碳化硅纤维及其复合材料的进展
糟料毒麓
赵稼祥
摘要在美国第４５届材料与加工工程促进学会年会与展览上展出了很多高性能纤维及其复合材料，包括碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维及其复合材料等，简要介绍碳化硅纤维及其复合材料的现状与发展。
主题词
高性能纤维
碳化硅纤维
复合材料
前言
其复合材料的现状与发展。１碳化硅纤维１．１制备技术
碳化硅纤维是先进复合材料最重要的增强材料之一，它的突出的优点是耐高温性，是目前使用增强材料中工作温度最高的复合材料增强剂。碳化硅纤维有两种制备路线，一种是化学气相沉积法，即在连续的钨丝或碳丝芯材上沉积碳化硅。通常在管式反应器中用水银电极直接采用直流电或射频加热，把基体芯材（钨丝或碳丝）加热到１２００℃以上，通入氯硅烷和氢气的混合气气体，经反应裂解为碳化硅，并沉积在钨丝或碳丝表面。另一种方法是先驱体转换法，将有机硅
司、英国ＢＰ公司和我国中科院金属所等。第二种工艺路线是由日本东北大学矢岛圣使教授发明，日本碳公司于１９８３年完成批量生产开发，并以ＮＩＣＡＬＯＮ作为产品名称。１９８４年日本宇部兴产公司以低分子硅烷化合物与钛化合物合成有机金属聚合物，采用特殊纺丝技术，制成性能更好的含钛碳化硅纤维，称为ＴＹＲＡＮＮＯ。我国长沙国防科技大学也在研制开发先驱体转换法生产碳化硅纤维。
１．２
美国第４５届材料与加工工程促进学会年会与展览（Ｔｈｅ
４５ｔｈ
ＳＡＭＰＥ
Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅａｎｄ
Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ）于２０００年５月２１日
到２５１３在加里福尼亚州长滩会
议中心举行。会议的主题是“用ＳＡＭＰＥ的材料和加工技术架起世纪之桥”。来自世界各国的有关复合材料的研制、生产、检测、应用、教育、出版等２３０多个单位展出了最近的新成果、新产品、新材料、新工艺、新设备，共有８０００余人出席了会议。
会议共有２６０多个技术报告，分为３５个专题进行报告、讨论和研讨，很多报告和展览内容都是有关高性能纤维及其复合材料，包括碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维及其复合材料等。美国海军的航空系统司令部、航天材料部主任摩尔（Ｄ・Ｌ・Ｍｏｏｒｅ）先
ＣＶＤ法碳化硅纤维先驱体法碳化硅纤维已有详
细报导，本文重点报导ＣＶＤ法碳化硅纤维。美国ＴＥＸＴＲＯＮＳＹＳＴＥＭＳ公司前称ＡＶＣＯ公司，是世界上最早研究开发ＣＶＤ法碳化硅纤维的一个单位，公司在７０年代初期技术上已经取得突破，制备出大直径碳丝，在此基础上研究开发出性能好、成本低的ＣＶＤ法连续碳化硅纤
维。ＴＥＸＴＲＯＮＳＹＳＴＥＭＳ是
聚合物——聚甲基硅烷转化成聚
碳硅浣，经纺丝成先驱丝，再经交联，然后高温烧成碳化硅纤维。采用第一种工艺路线的ｔ有美国
ＴＥＸＴＲＯＮ
生做了大会的主报告——“打破
２１世纪材料革命的障碍”。
本文简要介绍碳化硅纤维及
ＳＹＳＴＥＭＳ公司（泰
斯特郎系统司）、法国ＳＮＰＥ公
本文２０００－０９—２６收到，作者系中国航天科技集团７０３所研究员
・６０・
飞航导弹２００１年第１期
万方数据
目前世界上研制生产ＣＶＤ法碳化硅纤维及其复合材料最著名公司之一，ＣＶＤ法碳化硅纤维是该公司的一种重要产品。ＣＶＤ法碳化硅纤维的结构可分为四层，由中心向外依次为：碳芯、富碳的碳化硅层、碳化硅层和表面
涂层。ＴＥＸＴＲＯＮＳＹＳＴＥＮＳ公
司的ＣＶＤ法碳化硅纤维有ＳＣＳ－２、ＳＣＳ－６和ＳＣＳ－８等牌号，ＳＣ孓２有１ｐｍ的富碳层，其涂层外表面富硅，适用于制备铝基复合材料。ＳＣＳ－６有３弘ｍ的富碳层，涂层外表面亦富硅，适用于制备钛基复合材料。ＳＣＳ－８有６ｐｍ厚的ｐ碳化硅微晶和有１弘ｍ的富碳屋，外表面亦富硅，适用于制备复杂的铝基复合材料构件。
