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SiC–SiC复合材料的制程揭秘：哪种方法能达到最低的残余孔隙率？
随着科技的发展，SiC–SiC复合材料逐渐受到重视，特别是在高温应用领域，如燃气涡轮。这种类型的陶瓷基复合材料（CMC）由陶瓷纤维或颗粒组成，并围绕着一个陶瓷基体相。 SiC/SiC复合材料，由SiC（碳化矽）基体相和纤维相组合，通过不同的制程方法制成，展现出卓越的性能。这些材料在热稳定性、机械强度和化学稳定性方面表现不俗，并且具有高强度与重量比。
制程方法
SiC/SiC复合材料主要透过三种不同的制程方法加工，但这些方法经常会受到调整，以达到期望的结构和性能：
化学气相渗透（CVI）方法使用气相SiC前驱物在预成形体中生长SiC纤维，然后再将气体渗透到预成形体中以进行致密化，创造基体相。
CVI方法的一个缺点是致密化速率较慢，通常会形成相对较高的残余孔隙率（10-15%）。而聚合物浸渗和热解（PIP）方法则使用前陶瓷聚合物来浸透纤维预成形体，生成SiC基体，这种方法通常会产生10-20%的残余孔隙率，原因在于聚合物转化为陶瓷的过程中产生了收缩。然而，为了补偿收缩，可以进行多次浸渗。
熔融渗透（MI）方法则提供了更低的残余孔隙率（约5%），其原因在于更高的致密化速率。此过程可以使用SiC颗粒悬浮液渗透纤维预成形体，或使用CVI法为SiC纤维包覆碳，随后再用液态Si渗透碳以反应形成SiC。
性能特征
机械性能
SiC–SiC复合材料的机械性能受到多个因素的影响，如纤维的尺寸、成分、结晶度及其排列方式。这些因素决定了复合材料的强度及耐用性。此外，基体微裂纹与纤维-基体界面的脱粘往往主导着复合材料的失效机制，这使得SiC/SiC复合材料尽管完全是陶瓷的，却显现出非脆性行为。
热性能
这类复合材料拥有较高的热导率，且能在相当高的温度下运作，原因在于其具优良的抗蠕变及抗氧化能力。残余孔隙率和材料的化学计量可以影响其热导率，孔隙的增加会导致热导率下降，而Si–O–C相的存在同样会使热导率降低。
一般而言，经过良好处理的SiC–SiC复合材料在1000°C（1830°F）可达到约30 W/m-K的热导率。
化学性能
考量到SiC–SiC复合材料主要用于高温应用，其氧化抵抗能力至关重要。氧化机制则依其操作的温度范围不同而异。在高于1000°C的操作环境下，氧化通常会产生一层保护性氧化层，而低于1000°C时，氧化则可能导致纤维-基体界面的劣化。尽管如此，氧化仍然是一个挑战，因此，环境障碍涂层的研发正在进行，以应对这些问题。
应用领域
航空航天
碳化矽（SiC）陶瓷基复合材料（CMC）在航空航天领域的应用愈加广泛，特别是在涡轮发动机部件和热保护系统中。由于具备高温能力、低密度及抗氧化和抗腐蚀性能，SiC/SiC CMCs在航空航天应用中发挥巨大作用。这些材料于旋转动力引擎部件上的使用，可减少设计复杂度以及引擎结构的重量，最终促进性能及燃油排放的提升。
未来展望
随着SiC/SiC CMCs的发展，必须对其纤维的蠕变和破裂特性进行深入研究。诸如晶粒大小、杂质、孔隙和表面韧性等缺陷，都会对SiC纤维的蠕变与破裂产生影响。由于相对较低的韧性、低损伤容忍度以及机械性能的较大变异，CMCs目前仍然受限于不宜用于关键零部件。然而，随着对陶瓷材料特性、退化机制及相互作用的理解深化，未来在航空航天应用中推广SiC/SiC CMCs的使用仍面临挑战。
我们是否能在未来找到更有效的制程方法，进一步减少SiC–SiC复合材料的残余孔隙率，提升其性能以应对更严苛的环境挑战?
