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全世界没几家能做的碳化硅纤维究竟有多优秀?

发布来源:互联网    发布时间:2021-04-15 17:52

碳化硅作为应用广泛的耐火材料,在传统领域早已是屡见不鲜,近些年随着大功率电子器件的发展,也乘着第三代半导体的东风在全世界范围内刮起了大力发展碳化硅半导体的浪潮,然而世界瞩目之下,有一个相对小众的领域却是已默默研究发展了30余年,那就是极具应用价值,在如今的航天和军工等领域不可或缺的—碳化硅纤维

说起特种纤维,大家想必首要想到的便是碳纤维,作为树脂材料的增强体,所复合形成的碳纤维增强树脂(CFRP)具有优异的综合性能,其在、空间平台和运载火箭、航空器、先进舰船、轨道交通车辆等十几个领域均有着巨大的发展潜力。

但碳纤维虽然有着高强度、高韧性的优异性能,在耐温性上却有一定的限制,相比之下,碳化硅纤维在极端条件下也能够保持良好的性能,尤其是耐高温、抗氧化性、高强度、高模量、高化学稳定性等特点,在尖端科技领域,如替代高温合金的发动机热端结构件,它是首选材料。

用作增强体的碳化硅材料从形态上分为晶须连续碳化硅纤维

晶须是一种单晶,碳化硅的晶须直径一般为0.1~2um,长度为20~300um,外观是粉末状,是一种很少缺陷的,有一定长径单晶纤维,它具有相当好的抗高温性能和很高强度。主要用于需要高温高强应用材质的增韧场合,如航天材料、高速切削刀具等。

连续纤维一般是采用先躯体法生产的长丝,具有高强度、高模量及高抗氧化性能,是制备耐高温复合材料的理想的增强体。

早在上世纪80年代,我国就看到了碳化硅纤维的巨大应用价值,提前布局,专门组织国内xx大学相关科研人员成立了SiC纤维课题组,先后突破了原材料制备与合成聚碳硅烷、连续熔融纺丝、不熔化处理、烧成等关键技术,于1991年建成了国内第一条连续碳化硅纤维实验生产线。

第一代SiC纤维于2005年后实现工业化生产,一举打破了日美等国长期以来对该类军事敏感材料的技术封锁和产品垄断。

但由于第一代SiC纤维存在氧含量高导致空气中长期使用温度不能超过1050℃的不足,与高温合金相当,优势不明显。因此,xx大学开展了第二代(KD-II型)SiC纤维关键技术攻关。在保持聚碳硅烷反应活性的同时,通过优化聚碳硅烷组成与结构,突破了可纺性良好的高软化点聚碳硅烷合成及无氧不熔化处理技术,优化了预烧和终烧工艺,掌握了具有自主知识产权的第二代连续SiC纤维工程化制备技术。

而为了推动第二代连续SiC纤维的产业化,xx大学与九江中船仪表有限公司合作于2016年5月在宁波市奉化经济技术区筹建了控股子公司宁波众兴新材料科技有限公司,建设第二代连续碳化硅陶瓷纤维产业化线,以满足我国国防建设及高端民用装备市场对高性能连续SiC纤维的需求。

此前,世界上仅和美国能批量通用级和商品级的SiC纤维,已实现产业化产能达百吨级的仅有碳公司和宇部兴产株式会社。美国GE、赛峰和碳素公司三家合资成立的NGS高级纤维株式会社,主要从事与生产航空发动机部件等使用的第三代碳化硅纤维。

全世界没几家能做的碳化硅纤维究竟有多优秀?(图1)

连续碳化硅纤维

连续SiC纤维产品应用

全世界没几家能做的碳化硅纤维究竟有多优秀?(图2)

目前众兴新材料所生产的连续SiC纤维批量化长度可达1000m,已走在世界前列,主要用于航空、航天、核工业等领域。由于制造工艺的特性,导致SiC纤维现在的价格仍极为昂贵,大多数领域都难以承受,SiC纤维的推广应用仍有很长的一段路要走。

不过对于一些有特殊性能要求的应用领域,SiC纤维不失为一种极优良的耐温增韧填料,只需少量添加复合,或许就能使产品突破瓶颈,达到更优的性能,在大规模应用还难以实现的当前,SiC晶须或短纤维作为功能性填料也是一种值得尝试的应用方式。

全世界没几家能做的碳化硅纤维究竟有多优秀?(图3)

碳化硅短纤维

可以预见到,未来我国的SiC纤维研发将进入合作与竞争并存的快速发展阶段,一方面加速第二代、第三代SiC纤维的产业化进程,降低制造成本,推动SiC纤维在航空航天领域的规模应用以及民用、核能等领域的应用,另一方面功能化SiC纤维将呈现百花齐放的格局,围绕特殊应用领域专用的SiC纤维。

坚持自主创新,实现多品种连续SiC纤维的高性能、低成本规模应用,将这种由国外封锁垄断的最尖端领域的材料国产化并且产业化,是一条艰苦而漫长的道路,但必须要有人走下去,小编相信,在我们的院所科研团队及众兴新材料这样优秀的高新技术企业的协力并进下,再难的技术瓶颈也终有攻克的一天!

本文相关词条概念解析:

纤维

纤维,通常人们将长度比直径大千倍以上且具有一定柔韧性和强力的纤细物质统称为纤维。天然纤维是自然界存在的,可以直接取得纤维,根据其来源分成植物纤维、动物纤维和矿物纤维三类。在动植物体内,纤维在维系组织方面起到重要作用。人工纤维是聚合物经一定的加工(牵引、拉伸、定型等)后形成细而柔软的细丝,形成纤维一般是指细而长的材料。纤维具有弹性模量大,塑性形变小,强度高等特点,有很高的结晶能力,相对分子质量小,一般为几万。纤维用途广泛,可织成细线、线头和麻绳,造纸或织毡时还可以织成纤维层;同时也常用来制造其他物料,及与其他物料共同组成复合材料。

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