近年来，ＣＶＤ法碳化硅纤维ＳＣＳ－２和ＳＣＳ－８已逐步被淘汰，新开发的ＣＶＤ法碳化硅纤维有ＳＣＳ－９Ａ和ＳＣ孓ＵＬＴＲＡ。ＳＣ孓９Ａ碳化硅纤维的直径比ＳＣＳ－６大幅度减小，仅为７９土５／ｚｍ，减小了约４０％。这种细直径的碳化硅纤维便于工艺操作，有利于制备尺寸小而外形复杂的构件。ＳＣＳ－６和ＳＣＳ－９Ａ的拉伸强度都是３４５０ＭＰａ、拉伸模量相应为３８０ＧＰａ和３０７ＧＰａ。
ＴＥＸＴＲＯＮ
ＳＹＳＴＥＭＳ公司的
碳化硅纤维新品种是ＳＣＳ－ＵＬ—ＴＲＡ，这是新一代的碳化硅纤维，与老品种碳化硅纤维相比拉伸强度为其１８０％，提高到６
２１０
ＭＰａ，拉伸模量提高１０％～
３５％，达４１５ＧＰａ。ＳＣＳ－６、
ＳＣ孓９Ａ和ＳＣ孓ＵＬＴＲＡ碳化硅纤维的性能见表１。
飞航导弹２００１年第１期
万
方数据、、～＼竺号表１ＣＶＤ法碳化硅纤维的性能
ＳＣ孓６
ＳＣ孓９Ａ
ＳＣＳ－ＵＬＴＲＡ
性
能——＼
直径／ｐｍ１４０
７９士５１４０
密度／ｇ・ｃｍ－３３．Ｏ
２．８
３．０
截面形状圆
圆
圆
拉伸强度／ＭＰａ３４５０
３４５０
６２１０拉伸模量／ＧＰａ３８０３０７４１５
热膨胀系数／１０“・℃．１
２．３
４．３
高温性能。
复合工艺
３）尺寸稳定性好。碳化硅１）固态复合工艺。包括有
纤维的热膨胀系数比金属小，仅为（２．３～４．３）×１０’６／℃，碳化硅增强金属基复合材料具有很小的热膨胀系数，因此也具有很好的（合金）的液相线和固相线之间，尺寸稳定性能。
由于在较低的温度下进行复合，４）不吸潮、不老化，使用可因此纤维材料和基体金属的界面靠。碳化硅纤维和金属基体性能间不存在严重反应。
稳定，不存在吸潮、老化、分解２）液态复合工艺。基体金等问题，保证了使用和可靠性。
５）优良的抗疲劳和抗蠕变性。碳化硅纤维增强复合材料有较好的界面结构，可有效地阻止裂纹扩散，从而使其具有优良的抗疲劳和抗蠕变性能。
６）较好的导热和导电性。
碳化硅增强金属基复合材料保持
了金属材料良好的导热和导电
性，可避免静电和减少温差。１）比强度和比模量高。碳２．３材料性能
碳化硅纤维复合材料具有卓越的力学性能、良好的热物理性能，优异的抗疲劳和抗蠕变性能。碳化硅增强铝基复合材料ＳＣＤＳ－２）高温性能好。碳化硅纤６／６０６１的拉伸强度高达
１
５５０ＭＰａ，拉伸模量１９３ＧＰａ，比６０６
１铝合金提高了好几倍。碳
化硅增强钛基复合材料ＳＣＤＳ一６
・
６】
。
２碳化硅纤维复合材料
２．１
热压法、热等静压法等，基体金属处于固态，有时有少量液态存在，复合时温度控制在基体金属属处于熔融状态下与碳化硅纤维复合，为改进液态金属与纤维材料问的浸润性，并控制高温下基体金属与增强纤维间的界面反应，碳化硅纤维表面通常都有涂层，有时采用加压浸渗。液态复合工艺包括真空压力浸渍法、热喷镀法等。２．２材料特点
化硅复合材料包含３５％～５０％的碳化硅纤维，因此有较高的比强度和比模量，通常比强度提高１～４倍，比模量提高１～３倍。
维具有卓越的高温性能，碳化硅增强复合材料可提高基体材料的高温性能，比基体金属有更好的
／Ｔｉ６Ａ１４Ｖ的拉伸强度达
１
７２５ＭＰａ，拉伸模量１９３ＧＰａ，
比Ｔｉ６Ａ１４Ｖ钛合金有成倍提高。碳化硅纤维增强氮化硅陶瓷基复合材料抗折强度大于６００ＭＰａ，拉伸强度大于４００ＭＰａ，抗折和拉伸模量大于３００ＧＰａ，在
１０Ｈｚ；‰。／“ｉｎ一１；载荷６０％
ｄ。；的条件下，疲劳寿命＞１０６周，碳化硅增强铝和钛基复合材料和碳化硅增强氮化硅复合材料的性能详见表２和表３。
３碳化硅纤维复合材料的应用
碳化硅纤维复合材料较多应用于国防军工，主要包括航空、航天等高技术领域，如先进战斗机、空天飞机、航空发动机、战术导弹和电子组件等，达到减重、提高工作温度、热膨胀系数匹配和热导率高等目的。另外在高级运动器材上亦有应用，如自行车车架等。碳化硅增强铝基和钛基复合材料的应用详见表４和表５。
・
参考
文献
１
ＴＥＸＴＲＯＮ
ＳＹＳＴＥＭＳ
ｉｎ
Ｍｏｔｉｏｎ．ＴＥＸＴＲＯＮ
