碳化硅纤维的特点与应用

先进陶瓷结课论文
学院：材料与化学化工学院
专业：材料科学与工程
姓名： * * *
学号： 2010********
2013-12-10
碳化硅纤维的特点与应用
前言
碳化硅纤维是以碳和硅为主要组分的一种陶瓷纤维，这种纤维具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性，抗张强度可达2.5～3.5GPa，弹性模量为200GPa，有良好的耐化学品腐蚀性，线膨胀系数小，约为3.1×10-6 K-1，耐辐照、吸波性好，且具有半导体性质。

主要用于增强金属和陶瓷，制成耐高温的金属或陶瓷基复合材料。

因其具有良好性能，已在尖端科技领域，例如航空航天、火箭发动机、核聚变炉等方面展开应用。

今后，期待往民品方向应用，诸如汽车废烟气收尘、高效率燃气发电机耐热部件等扩展使用。

所以，研究碳化硅纤维的特点就显得尤为重要。

由于专业知识有限，在此，我谨对其进行浅谈。

一、碳化硅纤维的分类
碳化硅纤维从形态上分为晶须和连续纤维两种。

1、碳化硅晶须
晶须是一种单晶，碳化硅的晶须直径一般为0.1～2um,长度为20～300um，外观是粉末状，是一种很少缺陷的，有一定长径比的单晶纤维，它具有相当好的抗高温性能和很高强度。

主要用于需要高温高强应用材质的增韧场合。

如：航天材料、高速切削刀具等。

目前，有着极高的性能价格比。

碳化硅晶须为立方晶须，和金刚石同属于一种晶型，是目前已经合成出的晶须中硬度最高，模量最大，抗拉伸强度最大，耐热温度最高的晶须产品，分为α型和β型两种形式，其中β型性能优于α型。

β型较α型具有更高的硬度(莫氏硬度达9.5以上)，更好的韧性和导电性能，抗磨、耐高温，特别耐地震、耐腐蚀、耐辐射，已经在飞机、导弹的外壳上以及发动机、高温涡轮转子、特种部件上得到应用。

碳化硅晶须的生长机理主要为气-液-固机理，即碳化硅晶须通过气液固相反应成核并生长，原料二氧化硅与c生成SiO气体，SiO扩散至富碳的催化剂融球表面，反应生成Si，进而与C反应生成SiC,SiC达到饱和后析出SiC晶核，随着反应的进行，进入融球内的SiC分子不断向晶核叠加，并在催化剂的控制下他，通过（ABCABC）立方堆积方式，生长成一定长径比的碳化硅晶须。

目前碳化硅晶须的主要制备方法大体分为三类，分别是：气相碳源法、固相碳源法、液相碳源法。

其中，气相碳源法是含碳的气体与含硅的气体反应，或分解一种含碳及硅的有机化合物气体合成碳化硅晶须；固相碳源法是先在高温下使
含C和含Si的固态材料变成气相，随后通入载气，在于反映材料隔开的空间中合成碳化硅晶须；液相碳源法是用特定的含碳纳米材料作为前驱体在一定条件下水解，形成溶胶，经溶剂挥发及加热处理，使溶胶转变成网状结构的凝胶，再经适当的后处理形成纳米材料，此法成本低廉，工艺简单，无污染，但晶须容易形成团聚，分散性和结晶性差。

2、碳化硅连续纤维
连续纤维是碳化硅包覆在钨丝或碳纤维等芯丝上而形成的连续丝或纺丝和热解而得到纯碳化硅长丝。

需要注意的是，当今在日本碳公司中进行生产的尼卡纶是一种新型碳化硅连续纤维，它无需钨丝作芯线的新型高强度无机纤维，比碳纤维、硼纤维具有更高的耐热性、高温强度、弹性模量及抗氧化性能,与合成树脂亲和性好,对金属母体化学稳定性高等特点,是制备高级复合材料的理想的纤维增强填料。

二、碳化硅纤维的性能
碳化硅纤维具有良好的高温性能、高强度、高模量和化学稳定性。

（1）力学性能
以在日本碳公司进行试生产，产品名称尼卡纶为代表，其主要性能见下表1，其强度与韧性接近于硼纤维。

表1 尼卡纶的一般性质
（2）热性能
碳化硅纤维具有优良的耐热性能，在1000℃以下，其力学性能基本上不变，可长期使用，当温度超过1300℃时，其性能才开始下降，是耐高温的好材料。

（3）耐化学性能
它具有良好的耐化学性能，在80℃下耐强酸（盐酸、硫酸、硝酸），用30％NaOH
浸蚀20小时后，纤维仅失重1％以下，其力学性能仍不变，它在金属1000℃以下也不发生反应，而且有很好的侵润性，有益于金属复合。

（4）耐辐照和吸波性能
碳化硅纤维在通量为101010 中子/秒的快中子辐射照1.5小时或以能量为
105中子伏特，
200纳秒的强脉冲v 射线照射下，碳化硅纤维强度均无明显降低。

总而言之，碳化硅纤维比强度和比模量高，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；碳化硅纤维的尺寸稳定性好，其热膨胀系数比金属小，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；碳化硅纤维不吸潮、不老化，使用可靠，它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； 碳化硅纤维有优良的抗疲劳和抗蠕变性，碳化硅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；碳化硅纤维有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，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。

碳化硅纤维材料有以上优点，同时也有很多不足之处：
作为一种多相陶瓷，SiC 的材质既硬且脆，加工难度很大；从已见报道的SiC 反射镜来看，其面形精度尚不能满足高精度光学系统的成像要求，这使得它在应用中受到限制；常规的碳化硅产品在弥补现有常规纤维的在特殊领域的不足之外尚有许多的缺陷。

