍，它的剪切强度与碳纤维/环氧树脂复合材料相近。例如，喷气式发动机涡轮叶片，直升机螺旋桨，飞机与汽车构件等。
碳化硅纤维/环氧树脂复合材料的性能
表格3
抗张强度
1500MPa
中国科学院沈阳金属研究所石南林等[]首次采用一种新型的射频加热装置研究了在直径12μm的钨丝载体上，连续沉积制得直径100μm，连续长度大于1km，室温抗张强度大于等于3200MPa，抗张模量大于等于400GPa，并带有富碳涂层或氧化物涂层的SiC纤维；并且对射频加热CVD法多相物理化学过程中的反应气体配比、流量和浓度、沉淀温度及原材料质量控制等工艺进行了较系统的研究。
不同工艺制备碳化硅纤维性能比较[]
表格2
工艺
品名
密度/g·cm-3
直径/μm
抗拉强度/GPa
抗拉模量/GPa
CVD
SCS-6
3.0
142
4.48
430
PIP
Nicalon NL-500
2.5
14
3.0
220
活性炭纤维转化
-
2.1
20
1.0
180
粉体挤压纺丝
-
-
300
1.6
-பைடு நூலகம்
3. SiC
碳化硅纤维由于自身的优异性能可用作高温耐热材料，树脂、金属、陶瓷基复合材料的增强材料等。
碳化硅纤维
材料与化学工程学院无机非金属材料工程1班13461001陈成
摘要碳化硅纤维在就近几年发展的较为迅速，广泛地应用于人们的生活、航天、军事等多种领域，这和碳化硅纤维所具有的优异的特性是离不开的。在形态上有晶须、异芯纤维和先驱体纤维三种。本文主要介绍碳化硅纤维的性质、制备工艺、应用以及展望。
关键词SiC纤维材料性质、制备方法、应用
近年来，CVD法碳化硅纤维SCS-2和SCS-8已逐渐被淘汰，新开发的CVD法碳化硅纤维有SCS-9A和SCS-ULTRA。SCS-9A碳化硅纤维的直径比SCS-6大幅度减小了约40%。这种细直径的碳化硅纤维便于工艺操作，有利于制备尺寸小而外形复杂的构件。SCS-6、SCS-9A和SCS-ULTRA碳化硅纤维的性能见下表。
目录
1、SiC纤维材料性质1
2．SiC纤维制备方法1
2.1化学气相沉积法1
2.2先驱体转换法2
2.3活性炭纤维转化法2
2.4超微粉体挤压纺丝法3
3.SiC纤维的用途3
3.1用作高温耐热材料3
3.2用作树脂基复合材料3
3.3用作金属基复合材料4
3.4用作陶瓷基复合材料4
1、SiC纤维材料性质[]
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1～3倍。
碳化硅纤维/铝复合材料的一般特性
表格4
抗张强度
800MPa
弹性模量
E1
130GPa
E2
88GPa
弯曲强度
1200MPa
弯曲模量
E1
113GPa
E2
83GPa
泊松比
0.31
热膨胀系数
0°方向
8.9×10-6℃-1
90°方向
25×10-6℃-1
密度
2650㎏/㎥
3.4用作陶瓷基复合材料采用碳化硅纤维增强陶瓷(CMC)，可以大大提高陶瓷的耐冲击强度。例如Si3N4陶瓷中，加入6%的碳化硅纤维，强度可提高55%。即使在垂直方向，强度也提高20%左右。碳化硅纤维增强玻璃，也已经得到极大的成功，其性能见下表。由表可知，碳化硅纤维增强复合材料在高温下也有极高的弯曲强度，特别是碳化硅纤维增强硅酸锂铝玻璃复合材料，其冲击强度大为提高，缺口冲击强度实验值比Si3N4陶瓷高50倍，即使无缺口冲击强度试验值也比后者高出4.5倍。正式因为它比超耐热合金的质量轻，具有高温耐热性，并显著地改善了陶瓷固有的脆性，所以CMC可用作宇宙火箭、航空喷气式发动机等耐热部件以及高温耐腐蚀化学反应釜材料等。
