Research and Development of Continuous SiC fibers and SiCf/SiC Composities

Abstract

Polymer-derived method is the main preparation method for continuous SiC fiber. So far, three generations of SiC-based fibers have been developed. SiC fiber is mainly used as reinforcement for SiC matrix to prepare SiC f /SiC composite, which exhibits excellent properties such as high-temperature resistance, oxidation resistance, high-temperature creep resistance, and neutron radiation stability. Therefore, it is considered as a promising preferred alternative material for structural components which works under harsh environments. In this review, the domestic and oversea development of the polymer-derived SiC fibers are introduced, in particular the different approaches for preparation and the characteristics of the 3 rd generation fibers. Then, the development of SiC f /SiC preparation technology and properties are reviewed and the relationship between the innovation in fabrication of SiC f /SiC composite and the development of SiC fiber is hightlighted. Finally, the application progress of SiC f /SiC composite in high performance aero-engines and fusion power cores is summerized. Meanwhile, some perspectives on the development of domestic SiC fibers and SiC f /SiC are also discussed.

Interface Type on the Static Mechanical Properties and Internal Friction of 3D-SiC/SiC Composites

“…Key words: SiC/SiC compsite; interphase; internal friction; mechanical property 近年来, 连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基 (SiC/SiC)复合材料由于具有低密轻质、抗氧化、耐 腐蚀、抗热震及高温稳定等优势, 而得到广泛关注。 同时, 还兼具碳化硅陶瓷高比模、高比强特点以及 类金属的非脆性断裂特征 [1][2][3] , 已成为航空航天、核 能等高端技术领域亟需的关键材料之一。然而, 在 这些领域中, 如航空发动机工作时, 其内部构件会 受到强烈的振动、噪音等多种动态负荷, 在考验设 备的可靠性和稳定性的同时, 也对 SiC/SiC 复合材 料动态力学性能提出了更高的要求。 内耗是复合材料动态力学性能的重要参数, 主 要是指材料在机械振动下通过可逆运动或不可逆热 弹性运动而产生的能量耗散, 且与材料的微观结构 有关, 对微观结构的变化敏感 [4] 。有关 SiC/SiC 复合 材料静态力学性能的研究较多, 但其动态力学性能 的研究相对较少。 ZHANG 等 [5] 利用强迫振动法对比 了 C/SiC 和 SiC/SiC 复合材料的内耗特征, 发现 SiC/SiC 复合材料比 C/SiC 复合材料具有更低的内 耗水平, 其原因是 C/SiC 复合材料中碳纤维与 SiC 基体热匹配性较差, 内部结构缺陷较多。除了纤维 种类, 纤维编织方式对 SiC/SiC 复合材料的内耗同 样具有显著影响。Hou 等 [6] 对比分析了三维四向和 三维五向 SiC/SiC 复合材料的内耗水平, 发现三维 四向 SiC/SiC 有较高的孔隙率和微观结构缺陷, 因 此比三维五向 SiC/SiC 具有更高的内耗。Sato 等 [7] 采用不同复合工艺制备 2D-SiC/SiC 复合材料, 发现 用先驱体浸渍裂解工艺(PIP)制备的 SiC/SiC 复合材 料含有最多的微裂纹和气孔率, 因此其内耗最高; 用 HP 工艺制备的 SiC/SiC 复合材料结构缺陷最少, 内耗最低; 用 CVI 工艺制备的 SiC/SiC 复合材料致 密化较高, 由于瓶颈效应含有一定的气孔, 因此内 耗适中。同时, 发现用 CVI 工艺制备的 SiC 基体的 结晶程度对内耗水平也有较大的影响。 界面层是 SiC/SiC 复合材料重要的结构单元, 为了改善性能, 已开发出不同类型的界面相。其中 PyC/SiC 多层界面相具有裂纹偏转和消耗断裂能的 特 点 [8][9][10]…”

Oxidation Behavior of SiCf/SiC Composites Modified by Layered-Y2Si2O7 in Wet Oxygen Environment

“…SiC f /SiC composites are considered as potential materials for hot-section components in advanced aircraft engine due to their outstanding properties, such as low density, superior toughness, high temperature resistance and non-brittle fracture failure [1][2][3] . However, because SiC reacts with water vapor and oxygen to form volatile silicon hydroxide (Si(OH) 4 ) [4][5] , the wet oxygen environment in aircraft engine leads to serious erosion or even failure for SiC f /SiC composites.…”

Enhancing Mechanical Property of SiC Fiber by Decreasing Fiber Diameter through a Modified Melt-spinning Process

“…连续 SiC 纤维具有高强度、高模量、耐高温和 抗氧化等特点, 是先进陶瓷基复合材料(CMCs)的增 强体之一 [1][2][3][4][5] 。在制备 CMCs 的过程中, 连续 SiC 纤 维通常被编织成二维或三维的编织物, 这就要求其 同时具有优良的力学性能和柔顺性 [6] 。 但 SiC 纤维作 为脆性陶瓷纤维, 柔顺性较差, 随着连续 SiC 纤维模 量的提高, 该问题更为突出。因此减小纤维直径、改 善柔顺性对 SiC 纤维在先进复合材料上的应用具有 重要意义, 同时还可以有效提高纤维的力学性能 [7] 。 连续 SiC 纤维的制备通常分为聚碳硅烷(Polycarbosilane, PCS)合成、熔融纺丝、不熔化处理和高 温烧成四个步骤 [8] 。熔融纺丝工序是决定纤维直径 的关键一步, 适宜的纺丝条件可以有效减小 PCS 纤 维直径, 从而减小 SiC 纤维直径。由于 PCS 具有分 子量较低、分子结构复杂与多分散性的特点, 纺丝 性与通常线性高分子(如 PAN)相比较差 [9] , 有关减 小 PCS 纤维直径的研究多集中于改善 PCS 的可纺性 上。Akira 等 [10] 将聚乙烯基硅烷(Polyvinylsilanes, PVS)作为纺丝助剂加入到 PCS 中, 经熔融纺丝可将 PCS 纤维直径由 11.8 μm 减小至 8.2 μm, 经辐照不 熔化、1200℃烧成后, SiC 纤维的直径由 9.1 μm 减 小至 6.0 μm, 强度由 2.5 GPa 上升到 2.7 GPa, 但在 PVC 与 PCS 混合过程中需要采用冷冻干燥技术, 工 艺较为复杂。汤明等 [11][12]…”