需要长期的完善，以及创新。

在缺陷方面需要做如下的改进：
（1）低氧化，不采用空气不熔化处理；
（2）进行低碳化处理增加纤维的密度和弹性模量；
（3）提高耐热性和耐化学稳定性；
（4）CVD 法制备的纤维直径太粗，柔韧性太差，难以编织，从而不利于复杂复合材料的制备，先驱体法制备的纤维避免了这些不足等。

另外纤维可进行创新改善常规碳化硅不足，科技人员尝试着引入某些金属到纤维结构中，开发出Si-Ti-C-O, Si-Zn-C-O, Si-M-C-O, Si-Al-C-O,等金属碳化硅纤维！这些纤维具有很高的高温强度，非常引人注目，即使在高达2000℃，其强度也下降很少。

這些金属纤维较常规的碳化硅纤维有更高的耐热温度。

三、碳化硅纤维的制造
SiC纤维的制备方法主要有化学气相沉积法( CVD)和先驱体法。

目前，国外这两类纤维均己实现商品化。

1、CVD法制备碳化硅纤维
CVD法制备SiC纤维即采用微细的钨丝或碳纤维细丝等芯线作为载体，使有机硅等在氮气流中，在灼热的芯线表面进行反应、裂解、并沉积在表面上而制成碳化硅纤维，因为有芯线，所以是一种复合纤维。

但是CVD法采用的C丝或W 丝的直径已有10^-30Eun，而成品SiC纤维的直径更是达到了100^" 140Eun，直径太粗，柔韧性太差，难以编织，从而不利于复杂复合材料的制备。

由于生产效率低，成本高，极大地限制了CVD法SiC纤维的使用。

2、先驱体转换法制备碳化硅纤维
先驱体转换法是由日本东北大学矢岛圣使教授发明，是由聚碳硅烷合成、通过熔融纺丝、再经过氧化法或电子束法进行不熔化处理以及热解等工序制造生产。

聚碳硅烷合成时由于键的重排转化和分子间的缩 Si-Si 合反应，使产物分子量和熔点提高，分子线性变差，影响可纺性。

必须采取措施，既有效地提高聚碳硅烷的熔点又保证良好的可纺性。

聚碳硅烷是一种脆性材料，熔融纺丝有较大难度，从原料到纺丝工艺要求严格控制，注意纺丝温度、进料速度、收丝速度与纺丝压力的匹配和控制。

不熔化处理是聚碳硅烷分子结构中的键氧化形成 Si-H 键，使分子间相互交联的过程，此外，还Si-O-Si 存在形成 Si-OH 基和 C=O 基的反应，后者对不熔化没有贡献，并在纤维中引入过多的氧，应尽可能加以抑制。

不熔化处理是影响聚碳硅烷纤维的重要环节，必须控制好Si-H 键反应程度。

热解是在高温惰性气体下完成使有机物转化为无机物并形成SiC微晶，纤维的密度和拉伸强度迅速提高。

3.碳化硅纤维制备的技术关键
PCS纤维成形采用的是熔融纺丝法，但脆性先驱体的熔融纺丝与一般化纤的熔纺相比有非常明显的特点，工艺难度也大大提高，具体表现为先驱体分子量较小，支链较多，纤维强度极低，固化极快。

可以说，PCS纤维成形是一种全新的工艺技术。

PCS纤维的成形过程，是制备连续SiC纤维的关键技术之一。

总而言之，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。

四、碳化硅纤维的应用及发展趋势
碳化硅纤维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。

碳化硅纤维复合材料较多应用于国防军工，主要包括：航空、航天等高技术领域，像先进战斗机、空天飞机、航空发动机、战术导弹和电子组件等，达到减重、提高工作温度、热膨胀系数匹配和提高热导率等目的。

另外在高级运动器材上亦有应用，像自行车车架等。

五、结论
中国是一个经济和社会正在迅速发展和变化的世界大国，高新技术产业的快速发展、传统产业的技术进步、环保国策的全面落实以及在未来20年全面建设小康社会发展目标的实施将给新型材料带来前所未有的发展机遇。

而为了满足高性能复合材料的需求,尤其是耐高温纤维的需求，国产连续碳化硅纤维工业化势在必行。

随科技的发展高性能纤维的需求俞显奇缺，尤其在航空、航天、原子能、高性能武器装备及高温工程等诸多领域,迫切需要高比强度、高比模量、耐高温、抗氧化、耐腐蚀的新型材料。

因此, 发展耐高温、低密度的陶瓷基复合材料来代替传统高温合金和难熔金属材料已成为提高发动机推重比和火箭比的基础和关键。

而先进复合材料尤其是陶瓷基复合材料的开发与应用, 必然要以高耐温纤维的研究与开发作为前提与基础。

因此, 发达国家无不从战略高度投入巨资研究与开发高耐温纤维。

高性能连续SiC 纤维增韧补强SiC 陶瓷基复合材料( SiC/SiC) 具有耐高温、低密度、抗氧化、耐腐蚀等突出的优点。

我国目前面临对现有航空发动机减重和新型高推重比航空发动机的研究, 对SiC/SiC 提出了明确急需。

西北工业大学与沈阳发动机研究所合作系统发展航空发动机热端构件的设计与制造技术及其在高推重比航空发动机上的
应用, 而高性能连续SiC 纤维是实现这一目标的关键。

综上所述，我认为研究碳化硅纤维极为重要，由于能力有限，不能给出具体的研究数据加以佐证，但是有一点可以肯定，功能化是其主要的发展趋势。

只要能把握好机遇，以科学技术为支撑，碳化硅纤维材料有不可估量的价值。

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