中国粉体网讯 碳化硅纤维作为继碳纤维后发展的又一种新型高性能纤维，在航空航天、国防军工等领域有极高的应用价值，属于国家战略性新兴材料。一直以来，日美等国将其作为战略储备材料，对我国进行技术封锁和产品垄断，中国只能依靠自主研发实现高性能碳化硅纤维的国产化。因此，我国从20世纪80年代便开始了对第一代SiC纤维的研究，开启了长达40年的追赶之路。
图片图片来源：众兴新材
三大高精尖功能，令人欲罢不能
碳化硅纤维具有高温耐氧化性、高硬度、高强度、高热稳定性、耐腐蚀性和密度小等优点，是最为理想的航空航天耐高温、增强和隐身材料之一，同时其还具备小的中子吸收截面，因此在航空、航天、核能等领域具有广泛的应用前景。
航空发动机高温结构材料的技术制高点
高推重比是先进航空发动机不断追求的目标，而随着发动机推重比的提升，涡轮进口温度不断提高，现有高温合金材料体系难以满足先进航发。比如，现有推重比10一级的发动机涡轮进口温度均达到了1500℃，推重比12~15的发动机涡轮进口平均温度将超过1800℃，这远超高温合金及金属间化合物的使用温度。目前，耐热性能最好的镍基高温合金材料工作温度只能达到1100℃左右。而SiCf/SiC使用温度能提高到1650℃，被认为是最理想的航空发动机热端结构件材料。
在欧美等航空发达国家，SiCf/SiC已在航空发动机静止件上得到实际应用和批量生产，包括M53-2，M88，M88-2，F100，F119，EJ200，F414，F110，F136等多种型号军/民用航空发动机。
图片2022年1月，国产陶瓷基复合材料整体涡轮盘完成首次试飞，来源：中国航发动研所，华西证券研究所
尽管从20世纪80年代开始我国就将碳化硅陶瓷基复合材料（CMC-SiC） 应用技术研究列为重点发展领域，并在2022年1月，由西工大使用国产新型陶瓷基复合材料打造的航空发动机整体涡轮盘成功完成首次飞行试验验证，这也是国内陶瓷基复合材料转子件首次配装平台的空中飞行试验，标志着我们航空发动机的关键技术又取得了一项重要突破。不过，至今我国在CMC-SiC的应用范围和累计考核时间等均非常有限，与国外工程化应用研究存在巨大差距。
隐身材料，角逐军备高新技术
随现代无线电技术和雷达探测系统的迅猛发展，隐身技术作为提高武器系统生存、突防，尤其是纵深打击能力的有效手段，已成为军事强国角逐军备高新技术的热点。采用隐身材料技术是当前最有效可行的雷达隐身手段，而对于应用在特殊环境中的隐身材料，除了降低可探测性等基础条件外，还要求材料具有良好的热稳定性和耐腐蚀性。例如，高速飞行隐身战机的发动机尾喷管、机翼边缘等部位会面临高温氧化、高低温反复冲击的考验。SiCf/SiC不但具有优异的力学性能、抗氧化性能和更长的高温使用寿命，还具有良好的吸波性能，满足超高音速飞行器表面、发动机尾喷口、巡航导弹冒头端等武器装备高温部位的隐身需求，应用前景广阔。
小的中子吸收截面，核反应堆领域展神威
随着对反应堆安全问题的日益重视，目前的商业水堆核电站几乎全部使用的锆合金燃烧元件被重新考虑，碳化硅为包壳或基体材料的新型燃料元件成为新的研究热点。燃料元件是核反应堆的核心部件，其性能指标直接影响反应堆的安全性和经济性。SiCf具有高温强度大、硬度高、耐磨损性好、抗热冲击性好、热导率大以及抗氧化性强和耐化学腐蚀等优良特性，并且其小的中子吸收截面，低的固有活性和衰变热，使其适用于核反应堆领域，在轻水反应堆、熔盐反应堆和气冷快堆均有良好的应用前景。
先进技术一直由日美所掌握
诞生40多年来，SiC纤维得到迅猛发展，根据纤维组成、结构的不同，可以分为第一代、第二代及第三代纤维，第一代为高氧碳含量碳化硅纤维，第二代为低氧高碳含量的碳化硅纤维，第三代为近化学计量比的碳化硅纤维。在SiC纤维发展历程中，日本、美国等国家始终在竞争中占据主动。
国外碳化硅纤维发展历程
日本——世界上制备工艺最成熟的国家
