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(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和密度小等優(yōu)點(diǎn),是最為理想的航空航天耐高溫、增強(qiáng)和隱身材料之一。據(jù)預(yù)測(cè),碳化硅纖維市場(chǎng)到2026年將增長(zhǎng)至35.87億美元,未來(lái)10年,復(fù)合年均增長(zhǎng)率高達(dá)34.4%。
碳化硅纖維的研制歷經(jīng)三代的發(fā)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(huì)發(fā)生分解,嚴(yán)重影響力學(xué)性能,難以作為復(fù)合材料增強(qiáng)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(wěn)定性的高氧高碳結(jié)構(gòu)通過(guò)電子照射等技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),雖依舊富碳,但提升了材料的高溫穩(wěn)定性,耐溫性可達(dá)1350℃;第三代:接近化學(xué)計(jì)量比的碳化硅纖維,通過(guò)進(jìn)一步降低游離碳,研制出基于化學(xué)計(jì)量比的第三代碳化硅纖維。
碳化硅纖維最突出的特點(diǎn)為:耐高溫、抗氧化、優(yōu)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(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域的各類零部件。
隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)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(dá)到1100°C左右,難以滿足先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的需求。而SiCf /SiC使用溫度能提高到1650°C,被認(rèn)為是最理想的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)件材料。
傳統(tǒng)的磁性粒子填充高分子吸波材料在高溫下會(huì)發(fā)生性能下降和化學(xué)分解,無(wú)法滿足超高音速飛行器表面、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口、巡航導(dǎo)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(xué)性能、更好的抗氧化性能和更長(zhǎng)的高溫使用壽命,還具有更好的吸波性能。
目前的商業(yè)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(duì)反應(yīng)堆安全問(wèn)題的日益重視,鋯合金包殼本身的一些問(wèn)題包括水中的腐蝕、吸氫和芯-殼反應(yīng)等,使得對(duì)新型包殼材料的探索成為了一個(gè)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(shè)計(jì)和制備成為了核燃料元件領(lǐng)域一個(gè)新的熱點(diǎn)。碳化硅具有高溫強(qiáng)度大、硬度高、耐磨損性好、抗熱沖擊性好、熱導(dǎo)率大以及抗氧化性強(qiáng)和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)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(yīng)堆領(lǐng)域。
在一般情況下,碳化硅纖維能夠吸收微波,其自身對(duì)電磁波是透明的,但是通過(guò)對(duì)其表面進(jìn)行處理、鍍改,能讓其自身的電磁性能發(fā)生改變,磁性提高,并擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。
此外在實(shí)際應(yīng)用中,受到空氣中氧氣的影響,其自身的游離碳與之發(fā)生反應(yīng),最終讓碳化硅分解形成一氧化碳和一氧化硅氣體,進(jìn)而出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象,降低了其力學(xué)性能。
研究人員通過(guò)碳化硅纖維表面化學(xué)鍍改性法和引入鈹?shù)犬愘|(zhì)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(zhì),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(guò)提高晶體質(zhì)量和減少晶界缺陷來(lái)提高其基體性能,以及改進(jìn)SiCf/SiC復(fù)合材料的制備工藝以改善SiC纖維與SiC陶瓷的相容性。當(dāng)然,通過(guò)設(shè)計(jì)和制造適當(dāng)?shù)目寡趸缑鎸拥确绞剑部梢蕴岣逽iCf/SiC復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性,滿足長(zhǎng)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?qū)崿F(xiàn)基體-纖維間的裂紋偏轉(zhuǎn)以及載荷傳遞,還能夠減少基體-纖維內(nèi)部的殘余應(yīng)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(fù)合材料的抗氧化性能,從而進(jìn)一步提升材料整體的耐高溫性能。
參考資料
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