碳化硅纖維是一種以碳和硅為主要成分的高性能陶瓷材料,具有高溫耐氧化性、高硬度、高強度、高熱穩定性、耐腐蝕性和密度小等優點,是最為理想的航空航天耐高溫、增強和隱身材料之一。據預測,碳化硅纖維市場到2026年將增長至35.87億美元,未來10年,復合年均增長率高達34.4%。
碳化硅纖維的研制歷經三代的發展。第一代:高氧高碳碳化硅纖維,其含氧量較高,游離碳較高,溫度高于1200℃會發生分解,嚴重影響力學性能,難以作為復合材料增強使用;第二代:低氧高碳碳化硅纖維,是將第一代碳化硅中影響穩定性的高氧高碳結構通過電子照射等技術進行改進,雖依舊富碳,但提升了材料的高溫穩定性,耐溫性可達1350℃;第三代:接近化學計量比的碳化硅纖維,通過進一步降低游離碳,研制出基于化學計量比的第三代碳化硅纖維。
碳化硅纖維最突出的特點為:耐高溫、抗氧化、優良的電磁波吸收性。通常以一維形式的纖維、二維形式和三維形式的纖維集合體、非織造織物的形式應用于各個領域的各類零部件。
隨著航空發動機對高推重比的不斷追求,耐熱性能最好的鎳基高溫合金材料工作溫度只能達到1100°C左右,難以滿足先進航空發動機熱端部件的需求。而SiCf /SiC使用溫度能提高到1650°C,被認為是最理想的航空發動機熱端結構件材料。
傳統的磁性粒子填充高分子吸波材料在高溫下會發生性能下降和化學分解,無法滿足超高音速飛行器表面、發動機尾噴口、巡航導彈冒頭端等武器裝備高溫部位的隱身需求,SiCf /SiC不但具有更高的力學性能、更好的抗氧化性能和更長的高溫使用壽命,還具有更好的吸波性能。
目前的商業水堆核電站幾乎全部用鋯合金作為燃料元件的包殼材料。然而隨著對反應堆安全問題的日益重視,鋯合金包殼本身的一些問題包括水中的腐蝕、吸氫和芯-殼反應等,使得對新型包殼材料的探索成為了一個重要研究方向。
以碳化硅為包殼或基體材料的新型燃料元件的概念設計和制備成為了核燃料元件領域一個新的熱點。碳化硅具有高溫強度大、硬度高、耐磨損性好、抗熱沖擊性好、熱導率大以及抗氧化性強和耐化學腐蝕等優良特性,并且其小的中子吸收截面,低的固有活性和衰變熱,使其適用于核反應堆領域。
在一般情況下,碳化硅纖維能夠吸收微波,其自身對電磁波是透明的,但是通過對其表面進行處理、鍍改,能讓其自身的電磁性能發生改變,磁性提高,并擴展其應用范圍。
此外在實際應用中,受到空氣中氧氣的影響,其自身的游離碳與之發生反應,最終讓碳化硅分解形成一氧化碳和一氧化硅氣體,進而出現結晶現象,降低了其力學性能。
研究人員通過碳化硅纖維表面化學鍍改性法和引入鈹等異質元素提高碳化硅纖維的耐高溫抗氧化性法。前者能夠有效提升碳化硅纖維的電磁性質,后者有效提升碳化硅纖維的耐高溫性和抗氧化性能。
研究人員通過提高晶體質量和減少晶界缺陷來提高其基體性能,以及改進SiCf/SiC復合材料的制備工藝以改善SiC纖維與SiC陶瓷的相容性。當然,通過設計和制造適當的抗氧化界面層等方式,也可以提高SiCf/SiC復合材料的熱穩定性,滿足長期使用的要求。
其中,界面研究被提升到了新的高度。一方面,界面相能夠實現基體-纖維間的裂紋偏轉以及載荷傳遞,還能夠減少基體-纖維內部的殘余應力,保證材料的非脆性斷裂;另一方面,合適的界面相材料還能夠提高SiCf/SiC復合材料的抗氧化性能,從而進一步提升材料整體的耐高溫性能。
參考資料
[1]姚靜.無機化學改良碳化硅纖維的性能與應用[J].產業與科技論壇,2023,22(24):53-56.
[2]周天祥,張豐澤,熊成榮,等.碳化硅纖維增強碳化硅抗氧化陶瓷材料研究及應用進展[J].中國陶瓷,2024,60(02):1-8.DOI:10.16521/j.cnki.issn.1001-9642.2024.02.001.
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