納米SiC纖維

納米碳化硅(SiC)纖維是一種具有高度取向的單晶纖維，如圖1所示。晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相類似，晶內(nèi)成分均一，化學(xué)雜質(zhì)少，無晶粒邊界且缺陷少。因此具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性、高熔點、高比強度、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)，優(yōu)異的力學(xué)性能和高溫抗氧化能力，可作為高溫復(fù)合材料的補強增韌體。SiC晶須是一種性能優(yōu)異的納米增強體，將其引入到纖維布層間和纖維束間的脆性基體中，可有效增加裂紋擴展距離，改善微區(qū)基體的脆性，提高微區(qū)基體的韌性，從而進一步提高陶瓷基復(fù)合材料的力學(xué)性能。

當(dāng)前，納米碳化硅纖維的制備方法有CVD法、碳熱還原法、熱蒸發(fā)法、模板法等。其中大部分報道都是在添加金屬催化劑的情況下，SiC納米線的形核與生長遵循 VLS（vapor-liquid-solid，VLS）或SLS（solution-liquid-solid，SLS）生長機制。一般采用Ni、Au、La、Fe等金屬作為催化劑。此外還有報道中，基于氣-固（vapor-solid，VS）機理制備納米SiC纖維。VS生長機制則不同于不需要金屬催化劑作為生長動力源，僅是在高溫區(qū)利用蒸發(fā)、化學(xué)還原或氣相反應(yīng)產(chǎn)生氣體，然后通過惰性氣流將生成的氣體傳輸?shù)降蜏貐^(qū)形核，并生長出納米纖維。

SiCf/SiC復(fù)合材料

SiCf/SiC復(fù)合材料是由碳化硅纖維、界面層和碳化硅基體三部分組成的復(fù)合材料，如圖2所示。該材料保留了碳化硅陶瓷原有的高強度、耐高溫等特性，又因為引入了連續(xù)碳化硅纖維而韌性具有大幅提高。因此，SiCf/SiC復(fù)合材料可以滿足航空發(fā)動機高溫性能要求，可以保證1200 ℃燃?xì)庖陨檄h(huán)境中的安全性能。相比于現(xiàn)階段應(yīng)用于同工況的高溫合金材料，SiCf/SiC復(fù)合材料可以有效降低部件質(zhì)量，減少冷空氣流量，顯著提升工作溫度，因而是制備高性能發(fā)動機高溫構(gòu)件的理想材料。

但在長時間高溫使用過程中，SiCf/SiC復(fù)合材料基體會形成的孔洞和裂紋等缺陷，導(dǎo)致材料脆性大，損傷韌性不足，疲勞壽命短，難以滿足下一代發(fā)動機材料疲勞性能的需求。因此現(xiàn)階段有必要探索微納米增強體多級增韌等技術(shù)途徑，開發(fā)出更耐高溫、更高損傷容限的SiCf/SiC復(fù)合材料。

納米SiC纖維的增強機理

將納米SiC纖維引入到SiCf/SiC復(fù)合材料后，當(dāng)復(fù)合材料受外力作用形成微裂紋并開始擴展時，分布在基體中的納米SiC纖維與基體發(fā)生脫粘和拔出，使得裂紋尖端應(yīng)力松弛，減緩了裂紋的擴展；同時基體中納米纖維的橋連現(xiàn)象使擴展區(qū)域中裂紋表面產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，與外加拉應(yīng)力相互抵消，阻礙裂紋擴展，進一步提高復(fù)合材料基體的強度；并且裂紋在擴展過程中一般較難穿過納米纖維，更容易繞過納米纖維并盡量沿其表面擴展，即發(fā)生了裂紋偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)作用可以降低裂紋擴展時的拉應(yīng)力，延長擴展路徑，消耗更多的能量，從而使得復(fù)合材料的力學(xué)性能具有明顯改善。

展望

隨著航空航天、核、制動系統(tǒng)等多種工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，對連續(xù)纖維增強SiCf/SiC復(fù)合材料在高溫使用過程中的損傷韌性和疲勞壽命等提出了更高的要求。而微納尺度材料在復(fù)合材料基體中可以起到良好的增韌效果，因而在高性能結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用中發(fā)揮著越來越重要的作用。SiC納米增強體作為一維納米材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，因此將在陶瓷材料、復(fù)合材料和涂層材料等領(lǐng)域具有更加廣泛的應(yīng)用。

原文出處：

姜卓鈺，呂曉旭，周怡然，齊哲，高曄，趙文青，焦健

2020, 41(2): 82-88

doi: 10.11868/j.issn.1005-5053.2020.000081