SiC纤维的全面制备方法

标签:SiC碳化硅
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       碳化硅纤维,英文名为silicon carbide fibre ,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。碳化硅纤维的最高使用温度达1200℃,其耐热性和耐氧化性均优于碳纤维,强度达 1960~4410MPa,在最高使用温度下强度保持率在 80%以上,模量为176.4~294GPa,化学稳定性也好。

 

       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。

 

       先进陶瓷具有耐高温、高强度和刚度、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能,但同时也存在一个本身固有的致命弱点——脆性。陶瓷在服役条件下受到应力作用时会产生裂纹、甚至断裂而导致材料失效,产生灾难性破坏。采用高强度、高模量的连续陶瓷纤维与基体复合,是提高陶瓷韧性和可靠性的一个有效方法。碳化硅纤维正是连续陶瓷纤维中的一种,并且由连续碳化硅纤维增韧的碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC CMC)是目前国际公认的最有潜力的发动机热结构材料之一。

 

       碳化硅纤维的制备

 

       碳化硅纤维是一种以碳和硅为主要成分的高性能陶瓷材料,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。制备碳化硅纤维主要有4种方法:先驱体转化法、化学气相沉积法、超微细粉高温烧结法和活性炭纤维转化法。

 

      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。

 

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       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。此外,采用不同种类的SiC先驱体,人们相继研发了Si-C-N,Si-Ti-C-O,Si-B-C-N等多功能陶瓷纤维。

 

      化学气相沉积法

 

       化学气相沉积法(CVD)是在一定条件下,呈气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应以固态的形式形成涂层沉积在被涂件表面上。化学气相沉积法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SiC纤维纯度高、强度高、抗蠕变性能优异,与金属反应性小,但是直径较大,编织困难,不利于CMC的制备。而且CVD法SiC纤维制备工艺复杂,生产效率较低,成本高,不利于工业化生产。

 

      超微细粉高温烧结法

 

       粉烧结法是主要是以SiC微粉为原料,添加一定量的粘结剂以及烧结助剂(B、Al2O3等),通过物理混合后,经干法纺丝或熔融纺丝制得纤维原丝,再经高温热处理获得SiC纤维。通过该方法制备的SiC纤维具有较好的耐高温性和抗蠕变性,但是纤维直径较大、强度较低,不利于工业化应用。

 

      活性炭纤维转化法

 

       活性炭纤维转化法也称为化学气相反应法,是在先驱体转化法和CVD法之后被研发出来的。该法利用气态SiO与多孔碳反应生成SiC纤维,主要包括三大工序:

 

       (1)活性炭纤维的制备;

 

       (2)在真空条件下,将活性炭纤维与SiO气体置于1200℃~1300℃下反应生成SiC纤维;

 

       (3)将所得SiC纤维在氮气保护下1600℃处理1h。

 

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       该方法生产的SiC纤维主要由β-SiC微晶组成,氧含量低,但在纤维的制备过程中,SiO与碳反应时会发生膨胀效应,伴随着裂纹和微孔产生,从而导致纤维拉伸强度较低,仅为1.0GPa左右。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。

 

       经过数十年的研究,国际上已研发出具有代表意义的三代SiC纤维。根据纤维中氧、碳的含量的不同,可将这三代SiC纤维归类为高氧高碳、低氧高碳和近化学计量比纤维

 

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     碳化硅纤维的应用

 

     陶瓷基复合材料

 

       SiC纤维由于具备良好的抗蠕变、耐氧化、抗化学腐蚀性以及可相容于陶瓷基体优点,可作为纤维增强陶瓷基复合材料(CMC)的高温结构材料,可广泛应用于航空航天等领域。可应用于发动机的热端部件,包括尾喷管部位、燃烧室、加力燃烧室、涡轮外环、导向叶片、转子叶片等。

 

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      金属基复合材料

 

       常见的碳化硅金属基复合材料有碳化硅增强铝基复合材料、碳化硅增强钛基复合材料、碳化硅增强镁基复合材料、碳化硅增强铜基复合材料等。经过碳化硅纤维增强的金属基复合材料,在比强度、比刚度、热膨胀系数、导热性能和耐磨性能等方面具有更优异的性能,并且易于生产出合格的金属基复合材料,成本相较于硼纤维低,在航空航天、军工武器装备以及运动器材、汽车等民用工业方面具有广泛的应用前景。

 

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     小结

 

       碳化硅纤维经过几十年的研究和发展,其制备方法和性能已经得到了较大的改进和提升。其中,先驱体转换法的制备技术比较成熟,而活性炭纤维转化法是实现工业化生产碳化硅纤维的一个重要研究方向。伴随国防事业现代化、军事力量和武器装备科技化的加速发展,作为高性能纤维的代表,碳化硅纤维将以其优异的耐高温、耐腐蚀、吸波性等受到了广泛的关注。

       下列为罗姆的一些碳化硅新产品:

       碳化硅功率器件:SCT3030AR

       碳化硅功率器件:SCT3040KR

       碳化硅功率器件:SCT3060AR

       碳化硅功率器件:SCT3080AR

     

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