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俄羅斯開發(fā)出提升碳化硅斷裂韌性的方法

文章來源： OFweek新材料網(wǎng) 更新時間：2020-09-14 14:33:59

據(jù)英國機體制造商網(wǎng)站2020年8月19日報道，來自俄羅斯國立科技大學(xué)（NUST MISIS）的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種將碳化硅（一種用于生產(chǎn)耐火零部件最具潛力的航空結(jié)構(gòu)材料）的斷裂韌性提高1．5倍的方法——通過在結(jié)構(gòu)中形成了增強納米纖維獲得這一成果。未來，該技術(shù)將擴大碳化硅作為結(jié)構(gòu)和耐火材料的應(yīng)用范圍，包括用于飛機制造。有關(guān)這項研究的相關(guān)成果目前已經(jīng)發(fā)表在了英國《國際陶瓷》和瑞士《材料》期刊中。

本條動向所述成果在英國《國際陶瓷》期刊2020年4月15日版和瑞士《材料》期刊2020年7月版均發(fā)表了論文截至2019年，全球碳化硅市場估計為25．8億美元，預(yù)計每年增長將16％。碳化硅在自然界中基本不存在，因此需要通過人工合成的方式得到。目前，碳化硅在各個行業(yè)中越來越多地用作半導(dǎo)體材料、建筑材料、磨料和耐火材料。例如，碳化硅用于制造內(nèi)燃機的渦輪葉片和零部件，將大大提高發(fā)動機的工作溫度并顯著提高功率、牽引功率、能源效率、環(huán)保性等關(guān)鍵性能。此外，由低成本的長石和石英砂制成的碳化硅陶瓷，可以成功替代汽車工業(yè)中經(jīng)常使用的含鈷、鎳和鉻等稀有元素的合金零部件。

碳化硅用于制造渦輪葉片和內(nèi)燃機零部件（俄羅斯國立科技大學(xué)圖片）碳化硅陶瓷的關(guān)鍵問題是在壓縮狀態(tài)下性能良好，但對于結(jié)構(gòu)缺陷非常敏感，因此通常具有較低的拉伸強度和彎曲強度，抗裂性能較差。來自俄羅斯國立科技大學(xué)的科學(xué)家們找到了一種方法，通過使用自蔓延高溫合成技術(shù)在碳化硅陶瓷中形成增強納米纖維，顯著提高了碳化硅陶瓷的燒結(jié)能力并提高其抗彎強度和斷裂韌性。合成分幾個階段進行。首先，將硅、碳、鉭和聚四氟乙烯粉末在行星式研磨機中混合，然后將所得混合物在反應(yīng)器中燃燒。納米纖維在燃燒過程中形成。最后，將成品在真空爐中進行燒結(jié)。由于鉭和聚四氟乙烯的共同作用，因此合成得到了一種碳化硅納米纖維增強的碳化硅基體材料。納米纖維阻止了斷裂擴展，激活了陶瓷燒結(jié)，并提高了燒結(jié)材料強度特性。納米纖維的存在將碳化硅成品所需的燒結(jié)溫度和持續(xù)時間從1800～2000℃的數(shù)小時，降低到1450℃，60分鐘。

本文所述方法中的工藝說明圖（俄羅斯國立科技大學(xué)圖片）研究人員計劃繼續(xù)致力于提高碳化硅的斷裂韌性和強度。良好的機械特性和生產(chǎn)過程中成本效益相結(jié)合，將繼續(xù)擴大碳化硅作為結(jié)構(gòu)和耐火材料的應(yīng)用范圍。

本條動向的提供者陳濟桁先生已為《空天防務(wù)觀察》提供7篇專欄文章，如下所列：第1篇，日本東麗公司推出新一代碳纖維預(yù)浸料產(chǎn)品，拉伸強度和抗沖擊性能又提升30％，2017年6月2日；第2篇，復(fù)合材料助力貝爾V－280“英勇”傾轉(zhuǎn)旋翼機發(fā)展，2017年9月22日；第3篇，日本東麗實施并購強化碳纖維復(fù)合材料競爭優(yōu)勢，2018年8月27日；第4篇，日本帝人公司開發(fā)新型耐熱抗沖擊預(yù)浸料，2019年4月1日；第5篇，美國能源部“利用高性能計算促進能源創(chuàng)新”戰(zhàn)略計劃解析，2019年5月17日；第6篇，稀土回收再利用！英國推出稀土金屬回收試點項目，2019年9月17日；第7篇，美空軍實驗室科學(xué)家發(fā)現(xiàn)獨特的可拉伸導(dǎo)體，2019年10月30日。（中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心陳濟桁）

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