碳化硅纤维概述及最新研究与应用

碳化硅纤维是一种以碳和硅为主要成分的高性能陶瓷材料，具有高温耐氧化性、高硬度、高强度、高热稳定性、耐腐蚀性和密度小等优点，是最为理想的航空航天耐高温、增强和隐身材料之一。据预测，碳化硅纤维市场到2026年将增长至35.87亿美元，未来10年，复合年均增长率高达34.4％。

碳化硅纤维的研制历经三代的发展。第一代：高氧高碳碳化硅纤维，其含氧量较高，游离碳较高，温度高于1200℃会发生分解，严重影响力学性能，难以作为复合材料增强使用；第二代：低氧高碳碳化硅纤维，是将第一代碳化硅中影响稳定性的高氧高碳结构通过电子照射等技术进行改进，虽依旧富碳，但提升了材料的高温稳定性，耐温性可达1350℃；第三代：接近化学计量比的碳化硅纤维，通过进一步降低游离碳，研制出基于化学计量比的第三代碳化硅纤维。

碳化硅纤维最突出的特点为：耐高温、抗氧化、优良的电磁波吸收性。通常以一维形式的纤维、二维形式和三维形式的纤维集合体、非织造织物的形式应用于各个领域的各类零部件。

随着航空发动机对高推重比的不断追求，耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度只能达到1100°C左右，难以满足先进航空发动机热端部件的需求。而SiCf /SiC使用温度能提高到1650°C，被认为是最理想的航空发动机热端结构件材料。

传统的磁性粒子填充高分子吸波材料在高温下会发生性能下降和化学分解，无法满足超高音速飞行器表面、发动机尾喷口、巡航导弹冒头端等武器装备高温部位的隐身需求，SiCf /SiC不但具有更高的力学性能、更好的抗氧化性能和更长的高温使用寿命，还具有更好的吸波性能。

目前的商业水堆核电站几乎全部用锆合金作为燃料元件的包壳材料。然而随着对反应堆安全问题的日益重视，锆合金包壳本身的一些问题包括水中的腐蚀、吸氢和芯-壳反应等，使得对新型包壳材料的探索成为了一个重要研究方向。

以碳化硅为包壳或基体材料的新型燃料元件的概念设计和制备成为了核燃料元件领域一个新的热点。碳化硅具有高温强度大、硬度高、耐磨损性好、抗热冲击性好、热导率大以及抗氧化性强和耐化学腐蚀等优良特性，并且其小的中子吸收截面，低的固有活性和衰变热，使其适用于核反应堆领域。

在一般情况下，碳化硅纤维能够吸收微波，其自身对电磁波是透明的，但是通过对其表面进行处理、镀改，能让其自身的电磁性能发生改变，磁性提高，并扩展其应用范围。

此外在实际应用中，受到空气中氧气的影响，其自身的游离碳与之发生反应，最终让碳化硅分解形成一氧化碳和一氧化硅气体，进而出现结晶现象，降低了其力学性能。

研究人员通过碳化硅纤维表面化学镀改性法和引入铍等异质元素提高碳化硅纤维的耐高温抗氧化性法。前者能够有效提升碳化硅纤维的电磁性质，后者有效提升碳化硅纤维的耐高温性和抗氧化性能。

研究人员通过提高晶体质量和减少晶界缺陷来提高其基体性能，以及改进SiCf/SiC复合材料的制备工艺以改善SiC纤维与SiC陶瓷的相容性。当然，通过设计和制造适当的抗氧化界面层等方式，也可以提高SiCf/SiC复合材料的热稳定性，满足长期使用的要求。

其中，界面研究被提升到了新的高度。一方面，界面相能够实现基体-纤维间的裂纹偏转以及载荷传递，还能够减少基体-纤维内部的残余应力，保证材料的非脆性断裂；另一方面，合适的界面相材料还能够提高SiCf/SiC复合材料的抗氧化性能，从而进一步提升材料整体的耐高温性能。

参考资料

[1]姚静.无机化学改良碳化硅纤维的性能与应用[J].产业与科技论坛,2023,22(24):53-56.

[2]周天祥,张丰泽,熊成荣,等.碳化硅纤维增强碳化硅抗氧化陶瓷材料研究及应用进展[J].中国陶瓷,2024,60(02):1-8.DOI:10.16521/j.cnki.issn.1001-9642.2024.02.001.