ＳＹＳ—
ＴＥＭＳ。２０００
２赵稼祥，碳化硅纤维及其复合
材料．先进制造与材料应用技术，１９９５（３）
３
Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
Ｓｉｌｉｃｏｎ
Ｃａｒｂｉｄｅ
Ｆｉｂｅｒ．ＴＥＸＴＲＯＮ
ＳＹＳ—
ＴＥＭＳ，１９９９
４
ＳＣＳ，６。ＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅＦｉｂｅｒ．ＴＥＸＴＲｏＮＳＹＳＴＥＭＳ，１９９９
・
６２
・
万
方数据表２碳化硅增强金属基复合材料的性能
、、～～～
材料
碳化硅增强铝基
碳化硅增强钛基
性
能——＼
复合材料
复合材料增强纤维
ＳＣ孓６ＳＣ孓６
基体金属
６０６１Ｔｉ６Ａ１４Ｖ
纤维含量／％４８
３５密度／ｇ・ｅｍ－３２．８４３．８６
ｏ。拉伸强度／ＭＰａ１５５０１７２５
Ｏ。拉伸模量／ＧＰａ１９３
１９３９０。拉伸强度／ＭＰａ
８３
４１５
表３碳化硅增强氮化硅复合材料的性能性能
室温
１
２００℃１３５０℃
抗折强度／ＭＰａ
６２ｌ３６５
抗折模量／ＧＰａ３１７抗折延伸率／％４４拉伸强度／ＭＰａ４１４
３１０２７６拉伸模量／ＧＰａ
３３８
２６２２５５拉伸延伸率／％４
２５
２５．４
疲劳性能／周（试验条件为：１０Ｈｚ；＞１０６
口。。／ｄ。。一１；６０％口。。）层间剪切强度／ＭＰａ１１７
热膨胀系数／１０“・℃＿１
２５℃～５４０℃
２５℃～１０００℃
单向３．Ｏ３．５双向
３．２
３．７
热导率／Ｗ・ｃｍ－１・Ｋ－１
单向（轴向）０．３０
Ｏ．１８０．１６单向（径向）Ｏ．２０
０．１５０．１３
双向（轴向）
０．５１Ｏ．２６Ｏ．２０双向（径向）０．４３０．２０
０．１８
比热／Ｗ・Ｓ・ｇ＿１・Ｋ－１
Ｏ．６９
‘
热冲击性能／％１００８５
（水淬室温强度保持率）
密度／％
９９＋
表４碳化硅增强铝基复合材料的应用
应用范围
研制单位部件效益
战术导弹ＬＴＶ公司；
发动机外壳；Ｔｅｘｔｒｏｎ
Ｓｙｓｔｅｍｓ公司
弹翼
减重先进战斗机洛克希煎公司
尾翼；后机身
减重
自行车多家公司车架质量轻电子组件通用电子公司
底板
导热率高；
热膨胀系数匹配
飞航导弹２００１年第１期
５ＳＣ孓９，ＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅＦｉｂｅｒ．ＴＥＸ～ＴＲＯＮＳＹＳＴＥＭＰ，１９９９
表５碳化硅增强钛基复合材料的应用
应用范围
研制单位
罗克韦尔公司；
部件效益
６
ＳＣＳＵＬＴＲＡ。ＳｉｌｉｃｏｎＣａｒｂｉｄｅ
Ｆｉ—
空天飞机
（ＮＡＳＰ）
麦道公司；通用动力公司；普惠公司诺斯罗普公司；
麦道公司；洛克希德公司
结构件
减重；
ｂｅｒ．ＴＥＸＴＲＯＮＳＹＳＴＥＭＳ，１９９９
７
提高工作温度
Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ．ＴＥＸＴＲＯＮ
ＳＹＳＴＥＭＳ．２０００
后机身；起落架；扭力管；
减重
８
先进战斗机
ＴｉｔａｎｉｕｍＭａｒｉｘＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ．ＴＥＸ—ＴＲＯＮＳＹＳＴＥＭＸ．１９９８
通用电子公司
ＴｅｘｔｒｏｎＬｙｅｏｍｉｎｇ公司；
◆◆
底板
导热率高；热膨胀系数匹配
航空发动机
罗耳斯・罗伊斯公司；
普惠公司；艾利森公司；加雷特公司
（上接第５９页）得到以下结论。
１）根据导引头工作的红外频段的不同，可以把头罩材料分为中红外材料和远红外材料。对工作在３９ｍ～５９ｍ的材料，可以选用蓝宝石、氧化钇、掺镧氧化钇、尖晶石、ＡＬＯＮ、ＭｇＦｚ和ＧａＰ等。对工作在８弘ｍ～１２ｔｔｍ的材料，可以选用ＣＶＤＺｎＳ、金刚石、ＧａＡｓ和ＺｎＳｅ等。
２）头罩材料的选择受器件的工作参数限制。例如，以Ｍａ＞３的速度飞行的空一空导弹增大滞止温度，这个温度的变化在
