隨著科學技術的高速發展，航空航天、國防、能源等領域對材料的強度、模量、耐高溫、抗氧化等性能的要求也越來越高。然而，由于性能受限，普通材料已很難滿足高端領域的應用需求，陶瓷纖維增強被證明是改善材料性能的一條有效途徑。

陶瓷纖維

陶瓷纖維按照化學組成可分為兩大類，一為氧化物陶瓷纖維；二為非氧化物陶瓷纖維。二者對比下，非氧化物陶瓷纖維具有高強度、高模量、耐高溫、抗蠕變、抗燒蝕、抗氧化、透波、吸波等獨特優勢等獨特優勢。這些特性使非氧化物陶瓷纖維在需要極端性能的應用領域，如航空航天、核能、汽車工程、半導體制造等領域得到廣泛應用。隨著技術的不斷發展，這些纖維的應用領域還將不斷擴展，包括新能源技術、高溫熱電材料等。

非氧化物陶瓷纖維概述

非氧化物陶瓷纖維一般由硼(B)、碳(C)、氮(N)、鋁(m)、硅(si)等輕元素構成，是一種性能優異的增強體和承載體。將纖維以一定方式加入到基體材料中，引入不同的吸能機制，既可以依靠高強度纖維來分擔外加載荷，又可利用纖維與基體材料的弱界面結合來吸收外來能量，從而達到提升基體材料性能的目的。

但不同組分的非氧化物纖維在應用及研究方向上各有區別，以下是常見幾類非氧化物陶瓷纖維的概述。

①碳化物陶瓷纖維

碳化物陶瓷纖維通常由碳化硅(SiC)或碳化硼(B₄C)等碳化物材料制成，具有出色的高溫穩定性、高強度、高模量、耐腐蝕性和耐磨性，因此在高溫、高壓、腐蝕性環境以及一些先進工程應用中具有廣泛的潛在應用價值。另外像鋯(Zr)、鈦(Ti)、Al、B元素的引入還可改善碳化硅(SC)纖維性能，而碳化鋯(ZrC)和硼化鋯(ZrB₂)具有高熔點、高硬度及高模量等優良特性。因此，將ZrC和ZrB₂引入SiC纖維是一個不錯的選擇。

碳化硅纖維

目前，國外碳化物陶瓷纖維研究已取得巨大的成功，實現了工業化生產，從事研發的公司有日本碳素公司、日本東燃化學株式會社、德國弗勞恩霍夫陶瓷技術和系統研究所、日本宇部興產公司、美國道康寧公司、美國明尼蘇達礦業及機器制造公司、美國沃頓化工有限公司等。尤其值得關注的是，美國通用電氣（GE）將在最新型引擎上采用日本廠商制造的重量輕、且具備高耐熱性的碳化硅（SiC）纖維，企圖通過飛機的輕量化來改善燃效。

使用SiC纖維的陶瓷復合材料零部件

②氮化物陶瓷纖維

氮化物陶瓷纖維是一種高性能纖維材料，通常由氮化硼（BN）或氮化硅（Si3N4）等氮化物陶瓷材料制成。氮化物陶瓷纖維大都采用前驅體轉化法制備，與碳纖維、碳化硅(SiC)纖維的制備過程相似，因而在組成結構和性能上具有良好的可設計性和可調控性，擁有巨大的發展潛力。

氮化硼連續纖維

根據研究，作為陶瓷基復合材料的增強纖維，氮化物陶瓷纖維除了具有與碳纖維、氧化鋁纖維等類似的增韌作用，同時還具有組成結構與介電性能的可調控特性，是耐高溫、承載、電磁功能一體化的關鍵原材料。Si?N?陶瓷纖維很早就有研究報道，三元和四元氮化物陶瓷纖維也陸續被國內外實驗室研制出來，但是其制備技術和應用技術的發展明顯慢于碳化物和氧化物連續纖維。

目前，關于連續陶瓷纖維的綜述還很少，國內氮化物陶瓷纖維的發展也稍晚于國外，但是基礎研究發展很快，代表單位有廈門大學和國防科技大學等，基本形成了與美、日、德、法并跑的科研格局。

③硼化物陶瓷纖維

ZrB₂和硼化鈦(TiB₂)不僅熔點高（3000°C以上），還具有較低密度、高硬度、高模量、高熱導率、高電導率及良好的化學穩定性，在超高溫材料中擁有廣闊的應用前景。但同時也存在燒結性差，以及斷裂韌性偏低的不足，而采用先進的燒結技術（熱壓、閃電燒結和火花等離子體燒結）能夠有效解決以上問題。

④其他陶瓷纖維

除以上主要的3類陶瓷纖維外，非氧化物陶瓷纖維還包括碳氮化物三元陶瓷及硅硼碳氮(siBCN)等多元陶瓷體系。

如LONG X等以低相對分子質量聚硼硅氮烷與二氯二茂鋯為原料，通過熔融紡絲法獲得原纖，在90℃的BCl₃/N₂氣體中固化1h，再經1400℃的氬氣加熱1h，最終獲得直徑為50μm的SiBNC-Zr陶瓷納米復合材料纖維。結果表明Zr元素的引入，有效地提高了SiBNC-Zr陶瓷纖維的抗氧化性。YUMH等以廉價市售的正丙胺、HSiCl₃和BCl₃為原料，在N₂氛圍中利用熔融紡絲法，最終得到了直徑為19μm的SiBNC陶瓷纖維，其平均抗拉強度為1.05GPa，且在1600℃時仍保持無定形狀態。

結語

目前，非氧化物陶瓷纖維的研究雖然取得了一定的進展，其中碳化物非氧化陶瓷纖維的研究和應用已比較成熟，部分也已有商業化應用；氮化物陶瓷纖維相關研究與應用較少，制備工藝條件苛刻、難控制，因此優化制備技術和研發工藝裝備將是一條可行的路徑；硼化物陶瓷纖維存在燒結性差、斷裂韌性偏低的不足，研發先進的燒結技術是發展的方向。

而我國目前已經發展了多種非氧化物陶瓷纖維的制備工藝，但流程過于繁雜，且成品纖維性能不夠理想，因此如何實現綜合性能優良的非氧化物陶瓷纖維的大規模、低成本的工業化制備將會是該領域的主要挑戰。

資料來源：

趙來江,胡錦健,代鑫,等. 非氧化物陶瓷纖維的研究進展[J]. 合成纖維工業,2023,46(2):62-66. DOI:10.3969/j.issn.1001-0041.2023.02.013.

邵長偉,龍鑫,張帥,等. 氮化物陶瓷纖維的制備、結構與性能[J]. 航空制造技術,2020,63(15):90-101. DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2020.15.090.

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