纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展
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【摘 要】摘要：纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料具有耐高温、耐磨损、抗氧化、机械性能良好的优点，在航空航天、机械汽车、化工制造等领域有着良好的应用前景。本文介绍了该复合材料在基体、增强纤维和制备方法方面的研究进展，以便更好地了解目前国内外的研究热点。 【期刊名称】化工管理 【年(卷),期】2018(000)001 【总页数】2
【关键词】纤维增强;碳化硅;陶瓷基复合材料
0 引言
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合优化成具有新性能的材料。随着现代科技的发展，复合材料凭借优异的综合性能在高新技术领域得到了广泛的应用。通常来说，复合材料有树脂基、金属基和陶瓷基三种基体类型。其中陶瓷基复合材料的机械性能、耐高温氧化性和耐磨性能较好，尤其是纤维增强陶瓷基复合材料，在国内外引发了研究热点。
1 碳化硅陶瓷基体
在纤维增强陶瓷基复合材料中，碳化硅是常用的一种陶瓷基体。其具有稳定的四面体晶体结构，高温力学性能较好，但由于扩散系数较低，常规的烧结方法难以获得致密的碳化硅。20世纪60年代，随着共价键烧结理论的建立，可以通过在液相存在下烧结，使得碳化硅在较低温度下烧结致密，改善了机械和物理性能，这一技术突破使得碳化硅材料能够应用于结构材料。从1969年开始，
基于航空航天材料的发展需求，使得纤维增强碳化硅陶瓷复合材料迅速发展起来，出现了相关技术的专利申请。1980年后，这一领域的专利申请量不断增长，到了90年代末期，大量研究人员投入该领域，使得专利申请量出现井喷式增长，到了2006以后技术研发逐渐成熟，相关领域的研发投入逐渐成熟，专利申请量较为稳定。
在基体的技术改进方面，为了解决基体裂解后收缩的问题，国防科技大学(CN102249721A)采用真空裂解工艺代替常压或加压裂解，克服了常规先驱体浸渍裂解时小分子逸出形成气孔的问题，提高了材料的耐高温和抗氧化性能。美国通用电气在基质上增加了金属合金中间层，加强了碳化硅复合材料在航空燃气轮机和热交换器应用时的耐热性和力学性能。日本东芝在基体中增加了金刚石颗粒，提高了材料得强度和耐磨性，并且降低了热膨胀系数。
2 纤维增强体
纤维增强碳化硅复合材料的纤维增强体主要分为短切纤维和连续纤维。 短切纤维的长度一般在150mm以下，通常采用颗粒弥散及晶须复合增韧以提高陶瓷材料的韧性。连续纤维的长径比较大，能够实现沿长度方向起不间断增强效应，能够产生非失效性破坏形式，可靠性高。高强度碳纤维增强玻璃基复合材料最初由S．R．Levitt在1973年研制而成[1]。到了80年代，E．Fitzer[2]等通过化学气相沉积法制备了碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料，使得性能得到进一步提升。
国防科技大学(CN102206090A)将纤维预制件在由聚碳硅烷、二乙烯基苯、助溶剂、酚类或醌类阻聚剂组成的先驱体溶液中真空浸渍，干燥后交联固化，高温裂解，以得到致密化的碳纤维增强材料。哈尔滨工业大学采用30-150nm的
单晶相β-SiC纤维作为增强体，使得复合材料的各向同相性增强，性能更加均一。JP特开2003-89929A公开了一种SiC增强纤维的制备方法，向加有聚碳硅烷的有机溶液中加入聚甲基硅烷，对该混合溶液加热交联后纺丝，随后在氧化性气氛下加热固化，最后在惰性气氛中烧成SiC纤维，该方法消除了在纤维的形成中加入辅助剂的需求，并且混合熔体的成型性能以及可纺性均有所提高。
3 纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料的制备方法
3.1 化学气相沉积及渗透法
化学气相沉积技术(CVD) 通过对增强纤维构成的骨架沉积陶瓷基体制备复合材料，沉积温度一般为1100-1500℃，优点是制备中纤维的机械损伤和化学损伤较小，但同时制备周期较长，并且在沉积过程中容易造成孔隙闭塞，使复合材料的致密性下降。化学气相渗透法(CVI)是通过孔隙渗透至预制体内部进行沉积，由于工艺便于操作，能同时沉积多个预制体，但是对于粗厚型的坯体渗透效果较差，容易出现孔洞和沉积不均匀的缺陷。北京航空材料研究院采用位控化学气相沉积法，制得的Cf/SiC材料密度达到2144g/m3，为理论密度的96%。国防科技大学(CN102276279A)将化学气相沉积与先驱体浸渍裂解工艺相结合，制备碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷材料，综合了两种工艺的优点，解决了坯体容易出现孔洞的问题。西北工业大学采用化学气相渗透工艺，先在碳纤维表面沉积热解碳界面层，然后交替沉积热解碳和碳化硅形成多层基体，提高碳/碳-碳化硅陶瓷基复合材料的强韧性。 3.2 反应性熔体渗透法
反应熔渗烧结法是将SiC和C的混合浆料压入到SiC纤维预制体中，干燥后渗入熔体Si，与C接触反应烧结得到复合材料。其优点是生产效率较高、残余孔
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