SiC-SiC复合材料的应用和制备

随着对航空发动机性能要求的提高，高推重比发动机的燃烧室温度越来越高，传统的高温合金和金属间化合物已经很难满足使用温度和轻质化的要求。以C/SiC和SiC/SiC为代表的连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC-SiC)具有耐高温、低密度、高比强、高比模、抗氧化和抗烧蚀等优异性能，并且具有类似金属的断裂行为、对裂纹不敏感和不发生灾难性损毁等特点，是目前作为航空发动机热端部件最具潜力的新型高温结构材料。C/SiC复合材料最大的不足是碳纤维的抗氧化性能较差，因此，对于长时间使用环境的航空发动机而言，进行碳纤维及其复合材料的抗氧化、提高其使用寿命和可靠性是研究的重点和难点。SiC/SiC复合材料因采用了SiC纤维，复合材料的长时间抗氧化关键难题得到了解决。SiC/SiC复合材料因其优异的抗氧化性能，能够满足航空发动机长时间使用、轻质、耐高温要求而备受关注，成为高推重比发动机的首选材料。美国在SiC/SiC复合材料应用于航空发动机方面做了大量的研究工作，已经制备和通过试验的SiC/SiC复合材料航空发动机构件主要有:燃烧室内衬套、燃烧室筒、翼或螺旋桨前缘、喷口导流叶片、涡轮叶片、涡轮壳环、喷管构件等。目前世界上仅日本能批量提供通用级和高品级的SiC纤维，法国、美国等研制的SiC/SiC复合材料中纤维均来源于日本。针对核反应堆上应用的SiC/SiC复合材料，日本在制备工艺、环境考核等方面已经取得了长足的进步。气相法Gasphaseroute液相法LiquidphaseroutesCeramicrouteCVIPIPLSI(RMIorMI)浆料浸渍热压烧结NITEt/℃900–11001000-12001400–16001780优点在复杂的多向纤维预制体上沉积highlyengineered中间相和基体最适合的方法常作为致密化的第一步almostnoresidualopenporosity缺点Someresidualporosity收缩现象Significantresidualporosityrequirehightemperatures(1400–1800C)评价目前最成熟的工艺典型的低成本制造技术传统的浆料浸渍热压烧结不被重视，NITE是新的发展方向化学气相渗透法ChemicalVaporInfiltration(CVI)将复合材料的不同组元，即界面相、基体和外涂层通过气相先驱体在适宜的温度(900–1100℃)和减压（或常压下）依次沉积得到。无论采用哪种CVI工艺方法，都会使得复合材料存在10–15%的残余孔隙率（主要是开孔)。（气态产物的溢出；预制体孔隙入口处的“瓶颈效应”）1.先驱体浸渗/热解法PIP(PolymerImpregnationPyrolysis)用Si-C基聚合物，如聚碳硅烷(PCS)做先驱体。先驱体在1000-1200℃范围内发生裂解。由于热解过程材料密度变小会导致大的体积收缩，同时热解气态产物的逸出决定了热解后的基体是含有较大开气孔的多孔体，通常需要进行多次浸渍/热解过程（6-10，甚至更多）来提高材料致密度。2.液态渗硅法（反应熔体浸渗法/熔体浸渗法）LSI(RMI/MI)用液态硅或硅合金做先驱体。致密化快，可获得几乎不存在残余开气孔的复合材料。渗硅温度较高（通常为1400-1600℃），因此只适合高温稳定性高的纤维；液态硅对热解碳或六方BN界面相及纤维具有腐蚀性。RMI制备的基体中通常会有游离硅，限制高温性能。用浆料做先驱体。采用含有烧结助剂和粘结剂的β-SiC稳定悬浮液先驱体浆料浸渍纤维束或纤维布获得预浸料，干燥后将多片预浸料堆垛热压（HP）烧结制取复合材料的方法。在高温高压下的烧结会对纤维产生损伤。NITE(nano-infiltrationandtransienteutectic-phase)processtheuseofnanosizedβ-SiCpowder(withaparticulatesizeof30nm)andoxidesinteringadditives(Al2O3andY2O3)formingtransienteutecticswithSiO2atrelativelylowtemperature,considerablyhelpsthesinteringoftheSiC-matrixwhichwaseffectiveat1780℃and15–20Mpa.氧化物烧结助剂(Al2O3andY2O3)纳米级β-SiC粉末粘结剂SiC/PyC/SiCcompositesfabricatedbythisso-calledNITEprocessdisplayaverylowresidualporosity,highmechanicalandthermalpropertiesaswellasanexcellenthermeticity.SiC-nanocrystalssize/nmE/GPaC/Si(at)ratio第一代SiC基纤维Nicalonfiber(Si-C-O)1～2220-第二代SiC基纤维Hi-Nicalonfiber(SiC+C)≈5inmeansize2701.39第三代SiC基纤维Hi-NicalonS20-200(grainsize)≈4001.00-1.08quasi-stoichiometricoxygen-freeTyrannoSASylramic目的：载荷传递、基体微裂纹偏转和保护纤维Layeredcrystalstructure:Pyrocarbon,hexagonal-BN)Layeredmicrostructure:(PyC–SiC)nor(BN–SiC)n