3.1用作高温耐热材料碳化硅纤维既有优异的力学性能，又有耐高温、耐腐蚀、耐辐射的性能，因此，是一种理想的耐热材料。碳化硅纤维可用作耐高温传送带、金属熔体过滤材料、高温烟尘过滤器、汽车尾气收尘过滤器等。例如，日本东京都采用碳化硅纤维毡过滤器用于柴油汽车排放烟尘收集装置(DPF )。据说，随着环保事业的强化，防止公害条例的制定，需求碳化硅纤维量将要增加。
碳化硅纤维单向增强各种玻璃的机械强度
表格5
玻璃种类
硼硅酸玻璃
硅酸盐玻璃
硅酸锂铝玻璃（LAS）
SiC纤维体积含量/%
35
50
35
50
温度
室温
470
800
506
600
600℃
620
940
800℃
800
1000℃
700
850
弯曲模量（GPa，室温）
100
118
102
149
展望
1.随着航天和航空工业的发展，
碳化活化SiO2
——→——→——→——→
氮气
——→
1600℃
2.4超微粉体挤压纺丝法
超微粉体掺混纺丝法[]是制备连续SiC纤维的经典方法，是将超微SiC粉、粘结剂和烧结助剂等混合后挤压纺丝，高温烧结而成。英国ICI公司用0.1μm—2.0μm微粉，PVAc作粘结剂，B和Al2O3作烧结助剂，混合纺丝后高温烧结制得SiC纤维，其强度为1．6 GPa。Si也可用作烧结助剂，并能降低烧结温度到1800℃。以上四种工艺方法制备的碳化硅纤维性能的比较见下表：
CVD法碳化硅的性能
表格1
性能
牌号
SCS-6
SCS-9A
SCS-ULTRA
直径/μm
140
74~84
140
密度/g·cm-3
3.0
2.8
3.0
截面形状
圆
圆
圆
拉伸强度/MPa
3450
3450
6210
拉伸模量/GPa
380
307
415
热膨胀系数/10-6·℃-1
2.3
4.3
2.2先驱体转换法[]
1975年日本东北大学矢岛教授在实验室制备出了碳化硅纤维,开创了从聚碳硅烷出发制备碳化硅纤维的新方法[]。先驱体转换法（PIP）是以有机聚合物为先驱体，利用其可溶、可熔等特性成型后，经过高温热分解处理，使之从有机化合物转变为无机陶瓷材料的方法。用该方法制备碳化硅纤维可分为聚碳硅烷合成、熔融纺丝、不熔化处理、高温烧成四大工序，即首先由二甲基二氯硅烷脱氯聚合为聚二甲基硅烷(PDMS)，再经过高温(450～500℃)热分解、重排、缩聚转化为聚碳硅烷(PCS)；PCS在多孔纺丝机上熔纺成500根一束的连续PCS纤维．再经过空气中约200℃的氧化或电子束照射得到不熔化PCS纤维；最后在高纯氮气保护下1 000℃以上高温处理便得到SiC纤维。该方法与化学气相沉积法(CVD法)制备的连续SiC纤维相比，具有适合工业化、生产效率高、成本较低的优点，且所制得的SiC纤维直径细，可编织性好、可成型复杂构件、可改变制备条件获得不同用途的纤维，纤维性能及成本均有进一步改善的前景。目前，通过先驱体法制备的连续SiC纤维——Nicalon、Tyranno已经商品化。在树脂基、金属基与陶瓷基复合材料方面已经开展了大量的应用研究。但其很难满足航空发动机、航天飞行器等对材料提出的更高性能要求。因此，高性能SiC纤维向低氧含量、近化学计量比方向发展，以适应耐高温性能不断提高的要求。