本周好材料推荐碳纤维增强陶瓷基符合材料

本周好材料推荐炭/陶复合材料是由碳纤维、陶瓷纤维及其织物作为增强相，炭、陶瓷作为基体相的一类复合材料的总称。...

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炭/陶复合材料是由碳纤维、陶瓷纤维及其织物作为增强相，炭、陶瓷作为基体相的一类复合材料的总称。

C/SiC陶瓷基复合材料

炭/陶复合材料是由碳纤维、陶瓷纤维及其织物作为增强相，炭、陶瓷作为基体相的一类复合材料的总称。相比炭/炭复合材料而言，炭/陶复合材料具有更好的抗氧化性。C/SiC陶瓷基复合材料具有耐高温、低密度、高强度、高热导率、高耐磨性、高阻尼系数、热辐射系数、性能可设计性强等优点。

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韧性好

C/SiC陶瓷基复合材料具有类似金属的断裂行为，同时它对裂纹不敏感，经高能冲击后不会发生灾难性破坏。

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耐高温

C/SiC陶瓷基复合材料与传统材料相比具有更耐高温的特点，可在1650oC以下长时间使用，在1650-2200oC有限寿命使用。

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低密度

C/SiC陶瓷基复合材料的密度基本在2.0g/cm3，与高温合金8.0g/cm3的密度相比具有较大的优势，在航空航天领域应用时可使结构减重1/2-2/3。

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性能可设计性强

通过采用不同的纤维预制体编织方式，可以实现材料性能的预先设计，在满足性能要求的前提下达到节约成本的目的。

图1　2D C

f

/SiC (碳纤维增强碳化硅) 陶瓷基复合材料的基本性能

C/SiC陶瓷基复合材料的应用领域

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在刹车系统中的应用

C/SiC制动材料具有低成本、环境适应性强（如湿态下摩擦系数不衰减）等优势，因而成为新一代高性能制动材料，从而引起广大研究者的重视。目前德国研究人员以研制出C/C-SiC刹车片，并应用于Porsche（保时捷）轿车刹车系统中。

图2 C/SiC陶瓷基复合材料在高性能刹车系统的应用

图3 北汽首款电动超跑ARCFOX-7采用炭陶复合材料刹车片

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在高温连接件中的应用

在高温连接件中的应用。连续纤维增强陶瓷基复合材料用于热结构材料的机械连接已取得相当程度的进展。在欧洲的一项发展计划中，热结构材料的先进连接技术已经发展得非常成熟，用C/SiC热结构材料连接，能够防止超音速气流干扰，且能够在高温下密封、模拟测试结果证明连接件可以适用于实际高温环境，并能满足必要的飞行标准。

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在热防护系统中的应用

在航空航天领域，当飞行器进入大气层后，由于摩擦产生的大量热量，导致飞行器受到严重的烧蚀,为了减小飞行器的这种烧蚀,需要一个有效的防热体系。如航天飞机和导弹的鼻锥、导翼、机翼和盖板等。纤维增强陶瓷基复合材料是制作抗烧蚀表面隔热板的较佳候选材料之一。目前，欧洲正集中研究载人飞船及可重复使用的飞行器的可简单装配的热结构及热保护材料， C/SiC复合材料是其研究的一个重要材料体系，并已达到很高的生产水平。波音公司通过测试热保护系统大平板隔热装置，也证实了C/SiC 复合材料具有优异的热机械疲劳特性。

图4 C/SiC陶瓷基复合材料在燃烧室的应用

C/SiC陶瓷基复合材料制备工艺

C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料的制备工艺的关键是：纤维损伤小；纤维/基体界面结合强度适中；克服基体致密化过程中的“瓶颈效应”；制备成本低。经过两年多的科学实验研究，河南泛锐复合材料研究院已掌握制备C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料的基备工艺：先驱体浸渍裂解法（Precursor infiltrationpyrolysis, PIP）、化学气相渗透法（Chemical vaporinfiltration, CVI）、液相渗硅法（Liguid silicon infiltration，LSI）及综合工艺。

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先驱体浸渍裂解法

先驱体浸渍裂解法又成为液态聚合物浸渍法（Precursor infiltrationpyrolysis, PIP），在一定温度和压力下，采用有机先驱体溶液或熔融体浸渍碳纤维预制体，交联固化后在惰性气氛中进行高温裂解，使先驱体转化为SiC陶瓷基体。制备C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料使用的聚合物先驱体通常为聚碳硅烷（Polycarbosilane，PCS），其工艺流程如图6所示。

图5 PIP工艺流程图

PIP法的优点是：（1）先驱体分子可设计，可制备成分均匀的基体；（2）制备温度低，设备要求简单；（3）可无压烧结，对纤维的化学和机械损伤较小；（4）可制备大型复杂形状的构件。

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化学气相渗透法

化学气相渗透法首先将碳纤维预制体置于CVI炉中，制备热解炭涂层，在通过CVI或者前驱体浸渍/炭化工艺制备低密度C/C坯体，然后用CVI工艺，以三氯甲基硅烷（CH3SiCl3，methyltrichlorosilane，MTS）作为SiC气源，以H2和Ar作为还原气体和载气，在碳纤维预制体的表面和内部发生原位化学反应沉积生成SiC基体，从而得到C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料，其工艺流程如图7所示。

图6 CVI法工艺流程图

CVI工艺制备C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料的主要优点：（1）可在较低温度下制备SiC基体，避免高温使纤维与基体发生化学反应，从而对纤维造成损伤；（2）制备过程中能保持预制体结构的完整性，实现近净成型制备异型C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料；（3）可对C/SiC和C/C-SiC陶瓷基复合材料的成分进行设计；（4）制备的材料的基体组织均匀、纯度较高。

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液相渗硅法

液相渗硅法的基本过程为：首先采用CVI或液相浸渍/炭化工艺得到低密度的C/C复合材料；然后采用熔融Si在真空下通过毛细作用进行浸渗处理，使Si熔体与C基体反应生成SiC基体，其工艺流程如图8所示。