“晶须之王”碳化硅及其增韧复合材料

随着现代科技的迅速发展，航空航天、能源等领域对结构材料的性能提出了更高的要求。开发高韧性、耐磨、耐腐蚀及热/化学稳定性好的新型复合材料成为材料研究的热点之一。其中，晶须增韧的复合材料由于其优异的性能而备受关注。

SiCw素有“晶须之王”的美誉，具有高强度、高弹性模量等优点，碳化硅晶须的加入使复合材料的断裂韧性、抗弯强度等性能有明显的改善。作为一种优良的补强增韧剂，SiCw增韧的金属基、陶瓷基及聚合物基复合材料已广泛运用到机械、化工、国防、能源、环保等领域。

碳化硅晶须

一、碳化硅晶须的性质

SiC 晶须(SiCw)是一种直径为纳米级至微米级的具有高度取向性的单晶纤维，晶体结构与金刚石相类似，晶体内化学杂质少，无晶粒边界，晶体结构缺陷少，结晶相成分均一。其具有高熔点、低密度、高强度、高弹性模量、低热膨胀率以及耐磨、耐腐蚀、抗高温氧化能力强等特性。主要用于需要高温高强应用材质的增韧场合。其相关指标见下表：

SiCw 有α型(六方和菱方结构)和β型(面心立方结构)2种晶型，β型各方面性能优于α型。目前只有β-SiCw实现了工业化规模生产,因此研究和使用的主要是β-SiCw。

二、碳化硅晶须研究应用概况

目前SiCw已广泛用于增韧金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料，下文将对各领域研究应用概况做简单介绍。

在保证获得良好的润湿性又不产生严重的界面反应损伤晶须的前提下，目前制备工艺较成熟的是SiCw增韧的铝基复合材料。几乎所有的商用铝合金，都可通过压铸法或粉末冶金法与SiCw成功的复合，并已走向实用化。

生产SiCw增韧金属基复合材料制品的主要厂家有ACMC公司、三菱电机、美国海军武器中心等，其制品具有轻质、高强度、耐热、低的热膨胀系数、脱气性好等优点，广泛应用于航空航天和军事领域，如飞机蒙皮、翼面、垂尾、导弹、超轻空间望远镜等；还可用于汽车、机械等部件及体育运动器材等。

SiCw增韧的陶瓷材料主要有Al2O3、ZrO2、莫来石陶瓷等。随着复合技术的不断成熟，又出现了SiCw增韧Si3N4、ZrB2以及玻璃陶瓷等复合材料。

a、Al2O3陶瓷基复合材料

氧化铝陶瓷具有熔点高、硬度高、耐磨、结构稳定等优点，但其强度较低。经SiCw增韧补强后，其韧性可达9MPa·m1/2 以上，强度可达600～900Mpa。

碳化硅晶须补强后从而进一步拓宽了氧化铝的用途,目前已被应用于磨损部件、切削刀具和内燃机的某些构件。其中SiC晶须增韧的陶瓷切削刀具材料，以其良好的断裂韧性和抗热冲击性能在切削高温合金等难加工材料方面表现了优异的性能，延长了刀具的使用寿命，切削效率远高于普通刀具,应用潜力巨大。

b、ZrO2陶瓷基复合材料

氧化锆陶瓷因具有高化学稳定性、高熔点、良好的高温电导而被广泛用作耐火材料、快离子导体、高温发热体等。由于在高温下相变增韧机制失效，使得其高温力学性能严重恶化。SiCw的加入可以提高其弹性模量、硬度、高温强度和韧性，从而拓展其应用范围。

目前SiCw增韧的ZrO2陶瓷可应用于1350℃以上使用的燃气涡轮转子、涡轮定叶片、各种陶瓷发动机部件、陶瓷工具、拔丝模具、轴承等。

c、莫来石陶瓷基复合材料

莫来石陶瓷具有膨胀均匀、热震稳定性好、硬度大、高温蠕变值小等优点，是一种优质的耐火材料，但韧性相对较低，从而影响了其实际应用。

中科院上海硅酸盐研究所的黄政人等采用30vol%β-SiC晶须增强莫来石,在SPS烧结条件下材料强度比热压高10%左右,为570MPa,断裂韧性为4.5Mpam1/2比纯莫来石提高100%以上

d、ZrB2陶瓷基复合材料

ZrB2陶瓷具有高熔点、高硬度、优良的耐磨性和化学稳定性等优点，是典型的超高温陶瓷，可应用于冶金行业，电子装备和难熔金属的铸造等。由于韧性较低，限制了其应用范围的进一步扩大。在ZrB2基体中加入SiCw可提高材料的韧性。

研究表明，当碳化硅晶须加入体积分数为30%的量时，材料的韧性可达6.33MPa·m1/2，比纯ZrB2陶瓷提高了71%，比SiC颗粒增韧的ZrB2陶瓷提高了33%。SiCw增韧后的ZrB2陶瓷可应用于热防护装备、超音速宇航飞行器的前舱，以及火箭喷管等耐热部件。

e、SiC晶须增韧氮化硅陶瓷

SiC 晶须增韧Si3N4陶瓷是提高其断裂韧性和稳定性的主要途径之一。已有的研究表明,晶须增韧效果不仅取决于晶须的分散程度、晶须尺寸和体积分数,而且与晶须的空间位置及方向性密切相关。

研究人员对SiC晶须的氮化硅基复合材料中晶须取向的研究表明,当晶须方向基本一致且晶须与基体界面弱连接时,此方向中的断裂韧性具有极大值,抗折强度和断裂韧性分别为1038MPa和10.7MPa m1/2。

氮化硅陶瓷的一系列优异的物理机械性能及化学性能,在高温结构材料、工具陶瓷材料、耐磨陶瓷材料和耐磨腐蚀陶瓷材料等方面,具有极大的市场和应用潜力。随着晶须增韧研究的不断深入,氮化硅陶瓷在刀具、轴承、发动机、绝缘材料等方面的应用将会更加完善。

f、玻璃陶瓷基复合材料

在玻璃陶瓷中加入SiCw既能保留玻璃易成形的优点，又可使材料的强度和韧性分别提高两倍以上。

例如，SiCw增韧补强的生物活性玻璃陶瓷复合材料，韧性可达4.3MPa·m1/2，强度可达460MPa，维伯尔系数可达24.7，由于SiCw的无毒性和生物玻璃陶瓷的生物活性使得该种材料在与人体密质骨抗弯强度相当的应力作用下，寿命可超过50年，是预测寿命最长的生物陶瓷材料，可用于制备人造牙齿及骨头、关节等骨修复材料和骨组织工程支架材料。

3、SiCw增韧聚合物复合材料

SiCw作为聚合物材料的增韧补强剂时既不增加熔体粘度，又能显著提高材料的韧性和延伸率，可用于制备形状复杂、精度高、表面光洁度高的零部件。

研究表明：在PVC中加入质量分数为5％的SiCw可使材料的韧性提高50％、延伸率提高四倍以上。因此SiCw与PVC等聚合物复合，可制备出性能优异的复合材料，如：喷气式发动机油轮叶片、直升机螺旋桨、飞机与汽车构件等。

参考来源：

1、碳化硅晶须增韧陶瓷基复合材料的研究进展，山东大学材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室，聂立芳，张玉军，魏红康等着。

2、碳化硅晶须的制备及其在复合材料增韧中的应用，南京航空航天大学材料科学与技术学院，王秋红，郑勇，孙帆，高小龙等着。

3、碳化硅晶须图片来源于https://www.haydale.com