利用在８弘ｍ～１２弘ｍ工作的一些半导体，如ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＧａＰ和ＧａＡｓ，因为有可能化学分解。即使是金刚石，它有非常好的光、机械、热学特性，但在温度为６５０℃时，因其石墨化和氧化而变得不稳定。许多氧化物也不能用，因为剧烈的热冲击和压力会引起材料中氧化物原子的多光子吸收。
因此，现在的材料均不能满足以上各方面的要求。因此，在设计头罩时，对材料的选择要根据实际需要对树料的整体性能进行折衷评价。就一些最急需的应用而言，最耐久的中波材料蓝宝石还不具备足够的耐热冲击性。最耐久的长波材料金刚石尚在研
制之中。现有的双色材料（ＧａＡｓ、ＺｎＳ以及ＺｎＳｅ等）由于耐腐蚀性较差或耐热冲击性较差而受到了限制。
如果在材料上难以满足任务的需要，就必须寻找工程的替代办法。如在材料上镀保护膜和增透膜；改进头罩的外形，如激波针型红外头罩，它既利用了尖头罩低阻力的优点，又保留了圆头罩反射损失少的优点，是一种圆罩＋罩面驻点镶嵌激波针的组合结构。最严格的红外／毫米波双模复合制导导弹头罩设计要求红外／毫米波系统设计师同材料科学家及航空工程师一起工作，以便产生具有创新的、采用现有的和正在出现的材料的思路。
口口
３５０℃（１０ｋｍ高度，Ｍａ＝３时）
～２
ＯＯＯ＇Ｃ（海平面高度，Ｍａ一６
时）之间，要看高度和最终速度而定。较高的温度范围，就不能
飞航导弹２００１年第１期
・
６３
・
万方数据
碳化硅纤维及其复合材料的进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
赵稼祥
中国航天科技集团703所研究员飞航导弹
WINGED MISSILES JOURNAL2001，""(1)1次
参考文献(8条)
1.TEXTRON SYSTEMS in Motion TEXTRON SYSTEMS 20002.赵稼祥 碳化硅纤维及其复合材料 1995(03)3.Continuous Silicon Carbide Fiber 19994.SCS-6,Silicon Carbide Fiber 19995.SCS-9,Silicon Carbide Fiber 19996.SCS-ULTRA, Silicon Carbide Fiber 19997.Composite Materials 20008.Titanium Marix Composites 1998
相似文献(2条)
1.期刊论文 赵稼祥 碳化硅纤维及其复合材料 -高科技纤维与应用2002,27(4)
碳化硅纤维及其复合材料是目前使用温度最高的增强材料和先进复合材料.本文简要介绍先驱体转换法和化学气相沉积法制备碳化硅纤维的工艺,不同工艺方法制备的碳化硅纤维的性能比较,碳化硅纤维及其复合材料的现状与应用.
2.会议论文 李涛.田稼薇 PP、PE在纤维增强复合材料中的应用 2003
作为材料科学的一个重要分支,纤维增强复合材料以其优异的性能取得了飞速发展并且在社会各领域得到了越来越广泛的应用.为此,人们开发了一系列的高性能纤维和新型基体材料,基体一般为:金属基体,聚合物基体和无机非金属基体.高性能纤维为:碳纤维、氧化铝纤维、芳酰胺纤维、PBO纤维、超高分子量聚乙烯纤维、碳化硅纤维、硼纤维、氮化硼纤维和氮化硅纤维等.其中聚合物基体分为热塑性聚合物和热固性聚合物.在此,本文主要讨论聚丙烯、聚乙烯在高性能纤维增强复合材料中的应用.
引证文献(1条)
1.赵平.张艳娇.刘广学.邵伟华.常学勇 陶瓷级碳化硅微粉提纯试验研究[期刊论文]-非金属矿 2009(4)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_fhdd200101016.aspx
授权使用：武汉理工大学(whlgdx)，授权号：b3421133-ffa3-4c1c-b0a2-9de300a442c6
下载时间：2010年8月31日