碳化硅纤维的研究与发展
日期：2018-12-26 09:54
碳化硅制品
国外发展最快的耐高温陶瓷纤维吸波材料是SC纤维,SsiC纤维是继碳纤维Cl之后开发的最重要的一种高性能纤维,其强度大、韧性好、热膨胀系数低、密度与硼纤维相当、耐高温性能特别好,能够在1200℃下长期工作。用SC可以制备具有宽频带吸收的结构吸波材料。此外,SiC纤维还可以抗γ射线辐射以及高速粒子流和电子流的冲击,与各种基体(金属基、树脂基和陶瓷基)的浸润性复合性好。它既能隐身又能承载,可成型成各种形状复杂的部件,是当代吸波材料另一主要的发展方向。
通常制备的SiC纤维是一种典型的透波材料,要使这种SiC纤维具有良好的吸波性能,必须降低其电阻率或调整磁导率,提高电磁损耗。当SiC纤维的电阻率在10~153·cm之间时,属杂质型半导体,具有最佳的吸波性能。碳化硅的导电类型和电阻率值可以通过B、P、Al、Si、O以及退火和中子或电子辐照等方法来调整。例如,在 Nicalon-SiC纤维中Si、O、C的物质的量的比为3:1:4,C有一定过剩。三种元素以SiO2、SiC和C的形式存在,Si约占65%SiO2约15%,其余为自由碳。由于存在SC和C,所以碳化硅纤维具有一定的电导率,且随着热处理温度的升高,纤维的电导率升高。当碳化硅纤维的电阻率为101~1039·cm时,吸收雷达波的效果最好。
研究表明,复合材料的电损耗与SsiC纤维的体积分数、材料制备条件,尤其是纤维表面形成的富碳界面层有关。常见的碳化硅纤维改性方法如下。
①高温处理法。纤维在经过高温处理后,会析出大量游离碳粒子,使纤维的电阻率降低、介电损耗增加,从而具有一定的吸波性能。但在高温处理过程中,维内部的O会与C、S等元素反应,生成CO、SO等物质,使纤维CNc下降,力学性能大幅降低。
②表面处理法。通过在碳化硅纤维表面沉积或涂覆其他物质以改善纤维电磁性能,常用的沉积物质有碳、磁性金属、钡铁氧体等。但对于磁性沉积物,在c高温下会失去磁性而导致碳化硅纤维吸波性能下降。
③掺杂异元素法。通过在SC纤维内掺杂一些具有良好导电性的元素或物相以调节SC纤维的介电损耗和吸波能力。掺杂的方法主要有物理掺杂法和化学掺杂法两种。
④改变纤推截面形状法,将碳化硅纤维制备成三叶形、半圆形或中空等后,其吸波性能得到不同程度的改善。另外,与圆形截面SiC纤维相比异形截面SC纤维的力学性能、纤维与基体间的复合性能等都有较大改善。
在SC纤维内掺杂的方法主要有两种:一种是在前驱体中加入良好导电性或磁性的物质;另一种是在前驱体中加入有机金属化合物,在烧结过程中有机金属化合物分解生成金属微粒或金属碳化物,从而调节SC纤维的微波电磁性能。例如,通过化学镀方法在SC纤维表面镀上一层1~5m的镍、钴和铁,调节其微波电磁性能,使SiC吸波性能得到明显改善。也有研究者发现随着烧结温度的升高和纤维内镍含量的增加,陶瓷纤维的电阻率下降,复电磁参数均增大,这种纤维与环氧树脂复合制成的复合抗干扰材料对雷达波具有良好的吸收。
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