碳化硅纖維性能良好，常用作耐高溫材料和增強(qiáng)材料。碳化硅纖維是一種以碳和硅為主要成分的高性能陶瓷材料，從形態(tài)上分為晶須和連續(xù)碳化硅纖維，具有高溫耐氧化性、高硬度、高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性、耐腐蝕性和密度小等優(yōu)點(diǎn)。

與碳纖維相比， 在極端條件下，碳化硅纖維能夠保持良好的性能。由于其具有良好的性能，在航空航天、軍工武器裝備等高科技領(lǐng)域備受關(guān)注，常用作耐高溫材料和增強(qiáng)材料。


一、碳化硅纖維的核心優(yōu)勢(shì)

碳化硅纖維和碳纖維的相同點(diǎn)都是具有高強(qiáng)度、高模量的陶瓷纖維。相比于碳纖維而言，碳化硅纖維核心的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

1. 高溫抗氧化性能
在高溫空氣或者有氧環(huán)境下，碳化硅纖維的抗氧化性能要比碳纖維強(qiáng)得多?，F(xiàn)在碳化硅纖維國(guó)內(nèi)能做到1200℃、1250℃這樣子的高溫抗氧化性能。

2. 絕緣性能良好
碳化硅纖維可以說(shuō)是半導(dǎo)體級(jí)的或者說(shuō)是絕緣級(jí)的高性能陶瓷纖維，這樣其實(shí)可以應(yīng)用到一些碳纖維應(yīng)用不到的一些有絕緣要求的領(lǐng)域（碳纖維具有較好的導(dǎo)電性能）。

3. 性能更易調(diào)控
碳化硅纖維的先驅(qū)體聚碳硅烷（PCS），可以摻雜一系列的元素，使其制備出來(lái)的碳化硅纖維具有不同的性能，（可以）通過(guò)先驅(qū)體的調(diào)控可望獲得漸變電阻率、雷達(dá)波吸收、高溫透波等性能的功能化陶瓷纖維，碳纖維的摻雜相對(duì)有難度。


二、SiC/SiC耐熱性能優(yōu)異，將替代高溫合金在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用

高推重比是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷追求的目標(biāo)，而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)推重比的提升，渦輪進(jìn)口溫度不斷提高，現(xiàn)有高溫合金材料體系難以滿足先進(jìn)航發(fā)。比如，現(xiàn)有推重比10一級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度均達(dá)到了1500℃，推重比12~15的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口平均溫度將超過(guò)1800℃以上，這遠(yuǎn)超高溫合金及金屬間化合物的使用溫度。

目前，耐熱性能較好的鎳基高溫合金材料工作溫度只能達(dá)到1100℃左右。而SiC/SiC使用溫度能提高到1650℃，被認(rèn)為是較理想的航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端結(jié)構(gòu)件材料。

在歐美等航空發(fā)達(dá)國(guó)家，SiC/SiC已在航空發(fā)動(dòng)機(jī)靜止件上得到實(shí)際應(yīng)用和批量生產(chǎn)，包括M53-2，M88，M88-2，F(xiàn)100，F(xiàn)119，EJ200，F(xiàn)414，F(xiàn)110，F(xiàn)136等多種型號(hào)軍/民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)；在轉(zhuǎn)動(dòng)件的應(yīng)用上仍處于研制試驗(yàn)階段。國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)研究起步較慢，與國(guó)外工程化應(yīng)用研究存在巨大差距，但也已取得成果。

2022年1月，由西北工業(yè)大學(xué)使用國(guó)產(chǎn)新型陶瓷基復(fù)合材料打造的航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體渦輪盤成功完成首次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，這也是國(guó)內(nèi)陶瓷基復(fù)合材料轉(zhuǎn)子件首次配裝平臺(tái)的空中飛行試驗(yàn)，也有利于推動(dòng)陶瓷基復(fù)合材料部件在無(wú)人機(jī)/靶機(jī)上大規(guī)模應(yīng)用。


三、SiC纖維通過(guò)電磁改性手段，發(fā)展成為較重要的高溫吸波材料之一

隨現(xiàn)代無(wú)線電技術(shù)和雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，隱身技術(shù)作為提高武器系統(tǒng)生存、突防，尤其是縱深打擊能力的有效手段，已成為軍事強(qiáng)國(guó)角逐軍備高新技術(shù)的熱點(diǎn)。采用隱身材料技術(shù)是當(dāng)前有效可行的雷達(dá)隱身手段。而對(duì)于應(yīng)用在特殊環(huán)境中的隱身材料，除了降低可探測(cè)性等基礎(chǔ)條件外，還要求材料具有良好的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

例如，高速飛行隱身戰(zhàn)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)屋噴管、機(jī)翼邊緣和錐帽等部位會(huì)面臨高溫氧化、高低溫反復(fù)沖擊的考驗(yàn)。SiC/SiC不但具有優(yōu)異的力學(xué)性能、抗氧化性能和更長(zhǎng)的高溫使用壽命，還具有良好的吸波性能，滿足超高音速飛行器表面、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口、巡航導(dǎo)彈冒頭端等武器裝備高溫部位的隱身需求，應(yīng)用前景廣闊。


四、SiC材料具備小的中子吸收截面，適用于核反應(yīng)堆領(lǐng)域

隨著對(duì)反應(yīng)堆安全問(wèn)題的日益重視，目前的商業(yè)水堆核電站幾乎全部使用的鋯合金燃燒元件被重新考慮，碳化硅SiC為包殼或基體材料的新型燃料元件成為新的研究熱點(diǎn)。

燃料元件是核反應(yīng)堆的核心部件，其性能指標(biāo)直接影響反應(yīng)堆的安全性和經(jīng)濟(jì)性。SiC具有高溫強(qiáng)度大、硬度高、耐磨損性好、抗熱沖擊性好、熱導(dǎo)率大以及抗氧化性強(qiáng)和耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)良特性，并且其小的中子吸收截面，低的固有活性和衰變熱，使其適用于核反應(yīng)堆領(lǐng)域，在輕水反應(yīng)堆、熔鹽反應(yīng)堆和氣冷快堆均有良好的應(yīng)用前景。

做碳化硅纖維，就是要堅(jiān)持不懈，持續(xù)努力，“但行己事，無(wú)問(wèn)西東”，特別是針對(duì)戰(zhàn)略核心材料產(chǎn)業(yè)化，需要十年、 二十年，甚至于更久的時(shí)間，才有可能取得一定的突破。

目前，我國(guó)已形成以國(guó)防科大、西北工業(yè)大學(xué)、廈門大學(xué)為研發(fā)中心的若干碳化硅纖維產(chǎn)業(yè)集群。國(guó)防科大的碳化硅纖維技術(shù)產(chǎn)業(yè)化在蘇州、寧波等地開展，廈門大學(xué)在福建與當(dāng)?shù)仄髽I(yè)合作，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)明顯。


文章來(lái)源：未來(lái)智庫(kù)，巨豐財(cái)經(jīng)，復(fù)合材料前沿