國內外碳化硅纖維發展現狀

碳化硅（SiC）纖維具有抗氧化、耐化學腐蝕、耐高溫、高比強度、高比模量等優異性能，是繼碳纖維后發展的又一種新型高性能纖維，在航空航天、國防軍工等領域有極高的應用價值，屬于國家戰略性新興材料。

SiC 纖維自上市迄今已有30多年，目前領先的生產商集中在日本和美國。其中，日本碳素公司（Nippon Carbon）的產能達120 t/a，UBE工業株式會社在含鈦SiC纖維（Tyranno）方面居世界領先水平。后者有標準型（非晶質）和高溫型（多晶質）品類，高溫型產品可耐1800 ℃，導熱系數是標準型的20倍。Tyranno SA3是經Ar＋離子束照射，使表面結晶微細化，拉伸強度由照射前的2.8 GPa提高至3.1 GPa。

日本新能源·產業技術綜合開發機構（NEDO）發布的2015—2019年計劃提出生產成本較低、特性穩定、生產效率高的高性能（1400 ℃×4 h處理后纖維強度下降不超過20%）SiC纖維。美國航空航天局（NASA）的無氧SiC纖維迄今無人可敵，最高耐熱溫度高達1800～2000 ℃，其摻硼的SiC纖維“Sylramic”強度高達3 GPa；美國特種材料公司生產的SiC纖維直徑142μm，拉伸強度和模量各為3900～5900 MPa和380～415 GPa；韓國SK Siltron CSS將投入3億日元增加在美國密歇根州的SiC制品產能，并在該廠附近興建新工廠。

在SiC纖維增強復合材料（CMC）方面，CMC的復合方法有反應熔融浸滲法（RMI）、化學氣相浸滲法（CVI）、聚合物浸漬熱解法（PIP）和熱壓燒結法（HPS）。第3代SiC纖維的表面涂有氮化硼（BN）涂層，BN中含異種元素，可控制納米組織，從而使復合材料的耐熱性、強度和蠕變特性均獲改進，適用于航空發動機的高壓和低壓透平、燃燒器襯里、火箭發動機燃燒器及噴嘴、發電廠氣體透平、高檔汽車剎車片用CMC等。

NEDO 進行了SiC纖維預成型體的開發，纖維體積分數在30%以上，同時開發了新型復合材料和快速成型加工技術及CMC部件，實現1400 ℃級CMC生產技術的開發。

我國也有國防科技大學等高校、科研院所和蘇州賽力菲等企業研發和小批量生產SiC纖維。福建立亞新材有限公司是2015年成立的后起之秀，總投資10億元，生產第2代SiC纖維（10 t/a），第3代為噸級規模，同時生產小批量氮化硅（Si3N4）纖維。后者具有高強高模、耐高溫氧化、耐腐蝕、耐磨、電磁波反射率低、透過率高、在1400 ℃下可長期穩定工作等優異性能，是制備高速飛行器天線罩的首選材料。國防科技大學研究以SiC纖維為原料，通過真空退火制得連續石墨烯纖維（GFS）和石墨烯/SiC纖維。這種連續石墨烯密度1.63 g/cm3，電導率53900 S/m，拉伸強度和模量各為0.22 GPa和23 GPa，電磁干擾屏蔽效率62.8 dB。石墨烯/SiC纖維絲束柔韌性好，在樣品厚度為2.1 mm時，可實現-54.86 dB的最小反射損耗（RL）值，當樣品厚度為1.4 mm時，纖維的有效吸收寬度可達4.4 GHz。寧波材料所杭州灣研究院發明了含硼碳化硅纖維（B－SiC纖維），原料為有機硅聚合物，力學性能比SiC纖維高，并附加特殊功能。中國航發北京航空材料研究院研制的SiC增強陶瓷基抗燒蝕復合材料，是將SiC與ZrSi2、ZrB2或ZrC等功能粉體的料漿制成單向帶預浸料后，熱壓成型制備預制體，再碳化、熔滲制得陶瓷基復合材料。其中引入鋯化物后，在高溫氧化時能生成SiO2和ZrO2而起協同作用，能有效阻止氧化介質進入復合材料內部從而提高抗燒蝕和抗氧化性能。

更多內容請查閱紡織導報2023年第3期《全球高性能纖維及其復合材料行業新進展》一文。