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科普 | 陶瓷纤维(下)

日期: 2018-12-24
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非氧化物陶瓷纤维

非氧化物陶瓷纤维最具有代表性的是SiC纤维,在SiC纤维的基础上,又开发了SiCNSiBCNSiCZrSiCAl等高性能陶瓷纤维。它们兼具高性能与结构优势,高性能体现在耐高温和抗蠕变两方面、结构优势是指这类纤维可用作金属基复合材料和陶瓷基复合材料的增强相。本节主要以SiC纤维为代表描述非氧化物陶瓷纤维的研究概况。 

 

 

最新研发进展评述

20世纪70年代日本东北大学Yajima提出用聚碳硅烷转化法制备SiC陶瓷纤维以来,前驱体聚合物转化法成为制备陶瓷纤维最有效和最有潜力的方法。为了提高SiC纤维的耐热温度,日本相继开发了三代SiC纤维,第三代SiC纤维是对聚碳硅烷改性,添加Al作为烧结助剂,制备Si-C-Al-O陶瓷纤维(简称SA纤维),SA纤维的耐温性高于1800℃,它在氩气条件下可以在高达2000℃仍具有2.5GPa的强度,2200℃以上测试显示质量损失仅有1.8%。另外,BN纤维和Si3N4纤维因其具有高强度、低介电常数、低介电损耗等特点,属于高温功能性纤维,被认为在透波领域具有重要的应用前景。结合SiC纤维、BN纤维和Si3N4纤维的各自优势,新一代SiBNC陶瓷纤维兼具有BN纤维和Si3N4纤维的优点,同时具有较高的力学性能和耐高温性能,而且通过调控C元素含量,还可改善其透波性能,在航空航天等高科技领域有重要的应用前景。因此,国际上掀起高温SiBNC陶瓷纤维制备技术研究的热潮,普遍认为此特种高温纤维是至今为止综合性能最为优良的陶瓷纤维之一。据报道,SiBCN陶瓷纤维仅有德国Fraunhofer ISC2006年达到工业级别。

 

在近二十年,我国苏州赛力菲陶纤有限公司、国防科技大学、厦门大学、山西煤化所、东华大学等单位也相继开展了SiC及其系列纤维、BN纤维和Si3N4的研究工作,主要采用前驱体聚合物转化法制备合适的聚合物,再经过熔融纺丝技术路线,得到不同结构和性能的非氧化物陶瓷纤维。我国厦门大学和国防科技大学在SiC纤维的研究上取得显著的成果,已获得商品化的第一代及第二代SiC纤维,第二代SiC纤维产能及质量稳定性方面还有待改进,其它新型的非氧化物陶瓷纤维均在实验室基础研究阶段。总之,SiC基陶瓷纤维将向着高性能化(主要指力学性能和耐温性能)、多功能化、低成本化的方向继续发展,以满足应用所需。

 

国内外对比分析

SiC陶瓷纤维的发展主要集中在日本、美国和德国,日本处于领先地位,日本碳素公司Nicalon TM系列和宇部公司Tyranno TM系列SiC纤维产品都已经实现商品化,为了提高SiC纤维的耐热温度,日本开发了第三代SiC纤维(接近化学计量比的SiC纤维):Hi-Nicalon-STyranno-SAHi-Nicalon-S燃气下长时使用温度为1400℃Tyranno-SA在惰性气氛下使用温度可达1800℃。美国Dow Corning公司研制的Sylramic TM陶瓷纤维(Si-C-B-N-Ti),在烧结中可以原位生成BN界面层,耐高温性能优于NicalonTyranno系列纤维。德国Bayer公司研制的Siboramic陶瓷纤维(SiBN3C),最显著的特点是其具有无定形结构,在1800℃下保持数十小时(例如50h)不结晶;在高温氧化性气氛中纤维最外层形成Si-O玻璃,次外层形成Si-B-N玻璃,阻碍氧的进一步扩散,因此Siboramic具有比其他几种SiC纤维更优异的抗氧化性,最高使用温度在1600℃以上。

 

我国从20 世纪80 年代开始SiC纤维的研究。苏州赛力菲陶纤有限公司是我国首家成功实现连续SiC纤维产业化生产的企业。目前,苏州赛力菲陶纤有限公司连续SiC纤维的长度为500 m,束丝根数1K,纤维强度达到2.3 GPa,直径13μm,模量160 GPa以上,各指标离散系数小于10%;公司在近几年内完成了2SiC纤维的工程化制备开发,第一代SiC纤维(SLF-I)含氧量在15%~20%之间,第二代SiC纤维(SLF-II)含氧量在7%~12%之间,且目前已达到年产1吨连续SiC纤维的生产规模。国防科技大学在国内率先开展了含铝SiC纤维制备研究,目前正在向工程化制造技术转化;厦门大学用两年时间突破了低氧含量SiC纤维的制备关键技术,实验室制备的定长SiC纤维性能接近日本工业化产品水平。2004年厦门大学开始进行高性能SiC纤维可工程化技术与制造设备的研究,正在建设具有国际先进水平的可工程化的连续纤维制备设备与技术平台。

 

随着SiC纤维力学性能和耐温性能的不断提高,在尖端领域应用的范围必将逐步扩大。而国外SiC纤维的应用技术还处于技术封锁状态。我国目前已有性能接近国际第一代SiC纤维的产品,连续化和性能稳定性等问题有待进一步解决。

 

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