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國產連續碳化硅纖維工程材料的進展及應用

關鍵詞 碳化硅 , 纖維 , 工程材料|2016-07-12 09:53:20|來源 網絡
摘要 隨著航天和航空工業的發展,迫切需要低相對密度、高強度、高模量和耐高溫的工程材料。SiC纖維滿足這些要求,并具有高溫抗氧化性、耐腐蝕、低熱膨脹系數、低密度等優點,成為近年來發展較快的...
       隨著航天和航空工業的發展,迫切需要低相對密度、高強度、高模量和耐高溫的工程材料。SiC纖維滿足這些要求,并具有高溫抗氧化性、耐腐蝕、低熱膨脹系數、低密度等優點,成為近年來發展較快的高溫陶瓷基復合材料的增韌補強纖維,受到國內外材料界廣泛關注,并作為重點發展的纖維品種之一。
       1.連續SiC纖維的發展情況
       目前,制備連續SiC纖維的方法主要有先驅體轉化法(PreceramicPolymerPyrolysis,3P法)、化學氣相沉積法(ChemicalVaporDeposited,CVD法)、化學氣相反應法(ChemicalVaporReaction,CVR法)等,先驅體轉化法是目前比較成熟且已實現工業化生產的方法,是工業化制備SiC纖維的主要方法。
       1975年日本東北大學Yajima教授以及1980年我國國防科技大學,先后用先驅體轉化法成功開發出連續SiC纖維,奠定了先驅體法制備SiC纖維工業化的基礎。1978年日本碳公司取得Yajima教授的SiC纖維專利實施權后,在日本新技術開發事業團的支持下,組織國內30多名項級材料專家,經近10年的努力,耗資約1.1×109日元,于1989年完全實現了纖維的工業化生產,產品以Nicalon商品名正式進入市場銷售。日本宇部興產公司也于1988年產業化制成功另一種連續Si-Ti-C-O纖維,以Tyranno商品名銷售。美國也于同期制備了多晶纖維,并以Sylramic商品名銷售。我國于1980年開始研制連續SiC纖維,2011年蘇州賽力菲陶纖有限公司完成產業化技術攻關并開始生產連續SiC纖維,并以“賽力菲-SLF”(Cerafil)商品名銷售。
       2國產連續SiC纖維新進展
       SiC纖維因其特殊性,一直被作為軍事敏感材料,國外對我國實行技術封鎖和產品壟斷。2011年,蘇州賽力菲陶纖有限公司成功實現連續SiC纖維的產業化,并開始向國內相關單位提供可用纖維,使我國成為繼日本和美國后又一個能實現連續SiC纖維產業化的國家,從而解決了國內高溫抗氧化復合材料領域所需高性能陶瓷纖維品種“無米之炊”的狀況。
       2.1陶瓷前驅體—聚碳硅烷(PCS)
       PCS是制備SiC纖維的主要原料,也是高性能SiC陶瓷基復合材料重要的基體材料。蘇州賽力菲陶纖有限公司通過設備改造和技術優化,PCS的種類由原來的一種固態PCS增加到3種,分別為固態PCS(分子量可調)、液態LPCS和異元素PMCS,通過嚴格控制原材料的質量和過程,產品的質量水平也穩步提高。
       目前蘇州賽力菲陶纖有限公司PCS產能為5t/a,可批量供應市場,產能40t/a的產業化基地正在建設中。該產品可用作SiC陶瓷基復合材料(碳/陶、陶/陶復合材料)基體,廣泛應用于航天、航空、交通等領域。
       2.2連續SiC纖維
       目前世界上已實現產業化產能達百噸級的僅有日本碳公司和日木宇部興產株式會社,典型產品牌號分別為NicalonNL-200及TyrannoLoxM,其余牌號均未見投產報道。蘇州賽力菲陶纖有限公司自2011年實現產業化后,為進一步提高纖維性能和簡化工藝,又突破了單紡位500孔成絲技術,可批量提供性能穩定的產品。
       與國外產品相比,賽力菲SLF-I纖維的力學性能與編制性能接近或達到國外產品,但在綜合性能和產能上仍有一定的差距,需要不懈努力盡快趕上。目前蘇州賽力菲陶纖有限公司已經實現產能噸級連續SiC纖維,產能10t/a的產業化基地正在建設中。
       3連續SiC纖維應用
       SiC纖維具有高強度、高模量、耐高溫、抗氧化、抗蠕變、耐化學腐蝕、耐鹽霧、優良電磁波吸收等特性,與金屬和樹脂基體具有良好的兼容性,可在多領域中用作高耐熱、抗氧化材料以及高性能復合材料的增強材料,尤其適宜作航空發動機、臨近空間飛行器及可重復使用航天器等熱結構材料的主選材料。
       4展望
       新型航空航天器和尖端武器用熱結構件,要求材料具有優異的比強比模、抗沖擊能力、環境耐受性以及有氧環境下的耐高溫能力。陶瓷纖維增強金屬基及陶瓷基復合材料可以滿足以上要求,但氧化鋁(Al2O3)、氧化鋯(ZrO2)、玄武巖纖維的耐熱溫度均不超過1200℃,其密度、熱嘭脹系數、導熱系數、電磁性能等均限制其應用,因此,研究開發高性能的陶瓷纖維己成為當前國際上金屬基復合材料(MMC)及陶瓷基復合材料(CMC)研究的重點之一。
       隨著我國SiC纖維的產業化,緩解了圍內SiCCMC“無米之炊”的局面。第一代SiC纖維的應用與發展是SiC纖維產業化的基礎和發展的動力,隨著空間技術的發展、應用技術的提高以及應用范圍的不斷擴大,對SiC纖維的性能提出新的要求,為適應不同部位熱結構材料應用需求,開發不同性能品種的SiC纖維和降低成本也值得關注,預測SiC纖維將成為本世紀最引人注目和最值得發展的高科技材料品種之一,將具有廣闊的發展空間和市場前景。
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