國內(nèi)外碳化硅纖維發(fā)展現(xiàn)狀

碳化硅（SiC）纖維具有抗氧化、耐化學(xué)腐蝕、耐高溫、高比強度、高比模量等優(yōu)異性能，是繼碳纖維后發(fā)展的又一種新型高性能纖維，在航空航天、國防軍工等領(lǐng)域有極高的應(yīng)用價值，屬于國家戰(zhàn)略性新興材料。

SiC 纖維自上市迄今已有30多年，目前領(lǐng)先的生產(chǎn)商集中在日本和美國。其中，日本碳素公司（Nippon Carbon）的產(chǎn)能達120 t/a，UBE工業(yè)株式會社在含鈦SiC纖維（Tyranno）方面居世界領(lǐng)先水平。后者有標準型（非晶質(zhì)）和高溫型（多晶質(zhì)）品類，高溫型產(chǎn)品可耐1800 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)是標準型的20倍。Tyranno SA3是經(jīng)Ar＋離子束照射，使表面結(jié)晶微細化，拉伸強度由照射前的2.8 GPa提高至3.1 GPa。

日本新能源·產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）發(fā)布的2015—2019年計劃提出生產(chǎn)成本較低、特性穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高的高性能（1400 ℃×4 h處理后纖維強度下降不超過20%）SiC纖維。美國航空航天局（NASA）的無氧SiC纖維迄今無人可敵，最高耐熱溫度高達1800～2000 ℃，其摻硼的SiC纖維“Sylramic”強度高達3 GPa；美國特種材料公司生產(chǎn)的SiC纖維直徑142μm，拉伸強度和模量各為3900～5900 MPa和380～415 GPa；韓國SK Siltron CSS將投入3億日元增加在美國密歇根州的SiC制品產(chǎn)能，并在該廠附近興建新工廠。

在SiC纖維增強復(fù)合材料（CMC）方面，CMC的復(fù)合方法有反應(yīng)熔融浸滲法（RMI）、化學(xué)氣相浸滲法（CVI）、聚合物浸漬熱解法（PIP）和熱壓燒結(jié)法（HPS）。第3代SiC纖維的表面涂有氮化硼（BN）涂層，BN中含異種元素，可控制納米組織，從而使復(fù)合材料的耐熱性、強度和蠕變特性均獲改進，適用于航空發(fā)動機的高壓和低壓透平、燃燒器襯里、火箭發(fā)動機燃燒器及噴嘴、發(fā)電廠氣體透平、高檔汽車剎車片用CMC等。

NEDO 進行了SiC纖維預(yù)成型體的開發(fā)，纖維體積分數(shù)在30%以上，同時開發(fā)了新型復(fù)合材料和快速成型加工技術(shù)及CMC部件，實現(xiàn)1400 ℃級CMC生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)。

我國也有國防科技大學(xué)等高校、科研院所和蘇州賽力菲等企業(yè)研發(fā)和小批量生產(chǎn)SiC纖維。福建立亞新材有限公司是2015年成立的后起之秀，總投資10億元，生產(chǎn)第2代SiC纖維（10 t/a），第3代為噸級規(guī)模，同時生產(chǎn)小批量氮化硅（Si3N4）纖維。后者具有高強高模、耐高溫氧化、耐腐蝕、耐磨、電磁波反射率低、透過率高、在1400 ℃下可長期穩(wěn)定工作等優(yōu)異性能，是制備高速飛行器天線罩的首選材料。國防科技大學(xué)研究以SiC纖維為原料，通過真空退火制得連續(xù)石墨烯纖維（GFS）和石墨烯/SiC纖維。這種連續(xù)石墨烯密度1.63 g/cm3，電導(dǎo)率53900 S/m，拉伸強度和模量各為0.22 GPa和23 GPa，電磁干擾屏蔽效率62.8 dB。石墨烯/SiC纖維絲束柔韌性好，在樣品厚度為2.1 mm時，可實現(xiàn)-54.86 dB的最小反射損耗（RL）值，當樣品厚度為1.4 mm時，纖維的有效吸收寬度可達4.4 GHz。寧波材料所杭州灣研究院發(fā)明了含硼碳化硅纖維（B－SiC纖維），原料為有機硅聚合物，力學(xué)性能比SiC纖維高，并附加特殊功能。中國航發(fā)北京航空材料研究院研制的SiC增強陶瓷基抗燒蝕復(fù)合材料，是將SiC與ZrSi2、ZrB2或ZrC等功能粉體的料漿制成單向帶預(yù)浸料后，熱壓成型制備預(yù)制體，再碳化、熔滲制得陶瓷基復(fù)合材料。其中引入鋯化物后，在高溫氧化時能生成SiO2和ZrO2而起協(xié)同作用，能有效阻止氧化介質(zhì)進入復(fù)合材料內(nèi)部從而提高抗燒蝕和抗氧化性能。

更多內(nèi)容請查閱紡織導(dǎo)報2023年第3期《全球高性能纖維及其復(fù)合材料行業(yè)新進展》一文。