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誉为高科技领域的理想材料,碳化硅纤维的核心优势在哪?

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誉为高科技领域的理想材料,碳化硅纤维的核心优势在哪?

发布日期:2022-08-10 作者:网络 点击:

碳化硅纤维性能良好,常用作耐高温材料和增强材料。碳化硅纤维是一种以碳和硅为主要成分的高性能陶瓷材料,从形态上分为晶须和连续碳化硅纤维,具有高温耐氧化性、高硬度、高强度、高热稳定性、耐腐蚀性和密度小等优点。

与碳纤维相比, 在极端条件下,碳化硅纤维能够保持良好的性能。由于其具有良好的性能,在航空航天、军工武器装备等高科技领域备受关注,常用作耐高温材料和增强材料。


一、碳化硅纤维的核心优势

碳化硅纤维和碳纤维的相同点都是具有高强度、高模量的陶瓷纤维。相比于碳纤维而言,碳化硅纤维核心的优势有以下几点:

1. 高温抗氧化性能
在高温空气或者有氧环境下,碳化硅纤维的抗氧化性能要比碳纤维强得多。现在碳化硅纤维国内能做到1200℃、1250℃这样子的高温抗氧化性能。

2. 绝缘性能良好
碳化硅纤维可以说是半导体级的或者说是绝缘级的高性能陶瓷纤维,这样其实可以应用到一些碳纤维应用不到的一些有绝缘要求的领域(碳纤维具有较好的导电性能)。

3. 性能更易调控
碳化硅纤维的先驱体聚碳硅烷(PCS),可以掺杂一系列的元素,使其制备出来的碳化硅纤维具有不同的性能,(可以)通过先驱体的调控可望获得渐变电阻率、雷达波吸收、高温透波等性能的功能化陶瓷纤维,碳纤维的掺杂相对有难度。


二、SiC/SiC耐热性能优异,将替代高温合金在航空发动机上的应用

高推重比是先进航空发动机不断追求的目标,而随着发动机推重比的提升,涡轮进口温度不断提高,现有高温合金材料体系难以满足先进航发。比如,现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度均达到了1500℃,推重比12~15的发动机涡轮进口平均温度将超过1800℃以上,这远超高温合金及金属间化合物的使用温度。

目前,耐热性能较好的镍基高温合金材料工作温度只能达到1100℃左右。而SiC/SiC使用温度能提高到1650℃,被认为是较理想的航空发动机热端结构件材料。

在欧美等航空发达国家,SiC/SiC已在航空发动机静止件上得到实际应用和批量生产,包括M53-2,M88,M88-2,F100,F119,EJ200,F414,F110,F136等多种型号军/民用航空发动机;在转动件的应用上仍处于研制试验阶段。国内基础研究起步较慢,与国外工程化应用研究存在巨大差距,但也已取得成果。

2022年1月,由西北工业大学使用国产新型陶瓷基复合材料打造的航空发动机整体涡轮盘成功完成首次飞行试验验证,这也是国内陶瓷基复合材料转子件首次配装平台的空中飞行试验,也有利于推动陶瓷基复合材料部件在无人机/靶机上大规模应用。


三、SiC纤维通过电磁改性手段,发展成为较重要的高温吸波材料之一

随现代无线电技术和雷达探测系统的迅猛发展,隐身技术作为提高武器系统生存、突防,尤其是纵深打击能力的有效手段,已成为军事强国角逐军备高新技术的热点。采用隐身材料技术是当前有效可行的雷达隐身手段。而对于应用在特殊环境中的隐身材料,除了降低可探测性等基础条件外,还要求材料具有良好的热稳定性和耐腐蚀性。

例如,高速飞行隐身战机的发动机屋喷管、机翼边缘和锥帽等部位会面临高温氧化、高低温反复冲击的考验。SiC/SiC不但具有优异的力学性能、抗氧化性能和更长的高温使用寿命,还具有良好的吸波性能,满足超高音速飞行器表面、发动机尾喷口、巡航导弹冒头端等武器装备高温部位的隐身需求,应用前景广阔。


四、SiC材料具备小的中子吸收截面,适用于核反应堆领域

随着对反应堆安全问题的日益重视,目前的商业水堆核电站几乎全部使用的锆合金燃烧元件被重新考虑,碳化硅SiC为包壳或基体材料的新型燃料元件成为新的研究热点。

燃料元件是核反应堆的核心部件,其性能指标直接影响反应堆的安全性和经济性。SiC具有高温强度大、硬度高、耐磨损性好、抗热冲击性好、热导率大以及抗氧化性强和耐化学腐蚀等优良特性,并且其小的中子吸收截面,低的固有活性和衰变热,使其适用于核反应堆领域,在轻水反应堆、熔盐反应堆和气冷快堆均有良好的应用前景。

做碳化硅纤维,就是要坚持不懈,持续努力,“但行己事,无问西东”,特别是针对战略核心材料产业化,需要十年、 二十年,甚至于更久的时间,才有可能取得一定的突破。

目前,我国已形成以国防科大、西北工业大学、厦门大学为研发中心的若干碳化硅纤维产业集群。国防科大的碳化硅纤维技术产业化在苏州、宁波等地开展,厦门大学在福建与当地企业合作,竞争优势明显。


文章来源:未来智库,巨丰财经,复合材料前沿




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