Siliziumkarbidfasern zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen

Siliziumkarbidfasern sind eine Art keramisches Hochleistungsmaterial mit Kohlenstoff und Silizium als Hauptbestandteilen. Morphologisch wird sie in Whisker und kontinuierliche Siliziumkarbidfasern unterteilt und hat die Vorteile von Hochtemperaturoxidationsbeständigkeit, hoher Härte, hoher Festigkeit, hoher thermischer Stabilität, Korrosionsbeständigkeit und geringer Dichte.

Im Vergleich zu Kohlenstofffasern können Siliziumkarbidfasern auch unter extremen Bedingungen eine gute Leistung erbringen. Aufgrund ihrer guten Leistung hat sie in High-Tech-Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, militärischen Waffen und Ausrüstungen viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen und wird häufig als hochtemperaturbeständiges Material und Verstärkungsmaterial verwendet. Außerdem wird mit der Entwicklung der Aufbereitungstechnologie die Anwendung von Siliziumkarbidfasern allmählich auf fortschrittliche Sportgeräte, die Entstaubung von Autoabgasen und andere zivile industrielle Aspekte ausgeweitet.

Siliziumkarbid-Matrix-Verbundwerkstoffe

Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technik sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Hochtemperaturwerkstoffen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt, militärische Waffen und Ausrüstung gestiegen. Die Hochtemperaturwerkstoffe sollten eine hohe Festigkeit, einen hohen Modul, eine gute chemische Korrosionsbeständigkeit, Kriechbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit und Ermüdungsbeständigkeit sowie andere hervorragende Eigenschaften in der Hochtemperaturumgebung aufweisen. Siliziumkarbidfasern haben gute Eigenschaften in diesen Bereichen sowie eine gute Kompatibilität mit Keramik und Metallmatrix, so dass sie in diesen Bereichen Aufmerksamkeit erregt haben und zur Verstärkung von Verbundwerkstoffen verwendet werden.

* Verbundwerkstoff mit keramischer Matrix

Keramikmatrix-Verbundwerkstoff bezieht sich auf den Verbundwerkstoff, der durch Einbringen von Verstärkungsmaterial in die Keramikmatrix gebildet wird, wobei das eingebrachte Verstärkungsmaterial die dispergierte Phase und die Keramikmatrix die kontinuierliche Phase darstellt. Gegenwärtig werden zur Herstellung von mit Siliziumkarbid verstärkten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen hauptsächlich die CVD-Methode und die Aktivkohlefaser-Umwandlungsmethode verwendet.

In der Luft- und Raumfahrt werden Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix vor allem in Komponenten des heißen Endes von Triebwerken verwendet, darunter Teile der Heckdüse, der Verbrennungskammer, des Nachbrenners, des Turbinenaußenrings, der Leitschaufel, der Rotorschaufel und so weiter. Diese Komponenten erfordern eine hohe Leistung von Hochtemperaturwerkstoffen.

* Metallmatrix-Verbundwerkstoff

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe weisen sowohl die Eigenschaften von metallischen als auch von nichtmetallischen Werkstoffen auf. Im Vergleich zu Einzelmaterialien haben sie bessere mechanische und physikalische Eigenschaften wie Abriebfestigkeit, Zähigkeit, Wärmeausdehnung und elektrische Leitfähigkeit.

Die mit Siliziumkarbidfasern verstärkten Metallmatrix-Verbundwerkstoffe weisen bessere Leistungen in Bezug auf die spezifische Festigkeit, die spezifische Steifigkeit, den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Wärmeleitfähigkeit und die Verschleißfestigkeit auf und lassen sich leicht zu qualifizierten Metallmatrix-Verbundwerkstoffen verarbeiten. Darüber hinaus sind die Produktionskosten im Vergleich zu den Bor-Fasern niedriger, so dass sie in der zivilen Industrie wie der Luft- und Raumfahrt, bei militärischen Waffen und Ausrüstungen, bei Sportgeräten und in der Automobilindustrie eine breite Anwendung finden können.

Zu den gängigen Herstellungsverfahren für Metallmatrix-Verbundwerkstoffe gehören die Pulvermetallurgie, die Sprühabscheidung, das Gießverfahren, die Hochenergie-Ultraschall-Rekombinationsmethode, die In-situ-Rekombinationsmethode usw., wobei die Pulvermetallurgie zuerst eingesetzt wurde. Aufgrund der unterschiedlichen technologischen Prinzipien und Verfahren sind die Eigenschaften der mit diesen Methoden hergestellten Verbundwerkstoffe unterschiedlich, und jede Methode weist einige Mängel auf. Das Sprühverfahren beispielsweise hat einen kurzen Präparationszyklus und eine hohe Produktionseffizienz, aber auch Nachteile wie teure Ausrüstung, hohe Porosität und große Verluste an Rohstoffen.

Zu den gebräuchlichen Siliziumkarbid-Metallmatrix-Verbundwerkstoffen gehören mit Siliziumkarbid verstärkte Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe, mit Siliziumkarbid verstärkte Titanmatrix-Verbundwerkstoffe, mit Siliziumkarbid verstärkte Magnesiummatrix-Verbundwerkstoffe, mit Siliziumkarbid verstärkte Kupfermatrix-Verbundwerkstoffe usw., und es gibt viele Forschungen über mit Siliziumkarbid verstärkte Titanmatrix- und Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe.

Nach jahrzehntelanger Forschung und Entwicklung wurden die Herstellungsverfahren und Eigenschaften von Siliziumkarbidfasern erheblich verbessert. Die Technologie zur Herstellung von Vorläufern ist relativ ausgereift, und die Methode zur Umwandlung von Aktivkohlefasern ist eine wichtige Forschungsrichtung, um die industrielle Produktion von Siliziumkarbidfasern zu ermöglichen. Außerdem hat sich die Anwendung von mit Siliziumkarbidfasern verstärkten Keramikmatrix- und Metallmatrix-Verbundwerkstoffen allmählich von der Luft- und Raumfahrt und dem militärischen Bereich auf zivile Industriebereiche ausgeweitet.