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隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，航空航天、能源等領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)材料的性能提出了更高的要求。開發(fā)高韌性、耐磨、耐腐蝕及熱/化學穩(wěn)定性好的新型復合材料成為材料研究的熱點之一。其中，晶須增韌的復合材料由于其優(yōu)異的性能而備受關(guān)注。
SiCw素有“晶須之王”的美譽，具有高強度、高彈性模量等優(yōu)點，碳化硅晶須的加入使復合材料的斷裂韌性、抗彎強度等性能有明顯的改善。作為一種優(yōu)良的補強增韌劑，SiCw增韌的金屬基、陶瓷基及聚合物基復合材料已廣泛運用到機械、化工、國防、能源、環(huán)保等領(lǐng)域。
SiC 晶須(SiCw)是一種直徑為納米級至微米級的具有高度取向性的單晶纖維，晶體結(jié)構(gòu)與金剛石相類似，晶體內(nèi)化學雜質(zhì)少，無晶粒邊界，晶體結(jié)構(gòu)缺陷少，結(jié)晶相成分均一。其具有高熔點、低密度、高強度、高彈性模量、低熱膨脹率以及耐磨、耐腐蝕、抗高溫氧化能力強等特性。主要用于需要高溫高強應(yīng)用材質(zhì)的增韌場合。其相關(guān)指標見下表：
SiCw 有α型(六方和菱方結(jié)構(gòu))和β型(面心立方結(jié)構(gòu))2種晶型，β型各方面性能優(yōu)于α型。目前只有β-SiCw實現(xiàn)了工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn),因此研究和使用的主要是β-SiCw。
目前SiCw已廣泛用于增韌金屬基、陶瓷基和聚合物基復合材料，下文將對各領(lǐng)域研究應(yīng)用概況做簡單介紹。
1、SiCw增韌金屬基復合材料
在保證獲得良好的潤濕性又不產(chǎn)生嚴重的界面反應(yīng)損傷晶須的前提下，目前制備工藝較成熟的是SiCw增韌的鋁基復合材料。幾乎所有的商用鋁合金，都可通過壓鑄法或粉末冶金法與SiCw成功的復合，并已走向?qū)嵱没?/p>
生產(chǎn)SiCw增韌金屬基復合材料制品的主要廠家有ACMC公司、三菱電機、美國海軍武器中心等，其制品具有輕質(zhì)、高強度、耐熱、低的熱膨脹系數(shù)、脫氣性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天和軍事領(lǐng)域，如飛機蒙皮、翼面、垂尾、導彈、超輕空間望遠鏡等；還可用于汽車、機械等部件及體育運動器材等。
2、SiCw增韌陶瓷基復合材料
SiCw增韌的陶瓷材料主要有Al2O3、ZrO2、莫來石陶瓷等。隨著復合技術(shù)的不斷成熟，又出現(xiàn)了SiCw增韌Si3N4、ZrB2以及玻璃陶瓷等復合材料。
a、Al2O3陶瓷基復合材料
氧化鋁陶瓷具有熔點高、硬度高、耐磨、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點，但其強度較低。經(jīng)SiCw增韌補強后，其韌性可達9MPa·m1/2 以上，強度可達600～900Mpa。
碳化硅晶須補強后從而進一步拓寬了氧化鋁的用途,目前已被應(yīng)用于磨損部件、切削刀具和內(nèi)燃機的某些構(gòu)件。其中SiC晶須增韌的陶瓷切削刀具材料，以其良好的斷裂韌性和抗熱沖擊性能在切削高溫合金等難加工材料方面表現(xiàn)了優(yōu)異的性能，延長了刀具的使用壽命，切削效率遠高于普通刀具,應(yīng)用潛力巨大。
b、ZrO2陶瓷基復合材料
氧化鋯陶瓷因具有高化學穩(wěn)定性、高熔點、良好的高溫電導而被廣泛用作耐火材料、快離子導體、高溫發(fā)熱體等。由于在高溫下相變增韌機制失效，使得其高溫力學性能嚴重惡化。SiCw的加入可以提高其彈性模量、硬度、高溫強度和韌性，從而拓展其應(yīng)用范圍。
