現代戰爭、空間技術、能源工業等領域對新材料尤其是高溫結構材料提出了更高的要求，希望具有低密度、高強度、高模量、高韌性、耐高溫、耐腐蝕的先進材料出現。例如，航空發動機的熱效率主要取決於渦輪前的進口溫度，當發動機的推力-重量比比值為 10 時，渦輪的進口溫度為 1650℃。在這樣的高溫下，傳統的高溫合金材料已經不能滿足要求。研究人員已轉向碳纖維增強陶 瓷基複合材料。在發達國家的新一代發動機和熱機的研究中，能夠提高燃燒室溫度和能量轉換的高溫結構材料是最理想的熱結構材料之一。目前，以 C

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/SiC 複合材料為代表的碳纖維增強陶瓷基複合材料（CFRCMCs）因其高溫下具有強度高、韌性好、耐腐蝕性好和密度低等特點，在戰略武器和空間技術等方面具有廣泛的應用前景，被認為是目前最有發展前途的高溫結構材料。因此許多國家開展了對碳纖維增強陶瓷複合材料應用於高溫熱結構部件的研究，並且取得了豐碩的成果。本文主要綜述了碳纖維增強陶瓷基複合材料的廣泛的的應用及其製備方法和各種工藝的優缺點以及未來的發展方向。

根據實際應用領域的需求以及纖維增強陶瓷基複合材料的效能開發出以下幾種製備工藝：化學氣相法、溶膠一凝膠法、先驅體轉化法、料漿浸漬和熱壓燒結法和一些綜合的製備工藝。

化學氣相法

化學氣相法用於製備C

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/SiC複合材料主要是化學氣相滲透（CVI）和化學氣相沉積（CVD）。但最常用的製備複合材料的方法是在化學氣相沉積（CVD）的基礎上開發的CVI。製備方法是將反應室纖維預製品封閉，採用蒸氣滲透法，氣相材料在加熱纖維表面或附近產生化學反應，並沉積在纖維預製棒上，從而形成緻密的複合材料。對於C

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/SiC複合材料的CVI製備工藝通常以三氯甲基矽烷 （MTS） 、四甲基矽烷（TMS）等為原料，H

2

為載氣，Ar為稀釋氣體，高溫下抽真空沉積SiC基體。

該工藝的主要優點是：（1）它是在低於基體熔點的溫度下製備合成陶瓷基體材料，因此纖維與基體材料之間不會發生高溫化學反應，製備過程中對纖維損傷小，材料內部的殘餘應力小。（2）透過改變工藝條件，能製備多種陶瓷材料，有利於材料的最佳化設計和多功能化。（3）能製備形狀複雜、 近淨尺寸和纖維體積分數大的複合材料。

主要缺點是：隨著滲透的進行孔隙變小，滲透速度必須變慢，因此生產週期長，裝置複雜，製備成本高；製成品孔隙率大，材料緻密度低，從而影響複合材料的效能；因此不適於製備厚壁部件。

溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法（

Sol-g

e1

）是將纖維或晶須製成含大量空隙的一定形狀的預成型體， 將易流動的溶膠注入並讓其滲入到纖維預成型體中製成溶膠浸漬纖維預製體，然後水解、縮聚，形成凝膠，經凝膠化和乾燥後燒結即可製得較緻密的纖維/陶瓷基複合材料。

該工藝的主要優點：（1）製備的材料純度高、分散性好、基體一般具有完整晶體結構、力學效能優異組，而且熱解溫度不高（

低於 1400℃

），溶膠易於潤溼增強纖維；（2）所得的複合材料較為完整，且基體化學均勻性高；（3）在裂解前，經過溶膠和凝膠兩種狀態，容易對纖維及其編織物進行浸滲和賦形，因此更利於製備纖維增強複合材料。

主要缺點：（1）複合材料的緻密週期較長，緻密性差，不經過多次浸漬很難達到緻密化；（2）製品經熱處理後收縮大、氣孔率高、強度 低，因此工藝不適於部分非氧化物陶瓷基複合材料的製備；（3）複合體的收縮性大，易殘留較多微細氣孔， 有時會殘留較多的碳基或羥基， 從而影響材料的效能。

