SiC纤维?厦大这项新突破,15秒超快速处理让人震惊_ 碳化硅技术展2025PCIMASIA

随着航空航天与核能工业的飞速发展，对高温结构材料的性能要求越来越高。聚合物衍生的碳化硅陶瓷基复合材料(CMCs)凭借其卓越的高温强度、热稳定性和耐辐照性能，成为了当前的研究热点。然而，CMC的实际使用温度上限主要受限于其增强相——碳化硅(SiC)纤维的热退化极限。尽管第三代近化学计量SiC纤维在纯度和热稳定性方面有了显著提升，但其细晶微观结构和残余杂质在高温下仍会引发显著的蠕变变形，这极大地限制了其在极端环境下的长期服役性能。因此，行业迫切需要一种既能提升纤维抗蠕变性，又能保持其室温强度的微结构调控策略，以推动下一代高温结构材料的发展。

（C3@BN纤维在加热过程中的温度变化曲线）

近日，厦门大学解荣军教授和李思维教授领导的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》期刊上发表了一篇题为“Microstructural Engineering of Boron Nitride-Coated SiC Fibers via Ultrafast Joule Heating for High-Temperature Creep Resistance”的研究论文。该研究通过一种创新的工艺——结合原位氮化硼(BN)涂层与超快焦耳加热，成功优化了国产Cansas-3303 SiC纤维的高温性能，取得了令人瞩目的成果。

研究团队在SiC纤维表面制备了一层155纳米厚的BN保护层，随后在2100°C的高温下进行了仅15秒的超快速热处理。这一过程不仅实现了晶粒尺寸从14.5纳米到46.9纳米的三倍粗化，还诱导了β-SiC向α-SiC的相变，形成了4H/6H多型体结构。优化后的纤维在保持1.94吉帕拉伸强度(相当于原始强度的64.4%)的同时，展现出优于商用Hi-Nicalon S纤维的抗蠕变性能。BN涂层有效地抑制了高温下的表面分解与缺陷形成，而焦耳加热则促进了晶粒的快速长大和结晶度的提升。

（原始与经2100 °C–15 s处理的C3@BN纤维的韦布尔强度分布拟合曲线）

该研究通过将原位BN涂层与超快焦耳加热技术相结合，实现了近化学计量SiC纤维高温性能的显著提升。155纳米的BN涂层有效抑制了表面分解与缺陷的形成。在2100°C下仅15秒的超快速处理(升温速率高达3400°C/秒)促使晶粒尺寸从14.5纳米粗化至46.9纳米，并形成了从芯部(36.0纳米)到表面(66.9纳米)的径向梯度结构。同时，基于温度驱动的扩散与气相反应机制，引发了β-SiC向α-SiC的相变，生成了4H/6H多型体，这一微观结构演变通过X射线衍射(XRD)得到了确认。优化后的纤维在保持1.94吉帕拉伸强度(为原始强度的62.38%)的同时，展现出优于商用Hi-Nicalon S纤维的抗蠕变性能。这种强度与抗蠕变性能的平衡源于晶粒粗化与BN介导的缺陷抑制的协同作用。

这种高效节能的超快热处理工艺为极端温度应用背景下高性能SiC纤维的制备提供了一条全新的途径。未来，研究团队可以进一步探索BN涂层结构与加热参数的优化，以实现性能的协同提升。厦门大学的这项突破性研究成果，不仅为高性能SiC纤维的制备提供了高效、可扩展的工艺路径，也为航空航天与核能工业等领域的高温结构材料发展带来了新的希望。

来源：碳化硅技术展2025PCIMASIA

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