增强体复合材料原理

主要内容一二Al2O3纤维SiC纤维知识点3-纤维（SiC纤维、Al2O3纤维）、晶须、颗粒三四晶须颗粒

一、SiC纤维（a）SiC纤维丝（b）SiC纤维编织带图1SiC纤维及其编织带1．分类按形态分为连续纤维、短切纤维。按集束状态分为单丝、束丝两种。通常用于复合材料的SiC纤维有以下几种：1）CVD碳化硅纤维：CVD法制备的有芯、连续、多晶、单丝纤维。2）Nicalon（尼卡纶）碳化硅纤维：用先驱体转化法制造的连续、多晶、束丝纤维。3）碳化硅晶须：气－液－固法制备的具有一定长径比的单晶纤维。碳化硅纤维是以碳和硅为主要组成的陶瓷纤维

2．性能特点1）力学性能：强度、拉伸模量高、密度低。见表2-52）热性能：热性能优良，1000℃以下，力学性能基本不变，可长期使用；1300℃以上时，性能下降。3）耐化学性能：耐化学性能优良，80℃以下耐强酸（HCl、H2SO4、HNO3），用30%NaOH浸蚀20h，纤维仅失重1%以下，且力学性能不变；在1000℃以下与金属不发生反应，且浸润性良好，宜制金属基复合材料。4）耐辐射和吸波性能：碳化硅的吸波能力超强，是最有效的吸波材料；对3.2×1010中子/秒的快中子辐射1.5h或以能量为105中子伏特、200纳秒的强脉冲γ射线照射下，其强度均无明显下降。5）具有半导体性，体积电阻率10-1~106欧姆.厘米。6）直径细，可以编织织物

表1Nicalon碳化硅纤维的主要品种及其典型性能性能通用级HVR级（NL-400）LVR级（NL-500）碳涂层（NL-607）长丝直径/μm14数/束250~500250~500500500纤度/g·(1000m)-1105~210110~220210210拉伸强度/MPa3000280030003000拉伸模量/GPa220180220220伸长率/%1.41.61.41.4密度/g·cm-32.552.302.502.55电阻率/Ω·cm103~104106~1070.5~5.00.8热膨胀系数/10-6K-13.1--3.1比热容/J·(kg?K)-31140--1140热导率/W·(m?K)-112--12介电常数（10GHz）96.520~3012

单元容3．制备主要有两种：化学气相沉积（CVD）和先驱体法。1）CVD化学气相沉积法图2柱形反应室原理：是将W丝或C丝作为芯丝，通H2清洗表面后送入柱形反应室。反应室中通入氢气（70％）和氯硅烷（30％）混合气体，芯丝被高频加热（60MHz）或直流加热（250mA），沉积室温度在1200℃以上，发生分解反应：CH3SiCl?SiC+3HCl产生的SiC沉积在芯丝表面即可形成SiC纤维。

碳芯SiC纤维的结构（1）芯：d=33μm，为W丝或碳丝；（2）芯表涂层（热解碳）：1.5μm，增加热传导，缓冲碳芯与沉积层间热胀不一导致的不匹配；（3）SiC沉积层：~50μm，又包含四层：SiC-1，6μm(内)；SiC-2，4.5μm；SiC-3，4.5μm；SiC-4，35μm（外）；晶粒尺寸增加，取向不同，缺陷增加。（4）纤维表面涂层（热解碳）：3μm，又分为三个亚层：Ⅰ－最表层，富碳，弥合SiC表面的裂纹，提高强度；为陶瓷基复合材料提供弱界面，提高韧性；易与金属基体反应，提高结合强度。Ⅱ－缓冲层；Ⅲ－最里层，Si:C?1:1，能保持纤维强度，称保护层。图3碳芯SiC纤维的结构共有四层：

表2CVDSiC纤维的性能性能钨芯碳芯直径/微米102142102142拉伸强度/GPa2.762.76－4.462.413.4拉伸模量/GPa434－448422－448351－365400密度/g·cm-33.463.463.13.0热膨胀系数10－6℃-1－4.9－1.5表面涂层富碳C+TiBX－Si/CCVD法SiC纤维适用于金属基、聚合物基、陶瓷基等性能

2）先驱体法图4Nicalon－SiC纤维制备工艺流程先驱气体（原材料）：氯硅烷包括甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷、乙基三氯硅烷、四氯硅烷（SiCl4+烷烃）1）聚碳硅烷制备2）熔融纺丝3）不融化处理（氧化）4）高温烧成四个阶段

图6Nicalon纤维的微观结构Nicalon纤维的微结构（图6）：?-SiC微晶呈立方晶型，同于金刚石结构，SiO2和游离碳分布于?-SiC的晶界上。其质量分数为：SiC:63%、SiO2