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SiC–SiC複合材料的製程揭秘：哪種方法能達到最低的殘餘孔隙率？
隨著科技的發展，SiC–SiC複合材料逐漸受到重視，特別是在高溫應用領域，如燃氣渦輪。這種類型的陶瓷基複合材料（CMC）由陶瓷纖維或顆粒組成，並圍繞著一個陶瓷基體相。SiC/SiC複合材料，由SiC（碳化矽）基體相和纖維相組合，通過不同的製程方法製成，展現出卓越的性能。這些材料在熱穩定性、機械強度和化學穩定性方面表現不俗，並且具有高強度與重量比。
製程方法
SiC/SiC複合材料主要透過三種不同的製程方法加工，但這些方法經常會受到調整，以達到期望的結構和性能：
化學氣相滲透（CVI）方法使用氣相SiC前驅物在預成形體中生長SiC纖維，然後再將氣體滲透到預成形體中以進行致密化，創造基體相。
CVI方法的一個缺點是致密化速率較慢，通常會形成相對較高的殘餘孔隙率（10-15%）。而聚合物浸滲和熱解（PIP）方法則使用前陶瓷聚合物來浸透纖維預成形體，生成SiC基體，這種方法通常會產生10-20%的殘餘孔隙率，原因在於聚合物轉化為陶瓷的過程中產生了收縮。然而，為了補償收縮，可以進行多次浸滲。
熔融滲透（MI）方法則提供了更低的殘餘孔隙率（約5%），其原因在於更高的致密化速率。此過程可以使用SiC顆粒懸浮液滲透纖維預成形體，或使用CVI法為SiC纖維包覆碳，隨後再用液態Si滲透碳以反應形成SiC。
性能特徵
機械性能
SiC–SiC複合材料的機械性能受到多個因素的影響，如纖維的尺寸、成分、結晶度及其排列方式。這些因素決定了複合材料的強度及耐用性。此外，基體微裂紋與纖維-基體界面的脫粘往往主導著複合材料的失效機制，這使得SiC/SiC複合材料儘管完全是陶瓷的，卻顯現出非脆性行為。
熱性能
這類複合材料擁有較高的熱導率，且能在相當高的溫度下運作，原因在於其具優良的抗蠕變及抗氧化能力。殘餘孔隙率和材料的化學計量可以影響其熱導率，孔隙的增加會導致熱導率下降，而Si–O–C相的存在同樣會使熱導率降低。
一般而言，經過良好處理的SiC–SiC複合材料在1000°C（1830°F）可達到約30 W/m-K的熱導率。
化學性能
考量到SiC–SiC複合材料主要用於高溫應用，其氧化抵抗能力至關重要。氧化機制則依其操作的溫度範圍不同而異。在高於1000°C的操作環境下，氧化通常會產生一層保護性氧化層，而低於1000°C時，氧化則可能導致纖維-基體界面的劣化。儘管如此，氧化仍然是一個挑戰，因此，環境障礙塗層的研發正在進行，以應對這些問題。
應用領域
航空航天
碳化矽（SiC）陶瓷基複合材料（CMC）在航空航天領域的應用愈加廣泛，特別是在渦輪發動機部件和熱保護系統中。由於具備高溫能力、低密度及抗氧化和抗腐蝕性能，SiC/SiC CMCs在航空航天應用中發揮巨大作用。這些材料於旋轉動力引擎部件上的使用，可減少設計複雜度以及引擎結構的重量，最終促進性能及燃油排放的提升。
未來展望
隨著SiC/SiC CMCs的發展，必須對其纖維的蠕變和破裂特性進行深入研究。諸如晶粒大小、雜質、孔隙和表面韌性等缺陷，都會對SiC纖維的蠕變與破裂產生影響。由於相對較低的韌性、低損傷容忍度以及機械性能的較大變異，CMCs目前仍然受限於不宜用於關鍵零部件。然而，隨著對陶瓷材料特性、退化機制及相互作用的理解深化，未來在航空航天應用中推廣SiC/SiC CMCs的使用仍面臨挑戰。
我們是否能在未來找到更有效的製程方法，進一步減少SiC–SiC複合材料的殘餘孔隙率，提升其性能以應對更嚴苛的環境挑戰?
