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氮化物陶瓷基复合材料

/silicon nitride matrix composite/
最后更新 2022-12-23
浏览 135
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增强纤维和基体均为氮化物的陶瓷基复合材料

英文名称
silicon nitride matrix composite
所属学科
航空宇航科学与技术

随着武器装备的发展,飞行器马赫数越来越高,气动加热越来越强烈,气动烧蚀的问题也越严重。恶劣的使用环境要求透波复合材料同时具有良好的机械性、介电性和烧蚀性,氮化硅(Si3N4)/硅硼氮(SiBN)陶瓷基复合材料是耐1000℃以上长时使用高温透波材料研究最广泛的体系。中国从2011年开始对Si3N4/SiBN复合材料开展系统研究,其制备工艺主要有先驱体浸渍裂解工艺、化学气相沉积工艺和浆料法。氮化物主要包括氮化硼(BN)、Si3N4和SiBN。

BN纤维具有良好的介电性能和较高的耐温性,适合于要求耐较高温度且飞行时间较短的中远程导弹天线罩,但是其强度较低,无法满足高速飞行器高速飞行过程受到的气动力,仅适合于要求耐较高温度且飞行时间较短的中远程导弹天线罩,且其极易被氧化,而无法满足高马赫速飞机的重复使用要求。

Si3N4纤维具有优越的力学性能(抗拉强度达到1.85~3.10吉帕)、良好的耐热冲击性、高耐氧化性、高绝缘性以及良好的弹性模量。同时具有较好的耐高温性能,其热分解温度为1900℃。但是其介电常数偏高,纯氮化硅的介电常数约为7,介电损耗0.001~0.005。20世纪80年代,氮化硅纤维开始研制。典型的氮化硅纤维的成分及基本性能见表。

典型氮化硅纤维的成分及基本性能

单位

成分/wt%

密度/

(g·cm-3

直径/

 μm

拉伸强度/

   GPa

弹性模量/

   GPa

Si

N

C

O

美国道康宁[注]

59.0

28.0

10.0

3.0

2.35

10

2.10~2.45.00

140~175

日本东亚燃料公司

59.8

37.1

0.4

2.7

2.39

10

2.50

300

日本东北大学

54.0

31

0.0

15.0

2.30

12

1.80

139

日本原子能研究所

58.0

35.0

4.0

3.0

2.30

15

2.00

220


SiBN纤维则充分结合BN纤维和Si3N4纤维的优点,通过调节陶瓷纤维中硅(Si)、硼(B)、氮(N)的原子比,可以调节纤维的力学性能和介电性能;增加BN相组分,可以提高纤维的介电性能;增加Si3N4相组分,可以从某种程度上改善纤维的力学性能。但是,由于纤维中B元素的加入,其先驱体及纤维工艺过程更复杂,成本更高,技术成熟度低于BN和Si3N4纤维。

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