早在1975年，日本东北大学的矢岛圣使教授等首次采用PIP法制备了碳化硅纤维。1980年，日本采用CVD法研制出含钛碳化硅纤维。随后，多家公司逐渐开始了碳化硅纤维的研究。
日本碳素公司在1981年碳化硅纤维的月产量已达到100kg，之后于1983年建立了月产1t连续碳化硅纤维的工业生产线，并以“Nicalon”商品名销售；为了进一步提高纤维的性能，1995年，该公司采用电子辐照不熔化法来降低不熔化纤维中的含氧量，使得纤维的使用温度达到了1400℃，并实现了工业化生产，且生产的碳化硅纤维中只含有碳、硅、氧元素。
1988年，日本宇部兴产公司采用PIP法，以一种特殊纺丝方法制成了性能更好的含钛碳化硅纤维，称为TYRANNO。2010年底，在宇部工厂内部建立了含钛碳化硅纤维的中试厂，该公司生产的碳化硅纤维中含有异质元素钛、铬、铝。
日本Enetec总研公司于2007年进行设备投资，随后与京都大学和法国原子能厅CEA签署了碳化硅纳米粉的协议，并与Gunze（昆杰）公司合作开发碳化硅纺织品，掌握了碳化硅纤维织造和编织技术，能把硬而易折断的碳化硅纤维织造或编织成板状、管状等形状的预制件。截至2011年，已生产出和宇部兴产公司生产的最高级别碳化硅纤维（“TYRANNO SA”）同样性能的产品。
作为最早研究碳化硅纤维的国家，经过多年来的研究和发展，日本现已成为世界上制备工艺最成熟的国家。
美国——最早把CVD法制备碳化硅纤维应用到实际生产
继日本之后，美国是第二大研究并制备碳化硅纤维的国家。世界上最早把CVD法开发制备碳化硅纤维应用到实际生产中的公司是美国的TEXTRON SYSTENS公司，他们在20世纪70年代初取得技术上的突破，初步实现了大直径碳丝的制备，并在此基础上优化制备工艺，研究开发出成本低、经济效益高、性能好的连续碳化硅纤维。
1980年，道康宁公司采用PIP法制备碳化硅纤维，首先，用氢化聚硅氮烷和甲基聚二硅氮烷为先驱体制得了Si-C-N纤维，接着以聚碳硅烷为先驱体制得了强度、模量高，耐热性好的含硼多晶碳化硅纤维，并已制得连续长纤维，工业化后，其产品命名为Sylramic系列碳化硅纤维，该系列纤维在氩气环境下使用温度达到1500℃。
国产SiC纤维：自己动手，丰衣足食
图片图片来源：宁波材料所先进能源材料工程实验室
第一代SiC纤维的突破
上世纪80年代，我国意识到碳化硅纤维作为新型材料，在航空航天领域有潜在的应用价值，于是及早入手，提前布局，专门组织国防科技大学相关科研人员成立了SiC纤维课题组。
课题组一步步建立SiC纤维制备技术体系，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，国防科技大学冯春祥教授为首的科研团队经过艰苦的探索，于1991年建成了国内第一条连续碳化硅纤维实验生产线。在国内，国防科技大学科研团队对聚碳硅烷和SiC纤维领域最早进行了研发与探索，培养了一批SiC纤维领域的技术研发人才，留下的技术储备为不久的将来SiC纤维的工业化打下了基础。
2000年以后，我国进入了第一代SiC纤维的应用研究阶段，开始了艰苦攻关，自主研发的SiC纤维产业化开发。苏州赛力菲陶纤有限公司、厦门大学等单位先后投入力量进行SiC纤维的研制。
2005年，在江苏省和苏州市政府的推动下，耐高温连续碳化硅纤维实施产业化开发，苏州赛力菲陶纤有限公司成立并落户苏州新区。赛力菲聘请了冯春祥教授为总工程师，组建了一支实力强大的科研团队，通过艰苦攻关，自主研发，实现了关键核心装备自制，成为国内首家实现连续碳化硅纤维生产的企业，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。
第二代连续SiC纤维的追赶
近10年来，航空发动机研制对耐高温连续SiC纤维提出了明确需求，直接推动了第二代、第三代SiC纤维的工程化技术发展。
针对第一代SiC纤维氧含量高导致空气中长期使用温度不能超过1050℃的不足，国防科技大学开展了第二代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。
