陶瓷纤维的合成研究进展

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1、陶瓷纤维的合成研究进展摘要：陶瓷纤维具有许多优异的性能如高比强度、高比模量、低密度、高硬度、高导热系数、低的热膨胀系数、耐腐蚀、抗氧化等，从而被广泛用作高温结构部件。本文综述了近几十年来主要陶瓷纤维的合成工艺，并简要介绍了各类方法制得的纤维的性能。陶瓷纤维硬度较强，又具有一定弹性及很好的绝热性能，因此被广泛用于制造高温炉壁以及汽车或飞机的轻型组件。对于在航空和地面的两类汽油涡轮机、热交换器、聚变反应堆中的防护墙以及在高温气体过滤烛形滤器等无需基体的应用中，结构材料必须承受很高的温度，所以排除了采用有

2、机或是玻璃纤维的可能。同时，它必须在氧化和腐蚀性的环境中运行，所以也不能使用在300℃以上就降解的碳纤维。而陶瓷纤维，由于其本体的高强度和高温空气中的良好机械性能，以及优异的抗氧化、耐化学腐蚀性能，使得它们被广泛的采用。1SiC纤维近年来,陶瓷纤维增强基复合材料有了迅猛的发展。碳化硅纤维是其最重要的增强材料之一。作为一种新型的无机纤维,SiC纤维具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀以及力学性能优良等特性，它是目前使用增强材料中工作温度最高的复合材料增强纤维。在高技术领域特别是航天航空、导弹等领域具有广泛的应用

3、前景。用作先进复合材料增强用的碳化硅纤维主要是连续纤维和晶须。晶须是尺寸非常小的高纯单晶，直径0.1~1.0μm，长度为20~50μm，通常采用化学气相沉积法(CVD)法制得；连续SiC纤维制备方法很多，如CVD法、超微细粉烧结法(PowderSintering)、碳纤维转化法(CVR)和先驱体转化法(PreceramicPolymerPyrolysis)等。下面分别介绍几种主要方法。1.1CVD法1作为早期生产SiC纤维的主要方法，CVD法是借助空间气相化学反应，在衬底表面上沉积固态薄膜的工业方法

4、。CVD法能在相对低的温度下制备熔点高达3000℃的陶瓷材料；对基体几乎没有损伤，基体的收缩率小，保证了材料结构的完整性；工艺灵活[1]。一般选取沉积温度范围为1000~1300℃，炉压为2000~5000Pa[2]。目前，采用这种工艺路线的有美国的TextronSystems公司，法国SNPE公司，英国BP公司和我国中科院金属所和石家庄新谋科技公司等。TextronSyetems公司的SiC纤维品种SCS-6与SCS-9A的拉伸强度为3450MPa，拉身模量分别为380GPa和307GPa[3]。

5、中科院金属研究所从1986年开始开展CVD法SiC纤维的研制，成功制备出了高性能SiC(W芯)纤维。不同于国外普遍采用的水银电极直流加热CVD工艺，中科院金属研究所采用射频加热CVD工艺，避免了水银对纤维、环境以及工作人员的污染和危害，同时提供了更加均匀的加热区域，有利于提高SiC纤维的质量。制备得到的SiC(W芯)纤维，室温抗张强度可达3700MPa，弹性模量达到300GPa，室温力学性能基本保持到1200℃[4]。CVD法制备的纤维耐热性高、力学性能好，但是它制备的是一种“有芯”的陶瓷纤维，最大

6、缺陷是纤维直径太粗(100~140μm)，且有研究表明[5]，CVD法制得的高强度SiC纤维断裂常常起源于钨芯部位；高强度不能编织，不利于陶瓷基复合材料的成型；而且生产率低，成本太高，无法实现大批量工业化生产。1.2先驱体转化法最早是由日本东北大学的Yajima教授于1975年提出，并在80年代由日本碳公司(NipponCarbon)商品化，商品名“Nicalon”。它是以有机聚合物为先驱体，利用其可溶可熔等特性成型后，经高温热分解处理，使之从有机化合物转变为无机陶瓷材料的方法。SiC是用聚碳硅烷(

7、PCS)为先驱体，通过250~350℃下熔融纺丝成型，然后在空气中加热(150~200℃)进行不熔化处理，最后在1100~1300℃惰性气氛中烧成，便得到连续SiC纤维。先驱体转化法中最关键的因素是先驱体的合成和性质，它的好坏直接决定了所制备的SiC陶瓷纤维性能的优劣。先驱体的合成工艺主要有：矢岛法、开环聚合法、硅氢化法、聚合物金属化法、共混法等，在此不作详细论述。1通常空气氧化是PCS原丝不熔化处理的最简单易行的方法，但同时也在纤维中引入大量氧杂质，SiC纤维中氧元素含量过高会对纤维性能有不利影响

8、。所以先后出现了等离子体源不熔化法，紫外光照射交联法、化学气相不熔化法(CVC)、NO2及BCl3气体不熔化法以及电子辐照不熔化法等[6]。国防科技大学的王亦菲[7]等人采用热交联法，二步烧成制备出的低含氧量SiC纤维，性能优于一步烧成；热交联纤维经过1000℃预烧、1250℃终烧，平均直径为13.8μm，抗拉强度可达1141GPa。研究人员通过在PCS中引入金属元素来提高SiC纤维的机械性能。如日本宇部兴产株氏会社开发并实现工业化的含钛的SiC纤维，商品名为Tyra