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SiC纤维

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SiC纤维因其具有高强度、高模量、高的热稳定性及高的抗氧化性等优良特性,因而在耐超高温增强材料上具有很大的优势,而制备耐超高温的SiC纤维成为各国国防尖端领域的研究热点。目前制备碳化硅纤维的方法主要有化学气相沉积法(CVD)和先驱体转化法。

CVD法制备SiC纤维
采用CVD法制备的碳化硅纤维,其优点是高温 稳定性好,但缺点是直径大且柔性差、编织困难,不利于制备形状复杂的构件,且价格昂贵,因而其应用受到很大限制。而先驱体转化法制备SiC纤维具有良好的工艺性,可低温烧成,以及所制得的纤维具有直径小,便于编制,容易实现工业化生产等一系列优点,使得先驱体法在SiC纤维制备方法选择上更具优势。

先驱体转化法制备SiC纤维
先驱体转化法研制和生产SiC纤维的公司主要集 中在日本和美国等少数几个发达国家。日本东北 大学研究人员首先成功开发先驱体转化法制备SiC纤维,其工艺路线主要包括4个工序:先驱体合成(聚碳硅烷)、熔融纺丝、不熔化处理及高温烧成。但最初得到的纤维具有较低的密度,且在高于1250℃时纤维性能会急剧下降。第一代商业化SiC纤维是日本的NipponCarbon公司生产的Nicalon200以及日本的Ube公司生产的TyrannoLOX-M。这两种通过先驱体转化法制 备的商业化纤维由于在交联过程中引入氧元素而存在 SiCxOy复合相,并且存在游离碳,因此这两种SiC纤维在1200℃高温后力学性能明显下降。为改善其高温稳定性,得到性能更优异的SiC纤维,日本 Nippon Carbon公司通过采用PCS先驱体纺丝、电子束交联及氢气气氛下热解得到Hi-Nicalon产品,此过程中进一步去除富余碳,使得最终得到的SiC纤维抗拉强度为2.6~3GPa,弹性模量高达420 GPa,纤维直径为14μm,最高使用温度可高达1600℃,因此经过改善后制备的SiC纤维具备高模量、高抗蠕变性、高抗氧化性以及高热稳定性等优点;同时,日本Ube公司也对第一代SiC纤维制备工艺进行改进,则采用PACS先驱体,经纺丝、空气交联后热解得到Si -Al-c-o纤维,经高温烧成得到最新产品TyrannoSA,其抗拉强度为3~3.3GPa,弹性模量可高达420GPa,纤维直径为11μm,最高使用温度可高达1800℃。经过改进,二者的耐高温使用性能显著提高,但成本却显著提高。此外,美国康宁公司用甲基聚二硅氮烷和氢化聚硅氮烷为先驱体生产的SiC纤维,其抗拉强度达到3.2 GPa,弹性模量达到380 GPa,纤维直径为10μm,最高使用温度高达1500℃。国内对此也开展了大量基础性的研究,国防科技大学郑春满等以聚铝碳硅烷为原料,通过先驱体转化法制备出连续SiC(Al)纤维,其直径为12μm,平均强度为1.4GPa。由于纤维中的SiCxOy复合相及游离碳含量较低,使得该纤维具有优异的耐超高温性能,在1800℃氩气中处理1H后,纤维的强度变化不大,并且该方法还有效地降低了成本。同时国防科技大学谢征芳等通过MCl5 与LPS合成含有异质元素的先驱体PMCS,通过PMCS经熔融纺丝、空气不熔化处理、惰性气氛下1200℃高温烧成制得含异质元素(Nb、Mo、Re)的SiC纤维,其直径平均为12μm,平均强度为2 GPa,并且具有优良的耐高温性及高温抗氧化性能,空气中1250℃仍具备较高的强度。综上所述,对于先驱体合成法制备SiC纤维工艺,各国研究人员加以改善,在先驱体制备过程中引入异质元素,从而对先驱体聚碳硅烷进行物理及化学改性处理,制备出了性能优异的新型SiC纤维。

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