“十二五”期间累计向中航工业集团、航天科技集团等用户单位提供了600多公斤第二代连续SiC纤维与织物，初步满足了先进航空发动机等对第二代连续SiC纤维的迫切需求。
为推动第二代连续SiC纤维的产业化，国防科技大学与九江中船仪表有限责任公司合作于2016年5月在宁波市奉化经济技术开发区筹建了控股子公司宁波众兴新材料科技有限公司，建设年产十吨级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。
厦门大学也开展了第二代SiC纤维的工程化技术研究，并且与福建火炬电子科技股份有限公司合作进行产业化开发。
至此，连续SiC纤维在产品种类、性能和产量上已有大幅进步，初步突破了国外对连续SiC纤维的制备技术、工艺设备到产品实施禁运的一系列封锁措施。
剑指第三代SiC纤维
为进一步提高国产 SiC 纤维的高温性能，国防科技大学开展了第三代 SiC 纤维的研制。国防科技大学研制的第三代纤维主要包括KD-S和KD-SA两种，前者主要用于先进核能领域，后者主要用于高温结构材料。KD-S 纤维利用加氢烧成法除碳，具有近化学计量比的组成，拉伸强度大于 2.5GPa。KD-SA 纤维采用类似于 Tyranno SA 纤维的制备路线，前驱体聚铝碳硅烷是由低分子量聚碳硅烷与乙酰丙酮铝或氯化铝制备的，KD-SA 纤维目前取得了很大进展，强度大于 2.2GPa，拉伸模量达到 380GPa。此外，为满足高温隐身结构材料的需求，国防科技大学还开展了吸波纤维的研究。
研发与产业化力量逐渐壮大
近年来，陆续有多家单位也开始从事碳化硅纤维的研究与生产，例如，厦门大学继国防科技大学之后，也建成了连续 SiC 纤维的中试研究设备平台，采用电子束辐照交联技术进行了第二代 SiC 纤维的研制。采用类似日本 Hi-Nicalon S 纤维的制备路线研究了 H2 还原方法制备近化学计量比的纤维，已经制得了连续 SiC 纤维样品；同时还采用类似于 Tyranno SA 的路线对制备 Si-Al-C 纤维进行了初步探索 。
在连续 SiC 纤维的社会效益和经济效益的带动下，企业也开始加入连续 SiC 纤维的开发当中，苏州赛力菲陶纤有限公司曾经与国防科技大学合作，在苏州建厂，进行连续 SiC 纤维产品的开发，目前实现了吨级第一代连续 SiC 纤维的生产，并以“赛力菲 -SLF”商品名销售。宁波众兴新材料科技有限公司依托国防科技大学的技术、福建立亚新材料有限公司依托厦门大学的技术，均实现了十吨级第二代连续 SiC 纤维的工程化，纤维性能全面达到国外同类型Hi-Nicalon 性能水平。
小结
随着国防事业现代化、军事力量和武器装备科技化的加速发展，高性能纤维在各个领域得到了高速的发展，而碳化硅纤维作为高性能纤维的代表，以其优异的耐高温、耐腐蚀、吸波性受到了广泛的关注。
尽管被技术封锁几十年，好在我们从未放弃追赶。目前，我国部分碳化硅纤维制备技术水平已接近国际先进水平，但整体而言，我国与国外相比还存在一定差距，尤其是在实现工业化生产方面差距巨大。碳化硅纤维作为一种国家战略储备性新材料，国家正在加大部署和投资力度。相信不久的将来，我国能够逐步掌握碳化硅纤维的核心技术，并实现碳化硅纤维的工业化生产。
参考来源：
[1]新材料产业七大发展方向.全球铝合作伙伴
[2]王应德等.连续碳化硅纤维-高性能陶瓷纤维及其复合材料|中国新材料研究前沿2021
[3]国内外碳化硅纤维发展现状.纺织导报
[4]韦鑫等.高性能碳化硅纤维研究进展
[5]杨连等.功能化碳化硅纤维研究进展
[6]陈代荣等.连续陶瓷纤维的制备、结构、性能和应用
[7]江洪等.碳化硅纤维国内外研究进展
（中国粉体网编辑整理/山川）
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