【科技动向】新材料！俄罗斯开发出提升碳化硅断裂韧性的方法

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【科技动向】新材料！俄罗斯开发出提升碳化硅断裂韧性的方法

2020-09-14 QG8622

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据英国机体制造商网站（airframer.com）2020年8月19日报道，来自俄罗斯国立科技大学（NUST MISIS）的科学家发现了一种将碳化硅（一种用于生产耐火零部件最具潜力的航空结构材料）的断裂韧性提高1.5倍的方法——通过在结构中形成了增强纳米纤维获得这一成果。未来，该技术将扩大碳化硅作为结构和耐火材料的应用范围，包括用于飞机制造。有关这项研究的相关成果目前已经发表在了英国《国际陶瓷》和瑞士《材料》期刊中。

本条动向所述成果在英国《国际陶瓷》期刊2020年4月15日版和瑞士《材料》期刊2020年7月版均发表了论文

截至2019年，全球碳化硅市场估计为25.8亿美元，预计每年增长将16％。碳化硅在自然界中基本不存在，因此需要通过人工合成的方式得到。

目前，碳化硅在各个行业中越来越多地用作半导体材料、建筑材料、磨料和耐火材料。例如，碳化硅用于制造内燃机的涡轮叶片和零部件，将大大提高发动机的工作温度并显著提高功率、牵引功率、能源效率、环保性等关键性能。此外，由低成本的长石和石英砂制成的碳化硅陶瓷，可以成功替代汽车工业中经常使用的含钴、镍和铬等稀有元素的合金零部件。

碳化硅用于制造涡轮叶片和内燃机零部件（俄罗斯国立科技大学图片）

碳化硅陶瓷的关键问题是在压缩状态下性能良好，但对于结构缺陷非常敏感，因此通常具有较低的拉伸强度和弯曲强度，抗裂性能较差。

来自俄罗斯国立科技大学的科学家们找到了一种方法，通过使用自蔓延高温合成技术在碳化硅陶瓷中形成增强纳米纤维，显著提高了碳化硅陶瓷的烧结能力并提高其抗弯强度和断裂韧性。合成分几个阶段进行。首先，将硅、碳、钽和聚四氟乙烯粉末在行星式研磨机中混合，然后将所得混合物在反应器中燃烧。纳米纤维在燃烧过程中形成。最后，将成品在真空炉中进行烧结。

由于钽和聚四氟乙烯的共同作用，因此合成得到了一种碳化硅纳米纤维增强的碳化硅基体材料。纳米纤维阻止了断裂扩展，激活了陶瓷烧结，并提高了烧结材料强度特性。 纳米纤维的存在将碳化硅成品所需的烧结温度和持续时间从1800～2000℃的数小时，降低到1450℃，60分钟。

本文所述方法中的工艺说明图（俄罗斯国立科技大学图片）

研究人员计划继续致力于提高碳化硅的断裂韧性和强度。良好的机械特性和生产过程中成本效益相结合，将继续扩大碳化硅作为结构和耐火材料的应用范围。

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本条动向的提供者陈济桁先生已为《空天防务观察》提供7篇专栏文章，如下所列：

第1篇，日本东丽公司推出新一代碳纤维预浸料产品，拉伸强度和抗冲击性能又提升30%，2017年6月2日；

第2篇，复合材料助力贝尔V-280“英勇”倾转旋翼机发展，2017年9月22日；

第3篇，日本东丽实施并购强化碳纤维复合材料竞争优势，2018年8月27日；

第4篇，日本帝人公司开发新型耐热抗冲击预浸料，2019年4月1日；

第5篇，美国能源部“利用高性能计算促进能源创新”战略计划解析，2019年5月17日；

第6篇，稀土回收再利用！英国推出稀土金属回收试点项目，2019年9月17日；

第7篇，美空军实验室科学家发现独特的可拉伸导体，2019年10月30日。