【科普系列】纳米SiC纤维在SiCf/SiC复合材料中的应用

    纳米碳化硅(SiC)纤维是一种具有高度取向的单晶纤维，如图1所示。晶体结构与金刚石相类似，晶内成分均一，化学杂质少，无晶粒边界且缺陷少。因此具有良好的电化学稳定性、高熔点、高比强度、高弹性模量、低热膨胀系数，优异的力学性能和高温抗氧化能力，可作为高温复合材料的补强增韧体。SiC晶须是一种性能优异的纳米增强体，将其引入到纤维布层间和纤维束间的脆性基体中，可有效增加裂纹扩展距离，改善微区基体的脆性，提高微区基体的韧性，从而进一步提高陶瓷基复合材料的力学性能。

图1 纳米SiC纤维

    当前，纳米碳化硅纤维的制备方法有CVD法、碳热还原法、热蒸发法、模板法等。其中大部分报道都是在添加金属催化剂的情况下，SiC纳米线的形核与生长遵循 VLS（vapor-liquid-solid，VLS）或SLS（solution-liquid-solid，SLS）生长机制。一般采用Ni、Au、La、Fe等金属作为催化剂。此外还有报道中，基于气-固（vapor-solid，VS）机理制备纳米SiC纤维。VS生长机制则不同于不需要金属催化剂作为生长动力源，仅是在高温区利用蒸发、化学还原或气相反应产生气体，然后通过惰性气流将生成的气体传输到低温区形核，并生长出纳米纤维。

   SiC_f/SiC复合材料是由碳化硅纤维、界面层和碳化硅基体三部分组成的复合材料，如图2所示。该材料保留了碳化硅陶瓷原有的高强度、耐高温等特性，又因为引入了连续碳化硅纤维而韧性具有大幅提高。因此，SiC_f/SiC复合材料可以满足航空发动机高温性能要求，可以保证1200 ℃燃气以上环境中的安全性能。相比于现阶段应用于同工况的高温合金材料，SiC_f/SiC复合材料可以有效降低部件质量，减少冷空气流量，显著提升工作温度，因而是制备高性能发动机高温构件的理想材料。

图2 SiC_f/SiC复合材料

    但在长时间高温使用过程中，SiC_f/SiC复合材料基体会形成的孔洞和裂纹等缺陷，导致材料脆性大，损伤韧性不足，疲劳寿命短，难以满足下一代发动机材料疲劳性能的需求。因此现阶段有必要探索微纳米增强体多级增韧等技术途径，开发出更耐高温、更高损伤容限的SiC_f/SiC复合材料。

    将纳米SiC纤维引入到SiC_f/SiC复合材料后，当复合材料受外力作用形成微裂纹并开始扩展时，分布在基体中的纳米SiC纤维与基体发生脱粘和拔出，使得裂纹尖端应力松弛，减缓了裂纹的扩展；同时基体中纳米纤维的桥连现象使扩展区域中裂纹表面产生一个压应力，与外加拉应力相互抵消，阻碍裂纹扩展，进一步提高复合材料基体的强度；并且裂纹在扩展过程中一般较难穿过纳米纤维，更容易绕过纳米纤维并尽量沿其表面扩展，即发生了裂纹偏转，这种偏转作用可以降低裂纹扩展时的拉应力，延长扩展路径，消耗更多的能量，从而使得复合材料的力学性能具有明显改善，如图3所示。

图3 SiC晶须增强复合材料中的晶须拔出、桥连和裂纹偏转

    随着航空航天、核、制动系统等多种工业领域的发展，对连续纤维增强SiC_f/SiC复合材料在高温使用过程中的损伤韧性和疲劳寿命等提出了更高的要求。而微纳尺度材料在复合材料基体中可以起到良好的增韧效果，因而在高性能结构材料的应用中发挥着越来越重要的作用。SiC纳米增强体作为一维纳米材料具有优异的力学性能，因此将在陶瓷材料、复合材料和涂层材料等领域具有更加广泛的应用。

原文出处：

PIP工艺制备SiC晶须增强SiC_f/SiC复合材料的性能

姜卓钰，吕晓旭，周怡然，齐哲，高晔，赵文青，焦健

2020, 41(2): 82-88

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000081