目前SiCw增韌的ZrO2陶瓷可應(yīng)用于1350℃以上使用的燃氣渦輪轉(zhuǎn)子、渦輪定葉片、各種陶瓷發(fā)動機部件、陶瓷工具、拔絲模具、軸承等。
c、莫來石陶瓷基復合材料
莫來石陶瓷具有膨脹均勻、熱震穩(wěn)定性好、硬度大、高溫蠕變值小等優(yōu)點，是一種優(yōu)質(zhì)的耐火材料，但韌性相對較低，從而影響了其實際應(yīng)用。
中科院上海硅酸鹽研究所的黃政人等采用30vol%β-SiC晶須增強莫來石,在SPS燒結(jié)條件下材料強度比熱壓高10%左右,為570MPa,斷裂韌性為4.5Mpam1/2比純莫來石提高100%以上
d、ZrB2陶瓷基復合材料
ZrB2陶瓷具有高熔點、高硬度、優(yōu)良的耐磨性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點，是典型的超高溫陶瓷，可應(yīng)用于冶金行業(yè)，電子裝備和難熔金屬的鑄造等。由于韌性較低，限制了其應(yīng)用范圍的進一步擴大。在ZrB2基體中加入SiCw可提高材料的韌性。
研究表明，當碳化硅晶須加入體積分數(shù)為30%的量時，材料的韌性可達6.33MPa·m1/2，比純ZrB2陶瓷提高了71%，比SiC顆粒增韌的ZrB2陶瓷提高了33%。SiCw增韌后的ZrB2陶瓷可應(yīng)用于熱防護裝備、超音速宇航飛行器的前艙，以及火箭噴管等耐熱部件。
e、SiC晶須增韌氮化硅陶瓷
SiC 晶須增韌Si3N4陶瓷是提高其斷裂韌性和穩(wěn)定性的主要途徑之一。已有的研究表明,晶須增韌效果不僅取決于晶須的分散程度、晶須尺寸和體積分數(shù),而且與晶須的空間位置及方向性密切相關(guān)。
研究人員對SiC晶須的氮化硅基復合材料中晶須取向的研究表明,當晶須方向基本一致且晶須與基體界面弱連接時,此方向中的斷裂韌性具有極大值,抗折強度和斷裂韌性分別為1038MPa和10.7MPa m1/2。
氮化硅陶瓷的一系列優(yōu)異的物理機械性能及化學性能,在高溫結(jié)構(gòu)材料、工具陶瓷材料、耐磨陶瓷材料和耐磨腐蝕陶瓷材料等方面,具有極大的市場和應(yīng)用潛力。隨著晶須增韌研究的不斷深入,氮化硅陶瓷在刀具、軸承、發(fā)動機、絕緣材料等方面的應(yīng)用將會更加完善。
f、玻璃陶瓷基復合材料
在玻璃陶瓷中加入SiCw既能保留玻璃易成形的優(yōu)點，又可使材料的強度和韌性分別提高兩倍以上。
例如，SiCw增韌補強的生物活性玻璃陶瓷復合材料，韌性可達4.3MPa·m1/2，強度可達460MPa，維伯爾系數(shù)可達24.7，由于SiCw的無毒性和生物玻璃陶瓷的生物活性使得該種材料在與人體密質(zhì)骨抗彎強度相當?shù)膽?yīng)力作用下，壽命可超過50年，是預測壽命最長的生物陶瓷材料，可用于制備人造牙齒及骨頭、關(guān)節(jié)等骨修復材料和骨組織工程支架材料。
SiCw作為聚合物材料的增韌補強劑時既不增加熔體粘度，又能顯著提高材料的韌性和延伸率，可用于制備形狀復雜、精度高、表面光潔度高的零部件。
研究表明：在PVC中加入質(zhì)量分數(shù)為5％的SiCw可使材料的韌性提高50％、延伸率提高四倍以上。因此SiCw與PVC等聚合物復合，可制備出性能優(yōu)異的復合材料，如：噴氣式發(fā)動機油輪葉片、直升機螺旋槳、飛機與汽車構(gòu)件等。
1、碳化硅晶須增韌陶瓷基復合材料的研究進展，山東大學材料液態(tài)結(jié)構(gòu)及其遺傳性教育部重點實驗室，聶立芳，張玉軍，魏紅康等著。
2、碳化硅晶須的制備及其在復合材料增韌中的應(yīng)用，南京航空航天大學材料科學與技術(shù)學院，王秋紅，鄭勇，孫帆，高小龍等著。
3、碳化硅晶須圖片來源于https://www.haydale.com