先驅體轉化法

先驅體轉化法又稱先驅體裂解法或聚合物浸漬裂解法（PIP 法），是近年來發展迅速的一種 C

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/SiC 複合材料製備工藝，由於成型工藝簡單、製備溫度較低等特點而受到關注。先驅體轉化法是利用有機先驅體在高溫下裂解進而轉化為無機陶瓷基體的一種方法。該工藝製備碳纖維增強複合材料的基本流程為：將含 Si 的有機聚合物先驅體（

如聚

碳矽烷、聚甲基矽烷

等

）溶液或熔融體浸漬到碳纖維預製體中，乾燥固化後在惰性氣體保護下高溫裂解，得到SiC基體，並透過多次浸漬裂解處理，獲得緻密度較高的複合材料。與溶膠凝膠法不同的是，先驅體轉化法主要用於非氧化物陶瓷， 目前以碳化物和氮化物為主。

該方法的主要優點是：（1）在聚合物中浸漬，能得到組成均勻的陶瓷基體，具有較高的陶瓷轉化率；（2）預製件中沒有基體粉末．因而纖維不會受到機械損傷；（3）裂解溫度較低，無壓燒成，因而可減輕纖維的損傷和纖維與基體間的化學反應；（4）陶瓷基體可設計性強、易於透過近淨尺寸成型實現大型複雜構件的製造。

該法的主要缺點在於：（1）緻密週期較長，製品的孔隙率較高；（2）基體密度在裂解前後相差很大，致使基體的體積收縮很大（可達 50～70％ ）。材料孔隙率高、對材料蠕變效能有一定影響等。

料漿浸漬和熱壓燒結法

料漿浸漬和熱壓燒結法的基本工藝流程如下：將纖維集束連續透過含有粘結劑的漿料中進行浸漬，使其附著在纖維集束上，將浸有漿料的纖維束纏繞於滾筒上，製成無緯布，經切片、疊加、熱 模壓成形和熱壓燒結等工藝流程製備出C

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/SiC複合材料。熱壓過程中，最初階段是高溫去膠，其主要是隨粘結劑揮發而逸出，這個過程將發生基體顆粒重新分佈，再經過燒結和在外壓作用下的粘性流動等過程，最終獲得緻密化的C

f

/SiC複合材料。

該工藝的主要優點：與 CVI、PIP 工藝相比，該工藝具有製備週期短，成本低，殘餘孔隙率低（

2%

~ 5%

）等優點，在製造玻璃和玻璃陶瓷方面取得了良好的效果，是一種非常具有競爭力的工業化生產技術。

主要缺點：製備過程中，熔融 Si 與基體 C 容易發生反應， 這就導致碳化矽基體不可避免地與碳纖維發生反應， 纖維被浸蝕導致效能下降，複合材料抗蠕變效能降低，因此只能製得一維或二維的纖維增強複合材料，在裂解過程中， 採用熱壓（包括熱等靜壓）輔助可以明顯降低氣孔率， 提高基體緻密度， 但熱壓不適合製備形狀複雜的構件， 所以應用前景不大。

綜合工藝

上述各種工藝都有其優缺點，因此，在製備某一複合材料時，可綜合利用多種工藝。例如，首先可用 CVI 沉積簡單的介面，或用脈衝 CVI 沉積多層介面，再沉積纖維束內孔隙；然後再用聚合物先驅體浸漬纖維束內與纖維束間的大孔隙，最後熱解。這樣既可克服 CVI 沉積大孔隙需很長時間的缺點，又利用了 RMI 工藝製備週期短、成本低等優點，不僅可縮短製備時間，而且提高了材料密度。為了縮短週期，降低製備成本，國內外學者開發了 CVI + PIP 新型綜合製備工藝。在 CVI + PIP 綜合工藝製備 C

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/SiC 複合材料中，先透過 CVI 工藝沉積出高強度、高密度、均勻性好、結構緻密的 SiC 基體， 由於沉積會優先在纖維束內纖維間隙進行，纖維束間仍有均勻的空隙可供液相反應繼續填充；再經過浸漬-裂解後得到均勻性好、密度和力學效能高的 C

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/SiC 複合材料。CVI + PIP 充分利用了 CVI 工藝和 PIP 工藝反應前期緻密化速度快的優點，工藝的製備週期比單一的 CVI 工藝或 PIP 工藝縮短約 50%；同時還繼承 CVI 工藝和 PIP 工藝可製備任意複雜形狀製品、易於工業化生產的優點，是一種具有工業化應用前景的方法。

參考資料：《碳纖維增強碳化矽陶瓷基複合材料的研究進展》