碳化硅晶須在復(fù)合材料中的作用

發(fā)布時間 | 2021-09-26 11:23 分類 | 粉體應(yīng)用技術(shù) 點擊量 | 1505

碳化硅

導(dǎo)讀：無機晶須是一種由高純度單晶生長而成的微納米級的短纖維，其力學(xué)強度相當(dāng)于原子間力產(chǎn)生的強度，并且無機晶須的截面十分完整、結(jié)構(gòu)缺陷較少、長徑比范圍較大，因此在應(yīng)用于高分子材料、復(fù)合材料...

無機晶須是一種由高純度單晶生長而成的微納米級的短纖維，其力學(xué)強度相當(dāng)于原子間力產(chǎn)生的強度，并且無機晶須的截面十分完整、結(jié)構(gòu)缺陷較少、長徑比范圍較大，因此在應(yīng)用于高分子材料、復(fù)合材料等材料的改性過程中，能極大地改善材料的理化性質(zhì)和力學(xué)性能。

能夠制成晶須的無機材料很多，碳化硅就是代表之一。作為一種共價鍵極強的材料，碳化硅陶瓷具有高強度、高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、高硬度、抗蠕變、耐磨、耐腐蝕、抗氧化以及熱穩(wěn)定性等優(yōu)良的綜合性能。當(dāng)其以晶須形態(tài)存在時，有α型和β型兩種晶型，其中β型碳化硅晶須是當(dāng)前已知的晶須中具有最高硬度、最大模量、最大抗拉伸強度和最強耐熱性的產(chǎn)品，具有很高的性價比，而且容易與材料進行復(fù)合，因而國際社會對碳化硅晶須展開了廣泛的研究。

α型和β型的碳化硅晶須性能對比

一、碳化硅晶須的應(yīng)用

作為一種高效的補強材料，碳化硅晶須能通過裂紋偏轉(zhuǎn)、斷晶作用、晶須拔出效應(yīng)和裂紋橋聯(lián)作用阻止微裂紋的進一步擴展，強化增韌復(fù)合材料，目前主要被用于金屬基、樹脂基、陶瓷基等復(fù)合材料上。

增強金屬基復(fù)合材料

目前金屬基復(fù)合材料MMC中基體材料比較常見的主要有以下幾種：①密度小，比強度高的Al、Mg金屬基體；②高熔點、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、高溫性能優(yōu)良的Ti金屬基體；③耐高溫，高磁導(dǎo)率，低矯頑力的Fe、Ni金屬基體；④導(dǎo)電、導(dǎo)熱，抗腐燭能力的Cu、Ag、Au金屬基體。

其中，SiC_W/Cu復(fù)合材料抗拉強度高，綜合性能良好；SiC_W/Al基復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比，具有更高的比剛度、比強度、軸向拉伸強度、耐磨損性能，更低熱膨脹系數(shù)；MB15材料在加入SiC_W后提高了硬度和時效速度。

增強陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷材料由于具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫，以及優(yōu)良的高溫力學(xué)性能而被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，然而陶瓷材料的最大缺點是脆性大、易斷裂，因此阻礙了它們在應(yīng)用上的發(fā)展。為了增高陶瓷材料的強度，改善其脆性，提高可靠性，通過晶須增韌陶瓷基復(fù)合材料是目前最有效的解決方法之一。

碳化硅晶須增強陶瓷基復(fù)合材料的制備方法較多，主要包括：熱壓燒結(jié)法、熱等靜壓燒結(jié)法、無壓燒結(jié)法、化學(xué)氣相滲透法、放電等離子燒結(jié)法。同時，碳化硅晶須增強陶瓷基復(fù)合材料已應(yīng)用于多種陶瓷基復(fù)合材料，如SiC_W增韌Al₂O₃/Ti₃SiC₂復(fù)合材料可提高其斷裂韌性和抗彎強度；增韌ZrB₂材料可提高其彎曲強度和斷裂韌性；增韌Ti(C,N)基金屬陶瓷復(fù)合材料時可提高其各項力學(xué)性能。

增強樹脂基復(fù)合材料

高性能樹脂基復(fù)合材料由于具有較高的比模量、比強度、抗疲勞性、抗振性、耐腐蝕性、低熱膨脹系數(shù)以及低密度，在國民行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。不過對于航空航天領(lǐng)域來說，雖然高性能樹脂基復(fù)合材料可減輕很多零部件的質(zhì)量，但要作為主要承力部件，高性能樹脂材料需具備耐高溫、更高的強度、高透波性、吸波性、隱身性等性能，因此采用碳化硅晶須增韌樹脂基復(fù)合材料成為了新的研究熱點。

郭衛(wèi)衛(wèi)研究采用光固化快速成型技術(shù)制備碳化硅晶須增強紫外光固化用樹脂基復(fù)合材料，以偶聯(lián)劑KH550對晶須進行表面處理，研究晶須的添加對材料光固化速度以及對制備工藝、材料力學(xué)性能的影響。試驗得出，加入碳化硅晶須可大幅度減慢光固化速度并改善復(fù)合材料力學(xué)性能嗎，而且對光固化工藝幾乎無影響。

目前，使用碳化硅晶須增強、增韌的先進復(fù)合材料已廣泛用于航空航天、國防軍工和民用等眾多工業(yè)領(lǐng)域，如：①航空航天用軸承、燃料系統(tǒng)閥門、燃燒器電池、高性能雷達天線和紅外線整流罩、直升機和噴氣飛機零件等；②汽車用燃燒噴射器，低熱排泄內(nèi)燃機以及其他熱機零件等；③化工、能源領(lǐng)域中汽油重整裂化器，機械用封蓋噴嘴等；④電子行業(yè)中多層電容器，壓力和氣體傳感器等；⑤生物陶瓷領(lǐng)域中人造牙齒，骨頭，關(guān)節(jié)等。

二、總結(jié)

憑借各項優(yōu)良的綜合性能，碳化硅晶須享有“晶須之王”的美譽，備受國內(nèi)外科研工作者的關(guān)注。據(jù)悉美國和日本很早便投入到了碳化硅晶須的研究和工業(yè)化生產(chǎn)中，并獲得了顯著的社會效益，我國在這方面起步較晚但進展迅速，提高碳化硅晶須及其它晶須的研究層次，有利于提升我國復(fù)合材料的研究水平，對提高我國在國際社會中的軍事競爭力具有重大幫助。