SiCSiC復(fù)合材料的應(yīng)用和制備

隨著對航空發(fā)動機性能要求的提高，高推重比發(fā)動機的燃燒室溫度越來越高，傳統(tǒng)的高溫合金和金屬間化合物已經(jīng)很難滿足使用溫度和輕質(zhì)化的要求。

以C/SiC和SiC/SiC為代表的連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC-SiC)具有耐高溫、低密度、高比強、高比模、抗氧化和抗燒蝕等優(yōu)異性能，并且具有類似金屬的斷裂行為、對裂紋不敏感和不發(fā)生災(zāi)難性損毀等特點，是目前作為航空發(fā)動機熱端部件最具潛力的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。C/SiC復(fù)合材料最大的不足是碳纖維的抗氧化性能較差，因此，對于長時間使用環(huán)境的航空發(fā)動機而言，進行碳纖維及其復(fù)合材料的抗氧化、提高其使用壽命和可靠性是研究的重點和難點。SiC/SiC復(fù)合材料因采用了SiC纖維，復(fù)合材料的長時間抗氧化關(guān)鍵難題得到了解決。SiC/SiC復(fù)合材料因其優(yōu)異的抗氧化性能，能夠滿足航空發(fā)動機長時間使用、輕質(zhì)、耐高溫要求而備受關(guān)注，成為高推重比發(fā)動機的首選材料。

美國在SiC/SiC復(fù)合材料應(yīng)用于航空發(fā)動機方面做了大量的研究工作，已經(jīng)制備和通過試驗的SiC/SiC復(fù)合材料航空發(fā)動機構(gòu)件主要有:燃燒室內(nèi)襯套、燃燒室筒、翼或螺旋槳前緣、噴口導(dǎo)流葉片、渦輪葉片、渦輪殼環(huán)、噴管構(gòu)件等。目前世界上僅日本能批量提供通用級和高品級的SiC纖維，法國、美國等研制的SiC/SiC復(fù)合材料中纖維均來源于日本。針對核反應(yīng)堆上應(yīng)用的SiC/SiC復(fù)合材料，日本在制備工藝、環(huán)境考核等方面已經(jīng)取得了長足的進步。氣相法Gasphaseroute液相法LiquidphaseroutesCeramicrouteCVIPIPLSI(RMIorMI)漿料浸漬熱壓燒結(jié)NITEt/℃900–11001000-12001400–16001780優(yōu)點在復(fù)雜的多向纖維預(yù)制體上沉積highlyengineered中間相和基體最適合的方法常作為致密化的第一步almostnoresidualopenporosity缺點Someresidualporosity收縮現(xiàn)象Significantresidualporosityrequirehightemperatures(1400–1800C)評價目前最成熟的工藝典型的低成本制造技術(shù)傳統(tǒng)的漿料浸漬熱壓燒結(jié)不被重視，NITE是新的發(fā)展方向化學(xué)氣相滲透法ChemicalVaporInfiltration(CVI)

將復(fù)合材料的不同組元，即界面相、基體和外涂層通過氣相先驅(qū)體在適宜的溫度(900–1100℃)和減壓（或常壓下）依次沉積得到。無論采用哪種CVI工藝方法，都會使得復(fù)合材料存在10–15%的殘余孔隙率（主要是開孔)。（氣態(tài)產(chǎn)物的溢出；預(yù)制體孔隙入口處的“瓶頸效應(yīng)”）1.先驅(qū)體浸滲/熱解法

PIP(PolymerImpregnationPyrolysis)

用Si-C基聚合物，如聚碳硅烷(PCS)做先驅(qū)體。

先驅(qū)體在1000-1200℃范圍內(nèi)發(fā)生裂解。

由于熱解過程材料密度變小會導(dǎo)致大的體積收縮，同時熱解氣態(tài)產(chǎn)物的逸出決定了熱解后的基體是含有較大開氣孔的多孔體，通常需要進行多次浸漬/熱解過程（6-10，甚至更多）來提高材料致密度。

2.液態(tài)滲硅法（反應(yīng)熔體浸滲法/熔體浸滲法）

LSI(RMI/MI)

用液態(tài)硅或硅合金做先驅(qū)體。

致密化快，可獲得幾乎不存在殘余開氣孔的復(fù)合材料。

滲硅溫度較高（通常為1400-1600℃），因此只適合高溫穩(wěn)定性高的纖維；液態(tài)硅對熱解碳或六方BN界面相及纖維具有腐蝕性。RMI制備的基體中通常會有游離硅，限制高溫性能。

用漿料做先驅(qū)體。采用含有燒結(jié)助劑和粘結(jié)劑的β-SiC穩(wěn)定懸浮液先驅(qū)體漿料浸漬纖維束或纖維布獲得預(yù)浸料，干燥后將多片預(yù)浸料堆垛熱壓（HP）燒結(jié)制取復(fù)合材料的方法。在高溫高壓下的燒結(jié)會對纖維產(chǎn)生損傷。NITE(nano-infiltrationandtransienteutectic-phase)processtheuseofnanosizedβ-SiCpowder(withaparticulatesizeof30nm)andoxidesinteringadditives(Al2O3andY2O3)formingtransienteutecticswithSiO2atrelativelylowtemperature,considerablyhelpsthesinteringoftheSiC-matrixwhichwaseffectiveat1780℃and15–20Mpa.氧化物燒結(jié)助劑(Al2O3andY2O3)納米級β-SiC粉末粘結(jié)劑SiC/PyC/SiCcompositesfabricatedbythisso-calledNITEprocessdisplayaverylowresidualporosity,highmechanicalandthermalpropertiesaswellasanexcellenthermeticity.SiC-nanocrystalssize/nmE/GPaC/Si(at)ratio第一代SiC基纖維Nicalonfiber(Si-C-O)1～2220-第二代SiC基纖維Hi-Nicalonfiber(SiC+C)≈5inmeansize2701.39第三代SiC基纖維Hi-NicalonS20-200(grainsize)≈4001.00-1.08quasi-stoichiometricoxygen-freeTyranno