连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究进展[001]

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1、第37卷第6期现代技术陶瓷Vol.37No.62016年12月AdvancedCeramicsDecember2016中图分类号：TB332文献编号：1005-1198(2016)06-0393-10文献标识码：ADOI：10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2016.07.004连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究进展陈明伟，谢巍杰，邱海鹏中航复合材料有限责任公司，北京101300摘要：碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基(SiC/SiC)复合材料具有轻质、耐高温、抗氧化的优异特性，在航空领域，如航空发动机的热端构件、高温结构功能一体化构件，航天及空天

2、飞行器热防护结构部件、动力系统热端部件等领域具有广泛的应用前景，受到美国、欧洲、日本等国研究人员的广泛关注。本文从组成、制备工艺、加工工艺和考核应用等方面，综述了SiC/SiC复合材料的国内外研究进展，并指出了目前面临的问题和机遇。关键词：SiC/SiC复合材料；耐高温；抗氧化；热端构件连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料(SiC/SiC复合材料)是指在SiC陶瓷基体中引入SiC纤维作为增强相，进而形成以SiC纤维为增强相和分散相、以SiC陶瓷为基体相和连续相的复合材料。SiC/SiC复合材料的结构和组分特征决定了该类材料继承保留了碳化硅陶瓷材料耐高温、抗氧化、耐

3、磨耗、耐腐蚀等优点，同时通过发挥SiC纤维增强增韧机理，克服了材料固有的韧性差和[110]抗外部冲击载荷性能差的先天缺陷。SiC/SiC复合材料综合性能优异，在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景，特别是在航空发动机燃烧室内衬、燃烧室筒、喷口导流叶片、机翼前缘、涡轮叶片和涡轮壳环等热端部位。本文首先从结构上介绍SiC/SiC复合材料的三个组成部分，即SiC增强纤维、界面层和SiC陶瓷基体，进而从制备工艺、加工工艺、考核应用以及面临的问题和机遇等方面阐述SiC/SiC复合材料的研究进展。1SiC纤维SiC纤维是继C纤维之后发展迅速的一种极具潜力的高性能纤维制品，

4、具有优异的力学性能、收稿日期：20160729收到修改稿日期：20160927通讯作者：陈明伟(1984),男,山东泰安人,高级工程师。E-mail:beijingsmartcity@sohu.com。394陈明伟等,连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料研究进展第37卷抗氧化性能、高温稳定性以及与金属和陶瓷基体之间良好的物理化学相容性，是目前高温复合材料常用的增强增韧材料。目前SiC纤维的研发主要采用先驱体转化法。日本学者Yajima教授于20世纪70年代末率先采[11]用该工艺成功研制出连续SiC纤维，为SiC纤维的工

5、业化生产奠定了技术基础。按照工艺流程，先驱体转化技术主要包括聚合物SiC陶瓷先驱体的合成、先驱体的熔融纺丝、原纤维的不熔化处理[1214]和不熔化纤维的高温烧成等步骤。1.1碳化硅纤维的分类目前国际上SiC纤维的生产企业主要集中在日本，包括日本碳公司(NipponCarbon)和日本宇部公司(UbeIndustries)。根据结构组成和性能，SiC纤维主要分为三代。第一代为高氧高碳SiC纤维，工业化产品以NipponCarbon公司的Nicalon200纤维和UbeIndustries公司的TyrannoLOX-M纤维为代表。一代SiC纤维氧含量在10wt%以上，

6、纤维含有部分SiCXOY相和游离碳。在惰性气氛中较高温度(高于1200C)下，该纤维内部的SiCXOY相会发生分解反应，并伴随SiC晶粒的粗化，纤维内部产生大量孔洞和裂纹等缺陷，导致纤维力学性能急剧下降。在氧化气氛中，SiCXOY相分解的同时，纤维表面开始氧化，生成的SiO2和逸出的CO导致部分孔洞的形成，严重影响纤维的力学性能。在氧化温度为1200C时，纤维性能变得非常差，难以作[1517]为复合材料的增强纤维使用。第二代为低氧、高碳含量SiC纤维，工业化产品以NipponCarbon公司的Hi-Nicalon纤维和[1820]UbeIndustries公

7、司的TyrannoLOX-E纤维、TyrannoZM纤维和TyrannoZE纤维为代表。基于一代纤维中高氧高碳结构对热力学稳定性的影响，研究人员采用电子辐照等技术改进了不熔化处理工序，大幅降低了交联过程中氧元素的引入。相比于第一代Nicalon型SiC纤维，Hi-Nicalon纤维氧含量很低，无SiCXOY相存在，但是依旧富碳，主要由β-SiC、无定型SiC以及游离碳相组成，提升了材料的高温稳定性。第三代为近化学计量比SiC纤维，工业化产品以NipponCarbon公司的Hi-NicalonS纤维、Ube[2126]Industries公司的TyrannoSA